DE237024C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 237024 KLASSE 21 d. GRUPPE

JAMES BURKE in ERIE, Penns., V. St. A.

Elektrische Drei- oder Mehrleitermaschine. Patentiert im Deutschen Reiche vom 18.Oktober 1907 ab.

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Drei- oder Mehrleitermaschine mit teils an die Hauptwicklung, teils an einen Schleifring für den Nulleiter angeschlossener Hilfswicklung. Bei den bekannten Maschinen dieser Art wurde bereits vorgeschlagen, die Anordnung so. zu treffen, daß die Anschlußpunkte der aus zwei Teilen bestehenden Hilfswicklung um i8o° gegeneinander versetzt waren. Mit

ίο dieser Anordnung läßt sich aber kein guter Ausgleich wegen des gleichen Potentials der Ansclüußpunkte erzielen. Gemäß der Erfindung sind die Hilfswicklungen an um weniger als i8o elektrische Grade gegeneinander versetzten Stellen mit der Hauptwicklung verbunden. Hierdurch werden die Potentiale der Anschlußstellen verschieden, und es erfolgt ein besserer Ausgleich. Ferner läßt sich in einfachster Weise eine solche Verteilung der Hilfswicklung erzielen, daß in jeder Lage des Ankers ein zur Hälfte zwischen dem Potential der positiven und negativen Bürste liegendes Potential. im Nulleiter entsteht und eine ungünstige Rückwirkung auf das Anker- oder Magnetfeld vermieden wird. Durch die mögliche bessere Verteilung der Wicklung wird somit der Anker sowohl in elektrischer als auch in mechanischer Beziehung gut ausgeglichen. Der beste Ausgleich findet natürlich dann statt, wenn bei einem Anschluß der Wicklungen unter einem Winkel von weniger als 180 °, z. B. 90 °, die Wicklung über alle Ankernuten gleichmäßig verteilt ist. Die weitere Wirkung der Anordnung wird der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele zu entnehmen sein.

Die Zeichnungen zeigen in

Fig. ι und 2 Prinzipskizzeri zur Erläuterung der Erfindung, .

Fig. 3 bis 5 schemätische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 6 zeigt diese in Anwendung auf eine mehrpolige Maschine mit Trommelanker.

Fig. 7 ist eine Schnittzeichnung, die die Lage der Leiter in Fig. 6 auf dem Anker erkennen läßt. .

Zunächst möge die Theorie der Erfindung mit Hilfe der Fig. 1 erläutert werden.. Die Spulen 1 der Gleichstrommaschine sind an die Stromwenderstäbe 2 angeschlossen. Die Maschine hat zwei Magnetpole 3 und positive und negative Bürsten 4. Außer der gewöhnlichen Hauptwicklung 1 sind noch stromerzeugende Hilfsspulen. 5^a, 5*, 5^C auf den Ankerkern gewickelt, von denen je ein Ende an den Schleifring 6 angeschlossen ist. Die anderen Enden sind mit. Punkten a, b und c der Ankerwicklung verbunden, die bei dem Beispiel um 120 elektrische Grade (= ¹Z₃ Polteilung) auseinander liegen. Die Hilfswicklungen sind als an die Stromwenderstäbe angeschlossen dargestellt; sie können jedoch auch an Punkte der Ankerwicklung selbst angeschlossen werden. Der positive und negative Hauptleiter des Dreileitersystems sind durch 7 und 8 und der neutrale Draht ist durch 9 bezeichnet. Die Hauptleiter 7 und 8 sind an die positive bzw. negative Bürste 4 angeschlossen, und der neutrale Leiter an eine Bürste 10, die auf dem Schleifring 6 aufliegt.

Die Enden der Wicklungen $^a, 5^έ, 5^C, die an den Ring 6 und damit an den neutralen

Draht angeschlossen sind, müssen auf einem bestimmten Potential gegenüber den Hauptleitern gehalten werden. Infolge der bekannten Sternschaltung bleibt das Potential von Ring 6 unverändert, während das Potential der Enden der Wicklungen, die an die Punkte der Ankerwicklung angeschlossen sind, ständig wechselt. Wenn die Netzbelastung nicht ausgeglichen ist, . so fließt Strom durch den neutralen Leiter entweder zum oder vom Ringe 6 und durch die stromerzeugenden Wicklungen 5^a, 5^Ä, 5^C zu oder von der Ankerwicklung i. Demnach dienen die Wicklungen 5'⁷, 5*, 5^C nicht nur als Mittel zur Erhaltung des bestimmten Potentials des neutralen Leiters durch ihre Wirkung als stromerzeugende Spulen, sondern sie dienen auch als Leiter für den Strom, der infolge unausgeglichener Belastung entsteht. Da die maximale elektromotorische Kraft jeder Wick-

ao lung 5^Λ, $^b, 5^C theoretisch gleich der halben Spannungsdifferenz zwischen positiver und negativer Bürste ist, muß die Drahtzahl der Hilfsspulen 5^Λ, 5^Ä, 5^C gleich der Hälfte. der Leiterzahl der Ankerwicklung von Bürste zu Bürste des Stromwenders sein.

Es können statt drei auch mehr, oder weniger Hilfswicklungen angebracht werden. Wenn sechs Spulen zur Verwendung kommen sollen, so würden sie um je 60 elektrische Grade auseinander gelegt und an um 60 elektrische Grade versetzt liegende Punkte der Ankerwicklung 1 angeschlossen werden.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung, bei der nur zwei Spulen 5ⁿ, 5* Verwendung finden. · Diese sind um etwa 90 elektrische Grade auseinander gelegt und an Punkte der Hauptwicklung angeschlossen, die etwa um go elektrische Grade versetzt sind. Im Augenblicke der in der Zeichnung gegebenen Stellung erzeugt die an einen Punkt der Hauptwicklung mitten zwischen positiver und negativer Bürste angeschlossene Spule 5^Λ keine elektromotorische Kraft. Spule 5* ist an einen Punkt angeschlossen, der im betrachteten Augenblick das Potential der negativen Bürste besitzt; sie muß demnach ihre höchste elektromotorische Kraft liefern. Es kann auch nur eine einzige stromerzeugende Hilfsspule 5ⁿ Anwendung finden; bessere Ergebnisse werden jedoch durch den Gebrauch mehrerer Spulen gezeitigt, insbesondere dort, wo die Belastungsunterschiede im Netze häufig sehr groß sind.

Fig. 3 zeigt eine Wicklungsanordnung, bei welcher die auf dem Anker 11 über der Hauptwicklung 12 vorgesehene Hilfswicklung 13 mit zum Teil um 180 elektrische Grade verlegten Windungen versehen ist.

Diese Anordnung ist wichtig im Hinblick auf das Bestreben, gleiche elektrische und mechanische Effekte zu erzielen, d.h. das. Bestreben, ungleichmäßige Verdrehungen det magnetischen Feldes beim Fließen des Stromes in der Hilfswicklung zu vermeiden und einen mechanisch symmetrischen und ausbalancierenden Anker zu erhalten. Die Drähte in den Lagen 180, ^X57>5> 135 ^und 112,5° hegen hinter dem Abzweigungspunkt 14 und entsprechen den gleichliegenden Hauptdrähten. . Die Hilfswindungen in den Lagen 202,5, ²²5> ²47>5 ^un<i 270° verlaufen entgegengesetzt und befinden sich daher in gleicher elektrischer Lage wie die Hauptdrähte in 90, 67,5, 45 und 22,5° Stellung. Der Erfolg bei der Drahtzahl 1 : 2 zwischen Hilfsund Hauptwicklungsabschnitt ist die Erlangung der halben Bürstenspannung im Nullleiter.

Nach Fig. 4 ist die Wicklung so verteilt, daß sich die Windungen in Polfeldern verschiedener Polarität befinden. Hierdurch wird der Ausgleich noch mehr verbessert, und die elektrisehen Zustände werden gleichmäßiger. Es läßt sich bei Verfolgung der Lage der Hilfswindungen erkennen, daß alle elektrischen Lagen eines Ankerabschnittes berücksichtigt sind. Die acht Leiter der Hilfswicklung liegen nicht alle auf einer Hälfte des Ankers wie bei Fig. 3, sondern ein Teil der Leiter der Hilfswicklung ist bei Fig. 4 auf die andere Hälfte des Ankerkerns verlegt. Demnach wird mit der gewünschten Wirkung gleichzeitig größere Symmetrie erreicht. Aus Fig. 4 ergibt sich ferner, daß die Reihenfolge der Verbindungen der Leiter geändert ist, und daß die Leiter der Reihe nach rings um den Ring hintereinander geschaltet sind. Die Verbindungen werden dadurch einfächer. Übrigens wird die gleiche resultierende elektromotorische Kraft ganz unabhängig von der Reihenfolge der Verbindungen erreicht, solange die Anordnung der Leiter und die Richtung der erzeugten elektromotorischen Kraft richtig ist.

Bei der Schaltung nach Fig. 5 ist eine weitere Hilfswicklung 16 an den Punkt 17 der Hauptwicklung angeschlossen, 90 ° vom Punkt 14 entfernt, an welchen die Hilfswicklung 13 geschlossen ist. Von Punkt 17 aus verfolgt ist die Hilfswicklung 16 an den ersten vier Umgängen der Wicklung 13 ähnlich. Statt nun aber weiter fortgeführt und über die Wicklung 13 gelegt zu werden, sind die weiteren vier Leiter um 180 elektrische Grade verlegt und so geschaltet wie. bei Fig. 3. Es ergibt sich, daß bei dieser Bauart die Leiter zum Vorteil für die Armatur sehr symmetrisch angeordnet sind. Mit zwei Wicklungen wird also die Ausgleichwirkung schon fast voll erreicht. Die beiden Hilfswicklungen werden am besten an Punkte der Hauptwicklung angeschlossen, die genau um 90 elektrische Grade auseinander liegen. Jedoch können sie u. a. auch, an in ziemlich weiten Grenzen anders zueinander liegende Punkte geschlossen werden. Stets je-

doch sollten die Hilfswicldungsleiter so angeordnet und geschaltet werden, daß sie die Leiter eines Stromkreises der Hauptwicklung von dem Punkte der Hauptwicklung aus, an den die Hilfswicklung geschlossen ist, entsprechend ausgleichen. In Fig. 5 z. B. ist die Hilfswicklung an die Hauptwicklung am Punkt 17 angeschlossen, und die acht Leiter der Hilfswicklung müssen in ihrer Wirkung der Wirkung der Leiter des mit Punkt 17 beginnenden Stromkreises der Hauptwicklung, oder mit anderen Worten den 16 Leitern des Stromkreises der Hauptwicklung in den acht Phasen 270, 247,5, 225, 202,5, 180, 157.5, 135 und 112,5 entsprechen. Das wird vielleicht besser verständlich, wenn man erwägt, daß, während Punkt 17 auf oder nahe dem Potential entweder der positiven oder negativen Bürste ist, die. Leiter der Hauptwicklung von Punkt 17 die gesamte elektromotorische Kraft erzeugen werden und demnach die Leiter der entsprechenden Hilfswicklung ebenfalls ihre höchste (oder Total E. M. K.) erzeugen müssen.

Finden drei Hilfswicklungen Anwendung, so liegen die Verbindungspunkte der Hauptwicklung vorzugsweise genau 120 elektrische Grade auseinander. Bei sechs Hilfswicklungen sind die vorzugsweise an genau 60 elektrische Grade voneinander entfernte Punkte geschlossen ; aber die Verbindungspunkte können von diesen Verlegungen sehr abweichen und nach Wunsch unregelmäßig verlegt sein, vorausgesetzt, daß die Hilfsleiter gemäß den oben gegebenen Ausführungen geeignet angeordnet sind. In der Regel werden die angegebenen Verschiebungen am besten sein, doch können auch mit anderen Verlegungen befriedigende Ergebnisse erreicht werden.

Der Anschluß der Hilfswicklung an die Hauptwicklung kann auch an den Stromwenderlamellen oder an den Verbindungsdrähten von den Leitern der Haupt wicklung geschehen. Wenn die Unterschiede nicht zu groß sind, so lassen sich auch mit von den in Fig. 3 bis 5 beschriebenen abweichenden Anordnungen noch wirtschaftliche Maschinen liefern. Anstatt z. B. die Hilfsleiter in derselben Phase wie die entsprechenden Hauptleiter anzuordnen, können sie ganz oder zum Teil in ziemlich verschiedenen Phasenstellungen angebracht werden, je-. doch leidet bei größerer Abweichung die Ausgleichung.

Die Hilfswicklungen können als parallel geschaltet mit Teilen der Hauptwicklung betrachtet werden, und sie werden demnach einen parallel laufenden Strom erzeugen. Durch Hinzufügen einer großen Zahl von Hilfswicklungen von geringem Widerstände kann erreicht werden, daß sie einen beträchtlichen Teil des Stromes im Vergleich zu dem der Hauptwicklung führen. Denn da Hauptwicklung.

und Hilfswicklung parallel zueinander elektromotorische Kraft erzeugen, so wird der Strom, der. in den parallelen Stromkreisen entsteht, durch deren relativen Widerstand beeinflußt werden.

Im vorliegenden ist die Erfindung in Anwendung auf eine zweipolige Maschine mit Grammewicklung beschrieben, weil sie daran am einfachsten verständlich ist, Sie kann jedoch in gleicher Weise für mehrpolige Maschinen und für Maschinen mit den verschiedenen Arten der Trommelwicklungen Anwendung finden.

Fig. 6 zeigt als Beispiel die Anwendung der Erfindung auf eine mehrpolige Maschine mit Trommelwicklung. Die vier Pole der Maschine sind durch punktierte Linien angegeben und durch die Buchstaben N, S bezeichnet. Zwischen den Polen ist eine Abwicklung der Hauptwicklung und der beiden Hilfswicklungen des Beispiels gegeben. Der Stromwender 2 ist innerhalb der Windungen dargestellt, und die Bürsten 4 des Stromwenders sind der Deutlichkeit halber als auf der inneren Seite des Stromwenders aufliegend dargestellt. Die beiden positiven Bürsten, ebenso die beiden negativen Bürsten sind, wie üblich, bei Mehrpolmaschinen mit mehrfachen Stromkreisen miteinander verbunden. An den Schleifring 6 ist je eines der Enden der Hilfswicklungen angeschlossen ; die auf Ring 6 schleifende Bürste wird mit dem neutralen Leiter des Netzes verbunden, und die Paare positiver und negativer Bürsten des Stromwenders mit den Außenleitern. Die Leiter der Hauptwicklung sind der Reihe nach mit 1 bis 32 bezeichnet. Die Phasenstellungen der Leiter 1 bis 32 sind zum Zwecke der Bezeichnung durch die elektrischen Grade von o° an gegeben. Der Weg von 0 aus (oben) nach rechts bis zu den unteren Leitern i6, 17 beträgt 360 elektrische Grade, ebenso der Weg vom unteren Leiter aus zurück zu dem oberen Leiter. Leiter, die in einer bestimmten Phasenstellung bezüglich eines Feldpoles von einer bestimmten Polarität liegen, sind natürlich in derselben Phasenstellung wie Leiter, die unter einem anderen Pol von derselben Polarität und in entsprechender Stellung liegen. Die Leiter 4 und 5 z. B. sind in derselben Phase wie die Leiter 20 und 21. Je zwei Leiter der Hauptwicklung sind in Fig. 6 in einer kleinen Entfernung voneinander dargestellt, sie sollen jedoch natürlich in derselben Nut des Ankerkerns liegen und demnach in genau derselben Phasenstellung sein.

Die Hauptwicklung umfaßt 32 Leiter, und da bei der Vierpolmaschine vier Stromkreise vorhanden sind, so hat jeder Stromkreis von Bürste zu Bürste des Stromwenders acht Leiter. Jede der Hilfswicklungen besteht aus vier Leitern. Ein Ende der einen Hilfswicklung 18 schließt

sich an die Stromvvenderlamelle, an die auch der Leiter ι der Hauptwicklung geschlossen ist; sie besteht aus den Leitern i8^a, i8⁶, i8^c und i8^d und ist mit dem anderen Ende an den Schleifring angeschlossen.

Da bei einer mehrpoligen Maschine die Punkte gleichen Potentials 360 elektrische Grade auseinander liegen, so muß die Hilfswicklung mit einem Ende an jeden der Punkte gleichen Potentials angeschlossen werden, um den Ausgleicheffekt zu sichern. Demnach besteht hier eine Querverbindung 19 vom Anfang der Hilfswicklung oder vom Stromwenderstabe, an den sie angeschlossen ist, aus nach dem Stromwenderstabe, der 360 elektrische Grade davon entfernt liegt. Die weitere Hilfswicklung 20 ist mit einem Ende an denjenigen Stromwenderstab angeschlossen, mit dem auch der Leiter 5 verbunden ist, der eben so durch den Leiter 21 mit dem um 360 elektrische Grade entfernten Stromwenderstabe quer verbunden ist; sie hat die vier Leiter 20^a, 20*, 20^, 20^rf. Die Punkte der Hauptwicklung, an welche die beiden Hilfswicklungen anschließen, liegen um go elektrische Grade auseinander, und die Leiter der Hilfswicklung sind so angebracht, daß die Armatur ausgeglichen ist, da jedem Leiter der Hilfswicklung stets ein anderer diametral gegenüberliegt. Aus der schematischen Darstellung erhellt, daß die Hilfsleiter in derselben Nut des Ankerkerns untergebracht werden wie die beiden Nachbarleiter der Hauptwicklung. Ferner ist zu beachten, daß in den Stromkreisen der Hauptwicklung nur ein Leiter für jede Nut vorhanden ist an Stelle von zwei im Falle der Fig. 3 bis 5.

Verfolgt man die Schaltung nach Fig. 6, so ist zu erkennen, daß den elektrischen Lagen der Hauptdrähte die Drähte der Hilfswicklungen so entsprechend angeordnet sind, daß die gewünschte halbe E.-M. K. des Nulleiters erzeugt wird. Unter Anwendung der vorher erläuterten Regeln ist die Verteilung durch geeignete Verschiebung usw. so gewählt, daß ein guter Ausgleich in jeder Beziehung erfolgt.

Es kann natürlich eine beliebige Zahl von Hilfswindungen zu der durch Fig. 6 dargestellten Anordnung hinzugefügt und an irgendeinen beliebigen Punkt der Hauptwicklung angeschlossen werden, vorausgesetzt, daß sie in geeigneter Stellung untergebracht und in geeigneter Weise geschaltet werden. Ebenso können die Leiter der Hilfswicklung 18 oder der Wicklung 20 in anderer Weise angeordnet werden, da für jeden Leiter dieser Wicklungen unter vier Stellungen die Wahl bleibt. Übrigens ist die dargestellte Anordnung eine sehr zweckmäßige, da der Anker gut ausbalanciert und ganz symmetrisch ist. Es ist zu bemerken, daß von den beiden Hilfswicklungen, die in Fig. 6 dargestellt sind, die Wicklung 18 einen Leiter unter dem Einfluß jedes der vier Pole angeordnet enthält, während die Wicklung 20 ihre sämtlichen Leiter innerhalb eines Bogens von 405 elektrischen Graden und nahezu unter dem Einfluß von zwei Feldmagnetpolen zusammengedrängt enthält. Das zeigt, in wie verschiedener Weise die Leiter der Hilfswicklung angeordnet werden können.

Aus dem vorhergehenden folgt, daß die vorliegende Erfindung auf Maschinen mit größerer Polzahl und mit mannigfaltigen anderen Ankerwicklungen Anwendung finden kann. Ebenso läßt sie sich für Maschinen mit stehendem Anker lind umlaufenden Magnetfeldern anwenden.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung, die die Lagerung der Leiter nach Fig. 6 auf dem Anker zeigt. Die Pole N, S sind durch volle Linien angegeben, der Ankerkern 22 ist im Schnitt dargestellt. Er ist als Nutenanker gedacht, und die Leiter der Haupt- und Hilfswicklung sind mit denselben Ziffern bezeichnet wie in Fig. 6. Es möge bemerkt werden, daß die Leiter der Hilfswicklung als am Boden der Nuten angeordnet dargestellt sind; diese *Anordnung ist vorzuziehen.

Claims (4)

Patent-Ansprüche:

1. Elektrische Drei- oder Mehrleitermaschine mit teils an die Hauptwicklung, teils an einen Schleifring für den Nulleiter angeschlossenen Hilfswicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswicklungen mit der Haupt wicklung an um weniger als 180 elektrische Grade versetzten Stellen verbunden sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte der Hilfswicklung so verteilt sind, daß sie sich in. Polfeldern verschiedener Polarität befinden.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß- die Drähte der Hilfswicklung unsymmetrisch derart verteilt sind, daß sie bezüglich Phase und Richtung unter den Polen der Phase und Richtung der Leiter eines Stromkreises der Hauptwicklung entsprechen.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte der Hilfswicklung am Fuße der Nuten für die Hauptwicklung untergebracht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.