DE663697C - Elektrische Kommutatormaschine mit Trommelanker - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Bauform von Kommutatormaschinen. Durch die deutschen Patentschriften 489 488 und 514279 sind Kommutatormaschinen bekanntgewordeni, bei denen die einander zugekehrten Enden der Eisenkerne eines Polankermotors für Gleich- oder Wechselstrom sowohl an den Feldpolen als auch an den Ankereisen durch geschlossene Polringe aus Eisen verbunden sind. Der Anker dieses Polankermotors hat Scheibenform und ist mit Einzelspulen versehen. Diese Bauart bietet gegenüber gewöhnlichen Polankermotorenohne Ringverbindung an den Polen die Vorteile, daß die Streuverluste kleiner werden und im übrigen ein gleichmäßigeres Drehmoment erzielt wird.

Es sind weiterhin Kommutatormaschinen mit Trommelankern bekanntgeworden, bei denen der Anker eine eisengeschlossene Oberfläche, also geschlossene Nuten, aufweist. Diese Maschinen lieferten jedoch hinsichtlich der Leistung und der Kommutierung keine guten Ergebnisse.

Ebenso ist es bekannt, die Feldmagnete durch einen geschlossenen eisernen Ring untereinander zu verbinden, beispielsweise zu dem Zweck, die Funkenbildung ,am Kommutator zu unterdrücken.

Durch eingehende Untersuchungen ist nun festgestellt worden, daß bei Kommutatormaschinen mit Trommelankern, bei denen der Anker stets mit einem geschlossenen Eisenring versehen ist, während die Feldpole wahlweise mit oder ohne geschlossenen Eisenring versehen sind, durch Verkleinerung der Abmessungen und des Gewichts pro kW-Leistung sowie durch Erzielung besserer Kommutierung und günstiger Alifahrverhältnisse neue Vorteile und Eigenschaften erzielt werden können, wenn ein anderes Verhältnis von Ankernutenzahl zur Polzahl, als bisher allgemein üblich, angewendet wird.

In den gemäß der Erfindung verbesserten Maschinen sind die magnetischen und elekirischen Verhältnisse so ausgeglichen, daß von den allgemein üblichen Hilfsmitteln zur Verbesserung der Kommutierung abgesehen werden kann.

Mit Rücksicht auf eine gute Kommutierung ist bisher im allgemeinen bei Kommutatormaschinen der Grundsatz anerkannt worden,

daß die Zahl der Ankernuten zwischen den Feldpolen nicht unterhalb eines gewissen Wertes sein soll; die hierfür allgemein gültige Formel lautet:

wobei

_g_ J^

τ rolteilung

ζ — Anzahl der Nuten, p == Anzahl der Polpaare.

_FflUftktor

bedeuten. Der Wert für <x_t beträgt für die übliche Ausführung von Kommutatormaschinen 0,6 bis 0,7 für zweipolige und 0,65 bis 0,75 für mehrpolige Maschinen.

Unter ideellem Polbogen wird der Bogen verstanden, der in der Mitte des engsten Teils des Luftspalts und konzentrisch zur Anker-

zo oberfläche liegt, begrenzt durch die radialen, von deni Polschulen zum Mittelpunkt des Ankers führenden Linien (vgl. Abb. 1).

Gemäß der Erfindung wird nun bei Maschinen, bei denen der Anker stets, die FeIdpole jedoch wahlweise mit oder ohne geschlossenen eisernen Ring verbunden ist oder sind, eine gute Kommutierung erzielt, wenn das folgende Verhältnis von Nutenzahl zur Polzahl zugrunde gelegt wird:

2,3-

Gemäß der Erfindung wird dies vornehm

erlieh durch Herabsetzung des Wertes -^-

reicht; in demselben Sinne wirkt aber auch eine Vergrößerung des bisher üblichen Wertes für Äj. Bei solchen größeren Werten von α; breitet sich der Polfluß zum Anker über eine größere Luftspaltfläche aus, wodurch die magnetischen Verhältnisse in der ganzen Maschine verbessert werden und außerdem die vom Fluß geschnittene Ankerleiterzahl vergrößert wird, was sich günstig für die erzeugte EMK auswirkt.

Mit Hilfe der Erfindung werden nachstehende Vorteile erzielt: Die Feldpole können breiter gemacht werden, was wiederum die magpetischen Verhältnisse verbessert; die PoI-zahl kann, verglichen mit den üblichen Ausführungsformen bei gleichem Umfang der Maschine, wesentlich vergrößert werden, wodurch Kupfer bei der Feld- und Ankerwicklung gespart und das Eisengewicht vermindert wird.

Verglichen mit den bisher üblichen Bauformen, können ferner bei gleichen äußeren Abmessungen die Pole verkürzt und der Ankerdurchmesser vergrößert werden, wodurch wiederum die magnetischen Flußbedingungen in der Maschine verbessert werden. Zufolge der Vergrößerung des Ankerdurchmessers und der Abnahme 'des Verhältnisses von Nutenzahl zur Polzahl gemäß der Erfindung können die Nuten wesentlich größer gehalten werden. Dies kann je nach Bedarf entweder so ausgenutzt werden, daß bei gleicher Ankerleiterzahl derQuerschnitt der Leiter größer gewählt werden kann, wodurch die Leistung der Maschine erhöht wird, oder es kann bei gleichem Querschnitt der Ankerleiter deren Anzahl vermehrt werden, wodurch eine Herabsetzung der Tourenzahl erreicht wird.

Die Abb. 2 bis 6 veranschaulichen, in welcher Weise beispielsweise die Erfindung ausgenutzt werden kann.

Die Abb. 2 und 3 zeigen auf der linken Seite eine Maschine gebräuchlicher Bauart und auf der rechten Seite ein Ausführungsbeispiel gemäß, der Erfindung. Abb. 2 zeigt auf der linken Seite eine vierpolige Maschine mit Wende-poten und einen Anker mit 39 offenen Nuten. Die rechte Seite der Abbildung zeigt bei den gleichen äußeren Abmessungen einen Feldmagneten ohne Wendepole; die Hauptpole, in diesem Falle nicht durch einen geschlossenen eisernen Ring verbunden, sind kürzer und breiter als bei der Maschine auf der linken Hälfte der Abbildung; der Anker hat einen größeren Durchmesser und zeigt einen völlig geschlossenen Ring in unmittelbarer Nähe des Luftspalts. Die Anzahl der auf diese Weise völlig geschlossenen Nuten beträgt nur 13, so daß ein bedeutend größerer Wickelraum verfügbar ist, der entweder für eine größere Leistung oder für eine geringere Tourenzahl verwendet werden kann. Durch den Fortfall der Wendepole wird Raum für eine größere Anzahl von Feldwindungen gewonnen, obwohl die Pole selbst kürzer sind; der Ohmsehe Widerstand der Feldwicklung kann hierdurch gleichfalls wesentlich herabgesetzt werden.

Wie vorstehend beschrieben, sind dieBedingungen für den magnetischen Fluß in allen Teilen der Maschine bedeutend verbessert worden durch kürzere Flußweglängen, breitere Pole und Ankerzähne und durch einen größeren Flußarbeitswinkel <x_t, der 0,8 beträgt, verglichen mit 0,63 auf der linken Seite. In

der Maschine der üblichen Bauart (links) ergibt sich mithin

2 = 39; 2 p = 4; α,·= o,63 ;

r s ^z

= 3.6;

in der Maschine nach der Erfindung (rechts) hingegen
to 2 = 13; 2/7=4; α,· = o,8;

(τ —· α,·) —— = 0,65 ·

Abb. 3 (rechts) stellt eine Maschine gemäß der Erfindung dar, bei der bei gleichen äußeren Abmessungen eine wesentlich größere Anzahl von Polen verwendet wird. Bei dieser Maschine, die gleichfalls keine Wendepole hat, sind nicht nur die Ankerzähne, sondern auch die Feldpole an der dem Luftspalt benachbarten Seite durch einen völlig geschlossenen Eisenring verbunden. Es ist eine bekannte Tatsache, daß das Gewicht des wirksamen Eisens und des wirksamen Kupfers mit zunehmender Polzahl abnimmt. Da die Erfindung es ermöglicht, bei gleichen äußeren Abmessungen eine größere Anzahl von Polen zu verwenden, kommt diese allgemein bekannte Methode zur Ersparung an wirksamem Eisen- und Kupfergewicht noch zu den oben beschriebenen Vorteilen hinzu.

Durch Vermeidung von Wendepolen werden weiterhin die Herstellungskosten vermindert und die Leistung der Maschine erhöht. Unter-"suchungen an solchen Maschinen haben ergeben, daß sie bei Ausführung mit zehn Polen bei jeder Belastung, d. h. von Leerlauf bis 100 Prozent Überlastung (Drehmoment), gute Kommutierung aufweisen.

Die gute Kommutierung in Maschinen gemäß der Erfindung ist auf die verminderte Ankerrückwirkung zurückzuführen. Wenn man die Formel von Ar no Id-La Cour für die Amperewindungen, welche die Ankerrückwirkung kompensieren, zugrunde legt, welche lautet

wobei

A W_r = -

τ = Polteilung,

b = wirklicher Polbogen,

AS =

Ja-N 2τια·Ώ

(s. unten)

bedeuten, so zeigt dieseFormel, daß dieAnkerrückwirkung bzw. *die Amperewindunigen, die für ihre Kompensation erforderlich sind, proportional den Werten (t—b) und AS ist. Da der Polbogen b bei Maschinen gemäß der Erfindung aus den vorstehend angeführten Gründen stets größer ist als bei Maschinen üblicher Bauart, wird der Wert (r — b) stets kleiner sein, als allgemein üblich. Betrachten wir ferner den Wert der linearen Belastung des Ankers für 1 cm Umfang

271 a· D
wobei bedeuten

Ja = gesamter Anker strom,
N = Anzahl der wirksamen Ankerleiter, a = halbe Anzahl der Ankerzweige,
D = äußerer Ankerdurchmesser,

so finden wir, daß bei Maschinen gemäß der Erfindung der Ankerdurchmesser D (bei gleichen äußeren Abmessungen) stets größer ist als bei Maschinen üblicher Bauart. Die entsprechenden Werte für Ja und α können als gleich in beiden Fällen gesetzt werden, der Wert N dagegen kann bei Maschinen gemäß der Erfindung wesentlich kleiner als bei Maschinen üblicher Bauart gehalten werden.

Beim Bau von Trommelankermaschinen ist bisher allgemein der Grundsatz verfolgt worden, daß die Ankerteilung gleich oder mögliehst gleich der Polteilung sein soll. Es wird daher die Zähl der wirksamen Ankerleiter fast gleich der Gesamtzahl der Ankerleiter sein. Bei den Maschinen gemäß der Erfindung ist die Ankerteilung jedoch nicht an diese Grundbedingung gebunden, sondern sie kann viel kurzer gewählt werden. Durch Untersuchungen ist festgestellt worden, daß eine gute Kommutierung ohne Wendepole erzielt werden kann, wenn der Wicklungsschritt der Ankerwicklung annähernd gleich dem ideellen Polbogen gewählt wird. Wie aus Abb. 3 (rechts) zu ersehen ist, entspricht die Ankerteilung einem Winkel von etwa 25⁰, der ideelle Polbogen beträgt etwa 28⁰. Aus dem Wicklungsschaltbild des Ankers ergibt sich, daß bei diesem Wicklungsschritt die Anzahl derjenigen Windungen, die unter entgegengesetzter Stromrichtung stehen, plus der Anzahl derjenigen Windungen, die kommutieren, etwa 43 Prozent der Gesamtzahl der Ankerleiter beträgt, so daß nur etwa 57 Prozent der Gesamtleiterzahl als wirksame Ankerleiter verbleiben.

Diese wesentlich verminderte Anzahl der no wirksamen Ankerleiter zusammen mit dem größeren Ankerdurchmesser (s. oben) verringert den Wert von AS auf etwa die Hälfte, verglichen mit Maschinen der üblichen Bauart; die Ankerrückwirkung, die durch den zu ihrer Kompensation erforderlichen Wert der Amperewindungen durch die bereits erwähnte Formel

AW_r = — (-c —V)-AS

2

dargestellt wird, wird daher weniger als die Hälfte, verglichen mit der Ankerrückwirkung

66B69?

bei den üblichen Maschinen, betragen, da beide Werte, sowohl χ — b als auch A S, wie vorstehend beschrieben, verringert sind.

Wenn der Ankerwicklungsschritt in der beschriebenen Art so gewählt wird, daß er < dem ideellen Polbogen ist, so können die Maschinen gemäß der Erfindung als Transformator angesehen werden. In elektrischen Maschinen, bei denen die Ankerteilung gleich der

ίο Polteilung ist, ist die Anzahl der kommutierenden oder Opposition befindlichen, also unwirksamen Ankerleiter gering, verglichen mit der Zahl der wirksamen Ankerleiter; das Drehmoment wird daher durch die elektrodynamische Kraft, d. h. durch das Feld, das die Ankerleiter umgibt, erzeugt. In Maschinen, in denen der Ankerwicklungsschritt gleich oder kleiner als der ideelle Polbogen ist, wird die Anzahl der nach dem elektrodynamischen Prinzip unwirksamen Ankerleiter erhöht und erreicht ihren Höchstwert, wenn die Wicklung als Einzelspule nur einen Ankerzahn umgibt. In solchem Falle ist die elektrodynamische Kraft so gut wie aufgehoben, und das Drehmoment wird durch die als Amperewindungen anzusehenden Ankerspulen, die den von ihnen umgebenen Eisenteil magnetisieren und diesen so erzeugten magnetischen Fluß mit dem Feldfluß verketten, erzeugt. Die EMK wird in solchem Falle nicht durch zeitweises Schneiden der Kraftlinien erzeugt, sondern durch die Flußverkettung innerhalb der Ankerwindungen wie bei einem Wechselstromtransformator. Für den Entwurf von elektrischen Maschinen mit Radialpolen und mit normaler Umfangsgeschwindigkeit, d.h. mit einer Geschwindigkeit von weniger als 30 m/s, ist die Länge des Anfeereisens an gewisse Bedingungen, gebunden, dienachArnold-LaGour durch die Formel

= 1,0 bis 1,3

bestimmt ist, wobei bedeuten

I = Länge des Ankereisens, b_t = ideeller Polbogen.

Durch zahlreiche Untersuchungen ist festgestellt worden, daß es bei elektrischen Maschinen gemäß der Erfindung möglich ist,, die Ankerlänge wesentlich zu vergrößern, ohne die Arbeitsweise solcher Maschinen nachteilig zu beeinflussen. Hiernach ergibt sich eine weitere Eigenschaft der elektrischen Maschinen gemäß der Erfindung, der zufolge obige Bedingung für das Verhältnis von Ankereisenlänge zum ideellen Polbogen lautet

Dieses größere Verhältnis von

ideellem Polbogen erlaubt es, die Eisenteile von Anker und Feldmagnet stark zu vergrößern, wodurch der Magnetfluß bei gleichem äußeren Durchmesser verstärkt wird, was eine weitere Steigerung der Leistung der Maschine, verglichen mit der üblichen Bauart, zur Folge hat. Ferner ist es eine bekannte Tatsache, daß das Gewicht des wirksamen Kupfers mit dem Anwachsen des

Wertes des obigen Verhältnisses η- abnimmt.

Bei Anwendung der oben angegebenen Werte für die Beziehungen (1 -— a;) -^- und η-hat sich ergeben, daß, verglichen mit dien 75 üblichen Maschinen, die gleiche Leistung bei viel kleineren Abmessungen erzielt werden kann.

Eine weitere Eigenschaft der Maschinen gemäß der Erfindung ist der flache V erlauf ihrer Wirkungsgrad- und Drehzahlkurve, d. h. der Wirkungsgrad fällt von dem Wert für Normallast sowohl nach der Seite der geringeren Last hin als auch nach der Seite der Überlastung bis 100 Prozent oder mehr kaum ab. g₅ Das gleiche gilt für die Charakteristik der Drehzahlkurve, bei der die außergewöhnlich niedrigliegende Leerlaufgeschwmdigkeit noch besonders bemerkenswert ist. Diese zusätzlichen Eigenschaften sind charakteristisch für _go alle Maschinen mit geschlossenen eisernen Ringen gemäß der Erfindung.

Om die iür diese Zwecke günstigste Flußverteilung zu erhalten, wird für die Verbindung der Feldpole eine eiserne Ringform gewählt, die nicht überall von gleichiormigern Querschnitt ist, sondern sich im Querschnitt nach der Mitte zwischen zwei benachbarten Polen verjüngt, wie aus Abb. 3 bei α ersichtlich ist. Würden die Eisenteiie des Ringes zwischen den Polen von gleichförmigem Querschnitt sein, dann würde dies naturgemäß eine große Flußstreuung und damit einen großen Fluß verlust zur Folge haben; die Verjüngung bei α verursacht jedoch eine starke Sättigung, die mit steigender Belastung schnell zunimmt. Auf diese Weise wird der Flußverlust praktisch verhindert und eine gute Kommutierung gesichert. Gleichzeitig verursacht das Anwachsen des Querschnittes der eisernen Ringe nach den Polen zu eine möglichst große Ausbreitung des F~eldflusses über den Luftspalt zum Anker; die gewünschte Fluß verteilung tritt automatisch ein in der Form, wie sie für die verschiedene Belastung erforderlich ist.

Bei Maschinen, die sowohl als Motor wie auch als Generator laufen sollen, liegt die dünnste Stelle a' des Eisenringes in der Mitte zwischen den Polen. Bei Maschinen, die entweder nur als Motor oder nur als Generator laufen sollen, können die dünnsten Stellen zweckmäßig etwas näher nach der einen oder

nach der anderen Seite der benachbarten Pole liegen, entsprechend der Richtung der Feldverzerrung durch die Ankerrückwirkung.

Es ist ferner festgestellt worden, daß der Anlaufstrom der Maschinen nach der Erfindung, wenn sie plötzlich ohne Anlaß widerstand eingeschaltet werden, wesentlich niedriger ist als bei Maschinen üblicher Bauart, ferner daß sie selbst bei Vollastanlauf ihre normale Drehzahl in sehr kurzer Zeit erreichen. Es ist mithin möglich, solche Maschinen bei zufriedenstellender Kommutierung ohne besonderen Anlaßwiderstand bei Vollast oder ioo Prozent Überlast anzulassen.

Die Erfindung ist anwendbar auf Gleichstrom- und auf Wechselstrom- sowie Drehstromkommutatormaschinen ; die erwähnten Vorteile werden bei jeder dieser Stromarten erzielt.

Um Anker und Feld mit geschlossenen eisernen Ringen zu versehen, können verschiedene Methoden angewendet werden. Abb. 4 veranschaulicht eine Bauform, bei der die' Pole und der geschlossene eiserne Ring aus einem einzigen Stanzteil c bestehen, das die vier Pole d und die vier verbindenden Teile e enthält. Die einzelnen Stanzteile werden in bekannter Weise zu einem Blechpaket vereinigt und die geformten Feldspulen (nicht gezeichnet) in bekannter Weise über die Polschäfte übergeschoben. Das Joch /, mit punktierten Linien gezeichnet, wird dann in üblicher Weise über die Feldmagnete gezogen und mit diesen mechanisch fest verbunden. Abb. S veranschaulicht beispielsweise eine Ausführungsform für eine iopolige Maschine, die gleichfalls die Verwendung von geformten Feldspulen gestattet, d, d sind zwei der Feldpole, die mit den übrigen Polen und dem Jochteil/ ein Stanzteil bilden. Die unteren, dem Luftspalt benachbarten Teile der Pole d sind an beiden Seiten jedes Poles eingekerbt, wie durch g angedeutet, um die verbindenden Brückenteile h aufzunehmen. Diese Brückenteile können je nach dem Entwurf und den Abmessungen der Maschine entweder aus lameliiertem oder aus nichtlamelliertetm Eisen bestehen. Nachdem die Polbleche zu einem Stück miteinander verbunden sind, werden die Feldspulen i über die Polteile d geschoben und dann die Brückenteile h zwischen den Polenden eingesetzt. / ist ein Stahlmantel, der das Gehäuse bildet.

Die Ankerbleche mit geschlossenen eisernen Ringen können in verschiedener Weise je nach Größe der Maschine und der Art der gewünschten Ankerwicklung entworfen werden. Es ist festgestellt worden, daß in vielen Fällen die sogenannte Röhren- oder Stabwicklung verwendet werden kann, ohne die Herstellungskosten zu erhöhen. Diese Methode ist vorteilhaft bei größeren Maschinen, die nur eine geringe Anzahl von Stäben erfordern. In einem solchen Fall wird den Ankerblechen zweckmäßig die auf der rechten Seite der Abb. 3 ersichtliche Form gegeben.

Es ist indes auch möglich, die Ankerbleche, sofern die Drehzahlen wegen der damit verbundenen Fliehkräfte nicht zu hoch liegen, so zu entwerfen, daß geformte Spulen verwendet werden können. Abb. 6 veranschaulicht beispielsweise einen solchen Fall. Bei dieser Ausführunsgformi besteht das Ankerblechpaket aus dem geschlossenen eisernen Ring k und der Zahnreihe mit den Nuten /, welche nach innen offen sind. Diese Methode eignet sich besonders vorteilhaft für eine Einzelzahnwicklung, da sie es ermöglicht, die geformten Spulen von der inneren Seite über die Zähne zu schieben. Wenn die Ankerwicklung vollständig eingelegt ist, wird das bewickelte Ankerblechpaket über einen inneren Eisenkern m (punktiert gezeichnet) gezogen, der, wie angedeutet, zwecks Gewichtsersparnis, in Radspeichenform ausgebildet sein kann.

Der Gebrauch, von geschlossenen eisernen Ringen am Anker bringt den weiteren an sich bekannten Vorteil mit sich, daß es nicht erforderlich ist, die Ankerwicklung in den Nutenöffnungen in radialer Richtung gegen die Wirkung der Fliehkraft durch besondere mechanische Vorkehrungen zu sichern, wie es bei Maschinen der allgemein üblichen Ausführung stets nötig ist. Diese besonderen mechanischen Vorkehrungen, Holz- oder Fiberkeile u.dgl., verringern den Wickel raum nicht unerheblich, während bei den Maschinen gemäß der Erfindung lediglich die normale Isolation der Wicklung gegen die Nutenwandungen vorzusehen ist, da der geschlossene eiserneAnkei ring den Schutz gegen mechanische Beschädigung der Wicklung und gegen die Schleuderwirkung übernimmt. Der hierdurch gewonnene Raum kann daher für die aktive Kupferwicklung nutzbar gemacht werden.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   ι . Elektrische Kommutatormaschine mit Trommelanker, bei welcher entweder nur der Anker oder der Anker und die Feldmagnete an derLuftspaltbegrenzungsfläche mit einem geschlossenen eisernen Ring versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Ankemuten zur Polzahl der Formel

   genügt.
2. 2. Kommutatormaschine nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhält-

   nis von Ankereisenlänge zu ideellem Polbogen der Formel

   hi ^ ^

   genügt.
3. 3. Kommutatormaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis λί-οη Ankereisenlänge zum Polbogen etwa 3 beträgt.
4. 4. Kommutatormaschine nach Anspruch r bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des eisernen Ringteils, der die Feldpole verbindet, sich von den Polen aus verjüngt.
5. 5. Kommutatormaschine nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldpole und der dem Luftspalt benachbarte geschlossene eiserne Feldring ein einziges Stanzteil bilden (Abb. 4). ao
6. 6. Kommutatormaschine nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene eiserne Feldring durch Einsetzen eines verbindenden Brückenteils (ft) gebildet wird (Abb. 5).
7. 7. Kommutatormaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Ankerbleche mit geschlossenem Ring je aus einem einzigen Stanzteil (k) bestehen (Abb. 6). .

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