DE606562C - Elektrische Kommutatormaschine mit Nutendaempferwicklung - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
5. DEZEMBER 1934

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVe 606 KLASSE 2Id¹ GRUPPE

Elektrische Kommutatormaschine mit Nutendämpferwicklung

Patentiert im Deutschen Reiche vom 12. März 1931 ab

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Kommutatormaschinen mit Dämpferwicklungen in den Nuten der Ankerwicklung zur Verbesserung der Kommutierung.
Die Leistung einer elektrischen Maschine ergibt sich aus der Summe aller Leistungswürfel ABv über die gesamte aktive Ankeroberfläche DL. Bei gegebenem Ankerdurchmesser D ist die Leistung einer Maschine demnach, wenn der Strombelag A und die reduzierte Feldstärke B konstant angenommen werden, proportional dem Produkt aus Ankerumfangsgeschwindigkeit ν und aktiver Maschinenlänge L, welches mit Flächengeschwindigkeit bezeichnet wird. In diesem Fall wird daher die Leistung der Maschine bei Vergrößerung der Flächengeschwindigkeit gesteigert. Diese Steigerung ist jedoch begrenzt, und zwar dadurch, daß bei einer

ao gewissen, durch die Ausbildung der Maschine gegebenen Größe der Flächengeschwindigkeit die Stromabgabe der Bürste am Kommutator unzulässige Funkenbildung hervorruft. Aus dem Kirchhoffschen Gesetz folgt nämlich, daß die während der Kommutierungsperiode frei werdendem, magnetischen Energien in den Widerständen des durch die Bürsten kurzgeschlossenen Spulenstromkreises aufgezehrt werden müssen. Der Widerstand dieses Spulenstromkreises besteht in der Hauptsache aus dem Bürstenübergangswiderstand. Die Vergrößerung der Maschinenleistung könnte nun bei gegebenem Durchmesser entweder durch eine Vergrößerung der wirksamen Maschinenlänge oder durch eine Steigerung der Drehzahl erzielt werden. Durch Vergrößerung der Länge L erhöht sich jedoch auch verhältnisgleich die magnetische Stromwendeenergie 2 · / · ■& der Ankerspule (worin / der Stabstrom vor der Kommutierung und -0* das Magnetfeld der kommutierenden Spule zu Beginn der Kommutierung ist); durch die Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit wird aber andererseits die Kommutierungsdauer verringert. Aus beiden Gründen steigt infolgedessen die im Bürstenübergangswiderstand zu verrichtende Kommutierungsleistung. Ist dieser Wert zu hoch, so wird ein Teil der magnetischen Energie in der durch die Funkenbildung verursachten Materialzerstörung an der Schleiffläche der Bürsten und Kollektorlamellen aufgezehrt, wodurch die Betriebsfähigkeit der Maschine herabgesetzt wird.

Aus diesen Gründen ist also bei Erreichung des zulässigen Grenzwertes der Flächen-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Ernst Klossf in Falkensee b. Berlin.

geschwindigkeit ein Bau größerer Maschinen nur durch Vergrößerung des Maschinendurchmessers möglich.

Werden nun Wendepole zur Verbesserung der Kommutierung vorgesehen, so kann man trotzdem nicht beliebig hohe Werte der Flächengeschwindigkeit erzielen, weil die Aufhebung der Stromwendungsenergie durch das Wendefeld zwar im Mittel für die ganze to Kommutierungsperiode, nicht jedoch in jedem Augenblick vollständig möglich ist; denn während der Kommutierung entstehen noch innerhalb der kurzgeschlossenen Spule Fluktuationen des von der Spule umschlossenen Feldes, an die das Wendefeld nicht angepaßt werden kann. Infolgedessen müssen die noch nicht ausgeglichenen magnetischen Energiebeträge an der Bürste aufgenommen werden. Hierdurch wird wieder die höchst zulässige Flächengeschwindigkeit begrenzt. Die nicht ausgeglichenen Kommutierungsleistungen steigen mit dem Grundwert der Kommutierungsleistung an. Wenn auch durch Anwendung von Wendepolen die Kommutierung erheblich verbessert wird, so ergeben sich bei größeren Leistungen aber immer noch Maschinen mit großem Durchmesser und schmalem Anker, die verhältnismäßig teuer sind. Die bekannten Schwierigkeiten, die bei großen Maschinen dieser Art auftreten, hat man dadurch zu bekämpfen versucht, daß man Dämpferwicklungen angeordnet hat, die mit dem Nutenfeld magnetisch verkettet sind. In diesem Zusammenhang ist eine Anordnung bekanntgeworden, bei der die Dämpferwicklung aus besonderen unter- oder oberhalb der eigentlichen Ankerwicklung in der Nut verlegten Leitern besteht, die in sich zu Spulen oder Schleifen geschlossen sind. Bei einer anderen Anordnung wird eine Dämpferspule an einem oberhalb des Ankerleiters und einem anderen zwischen zwei übereinanderliegenden Ankerleitern in der Nut geführten zusatz- ■ liehen Leiter gebildet. Derartige Dämpferspulen bewirken eine zeitliche Verzögerung der Änderung des Nutenfeldes gegenüber dem Strom, so daß ein Teil der magnetischen Energie des Spulenfeldes erst nach Ablauf der Kommutierung imWiderstand der Dämpferspule vernichtet wird und so die von der Bürste aufzunehmende Kommutierungsleistung um diesen Betrag vermindert wird. Diese Dämpferspulen nehmen jedoch verhältnismäßig viel Raum gerade in dem gezahnten Ankerteil, in dem die Kraftliniendichte besonders hoch getrieben ist, in Anspruch, so daß sie die Ausnutzung der Maschine herabsetzen. Nach der vorliegenden Erfindung kann eine Vereinfachung derartiger Dämpferspulen, bei der gleichzeitig der vorgenannte Nachteil weitgehend vermieden wird, dadurch erreicht werden, daß dieDämpferwicklung aus einem der im Grund der Nut liegenden Leiterstäbe der Ankerwicklung selbst und einem oberhalb der übrigen Ankerleiter liegenden, mit dem unteren Leiterstab der Ankerwicklung verbundenen besonderen Dämpferstab besteht. Dabei ist also im Gegensatz zu den bekannten Dämpferspulen nur die Anbringung einer besonderen Spulenseite erforderlich, weil als zweite Spulenseite der Unterstab der Ankerwicklung selbst benutzt wird.

Der hierdurch erzielte Vorteil besteht vor allem darin, daß ein besonderer Raum zur Unterbringung der zweiten Spulenseite innerhalb der Nut nicht erforderlich ist und daher die diesem Raum entsprechende Leistungsreduktion fortfällt. Daß diesem Vorteil keinerlei erhebliche Nachteile gegenüberstehen, geht aus dem Folgenden hervor.

Im linken Teil der Fig. 1 ist in vereinfachter Form eine Ankernut mit Ober- und Unterstab dargestellt. Es soll^: angenommen werden, daß die Stromdichte über dem gesamten Querschnitt der Leiterstäbe gleich ist, was z. B. bei den heute in großem Umfang verwendeten wirbelstromfreien Kunststäben zutrifft. Im mittleren Teil der Fig. 1 ist über der Nuttiefe die magnetische Feldstärke des Eigenfeldes der Stäbe in der Nut dargestellt. Die Feldkurve stellt ein einfaches Dreieck a, b, c dar. Die" Größe der in verschiedenen Höhenschnitten der Leiter von diesem Feld induzierten elektromotorischen Kräfte ist jeweils durch die Größe der Trapezfläche bestimmt, die durch die Höhenlage einerseits und die obere Seite b, c des Dreiecks andererseits begrenzt wird. Im rechten Teil der Fig. 1 sind diese Spannungen in den Höhenschnitten in Abhängigkeit von der Nuttiefe aufgetragen. Die Spannungen ändern sich über die Nuttiefe nach dem mit d, e bezeichneten parabolischen Kurvenzug. Aus dieser Kurve ergibt sich die im Unterstab vom Nutenquerf eld induzierte mittlere Stromwendespannung als Mittelwert der Flächen e, f,g,h mit etwa 92 o/_o der höchsten Spannung e, h. Der Mittelwert der Spannung ist durch die Gerade i, k angedeutet. In ähnlicher Weise ergibt sich die im Oberstab induzierte mittlere EMK, die durch die Linie I, m angedeutet ist, mit etwa 42 °/₀ der höchsten Spannung e, h in dem Höhenschnitt am Grunde der Nut. Die Gesamtsumme der in einer aus Oberstab und Unterstab gebildeten kurz- ;eschlossenen Spule induziertenStromwendespannung besitzt also einen Wert von 134 °/₀ der maximalen Spannung e, h.

Nimmt man nun für den Idealfall an, daß iao während der Kommutierungszeit durch eine Dämpferspule, die nur den oberen Leiter-

stab umschließt, eine Änderung des umschlossenen Magnetfeldes während der Kommutierungszeit vollständig verhindert wird, so wird im Bereich des Oberstabes itberhaupt keine Induktionsspannung mehr erzeugt. Außerdem vermindert sich in diesem Fall die Induktionsspannung des Unterstabes um die Größe g, f, so daß nur noch eine mittlere Restspannung i, ρ in Größe von 17 0/0 der maximalen Spannung e, h im. untersten Höhenschnitt übrigbleibt. Mit Vorteil kann man nun bei dieser Anordnung den Unterstab auch massiv ausführen. Dann wird auch noch die Restspannung von 17 °/₀ der maximalen Spannung e, h infolge des Auftretens λόπ Wirbelströmen im Unterstab abgedämpft. Praktisch wird sich, wie bei allen Dämpfungsspulen überhaupt, allerdings keine vollständige, aber doch eine sehr weitgehende Dämpfung des magnetischen Feldes des Oberstabes erreichen lassen.

In der Fig. 2 ist als Ausführungsbeispiel eine Dämpferwicklung gemäß der Erfindung dargestellt. Mit 1 ist die Nut einer Kommutatormaschine, beispielsweise einer Gleichstrommaschine, bezeichnet, in welcher die Leiterstäbe 2 und 2' eingebettet sind. Oberhalb der Leiterstäbe 2, 2' ist noch ein weiterer Leiter 3 angeordnet, der mit dem untersten der Leiterstäbe 2 an den Enden des Ankereisens auf beiden Seiten der Maschine leitend verbunden ist. Durch den unteren Leiter 2' sowie den oberhalb der übrigen Leiterstäbe in der Nut angeordneten Leiter 3 wird die Dämpferspule gebildet.

Bei der obenstehenden. Betrachtung war zunächst vernachlässigt, daß im Bereiche der Eisenlänge im Räume des Nutenkeiles und oberhalb der Nut im Luftspalt ebenfalls Magnetfelder durch die Ströme der Ankerleiterstäbe erzeugt werden. Wesentlich ist, daß diese Magnetfelder mit allen Leitern der Nut gleich verkettet sind, so daß die durch diesen Teil des Magnetfeldes induzierten Spannungen für den Unterstab und Oberstab gleich groß sind. Durch die oberhalb der Dämpferspule verlaufenden Magnetfelder werden die mittleren Spannungen beim Kommutieren noch um diesen Betrag erhöht. Um nun auch einen Teil dieser Spannungen zu dämpfen, wird die Dämpferspule in derWeise verbessert, daß der obere Dämpferstab 3 in den Bereich des Nutenkeils verlegt wird. Der Stab kann dabei so ausgebildet werden, daß er aus dem Ankereisen in den Luftspalt hineinragt. Bei dieser Konstruktion wird das Feld des Keiles vollständig und das Zahnkopfstreufeld teilweise erfaßt. Der Dämpferstab 3 kann dabei zur Vermeidung von Wirbeiströmen in tangentialen Ebenen lamelliert sein.

In der Fig. 3 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem die Dämpferwicklung auch noch einen großen Teil der Zahnkopfstreuung erfaßt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Dämpferspulen in der Nut vorhanden, welche aus den beiden Unterstäben 6, 6' sowie den im Nutenkeil 4 liegenden Dämpferstäben 5, 5' in der Weise gebildet werden, daß die beiden vorderen und die beiden hinteren Enden der Anker- und Dämpferstäbie, wie aus Fig. 3 ersichtlich, miteinander leitend verbunden werden. Der Nutenkeil ist bei dieser Konstruktion so ausgebildet, daß er noch zum Teil in den Luftspalt der Maschine hineinragt. Die beiden Dämpferstäbe 5, 5' sind gerade in dem in den Luftspalt hineinragenden Teil des Keiles untergebracht, damit ein Teil der durch den Luftspalt verlaufenden Kraftlinien noch von der Dämpferspule mit umfaßt wird. Es ist dabei ausreichend, wenn die Dämpferstäbe außerhalb des Ankerumfanges angeordnet werden oder wenigstens etwas radial über den Ankerumfang hinausragen, weil dabei infolge des nach einem Hyperbelgesetz erfolgendem Abnehmens der Feldstärke bereits ein sehr erheblicher Teil der magnetischen Streulinien des Zahnkopfes von der Dämpferspule erfaßt wird. Nimmt man im vorliegenden Beispiel an, daß der Dämpferstab radial etwa um die halbe Nutbreite über das Ankereisen hinausragt, und sieht man von Zahnkopffeldstärke unter 10 °/₀ ab, so kann die von dem Keilraum- und Zahnkopffeld hervorgerufene zusätzliche Stromwendespannung, die dann etwa einen Wert von 96 °/₀ der höchsten Spannung e, h im untersten Höhenschnitt der Nut besitzt, auf etwa 44 °/o vermindert werden. Bei Verwendung von Wendepolen vermindert sich die von der Dämpferwicklung aufzunehmende Energie durch den vom Wendefeld kompensierten Betrag.

Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Dämpferspulen kann also bei idealer Dämpfung, die praktisch allerdings nie erreicht wird, die gesamte Stromwendespannung von ²3° °/o d^er Spannung e, h bei Maschinen ohne Dämpferwicklung auf etwa 44°/oj d.h. auf Y₆, herabgesetzt werden. Damit wird auch die von der Bürste zu unterbrechende Kommutierungsleistung auf ^x/_e verringert gegenüber Maschinen ohne Dämpferspulen.

Wie bereits bemerkt wurde, kann die Verbindung des oberen Dämpferstabes mit dem unteren Dämpferstab unmittelbar an den Austrittsstellen des Dämpferstabes aus dem Eisenpaket der Maschine erfolgen. Man kann jedoch auch, wie in Fig. 4 dargestellt ist, den oberenDämpferstab 3 längs' des Oberstabes 2 im Wickelkopf bis in die Nähe der

Zwingen 14 führen und von dort wieder zurück zum Ankereisen der Maschine und dort mit dem Unterstab 2' verbinden. Bei dieser Anordnung wird auch das Eigenstreufeld des Oberstabes im Wickelkopf der Maschine noch gedämpft. Wenn auch erfahrungsgemäß die im Bereich des Wickelkopfes erzeugten Stromwendespannungen keinen so erheblichen Einfluß auf die Kommutierung to ausüben wie die im Bereich des Anfeeneisens erzeugten, so können sie immerhin bei großen Polteilungen störend sein.

Die Verbindung des Dämpferstabes 3 mit dem Unterstab kann auch an den Zwingen 14 des Unterstabes vorgenommen werden, wobei die Verbindungsleitung etwa in der in der Zeichnung strichpunktiert angedeuteten Weise in Richtung des Maschinenumfanges an den Zwingen entlang geführt wird. ao Bei kräftiger Ausbildung des Oberstabes der Dämpferwicklung kann unter Umständen an Stelle einer offenen Nut eine halb oder ganz geschlossene Nut verwendet werden. Derartige Nuten besitzen neben anderen vor allem den Vorteil, daß ein Keil und Raum für diesen Keil gespart wird. Dabei können die Stäbe zum Einlegen in die Nut durch den offenen Schlitz eingeführt werden. Ist die Nut ganz geschlossen, dann müssen die Stäbe axial eingeschoben werden, so daß auf einer Seite die Schenkel nach dem Einschieben erst abgebogen werden können. In diesem Falle können die Schaltverbindungen auch durch Anschweißung von Verlängerungsstücken hergestellt werden.

Bei Maschinen mit geschlossenen Nuten kann, wie in Fig. 5 dargestellt ist, der am oberen Teil der Nut liegende Dämpf erstab aus mehreren parallelen Zweigen hergestellt werden, die so ausgebildet sind, daß der Oberstab für sich wieder eine Kurzschlußwindung darstellt, die den die Nut umschließenden Eisensteg einschließt. Die eigentliche Nutendämpferwicklung besteht bei dieser Konstruktion aus dem Ankerleiter 10' im Grunde der Nut sowie den beiden flach ausgebildeten Leiterstäben 11 und 12, die außerhalb des Eisenpaketes der Maschine mit dem Leiter io' verbunden sind. Der Vorteil, der durch die zuletzt dargestellte Wicklungsanordnung erzielt wird, besteht darin, daß die Verschlechterung der Kommutierung durch das durch den Steg 13 der Nut verlaufende Eigenfeld der Stäbe vermieden wird. Dabei sind außerdem noch die bekannten Vorteile geschlossener Nuten vorhanden, d. h. daß durch die magnetischen Felder hervorgerufene Geräusche sowie ein Teil der zusätzlichen Verluste verringert werden.

Claims (7)

1. 60 Patentansprüche:

   ι . ElektrischeKommutatormaschinemit Nutendämpferwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpferwicklung aus einem der im Grund der Nut liegenden Leiterstäbe der Ankerwicklung und einem oberhalb der übrigen Ankerleiter liegenden, mit dem unteren Leiterstab der Ankerwicklung verbundenen besonderen Dämpferstab besteht.
2. 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpferstab an seinen Austrittsstellen aus dem Eisenpaket der Maschine mit einem der Unterstäbe der Ankerwicklung verbunden ist.
3. 3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Dämpferstab axial über das Ankereisen hinausragt und so angeordnet ist, daß auch sein •Stirnverbindungsstreufluß mit der Ankerwicklung verkettet ist.
4. 4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberstab der Dämpferwicklung radial über das Ankereisen hinaus in den Luftspalt hineinragt.
5. 5. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Dämpferstab zur Vermeidung von Wirbelströmen in tangentialen Ebenen lamelliert ist.
6. 6. Maschine nach Anspruch 1 oder folgenden mit halb offenen oder geschlossenen Nuten, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberstab der Dämpferspule aus einem geraden Leiterteil sowie einem oder mehreren mit diesem nach dem Einführen des Dämpferstabes in die Nut verbundenen gekröpften oder gebogenen Leiterteilen besteht.
7. 7. Maschine nach Anspruch 1 oder folgenden mit geschlossenen Nuten, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Spulenseite der Dämpferwicklung aus zwei parallelen Teilleitern besteht, welche ihrerseits eine Kurzschlußwindung bilden und den die geschlossenen Nuten einschließenden Eisensteg umschließen.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen