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Läufergespeiste Wechselstromkollektormaschine. Die Erfindung betrifft
eine läufergespeiste Wechselstromkollektormaschine, deren Ständerwicklung über Bürsten
mit Schleifringen i#erbunden ist, die je an die Lamellen eines Kollektors angeschlossen
sind, wobei Schleifringsystem und Kollektor mit einer Geschwindigkeit sich drehen,
die von der Tourenzahl des Läufers abhängig ist.
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In den gewöhnlichen Wechselstromkollektormaschinen ist die pro Polpaar
entwickelte elektromotorische Kraft beschränkt, und eine Erhöhung der Leistung kann
nur durch die Anwendung einer größeren Polpaarzahl erreicht «-erden. Will man aber
die dadurch bedingte schwere und kostspielige Konstruktion der Maschine vermeiden,
so muß man die Umdrehungszahl steigern. Bei rasch laufenden Maschinen von großer
Leistung wird jedoch die Ausführung des Kollektors sehr schwierig, denn um die allgemein
übliche Stromdichte nicht zu überschreiten, muß man entweder seinen Durchmesser
oder seine Länge vergrößern. Der Durchmesser ist aber durch die höchst zulässige
'Umfangsgeschwindigkeit begrenzt, während die Länge so zu halten ist, daß die Lager
noch in einer Entfernung voneinander stehen, welche die Kommutation durch ein etwaiges
Schwingen der Bürsten
nicht beeinflußt. Die Schwierigkeit kann umgangen
und somit ein Kollektor mit großer Oberfläche gebaut wie auch ein schwingungsfreies
Arbeiten der Bürsten erzielt werden, sofern die Maschine: i. einen rasch laufenden,
mit wenigen Polpaaren versehenen Läufer und 2. einen langsam laufenden Kollektor
mit zahlreichen Spannungskurven erhält.
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Die Maschine nach der Erfindung entspricht beiden Bedingungen vollkommen.
Daß die Anbringung von zusätzlichen Schleifringen, Bürsten und Verbindungen keine
erhebliche Erschwerung und Verteuerung der Ausführung bedingt, ergibt sich aus der
überlegung, daß die Anzahl der Schleifringe, Bürsten und Verbindungen nicht größer
als diejenige der für ein Polpaar der Spannungskurve bestimmten Kollektorlamellen
zu sein braucht. Die Wirkungsweise der Maschine nach der Erfindung ist von der in
Abb. 2 der amerikanischen Patentschrift Nr. 843 774
dargestellten vollständig
verschieden. Wenn auch in beiden Fällen die Primärspannung an den umlaufenden Teil
gelegt wird, so sind die Kollektorlamellen gemäß der Erfindung an den Ständer, dagegen
dort an den Läufer angeschlossen.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der neuen Maschine
dargestellt. In der Ausführungsform nach Abb. i sind die Abteilungen i, 2, 3, 4,
5, 6, 7, 8 der StänderwicklungS je mit einer Bürste verbunden, die auf den Ringen
I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII eines Schleifringsystems O aufliegen. jeder Schleifring
ist mit einer Lamelle i, 2, 3, 4, 5, 61 7, 8 des Kollektors K verbunden. Der Schleifringsatz
0 und der Kollektor k sitzen auf der gleichen Welle wie der Läufer R und drehen
sich mit der :gleichen Geschwindigkeit. Auf dem Umfange des Kollektors K schleifen
nun drei Bürsten, die mit drei anderen Bürsten verbunden sind, welche j e auf einem
der drei äußeren Schleifringe R aufliegen. Die Klemmen I, II, III der Maschine sind
durch drei Bürsten mit den drei inneren Bürsten B verbunden. Die drei Wicklungen
des Läufers sind mit ihren Enden je mit einem inneren Ring B und einem äußeren Ring
R verbunden.
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Die Pfeile in Abb. z zeigen die Bewegungsrichtung des magnetischen
Feldes. Die Bezugszahlen der Ständeranschlüsse und der Kollektorlamellen sind nicht
im gleichen Umlaufsinn aufgetragen, weil der Läufer und der Kollektor sich in entgegengesetztem
Sinn drehen, In dieser Ausführungsform bildet die theoretische Spannungskurve des
Kollektors K nur eine Welle, d. h. eire Sinusoide mit einer einzigen Periode, aber
man erhält, wie in den üblichen - Generatoren, mehrere Spannungs-\vellen, wenn man
jeden Schleifring des Satzes 0 mit mehreren Lamellen des Kollektors K verbindet.
Dies zeigt Abb. 2. Jeder der sechszehn Ringe des Schleifringsatzes 0 ist mit drei
Lamellen des Kollektors h verbunden, z. B. der Ring I mit den drei Lamellen i, i',
i", die voneinander um i2o° entfernt sind, usw. Die nachfolgenden Betrachtungen
zeigen, mit welcher Geschwindigkeit sich Ringe 0 und Kollektor K drehen müssen,
damit die Maschine richtig arbeitet.
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Ist Nm die sekundliche ,Tourenzahl des Drehfeldes, NR die sekundliche
Tourenzahl des Läufers und N, die sekundliche Tourenzahl des Kollektors, so ist
die Frequenz FR der EMK innerhalb der Läuferwicklung: FR -P-N., worin P die
Anzahl der Polpaare bezeichnet. Die Frequenz Fs der EMK in dem Ständer, den Ringen
0 und dem Kollektor K wird dann sein Fs = P - (Nm -f- NR).
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Das Zeichen -f-- ist für den Fall zu gebrauchen, wo der Läufer im
gleichen Sinne wie das Feld sich dreht, das Zeichen - für die umgekehrte Richtung.
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Die EMK des Läufers und des Ständers haben also verschiedene Frequenzen.
Soll nun die Maschine normal laufen, so müssen der Kollektor und seine Bürsten,
die als Frequenzumformer arbeiten, die Frequenz des Ständers so ändern, daß sie
der des Läufers gleich wird. Wenn R die Anzahl der Wellen der Spannungskurve bezeichnet,
ist die Frequenz Fb auf den Kollektorbürsten: Fb-Fs±R-N,-P- (Nm+R'R)TR-N, Das zweite
Zeichen - gilt für den Fall, daß der Kollektor sich im umgekehrten Sinne der Spannungskurve
dreht, das zweite Zeichen + für gleichen Drehsinn von Kollektor und Spannungskurven.
Man muß also haben: .Fb = FR, d. h.
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P-Nm=P-(Nm±NR) +RN, P-NR-RN, -
d. h. daß, wenn der Läufer sich
gegen das Feld dreht, der Kollektor K sich im gleichen Sinne drehen muß wie die
Spannungskurve, und umgekehrt. Wenn man mit i, a, 3, 4, 5, 6, 7, 8 die Wicklungsteile
des Ständers der Wechselstrommaschine der Abb. i bezeichnet und mit den :gleichen
Ziffern die entsprechenden. Lamellen des Kollektors K, so sieht man, daß es zwei
Arten gibt, die Verbindung zwischen diesen Abteilungen und den Lamellen vorzunehmen:
Wenn man beim Durchlaufen der Lamellen des Kollektors in der Reihenfolge der Zahlen
sich im gleichen Sinne bewiegt
wie die Wicklungsteile des Ständers
bezeichnet sind, so muß der Kollektor K sich im umgekehrten Sinne drehen wie der
Läufer. Wenn man aber beim Durchlaufen der Kollektorlamellen in derselben Richtung
sich entgegen der Reihenfolge bewegt, in der die Ständerteile numeriert sind, so
müssen sich Kollektor und Läufer im .gleichen Sinne drehen.
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In der Ausführungsform nach Abb.2 ist
Ä M Daraus folgt, daß die Läuferwelle mit derjenigen des Schleifringsatzes O und
des Kollektors K durch eine Übersetzung verbunden werden muß, die eine Geschwindigkeitsverminderung
von einem Drittelverursacht.
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An die benachbarten Lamellen des Kollektors kann man auch nur einen
Teil j edel Ständerleiters anschließen. Dies ist besonders vorteilhaft für schnell
laufende und mit großer Nuten Spannung arbeitende Maschinen, in welchen zwischen
die in jedem Leiter erzeugte Spannung die zwischen zwei Ko1lelctorlamellen zulässige
Spannung überschreiten kann. Des Weiteren ist der Ständer unbeweglich, so daß man
seine turn Bürstensatz O führenden Durch die Lüftungskanäle hindurchleiten scann.
Wird die Maschine für sehr große Leistungen gebaut, so kann es vorteilhaft lehr,
wie es in Abb. 3 gezeigt wird, auf ihrem Ständer zwei voneinander unabhängige Wicklungen
0, bzw. OZ anzuordnen. Jede Wicklung wird dann mit einem besonderen Schleifringsatz
O bzw. 02 und mit einem besonderen Kollektor hl bzw. h'2 versehen lein. In Abb.3
bilden Wicklungen ein Mehrphaensyltem, das in Reihenschaltung dem Läufer noch besonders
in Abb. 3a gezeigt ist. Die Wicklungen können, wie in Ab . 3b ist, auch parallel
geschaltet werden. In diesem Falle wird der durch die Schleifringbürsten gehende
Strom zweimal so groß sein als der im Falle der Schaltung nach Abb. 3 und 3a durch
die Ringe des Läufers fließende. Die Ausführungsform nach Abb. d. zeigt einen Wechselstromerzeuger,
dessen Wicklung ES mit dem Schleifringsatz Q verbunden ist und dessen Ringe selbst
an den Kollektor K, auf welchem r2o° elektrisch voneinander stehende Bürsten schleifen,
angeschlossen sind. Der Läufer hät eine Wicklung Er mit drei voneinander unabhängigen
Phasen, die mit den sechs Ringen R des Läufers verbunden sind. Auf diesen Rungen
schleifen einerseits die mit den Bürsten des Kollektors h: verbundenen Bürsten,
andererseits die mit den äußeren Ktemraren des Wechselstromerzeugers verbundenen
Bürsten. Diese speisen den Asynchronmotor A, dessen Geschwindigkeit durch nderung
der Frequenz des Wechselstromerzeugers geregelt werden soll. Der Wechselstromerzeuger
wird durch eine besondere aschine B, welche durch einen Motor 11T angetrieben ist,
erregt.
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Bei Wechselstrommaschinen, deren Schleifringsatz O eine sehr große
Anzahl von Ringen aufweist, ist es unmöglich, alle diese Ringe nebeneinander, längs
einer gemeinsamen Welle, anzuordnen, weil sie zuviel Platz beanspruchen würden.
Wie die Abb. 5 und 6 zeigen, werden auf die Welle F des Schleifrin.gsatzes und des
Kollektors Scheiben A und B aufgekeilt, die in ihrer Mitte eine tiefe Rille e besitzen.
Auf der Stirnseite dieser Scheiben sind konzentrische Ringe f aufgesetzt; in Abb.
6 sind z. B. fünfzehn solcher Ringe eingezeichnet. Die Verbindungen der Ringe werden
in untergebracht, die der Welle und den Scheiben ausgespart sind und führen von
da in die Rille e. Die Bürsten für diejenigen Ringe, die sich auf der linken Stirnseite
der Scheiben befinden (s. Abb. 6), sind durch Bürstenträger g getragen, die oberhalb
der Welle F angeordnet sind; die Bürsten für diejenigen Ringe, die auf der rechtem
Stirnseite angeordnet sind, sind durch Bürstenträger h gehalten, die unterhalb der
Welle F angeordnet sind.