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Anordnung zur Verbesserung des Anlaufes bzw. Laufes von elektrischen
Wälzmaschinen mit zylindrischem Läufer Elektrische Wälzmaschinen sind mit ein- oder
mehrphasigem Strom gespeiste Wechselstrommaschinen, deren Läufer nicht mit Hilfe
von Radiallagern im Ständer gegenüber diesem mit stillstehender Achse umläuft, sondern
Wälzscheiben besitzt, die sich auf Wälzbahnen des Ständers umwälzen, ohne zu gleiten,
so daß die Läuferachse eine um die Ständerachse kreisende Bewegung ausführt. Diese
Wälzbewegung gestattet, eine beliebig hohe Übersetzung unterzubringen. Die Wälzmaschinen
laufen bei 50 Perioden mit Drehzahlen, die etwa zwischen 1 und 120 Umdrehungen je
Minute liegen, sie sind langsam laufende Dreh- oder Einphasenstrommotoren und- haben
als solche gegenüber den umlaufenden Motoren mit Vorgelege den Vorteil eines außerordentlich
geringen Schwungmomentes und dementsprechend sehr raschen Anlaufes. Sie sind daher
besonders geeignet für sehr häufige und rasche Anläufe, z. B. als Verstell-, Einstell-
oder besonders häufig anlaufende Hebezeugmotoren, und für diese Betriebsverhältnisse
den genannten Umlaufmotoren überlegen. Von den bisher vorgeschlagenen Bauarten hat
sich die zylindrische Wälzmaschine am besten bewährt. Sie ist genauer beschrieben
in der USA.-Patentschrift 2 866110 und in der schweizerischen Patentschrift 335
311 des Erfinders.
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F i g. 1 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Maschinenachse der bekannten
zylindrischen Wälzmaschinen. 1 bedeutet den Ständer, in dem ein Gleichpolfeld erzeugt
wird und der an beiden Enden je eine außenliegende Wälzbahn 6 trägt, 2 den Wälzer,
der an seinen beiden Enden je eine Wälzscheibe 7 trägt, die topfartig ausgebildet
ist und die Wälzbahn 6 von außen umgreift. Im Punkt 4 berühren sich Wälzscheibe
und Wälzbahn. Läuft das Gleichpolfeld entgegen dem Uhrzeiger, so wird der Wälzer
nacheinander von den Phasen U, -W, V, -U, W, -Y, U
usw. nach außen gezogen
und gegen die Wälzbahn gepreßt, so daß er in der Richtung nach seiner neuen Gleichgewichtslage
rollt oder sich wälzt (Wälzer). Dabei wandert der Mindestluftspalt 3, wo die größte
Kraftliniendichte und daher die größte Zugkraft auftritt, und der dieser Lage entsprechende
Berührungspunkt 4 ebenfalls entgegen dem Uhrzeigersinne; der Mindestluftspalt eilt
jedoch etwas nach, weil der Wälzer vom Gleichpolfeld gezogen wird.
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Da der Umfang des Innenrandes der Wälzscheibe 7 auf der Wälzbahn 6
abrollt, ergibt sich geometrisch der gemeinsame Weg s nach einer Umdrehung des Drehfeldes
zu s=Re-27c=R7(2n-a);
Die Verdrehung a des Wälzers verhält sich zur Verdrehung 27c des Drehfeldes wie
der Unterschied der Radien R,-.R, zum Radius R7 der Wälzbahn 7. Diese geometrische
Übersetzung ist unveränderlich.
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Das umlaufende Gleichpolfeld wird aus einem umlaufenden Wechselpolfeld,
z. B. einem zwei- oder dreiphasigen Drehfeld, dadurch erzeugt, daß die negativen
(oder positiven) Amperewindungen ganz oder teilweise unterdrückt werden, Das geschieht
in bekannter Weise entweder durch phasenweise vorgeschaltete Gleichrichter oder
durch eine getrennte Gleichstromwicklung, die in denselben axial verlaufenden Nuten
liegt wie die Phasenwicklungen, und jeder Phase einen Gleichstrom überlagert.
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Bei den bisher bekanntgewordenen zylindrischen Wälzmaschinen ist keine
Vorsorge getroffen, daß der Wälzer, insbesondere während des Anlaufens, so geführt
wird, daß seine Achse stets parallel zur Maschinenachse bleibt. Daraus ergeben sich
Reibungsverluste zwischen den Stirnflächen von Ständer und
Läufer
und Ungleichheiten des Mindestluftspaltes; bei größeren Durchmessern der beiden
Wälzscheiben sind bei größerem axialem Spiel sogar Klemmungen möglich. Damit die
Ungleichheiten des Mindestluftspaltes nicht stören, mußte der Luftspalt bisher entsprechend
größer ausgeführt" werden, was eine Vergrößerung des Magnetisierungsstromes und
eine Verkleinerung der magnetischen Zugkraft, des Anlauf-, Kipp- und Gleitmomentes,
also eine wesentliche Verschlechterung der Betriebseigenschaften zur Folge hat.
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Bei höheren Nenndrehzahlen und größerer Exzentrizität e der Wälzerachse
gegenüber der Maschinenachse sowie bei Betrieb mit herabgesetzter bzw. geregelter
Drehzahl kann der Anlauf durch die erhöhte Reibung bei Schrägstellung des Wälzers
sogar verhindert werden. In diesem Falle kann die Schrägstellung nicht einfach durch
Verstärkung des Feldes in zulässigen Grenzen gehalten werden, denn man muß auch
mit geschwächtem Feld anlaufen und fahren können, wenn eine niedrigere Drehzahl
erreicht werden soll.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur
Verbesserung des Anlaufes und der Laufeigenschaften für mit veränderlicher bzw.
herabgesetzter Drehzahl betriebene Wälzmaschinen zu schaffen.
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Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß die einander zugewandten
Stirnflächen von Stator und Wälzer der mit herabgesetzter bzw. veränderlicher Drehzahl
betriebenen Wälzmaschine über ein Gleit-oder Wälzlager axial gegeneinander gelagert
sind; eine Einrichtung zur Steuerung der Größe der der Ständerwicklung zugeführten
Gleich- oder Wechselspannungskomponenten bewirkt daher die Herabsetzung bzw: Veränderung
der Drehzahl.
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An eine solche Möglichkeit einer Drehzahlregelung durch Spannungsveränderung
ist auf Grund der Unveränderbarkeit der geometrischen Übersetzung
bei zylindrischen Wälzmaschinen bisher nicht gedacht worden. Insbesondere die mindeste
Anlaufspannung kann durch die vorgeschlagene Axiallagerung 10 gemäß F i g. 2 so
weit herabgedrückt werden, daß es gelingt, die Maschine bei geringem Lastmoment
um 50 % und mehr in der Drehzahl nach abwärts zu regeln. Bei größerem Lastmoment
kann sogar die Drehzahl 0, bei eingehängter Last eine Drehzahl entgegengesetzten
Drehsinnes erreicht werden. Durch Hinzufügung der Axiallagerung erhält die Wälzmaschine,
obwohl sie in elektrischer Hinsicht als Synchronmotor anzusprechen ist, etwa das
Drehzahlverhalten eines Schleifringläufermotors; dabei wird ihre Regelung entweder
durch Änderung der zugeführten Spannung, in Sonderfällen durch Änderung der Gleichstromkomponente
der Phasenströme oder durch Änderung der getrennten Gleichspannung herbeigeführt.
Durch die axiale Lagerung gelingt es auch, zwischen der Phasenwicklung 9 in F i
g. 2 und den beiden Außenjochen je eine runde Spule 9a mit besonders kleinem Luftspalt
und daher unter bester Ausnutzung des knapp zu haltenden Raumes für die getrennte
Gleichstromregelung anzuordnen, durch die eine eingehängte Last bei abgeschalteter
Phasenwicklung festgehalten werden kann. Auf diese Weise entfällt bei dieser Wälzmaschine
die sonst gebräuchliche Bremse und Rutschkupplung mit allen ihren Nachteilen.
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Daß es gelingt, die Drehzahl so weitgehend herabzusetzen, liegt daran,
daß es nicht nur bei Treibriemen, Gummireifen, Luftschläuchen usw., sondern auch
bei Eisenbahnrädern, also bei Eisen auf Eisen einen sogenannten elastischen Schlupf
gibt, dieser geht bei etwa 1,5°/o in einen gleitenden Schlupf über. Beträgt beispielsweise
die geometrische Übersetzung
1: 100 und der elastische Schlupf bei Nennmoment se(, = 0,501, so vermindert
sich die resultierende Übersetzung von 1% auf 1 - 0,5 = 0,50/0 oder 1: 200. Wird
die Belastung auf das doppelte Nennmoment gesteigert, so erhält der Wälzer die Drehzahl
0, da 10/0 geometrische Übersetzung minus 10/0 (2seo) elastischen Schlupf
0 beträgt. Hierbei läuft der Mindestluftspalt 3 unverändert synchron herum, wenn
das elektrische Kippmoment höher ist als das zweifache Nennmoment. Bei weiterer
Steigerung der Belastung (eingehängten Last) auf das dreifache Neunmoment dreht
sich der Wälzer in entgegengesetzter Richtung mit einer resultierenden Übersetzung
von -1: 200, wenn das elektrische Kippmoment höher ist als das dreifache Nennmoment.
Da etwa bei se = 1,5% bei Eisen auf Eisen der Übergang vom elastischen zum gleitenden
Schlupf stattfindet, ist ein beträchtlich höheres elektrisches Kippmoment im Falle
des Beispieles zwecklos. Beträgt die geometrische Übersetzung hingegen beispielsweise
20/0, was bei 50periodiger Speisung einer Leerlaufdrehzahl von 60 U/min entspricht,
so ist bei Eisen auf Eisen nur eine Drehzahlermäßigung auf 2-1,5=0,50/, oder 15
U/min möglich. Wird wieder der Radius der Wälzbahn so gewählt, daß bei Nennmoment
0,5% relativer Schlupf auftritt, so muß das Kippmoment des Motors wieder über dem
dreifachen Nennmoment liegen.
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Wählt man den Wälzbahnradius kleiner, so genügt ein geringeres Kippmoment,
wählt man ihn größer, so ist ein noch größeres Kippmoment für denselben Regelbereich
erforderlich.
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Diese drehmomentabhängigen Beziehungen gelten auch für herabgesetzte
Spannung, da sowohl die magnetische Zugkraft als auch das Kippmoment mit dem Quadrate
der Spannung abnehmen. Man kann daher beispielsweise bei halbem Nennmoment durch
Spannungsverminderungauf dieDrehzahlhöchstens 6 um 6 - 0,25 0/0 elastischen Schlupf
herabsetzen, also im Falle des Beispieles 1 auf 1 - 6 - 0,25 0/0 = -0,5 0/0 Schlupf
oder -15 U/min, im Falle des zweiten Beispieles auf 2 -- 6 - 0,25 0/0 = 0,5 0/0
Schlupf oder -I-15 U/min. Denn das bei Nennspannung elektrisch verfügbare, das dreifache
Nennmoment betragende Kippmoment sinkt bei der Spannung auf ein Sechstel, also auf
das halbe Nennmoment,
und diesem entspricht der halbe elastische Nennschlupf 1/a - 0,50/0 = 0,250/a. Mechanisch
wird das dreifache Nennmoment meist nicht gebraucht werden, so daß der Antrieb nur
für das benötigte Drehmoment bemessen werden muß.
Bei einem Zehntel
des Nennmomentes müßte die Spannung auf # herabgesetzt werden, um dieselbe Drehzahl
zu erhalten. Bei Spannungsverminderung werden jedoch die Verlustmomente immer größer
im Vergleich zum Kippmoment. Für ein Zehntel des Nennmomentes würde daher eine geringere
Spannungsabsenkung genügen, die aber eine höhere Drehzahl ergäbe, weil das verfügbare
Reibungsmoment an der Wälzbahn nahezu proportional bleibt. Wegen dieser Spannungsabhängigkeit
des Verlaufes der Drehzahlkennlinie muß daher auf Kosten des Sicherheitsgrades gegen
Außer-Tritt-Fallen der Maschine (elektrisches Kippen) die Spannung noch weiter gesenkt
werden, um dieselben Drehzahlen zu erreichen, was bis herab auf ein Zehntel des
Nennmomentes nur unter besonders günstigen Umständen erreichbar ist. Werden diese
Drehzahlen benötigt, so muß für den Wälztrieb ein elastischeres Material als Eisen,
wie beispielsweise Gummi, Leder, Kunststoff' od. dgl., Anwendung finden.
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Man sieht, daß der Regelbereich einer spannungsabhängigen Drehzahlregelung
um so größer sein kann, je geringer die Reibungsverluste der Maschine sind. Diese
werden durch die Axiallagerung (10 in F i g. 2) niedrig gehalten, die entweder eine
Gleitlagerung, beispielsweise bestehend aus einer oder mehrelen geschmierten Lamellen
aus einem Material, das mit dem anliegenden unmagnetischen Ständerdeckel und der
unmagnetischen Wälzscheibe einen geringen Reibungskoeffizienten hat, z. B. Messing,
Kunstharz od. dgl., oder, besonders bei vertikaler Maschinenachse zweckmäßiger,
aus einer Kugellagerung mit Kugelkäfig und staubdichtem Abschluß bestehen kann.
Damit die Kugeln die erforderliche Zykloide durchlaufen können, müssen die beiden
Kugelbahnen eben und zweckmäßig gehärtet sein. Der gelochte Käfig kann bei horizontaler
Welle auf einer elastischen Unterlage aus Gummi, Leder od. dgl. in der Ruhelage
aufruhen, bei vertikaler Welle wird empfohlen, seine Mittellage durch Federn 1 leicht
beweglich festzuhalten.
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Die beiden Gleichstromerregungsspulen 9a der F i g. 2 sind raumsparend,
weil sie gegenüber der bekannten, in den aial verlaufenden Nuten der Phasenwicklungen
liegenden Gleichstromwicklung die zweifache Wälzerlänge an WindungslMge sparen;
ferner müssen sie nicht mitgewickelt werden und können daher nachträglich eingebaut
werden. Sie können als runde ebene Flachspulen ausgeführt werden und ergeben einen
noch kleineren Luftspalt als die mitgewickelte Gleichstromwicklung. Infolgedessen
ist ihre Bremswirkung bei gleicher Amperewindungszahl wesentlich stärker.
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Schaltbild F i g. 3 zeigt eine Dreieckschaltung der Wicklung mit phasenweise
vorgeschalteten Gleichrichtern 11; durch regelbare Widerstände parallel zu
den Gleichrichtern wird die Gleichstromkomponente und hierdurch Schlupf und Drehzahl
verändert.
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Schaltbild F i g. 4 zeigt eine Sternschaltung der Wicklung mit phasenweise
vorgeschalteten Gleichrichtern 11, die je nach ihrem Gleichrichtersinn zu
zwei getrennten Sternpunkten geführt sind. Durch einen Regelwiderstand 13 oder eine
regelbare Gleichspannung in der Verbindungslinie der beiden Sternpunkte kann die
Drehzahl geregelt werden. Der Widerstand kann eine induktive Komponente haben. Ferner
ist ein einpoliger Ausschalter 14 eingetragen, der gleichzeitig alle Ströme
unterbricht.
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Schaltbild F i g. 5 zeigt die Schaltung bei getrennter Gleichstromwicklung
9a, die nicht in den Nuten der Phasenwicklung, sondern als runde, mit der Maschinenachse
koaxiale Spule ausgebildet ist, wie F i g. 2 zeigt. Die Gleichstromwicklung ist
über Umspanner 14
und Gleichrichter 15 vor dem Steuerschalter 16 angeschlossen,
damit beim Ausschalten selbsttätig und ohne jedes Zwischenglied gebremst wird. Ein
noch höherer Sicherheitsgrad ergibt sich für Lasten am Seil und auf schräger Bahn,
wenn die Spannung der Gleichstromwicklung einer unabhängigen Spannungsquelle, z.
B. einer Batterie entnommen wird. Insbesondere bei Anwendung einer unabhängigen
Spannungsquelle kann es vorteilhaft sein, die Höhe des Gleichstromes in Abhängigkeit
von der geregelten Phasenspannung ebenfalls zu regeln oder nach der Stillsetzung
herabzusetzen.