DE269307C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 269307 KLASSE 2\d. GRUPPE

ALEXANDER HEYLAND in BRÜSSEL.

Mehrphasenkollektormotor. Patentiert im Deutschen Reiche vom 15. Juni 1913 ab.

Bekannt sind die Einphasenrepulsionsmotoren, welche relativ zum Felde einachsig kurzgeschlossene Bürsten haben und durch Feldregelung bzw. Feld- oder Bürstenverdrehung angelassen oder reguliert werden können. Ihre Vorteile bestehen unter anderem in erster Linie in ihrer Einfachheit sowohl in der Ausführung wie in der Einfachheit ihrer Regelung und haben z. B. dazu

ίο geführt, daß man sie selbst in Mehrphasennetzen für größere Leistungen benutzt hat, indem man den Dreiphasenstrom durch Zerlegung nach der Skottschen Schaltung in zwei Einphasenströme gespalten und den Motor durch zwei gekuppelte Einphasenrepulsionsmotoren ersetzt hat.

Ebenso sind bekannt die verschiedenen Arten von Einphasenkommutatormotoren mit zweiachsigen Bürstensätzen, von denen der eine, sei es in der Hauptachse oder in der hierzu senkrechten oder in einer irgendwie geneigten Achse, kurzgeschlossen oder über eine niedere Erregerspannung in sich geschlossen ist und der andere durch Anschluß an einen Stromkreis von in weiteren Grenzen veränderlicher Spannung und Strom zur Tourenregelung benutzt wird.

Bei Mehrphasenkommutatormotoren ist das gleiche nicht ohne weiteres möglich, weil die Statorwicklung ein Feld in verschiedenen Richtungen erzeugt.

Würde man den Anker eines solchen Mehrphasenkommutatormotors durch zwei Bürsten kurzschließen, so würden dieselben zu einer Achse neutral liegen, in der hierzu senkrechten Achse aber einen direkten Kurzschluß der Feldamperewindungen bewirken. Das Resultat würde genau das gleiche sein, als wenn man den Anker eines mehrphasigen Induktionsmotors, anstatt über drei, über zwei Schleif- ringe kurzschließt, wodurch man bekanntlich derartige Motoren anlassen kann, jedoch nicht ähnliche Eigenschaften wie beim Einphasenrepulsionsmotor erzielt.

Schließt man den Anker eines Mehrphasenkommutatormotors über drei Bürsten kurz, so ist dieses im Prinzip identisch mit dem Kurzschluß über drei Schleifringe beim mehrphasigen Induktionsmotor. Es sind ebenso wie dort Widerstände zum Anlassen erforderlieh. Man findet derartige Motoren wohl j als dreiphasige Repulsionsmotoren bezeichnet. Eigenschaften, wie sie der Einphasenrepulsionsmotor aufweist, kommen dabei aber nicht in Frage.

Andererseits sind durch die deutschen Patentschriften 193392 und 241437 Repulsionsmotoren für Mehrphasenstrom an sich bekannt. Bei diesen wird die den Einphasenrepulsionsmotoren zukommende Eigenschaft in der Weise angestrebt, daß die Pole der Maschine in Polpaare zerlegt werden, die voneinander ganz unabhängig sind, so daß gewissermaßen jedes Polpaar einen unabhängigen einphasigen Repulsionsmotor darstellt.

Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß es bei Mehrphasenkommutatormotoren, insbesondere bei geeigneter' Ausführung der Wicklung, auch ohne Zerlegung der Pole der Maschine in Polpaare möglich ist, den Einphasenrepulsionsmotoren wesensgleiche Eigenschaften zu erzielen, und

zwar durch paarweises, der Phasenzahl entsprechend verschiedenachsiges Kurzschließen von Bürsten, deren Abstand voneinander, auf dem Kommutatorumfang gemessen, jeweils kleiner ist als der zwischen den Achsen der verschiedenen Phasen der Statorwicklung liegende Teil des Kommutatorurnfanges.

In den Fig. 4 bis ii sind verschiedene Anwendungen des Prinzips erläutert, während

ίο die Fig. ι bis 3 zur Erläuterung der bekannten Vorgänge dienen.

Fig. ι und 2 zunächst stellen Schemata für einphasige Repulsionsmotoren in der Nullstellung dar, und zwar Fig. 1 mit einem einfachen Bürstensatze, der in der Richtung %-%. den Anker kurzschließt, Fig. 2 mit vier parallelen Bürstensätzeri, die den Anker in der gleichen Richtung x-x kurzschließen. Der stark ausgezogene Kreis S bezeichne die Statorwicklung mit den einphasigen Zuführungen i, i, R die Rotorwicklung bzw. deren Kommutator mit den innen eingezeichneten Bürsten. Das Feld ist durch die innerhalb des Rotors eingezeichneten zwei Pfeile markiert und induziert in den beiden Ankerhälften Spannungen von untereinander gleicher Phase, wie durch die außerhalb des Rotors eingezeichneten kleinen Pfeile angedeutet ist, und die in der gezeichneten Stellung sich relativ zur Kurzschlußachse aufheben. Werden derartige Motoren dann z. B. durch Verdrehung der Bürsten angelassen, so bewirken die zwischen den Bürsten induzierten Ströme zunächst lediglich eine Verdrehung der Feldachse, deren senkrechte Komponente durch die Stat or wicklung bestimmt ist.

Das Wesen des Repulsionsmotor beruht auf der einachsigen Komponente des Statorfeldes, wie sie dem Einphasenmotor eigen ist, und dem einachsigen Kurzschlüsse des Rotors. Fig. 3 zeigt das zweipolige Schema eines Dreiphasenkommutatormotors mit den drei Zuleitungen 1, 2, 3 und dreiachsig, beispielsweise den Achsen u, v, w, kurzgeschlossenen Bürsten. Wäre der Kurzschluß einachsig, wie bei den obigen Einphasenmotoren, so würde das Feld in einer Achse kurzgeschlossen und in der hierzu senkrechten nicht. Bei diesem dreiachsigen Kurzschlüsse hingegen kann im Motor im Stillstand überhaupt kein Ankerfeld auftreten. Selbst wenn man annimmt, der Motor sei so gewickelt, daß die Achsen der Statorspulen, wie in der gezeichneten Stellung, nicht mit den Bürsten zusammenfallen, d. h. mit kurzen Spulen, so wird doch das Feld in jeder Bürstenstellung durch die Kurzschlußströme der Bürsten aufgehoben.

Das Feld im Rotor müßte nämlich dann abwechselnd den durch die drei innerhalb des Rotors eingezeichneten, ein Dreieck bildenden Pfeile markierten Verlauf haben, und würde in den einzelnen Hälften der Kurzschlußstrom-kreise Spannungen verschiedener Phase erzeugen, die ihrer Phase nach durch die außerhalb des Rotors gezeichneten kleinen Pfeile angedeutet sind. Dieselben setzen sich dann immer zu Komponenten zusammen, die in Richtung des Kurzschlusses zwischen je zwei Bürsten liegen und den Anker in sämtlichen Richtungen kurzschließen, so daß der Anker sich ebenso verhält wie der Kurzschlußanker eines Induktionsmotors und ein Ankerfeld im Stillstande nicht auftreten kann.

Bei dem vorliegenden Motor soll nun eine ganz ähnliche Wirkung zunächst erzielt werden wie beim Einphasenrepulsionsmotor, und zwar dadurch, daß der Anker durch im zweipoligen Schema paarweise verbundene Bürsten der Phasenzahl entsprechend verschiedenachsig, aber nur teilweise, kurzgeschlossen wird, wobei der Abstand der Bürsten auf dem Kommutator voneinander etwas kleiner ist als der zwischen den Achsen der Phasen des Stators liegende Teil des Kommutatorumfanges.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung der Bürsten für das gleiche Schema, die hier dreiphasig, also zu drei Paaren in der x-, y- und 2-Achse verbunden sind.

Auch hier würde, wenn wir zunächst wieder für die Statorwicklung Dreiphasenwicklung mit kurzen, um ²/_a der Polteilung sich überlappenden Spulen annehmen, das vom Stator erzeugte Feld durch die im Dreieck angeordneten Vektoren dargestellt sein. Es zeigt sich dann aber, daß die in den Kurzschluß-Stromkreisen x, y, ζ induzierten Ströme an den frei bleibenden Stellen ein durch die punktierten Pfeile markiertes Feld erzeugen müssen und dieses sich dem ursprünglichen, vom Stator erzeugten Felde so überlagert, daß innerhalb jedes Bürstenpaares sich ein einachsiges, durch die ausgezogenen Pfeile markiertes Feld einstellt, genau so wie das einachsige Feld beim einphasigen Repulsionsmotor.

In der gezeichneten Nullstellung fließt dabei zwischen den Bürsten nur ein schwacher Magnetisierungsstrom, welcher gerade aus- reicht, das durch die punktierten Pfeile angedeutete Korrektionsfeld zu erzeugen.

Prinzipiell könnte hierbei für den Stator jede bekannte Mehrphasenwicklung benutzt werden, beispielsweise auch die übliche Durchmesserwicklung, für Dreiphasenstrom mit'einem Winkel gleich Va der Polteilung zwischen den Achsen der Phasen. Nur müßte dann der Abstand zwischen den Kurzschlußbürsten verhältnismäßig sehr klein werden, sowohl wegen des geringeren Abstandes zwischen den Achsen der aufeinanderfolgenden Phasen als auch wegen deren kleineren elektrischen Phasen-Unterschiedes von 60°, welcher, wie aus der eingezeichneten Zusammensetzung der Felder

hervorgeht, ein größeres Korrektionsfeld erfordern würde.

Besser ist es, den Phasenunterschied zwischen den aufeinanderfolgenden Phasen größer zu wählen, beispielsweise wie in dem erläuterten Beispiele mit verkürztem 'Wicklungsschritt zu 120° oder durch Verkettungen in 6- oder g-Phasenschaltung zu 150° bzw. 160 ° u. dgl.

■ Fig. 5 zeigt die Bürstenverstellung im Anlaufe bzw. im Betriebe. Es gelten für alle weiteren diesbezüglichen Eigenschaften des Motors dieselben Gesichtspunkte wie für Einphasenrepulsionsmotoren. Die Bürsten können beispielsweise im ganzen verstellt werden, so daß die Fig. 4 in Fig. 5 übergeht, oder es können, wie beim Derimotor, die Bürsten b feststehen und die Bürsten b^x allein verstellt werden. Ebenso können auch irgendwelche sonstwie für Einphasenmotoren bekannte Mittel benutzt werden.

In der Nähe des Synchronismus können die einzelnen Bürstenpaare untereinander verbunden werden, so daß der Motor als einfacher Induktionsmotor arbeitet, eventuell über eine schwache Erregerspannung e durch einen Schalter i, wie in Fig. 5 der Klarheit halber nur für die eine Phase 3 — 1 eingezeichnet ist, so daß der Motor als kompensierter Induktionsmotor arbeitet.

Die Bürsten können auch, anstatt kurzgeschlossen zu sein, -über eine schwache Erregerspannung e¹ in sich geschlossen sein, so daß bereits beim Betrieb als Repulsionsmotor von einer gewissen Tourenzahl an Kompensierung eintritt, wie in Fig. 5 z. B. der Klarheit halber nur für die Phase 2 eingezeichnet ist.

Ebenso können durch entsprechende" Schaltungen dieselben Wirkungen erzielt werden, wie bei den verschiedenen Arten von Einphasenmotoren mit zweiachsigen Bürstensätzen. Fig. 6 zeigt z. B. einen derartigen mehrphasigen Repulsionsmotor mit besonderen Erregerbürsten b, b, b, die an einen primär verbundenen Nebenschlußtransformator T so an geschlossen sind, daß durch Einstellung der Erregerspannung die Tourenzahl geregelt oder nach Belieben unter- oder übersynchron fest eingestellt werden kann.

Fig. 7 zeigt eine ähnliche Anordnung mit pro Phase zwei parallelen Bürstensätzen, wobei die äußeren gleichzeitig als Erregerbürsten benutzt sind. Dieselben sind hier in entsprechender Weise in Serie zum Primärstrome angeschlossen, uud der Motor erhält die gleichen Eigenschaften wie die bekannten Einphasenmotoren nach Winter-Eichberg und Latour.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung mit pro Phase zwei parallelen Bürstensätzen, wobei die äußeren als Haupt burst en dienen und an einen regelbaren Nebenschlußtransformator T angeschlossen sind, während die Kurzschlußachsen als Erregerachsen dienen.

Fig. 9 zeigt eine analoge Anordnung, wobei die Hauptbürsten B, B; B durch den Transformator T in Serie zum Primärstrome angeschlossen sind. Der Transformator ist hierbei durch eine dritte Wicklung an die benachbarten Phasen so angeschlossen, daß in den Erregerbürsten ein selbsttätig sich regelnder Strom induziert wird, und der Motor, ähnlich wie nach Fig. 7, Seriencharakter erhält.

Die Anordnungen nach Fig. 6 und 7 bzw. Fig. 8 und 9 können auch gleichzeitig benutzt werden, insbesondere die letzteren zwei, wobei der betreffende Motor nach Belieben Nebenschluß- oder Kompoundcharakter erhalten kann.

Schaltungen nach Fig. 6 und 7 eignen sich besonders für uhtersynchronen, nach Fig. 8 und 9 besonders für übersynchronen Betrieb, ähnlich wie dieses auch bei den entsprechenden Einphasenmotoren der Fall ist.

Fig. 10 und 11 schließlich zeigen, daß es auch möglich ist, größere Phasendifferenz zwischen den aufeinander folgenden Phasen durch Verkettung im Motor selbst zu erzielen und hierdurch das erforderliche Korrektionsfeld zu reduzieren.

Der Wicklungsschritt in Fig. 10 sei ¹I₁₂ des Umfanges und die Stator wicklung an zwölf Stellen aufgeschnitten. Verkettet man dann die einzelnen Sektionen in der aus Fig. 11 ersichtlichen Weise, so erhält man eine zehnpolige Sechsphasenschaltuiig und zwischen den benachbarten Phasen die durch die in Fig. 11 z. B. für Sektion 9 und 10 eingezeichneten Pfeile dargestellte Differenz von 150 °. Der Wert des punktiert gezeichneten Korrektionsfeldes fällt hierbei auf die Hälfte desjenigen bei Dreiphasenschaltung, während die Klemmen I, II, III hier wie dort direkt an Dreiphasenstrom angeschlossen werden können.

Die Windungszahlen wird man hierbei immer zweckmäßig so wählen, daß die Amperewindungen pro Phase ungefähr die gleichen werden. Desgleichen könnte man den Dreiphasenstrom auch in neun Phasen zerlegen, ohne die Zerlegung in Transformatoren vornehmen zu brauchen. Wie aber schon an Hand der Fig. 4 erläutert wurde, übt selbst bei dreiphasiger Schaltung mit verkürztem Wicklungsschritt · das sich selbsttätig einstellende Korrektionsglied keine sehr schädlich fühlbare Wirkung aus.

Die Erfindung bezieht sich somit in erster Linie auf Mehrphasenkollektormotoren mit verkürztem Wicklungsschritt. Dies sind Motoren, bei welchen' der Wicklungsschritt, auf ein zweipoliges Schema bezogen, nicht dem Durchmesser, sondern einer Sehne zum Kreise ent-

spricht. Die Statorspulen sind dann zweckmäßigerweise so zu wickeln, daß ihre Stromwindungen sich in ähnlicher oder gleicher Weise zusammensetzen oder überlappen wie die des Rotors, und erzeugen zunächst bei Stillstand des Motors kein Drehfeld, sondern ein pro Statorspule unter zwei verschiedenen Phasen schwingendes Feld. ■

In gleicher Weise, wie hier beschrieben, ίο lassen die Motoren sich natürlich auch als Generatoren benutzen.

Claims (8)

Patent-An Sprüche:

1. MehrphasenkOllektormotor, gekennzeichnet durch paarweise, der Phasenzahl entsprechend verschiedenachsig kurzgeschlossene oder durch Stromkreise niederer Spannung verbundene Bürsten auf dem Kommutator, die an Stellen bzw. äquipotentialen Stellen des Kommutators aufliegen, deren Abstand, auf dem Kommutatorumfang gemessen, kleiner ist als der zwischen den Achsen der verschiedenen Phasen der Statorwicklung liegende Teil des Kommutatorumfanges.

2. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der' Motor mit verkürztem Wicklungsschritt, sogenannter Sehnenwicklung, ausgeführt ist.

3. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlauf bzw. die Regelung, wie beim Einphasenrepulsionsmotor, durch Veränderung des Winkels zwischen Stator und Rotorachse mittels Bürstenverschiebung ο. dgl. bewirkt wird.

4. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Synchronismus die verschiedenen Bürsten untereinander direkt oder über eine äußere Stromquelle verbunden werden.

5. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutator durch besondere Bürsten oder Kurzschlußbürsten verschiedener Phase in Parallel- oder Serienschaltung zum Rotor verbunden ist, zum Zwecke einstellbarer oder selbsttätiger Tourenregelung im Betriebe.

6. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor in Richtung der Hauptachsen der einzelnen Phasen in Serie zum Stator verbunden ist und gleichzeitig dem Hauptstrome der betreffenden Phase ein phasenverschobener Strom übergelagert ist.

7. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor für eine größere Phasenzahl ausgeführt ist, als dem Betriebsstrom entspricht, und der Betriebsstrom in Strom größerer Phasenzahl, durch Verkettung in Transformatoren u. dgl., zerlegt wird.

8. Ausführungsform nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerlegung des Stromes in größere Phasenzahl durch entsprechende Verkettung der Motorwicklung selbst bewirkt wild.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen