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Einrichtung zur Verbesserung der Kommutierung bei Kommutatormaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf Mittel zur Verbesserung der Kommutierung von dynamoelektrischen
Maschinen der Kommutatorbauart einschließlich Kommutatormotoren und -generatoren.
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Da die Verwendung von Hilfspolen als Mittel zur Verbesserung der Kommutierung
von Wechselstromkommutatormaschinen im allgemeinen aus verschiedenen Gründen nicht
möglich ist, sind für diesen Zweck bereits andere Anordnungen vorgeschlagen worden,
die jedoch fast durchweg mit gewissen Nachteilen verbunden sind.
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Bei der Konstruktion von Kommutatormaschinen muß das Vorhandensein
von mehr als einem magnetischen Fluß in Betracht gezogen werden.
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Da ist zunächst der Hauptfluß, der die Leiter des Ständers und die
Ankerwicklungen verkettet und eine Energieübertragung von einer Wicklung, als der
Primärwicklung, auf die andere, als die Sekundärwicklung, bewirkt.
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Zweitens gibt es noch einen Streufluß der Spulen, die eine Kommutierung
erfahren, wobei der Weg dieses Streuflusses ein geschlossener Weg um jedes Paar
Ankernuten, in das die jeweils eine Kommutierung erfahrenden Spulen untergebracht
sind, und um unmittelbar benachbarte Nuten ist.
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Nur ein kleiner Teil dieses Streuflusses überquert den Luftspalt und
verläuft zu und durch den benachbarten Zahn des Ständers, so daß durch diesen Fluß
praktisch keine Verkettung der Ständer- und Ankerwicklungen besteht.
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Gerade durch diesen Streufluß wird die Kommutierung nachteilig beeinflußt,
da er eine Kommutierungs
-Reaktanz-Spannung induziert infolge der
Veränderung seiner Richtung entsprechend dem Richtungswechsel des Stromes in den
eine Kommutierung erfahrenden Windungen. Diese Spannung ruft eine Funkenbildung
an den Bürsten hervor, wobei die durch das Feuern verbrauchte Energie die in diesem
Streufluß enthaltene potentielle Energie darstellt.
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Zur Verminderung der Wirkung der Reaktanzspannung der Kommutierung
wurde in dem Patent 7o2 452 vorgeschlagen, eine zur Ankerhauptwicklung parallel
geschaltete Ankerhilfswicklung vorzusehen, welche durch eine Transformatorwirkung
eine Kommutierung erfahrende Windung oder Windungen mit anderen Windungen verkettet,
die nicht gleichzeitig eine Kommutierung erfahren, wodurch die wirksame Reaktanz
des Kommutierungssystems vermindert wird, so daß die im Streufluß enthaltene Energie
der eine Kommutierung erfahrenden Windungen auf andere Windungssysteme übertragen
werden kann, wodurch ihre Entladung durch Funkenbildung an den Bürsten vermieden
wird.
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Diese Hilfswicklung bewirkt einen weiteren Streufluß, der unabhängig
von dem vorerwähnten Streufluß der eine Kommutierung erfahrenden Hauptspule ist,
wobei der Weg dieses weiteren Streuflusses ein geschlossener Weg durch diejenigen
Zähne und über diejenigen magnetischen Brücken in den Nuten des die Hilfswindungen
enthaltenden Ankers ist, die die primären und sekundären Transformatorwicklungen
bilden, und wobei dieser weitere Streufluß, von dem ein kleiner Teil zum Ständer
gehen kann, die vorerwähnten Hilfswindungen verkettet und so eine wirksame Transformatorwirkung
gewährleistet.
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In dem Patent 7o2 452 ist jedoch die Anordnung und die Verteilung
der Haupt- und Hilfswicklungen solcher Art, daß die durch den Hauptfluß in den parallel
geschalteten Windungen dieser Wicklungen induzierten Spannungen nicht den Zustand
vorfinden, der nach einem der Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung angestrebt
wird, nämlich einen Zustand, bei dem diese Spannungen gleich hoch sind und dieselbe
Phasenlage haben.
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Die durch das Patent 7o2 452 bekanntgewordene Anordnung bringt in
der Praxis entsprechend ihrem Prinzip unvermeidliche Verluste mit sich, die durch
Ausgleichströme verursacht werden, welche durch die zwei Wicklungen gehen und durch
die verschiedenen Phasenlagen der durch den Hauptfluß in den parallel geschalteten
Windungen der zwei Wicklungen induzierten Spannungen erzeugt werden. Diese Ausgleichströme
und die damit verbundenen Verluste bedingen in vieler Beziehung ernste Beschränkungen
in der Konstruktion solcher Maschinen. So ist es zur Verminderung solcher Verluste
z. B. notwendig, eine große Anzahl von Nuten je Pol zu verwenden, wodurch der Phasenwinkel
zwischen den Vektoren, die die in den in benachbarten Nuten untergebrachten Windungen
erzeugten Spannungen darstellen, vermindert wird; ferner ist es notwendig, einen
verhältnismäßig hohen Widerstand je Windung der Hilfswicklung zu wählen.
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Die erstere Maßnahme führt zu größeren und teureren Maschinen, während
die zweite die Wirksamkeit der Hilfswicklung als Mittel zur Verbesserung der Kommutierung
selbst vermindert.
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Außer ihrem nachteiligen Einfluß auf den Wirkungsgrad bringen diese
zusätzlichen Verluste Kühlungsprobleme mit sich, besonders bei niedrigen Drehzahlen,
bei welchen diese Verluste gewöhnlich höher sind und die Lüfterwirkung am wenigsten
wirksam ist.
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Der Hauptzweck der Erfindung ist, bei Maschinen mit einer parallel
zur Hauptwicklung geschalteten Hilfswicklung die einer solchen Hilfswicklung innewohnenden
Nachteile vollkommen zu beseitigen.
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Durch die Anwendung der Erfindung lassen sich alle zusätzlichen Verluste
ausschalten und außerdem der Wirkungsgrad der Hilfswicklung für die Verbesserung
der Kommutierung nicht nur bei Wechselstromkommutatormaschinen, sondern auch bei
Gleichstromkommutatormaschinen erhöhen.
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Gemäß der Erfindung ist bei Dynamomaschinen der Kommutatorbauart,
die zur Verbesserung der Kommutierung mit einer Ankerhilfswicklung versehen sind,
deren Windungen mit den Windungen der Ankerhauptwicklung zu einem gemeinsamen Kommutator
parallel geschaltet sind, die Hilfswicklung so angeordnet und auf die Ankernuten
verteilt, daß ihre Windungen durch einen magnetischen Weg verkettet werden, der
praktisch unabhängig sowohl vom Hauptfluß als auch von dem Streufluß ist, der mit
den parallel geschalteten Hauptwindungen verkettet ist. Dabei sind zwischen benachbarten
Kommutatorsegmenten mindestens zwei in Reihe geschaltete Windungen der Hilfswicklung
angeschlossen und Hilfswindungen, die mit der Hauptwicklung parallel geschaltet
sind, in mindest zwei in bezug auf ihre relative Lage zum Hauptfluß benachbarten
Nutenpaaren so angeordnet, daß die in den Hilfswindungen durch den Hauptfluß oder
dessen mit den Hilfswindungen verketteten Teil sich ergebende induzierte Spannung
im wesentlichen von der gleichen Größenordnung ist und dieselbe Phasenlage hat wie
die durch den Hauptfluß induzierte Spannung derjenigen Windungen der Hauptwicklung,
die mit den erwähnten Hilfswindungen parallel geschaltet sind.
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Die Erfindung besteht aus einer Anordnung, bei welcher die aufeinanderfolgenden
Windungen der in verschiedenen oder teilweise verschiedenen Nuten gelegten Hauptwicklung
mit Windungsgruppen der Hilfswicklung parallel geschaltet sind, die in anderen Nuten
untergebracht sind, welche entweder zum gleichen Nutensystem gehören oder einem
besonderen System im Hauptanker oder in einem Hilfsanker. Die Nuten sind in jedem
Falle so angeordnet, daß ein magnetischer Fluß entwickelt werden kann, der die verschiedenen
Systeme von Hilfswindungen miteinander verkettet und gleichzeitig wenigstens teilweise
unabhängig von dem mit den parallel geschalteten Systemen der Hauptwindungen verketteten
Streufluß ist.
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Außerdem sind gemäß der Erfindung die Windungen der Hilfswicklung,
die praktisch die Primär- und Sekundärwicklungen von Transformatoren bilden, welche
Hauptwindungen in verschiedenen oder teilweise verschiedenen Nuten koppeln, mindestens
zum Teil in verschiedenen Nuten untergebracht, so daß
die Transformatoren
ein System von primären und sekundären Windungen oder Leitern von lockerer Verkettung
enthalten, d. h. nur durch den gemeinsamen Fluß benachbarter Nuten verkettet sind.
In diesen Windungen oder Leitern, die mit Windungen oder Leitern, welche durch ihre
Lage in genau denselben Nuten eng verkettet sind, in Reihe geschaltet sind, werden
Spannungen von solch einer Phasenlage induziert, daß sie durch Summierung eine resultierende
Spannung ergeben, die in ihrer Höhe der Spannung der parallel geschalteten Hauptwindungen
bei gleicher Phasenlage gleich ist. Außerdem sind diese Hilfswindungen, die eine
lockere Verkettung mit Windungen eines benachbarten Hilfssystems haben, eng mit
den Windungen des anderen benachbarten Hilfssystems auf der anderen Seite desselben
verkettet. Auf diese Weise können alle Hilfswindungen eng mit den Windungen eines
oder des anderen der benachbarten Systeme verkettet werden, so daß sich dadurch
die Primärwicklungen von Transformatoren mit mindestens je zwei Sekundärwicklungen
ergeben.
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Weiterhin können gemäß der Erfindung die Windungen der Hilfswicklungen,
welche die Wicklungen der obenerwähnten Transformatoren bilden, auch unter verschiedenen
Polpaaren verteilt werden, in welchem Falle sie eine Wellenwicklung bilden und mit
der Wellen- oder Schleifenhauptwicklung parallel geschaltet werden können.
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Gemäß der Erfindung kann das Hilfssystem gleichzeitig dazu verwendet
werden, in wirksamster Weise Ausgleicher zu ersetzen und so die Konstruktion der
Maschine zu vereinfachen und zu verbilligen. Im Vergleich zur bekannten Anordnung
von Hilfswicklungen, bei denen Hilfswindungen in einem Paar von Nuten angeordnet
und mit Windungen der Hauptwicklung in anderen Nuten parallel geschaltet sind oder
umgekehrt und welche daher notwendigerweise verschiedene Phasenlagen der Spannungen
der parallel geschalteten Systeme aufweisen, hat die erfindungsgemäße Anordnung
diesen Nachteil nicht, so daß die entsprechenden Maschinen ohne die obenerwähnten
Beschränkungen gebaut werden können.
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Die durch die neue Anordnung erzielbaren Vorteile erschöpfen sich
jedoch nicht in der Ausschaltung aller zusätzlichen Verluste und der sich aus diesen
Verlusten ergebenden Erwärmung. Bei den erfindungsgemäßen Wicklungen besteht auch
keine Notwendigkeit, sich auf einen hohen Widerstand der Hilfswindungen zu stützen,
um die Ausgleichströme zu begrenzen. Der Widerstand dieser Windungen kann so gewählt
werden, daß man eine maximale Wirkung für die Verbesserung der Kommutierung erhält.
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Die einzigen Möglichkeiten, zur Vermeidung des Feuerns die Reaktanzspannung
der Kommutierung unter dem zulässigen Wert zu halten, sind entweder den Kommutatorstrom
innerhalb gewisser Grenzen zu halten oder den ohmschen Widerstand des Hilfssystems
zu vermindern.
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Da die letztere Möglichkeit durch die erfindungsgemäße Anordnung gegeben
wird, besteht keine Notwendigkeit, den Betrag des kommutierten Stromes zu begrenzen.
Das Hilfssystem kann auch dazu verwendet werden, einen Teil des Hauptstromes zu
führen, besonders in jenen im nachstehenden beschriebenen Fällen, wo Hilfswicklungen
verwendet werden. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Wicklung nicht beschränkt auf
Hauptwicklungen mit mehr als einer Spule je Nutenpaar, wodurch eine weitere Beschränkung
der Konstruktion ausgeschaltet wird.
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In der Beschreibung sind unter Bezugnahme auf die Zeichnungen die
Wicklungen mit den Zahlen bezeichnet, die die Nuten angeben, in welchen die Leiter
untergebracht sind.
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In dem in Abb. I dargestellten Beispiel besteht die Ankerwicklung
aus einer Hauptwicklung M, welche in dem oberen Teil der Ankernuten S (I bis I6)
untergebracht ist, so daß ein Leiter je Lage und Nut vorgesehen ist, und einer Hilfswicklung
A, die auf den Nutengrund gelegt ist.
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Eine magnetische Brücke B, die zweckmäßig aus Eisenblech besteht,
ist zwischen den zwei Wicklungen M und A angeordnet.
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Die Hauptwicklung M ist eine eingängige Schleifenwicklung. Ihr Wicklungsschritt
Pm, gemessen in Nutteilungen, ist in diesem Falle S I bis S I5 oder vierzehn Nutteilungen.
Ihre erste dargestellte Windung I, I5, die aus dem Oberstab in der Nut SI und dem
Unterstab in der Nut S I5 oberhalb der magnetischen Brücke B besteht, ist mit den
Lamellen CI und C2 des schematisch dargestellten Kollektors mit Bürste Br verbunden.
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Die nächste Spule 2, I6, die aus dem Oberstab in der Nut S2 und dem
Unterstab in der Nut SI6 besteht, ist zwischen den Kollektorlamellen C2 und C3 geschaltet
usw.
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Die Hilfswicklung A ist ebenfalls eine Schleifenwicklung. Sie hat
zwei Windungen je Kollektorlamelle und einen Wicklungsschritt Pa von nur fünf Nutteilungen.
Infolge ihrer doppelten Windungen hat sie, wie in Abb. I gezeigt, zwei Leiter je
Lage am Grunde der Nuten, z. B. SI und S2. Da der Schritt der Hilfswicklung A etwa
ein Drittel der Hauptwicklung M beträgt, angenommen, daß die Zahl der Nuten fünfzehn
oder etwa fünfzehn ist, so werden zwei Windungen der Hilfswicklung praktisch denselben,
durch den gleichen Fluß induzierten numerischen Spannungswert haben wie die Spannung
der einen Windung der Hauptwicklung. Jeder etwa auftretende geringfügige Unterschied
hat nur eine geringe Differenz in dem durch die magnetische Brücke B gehenden Fluß
zur Folge, was nur einen sehr niedrigen Wert des Magnetisierungsstromes in den zwei
Systemen erforderlich macht.
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Das zuerst dargestellte Paar in Reihe geschalteter Windungen 5, Io
und 6, II der Hilfswicklung A ist zwischen die Kollektorlamellen Ci und C2 geschaltet.
Diese zwei Windungen sind auf den Grund von zwei verschiedenen Ankernutenpaaren
gewickelt, nämlich der Nuten S5 und S io für die erste Windung und der Nuten S6
und Sii für die zweite Spule. Das nächste Paar der in Reihe geschalteten Windungen
6a, ii a und 7, 12 der Hilfswicklung, die in die Ankernuten S6, Sii bzw. S7, S12
gewickelt sind, sind mit den Kollektorlamellen C2 und C3 verbunden usw. Jedes in
Reihe
geschaltete Windungspaar der Hilfswicklung A ist so mit einer Spule der Hauptwicklung
M parallel geschaltet.
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Die zwei Hilfswindungen, die mit jeder der Hauptwindungen parallel
geschaltet sind, können als Primär- oder Sekundärwicklungen von Transformatoren
betrachtet werden, die die Energie der mit der kommutierenden Hauptwindung gekoppelten
Streuflüsse auf die benachbarten Hauptwindungen übertragen.
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Wenn man die Hauptwindung I, I5 als Beispiel nimmt, die gerade kommutiert,
wenn die Bürste Br die beiden Kollektorlamellen CI und C2 berührt, so findet die
Kommutierung des Stromes in dieser Hauptwindung I, I5 mit der Richtungsänderung
des Streuflusses der gerade kommutierenden Hauptwindung I, I5 statt, wobei der Weg
dieses Streuflusses ein geschlossener Weg um die Nut SI und um die Nut SI5 ist.
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Diese Änderung des Streuflusses induziert in der Windung I,I5 eine
Spannung, die sogenannte Kommutierungs-Reaktanz-Spannung. Wenn diese Spannung einen
gewissen Wert übersteigt, verursacht sie ein Feuern an den Bürsten, besonders wenn
die Bürste den Kurzschlußstrom zwischen den Kollektorlamellen CI und C2 unterbricht,
d. h. wenn sie die Kollektorlamelle CI am Ende der Kommutierungsperiode verläßt.
Diese Spannung wird auch den in Reihe geschalteten Hilfswindungen 5, Io und 6, II
mitgeteilt, welche mit denselben Kollektorlamellen CI und C2 verbunden sind wie
die Hauptwindung I, I5. Diese Hilfswindungen 5, Io und 6, II können als die Primärwicklung
eines Transformators betrachtet werden, dessen magnetischer Weg im wesentlichen
der um die Nuten S5, S6, S7 und um die Nuten SIo, SII, SI2 geschlossene Weg eines
Streuflusses ist, der den beträchtlichen Fluß einschließt, der durch die magnetischen
Brücken B in diesen Nuten geht und unabhängig vom Hauptfluß und dem obenerwähnten
Streufluß der kommutierenden Hauptwindung ist. Eine Sekundärwicklung dieses Transformators
wird von den in Reihe geschalteten Hilfswindungen 6a, IIa und 7, I2 gebildet, welche
mit den Kollektorlamellen C2, und C3 verbunden sind. Durch diese Transformatorwirkung
wird auf diese Weise eine Spannung in der Sekundärwicklung 6a, IIa und 7, 12 induziert.
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Da die beiden Hilfswindungen 6a, IIa und 7, I2, die mit den Kollektorlamellen
C2 und C3 verbunden sind, ihrerseits mit der Hauptwindung 2, I6 parallel geschaltet
sind, schließt diese Hauptwindung die Sekundärspannung des Transformators kurz,
was bedeutet, daß die Reaktanz der Hauptwindung 2, I6 der Reaktanz der kommutierenden
Hauptwindung I, I5 parallel geschaltet wird, so daß ihr Wert annähernd halbiert
wird.
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Mit anderen Worten, sobald sich die Reaktanzspannung entwickelt, ist
die Folge der Transformator-Wirkung eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung, die
die Reaktanz des kommutierenden Systems dadurch vermindert, daß der in der Sekundärwicklung
kurzgeschlossene Transformator mit seiner Primärwicklung parallel zur Reaktanz der
kommutierenden Spule geschaltet wird, so daß die resultierende Reaktanzspannung
unterhalb des zulässigen Betrages gehalten und so ein Feuern vermieden wird.
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Es muß jedoch berücksichtigt werden, daß außer der Reaktanzspannung
der Kommutierung, die wirksam durch die erfindungsgemäße Anordnung beeinflußt wird,
die Parallelschaltung der Haupt- und Hilfswindungen vom Gesichtspunkt der in diesen
Windungen durch den Hauptfluß induzierten Spannungen betrachtet werden muß, unter
deren Einfluß sie ständig und nicht nur während der Kommutierungsperiode stehen.
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Aus Abb. I der Zeichnungen ist ersichtlich, daß sowohl die Primärwicklung
als auch die Sekundärwicklung des beschriebenen Transformators aus zwei Teilen besteht,
nämlich aus den Teilen 5, Io und 6, II, die die Primärwicklung bilden, und den Teilen
6a, IIa und 7, I2, die die Sekundärwicklung bilden, und daß jeder Teil aus einer
Windung der Hilfswicklung besteht.
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Die zwei Hilfswindungen 6, II und 6a, IIa in den Nuten S6 und SII,
die zu den Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators gehören, sind eng verkettet.
Da sie in denselben Nuten liegen, sind alle Haupt- und Streuflüsse, mit denen sie
verkettet sind, welches auch immer ihr Weg sei, genau gleich.
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Die Windungen 5, Io und 7, I2, die ebenfalls zu den Primär- und Sekundärwicklungen
des Transformators gehören, sind jedoch nicht so eng miteinander verkettet. Außerdem
ist die Primärwindung 5, Io z. B. eng mit einer anderen Spule in denselben Nuten
verkettet, die einen Teil einer anderen Transformatorsekundärwicklung bildet, die
durch die benachbarten Windungen der Hilfswicklung (in Abb. I nicht gezeigt) dargestellt
ist, welche mit den Kollektorlamellen CI und Cn verbunden sind.
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Die Reaktanz wird außerdem auf diese Weise durch die Parallelschaltung
einer anderen Hauptwindung in benachbarten Nuten links von den Nuten SI, SI5 vermindert.
Auf der anderen Seite ist die Hilfswindung 7, I2 eng mit einer anderen Windung (nicht
gezeigt) in denselben Nuten verkettet, die zu dem mit den Kollektorlamellen C3 und
C4 verbundenen Hilfssystem gehört, welches zu einer Hauptwindung (nicht gezeigt)
in der Nut S3 und in der nächsten Nut über S I6 hinaus parallel geschaltet ist.
Jedes als Transformatorprimärwicklung wirkende Hilfssystem ist daher eng mit den
zwei benachbarten Systemen verkettet, welche auf diese Weise zwei Sekundärwicklungen
des Kommutationstransformators bilden, außer der Verkettung mit den Leitern der
anderen Lagen derselben Nuten, welche zu Windungen gehören, die um fünf Nuten verlagert
sind. Auf diese Weise geht die stufenweise Verkettung aller Hauptwindungen und die
Parallelschaltung ihrer Reaktanzen durch solche Transformatorsysteme über den ganzen
Anker vor sich, woraus sich ein vernachlässigbarer Reaktanzbetrag für die jeweils
kommutierende Hauptwindung ergibt.
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Dieses Ergebnis läßt sich ohne jeden Unterschied in. den Spannungen
parallel geschalteter Haupt- und Hilfssysteme erzielen, wie sich aus dem in Abb.
2 dargestellten Vektordiagramm ergibt, das zeigt, daß
die durch
den Hauptfluß in parallel geschalteten Windungen induzierten Spannungen von derselben
Größenordnung und Phase sind.
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Das in Abb. 2 gezeigte Vektordiagramm stellt die vektorielle Lage
der Spannungen in den Windungen der Haupt- und Hilfswicklungen dar. Die Vektoren
sind mit je zwei Zahlen bezeichnet, die die zwei Ankernuten angeben, in welchen
die die jeweiligen Windungen bildenden Leiter untergebracht sind.
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Angenommen, die Spannung der Hauptrolle I, I5 hat die durch den Vektor
I, I5 angegebene Phasenlage und Größenordnung, dann hat die Windung 2, I6 eine Spannung
von derselben Größenordnung, wie durch den Vektor 2, I6 dargestellt, jedoch mit
der Phasenverschiebung von einer Nut mit Bezug auf die benachbarte.
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Jede der Hilfswindungen in den Nuten S6 und SII hat dann die durch
den Vektor 6, II im Vektordiagramm wiedergegebene Lage, da ihre elektrische Achse
sich genau in der Mitte zwischen den beiden vorerwähnten Hauptwindungen befindet.
Die Größenordnung der Spannung jeder Hilfseinzelwindung beträgt dann etwa die Hälfte
derjenigen einer Hauptwindung.
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Die Phasenlage der Spannungsvektoren 5 bis Io und 7 bis I2 ist dann,
wie im Diagramm gezeigt, jeweils in entgegengesetzten Richtungen mit Bezug auf die
Vektoren 6 bis II verschoben, d. h. es liegt eine Phasenverschiebung von einer Nut
vor.
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Die in den zwei mit den Kollektorlamellen CI und C2 in Reihe geschalteten
Hilfswindungen induzierte Spannung ist durch die Vektorsumme der Vektoren 6 bis
II und 5 bis Io dargestellt, wobei die sich ergebende Gesamtspannung der durch den
Vektor I bis I5 dargestellten Spannung in Größenordnung und Phasenlage gleich der
Spannung ist, die von den Vektoren I bis I5 für die Hauptwindung dargestellt ist,
die mit den gleichen Kollektorlamellen wie die vorerwähnten Hilfswindungen parallel
geschaltet ist.
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Die beiden Windungen 6a, IIa und 7, I2, die mit den Kollektorlamellen
C2 und C3 verbunden sind, haben die durch die Spannungsvektoren 6 bis II und 7 bis
I2 in Abb. 2 dargestellten Spannungswerte, wobei der Vektor 6 bis II die beiden
Windungen 6 bis II und 6a bis IIa induziert, da diese Windungen in denselben Nuten
S6 und SII untergebracht sind. Die beiden Windungen 6a, IIa und 7, I2 ergeben dieselbe
Vektorsumme wie der Spannungsvektor der Hauptwindung 2, I6. Dasselbe trifft auf
alle parallel geschalteten Haupt- und Hilfssysteme zu.
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Die durch den Hauptfluß in parallel geschalteten Haupt- und Hilfswindungen
induzierten Spannungen sind daher als ausgeglichen dargestellt, und auf diese Weise
werden die im vorstehenden erwähnten Kreisströme und andere zusätzliche Verluste
vermieden.
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In den weiteren im folgenden beschriebenen Beispielen ist die Hilfswicklung
A der besseren Übersicht halber schematisch unterhalb des Kollektors C, d. h. um
I8o° aus ihrer wirklichen Lage verschoben, dargestellt, und in den Abb. 3 bis 6
sind zur Erleichterung des Verständnisses der Beschreibung die Ankernuten im Wicklungsbild
schematisch mit gestrichelten Linien dargestellt.
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In Abb.3 ist die Hauptwicklung eine Schleifenwicklung, die zwei Leiter
je Lage hat, wobei der Schritt wechselweise zwölf und dreizehn Nuten beträgt und
die Polteilung genau oder annähernd zwölfeinhalb ist.
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Die Hilfswicklung A hat vier Leiter je Schicht (acht Leiter je Nut),
und Windungspaare dieser Wicklung sind je nach ihrem Schritt (der etwa ein Drittel
der Polteilung ausmacht) in Reihe zwischen benachbarten Kollektorlamellen geschaltet.
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Die erste dargestellte Hauptwindung I, I3 ist mit den Kollektorlamellen
CI und C2 verbunden. Zwei in Reihe geschaltete Windungen 5, 9 und 5a, 9a der Hilfswicklung
A, beide in den Nuten S5, S9, sind ebenfalls mit den Kollektorlamellen CI, C2 verbunden
und so in Parallelschaltung mit der erwähnten Hauptwindung.
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Die nächste Hauptwindung Ia, I4 ist mit den Kollektorlamellen C2,
C3 verbunden und zwei in Reihe geschaltete Windungen 5b, 9b und 6, Io der Hilfswicklung
sind ebenfalls mit den Kollektorlamellen C2, C3 verbunden und daher in Parallelschaltung
mit der Hauptwindung Ia, I4.
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Die folgende Hauptwindung 2, I4a ist mit den Kollektorlamellen C3,
C4 verbunden, mit welchen ebenfalls zwei in Reihe geschaltete Hilfswindungen 6a,
Ioa und 6b, Iob verbunden sind usw.
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Aus dem Vektordiagramm der Abb. 4 ist ersichtlich, daß die in der
Windung I, I3 der Hauptwicklung induzierte und durch den Vektor I bis I3 wiedergegebene
Spannung dieselbe Phasenlage hat wie die in den zwei in Reihe geschalteten Windungen
5, 9 und 5a, 9a der Hilfswicklung induzierte Spannung, welche durch die Vektoren
5 bis 9 dargestellt ist, so daß die Vektorsumme der Spannungsvektoren für die erwähnten
zwei Hilfswindungen gleich ist der Vektorspannung für die Hauptwindung I, I3.
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Es ist auch ersichtlich, daß der Spannungsvektor I bis I4 für die
Hauptwindung Ia, I4 nur um die halbe Winkelverschiebung von zwei benachbarten Nuten
gedreht ist und daß der Spannungsvektor 6 bis Io für die Hilfswindungen 6 a, io
a und 6 b; io b in Phase mit dem Spannungsvektor 2 bis 14 für die Hauptwindung 2,
14.a ist.
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Die Vektorsumme der Vektoren 5 bis 9 und 6 bis io ist daher, was Wert
und Phasenlage betrifft, gleich dem Spannungsvektor i bis 1q..
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In dem mit den Kollektorlamellen C3 und Cq. verbundenen Hilfssystem
geben die zwei Hilfswindungen 6 a, io a und 6b, io b in den Nuten S 6, S
io dieselbe Spannung wie die Hauptwindung 2, 1q.a in den Nuten S2, S1q..
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Wenn man beispielsweise die Verkettung der Hauptwindung 1, 13 durch
die Wirkung der Hilfswicklung betrachtet, sind die Hilfswindungen 5, 9 und 5 a,
9 a in den Nuten S 5, S 9, die mit der erwähnten Hauptwindung parallel geschaltet
sind, als die Primärwicklung eines Kommutierungstransformators eng mit zwei in denselben
Nuten liegenden Hilfswindungen verkettet, von denen eine zu dem mit den Kollektorlamellen
C2, C3 verbundenen
System und die andere zu dem mit den Kollektorlamellen
Cn, CI verbundenen System gehört.
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Sie sind weiterhin weniger eng verkettet mit den zweiten Windungen
in den zu denselben Systemen gehörenden Nachbarwindungen und teilweise mit den Leitern
in denselben Nuten in der anderen Schicht verkettet, d. h. in der Grundschicht in
Nut S5 und in der oberen Schicht in Nut S9, die zu den nach jeder Seite um vier
Nuten verlagerten Hilfswicklungssystemen gehören.
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Weiterhin ist der Leiter I der Hauptwindung I, I3 in Nut SI magnetisch
verkettet mit einem Leiter Ia (in derselben Nut) der Hauptwindung Ia, I4, während
der andere Leiter I4 (in Nut SI4) dieser Hauptwindung Ia, I4 mit dem Leiter I4a
(ebenfalls in Nut SI4) der Hauptwindung 2, I4a magnetisch verkettet ist. In den
Hilfs- und Hauptwindungen besteht daher ein mehrfaches System magnetischer Verkettung.
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Eine Schleifenhauptwicklung der mit Bezug auf Abb.3 beschriebenen
Art ist unter gewissen Verhältnissen, was die Kommutierung anbetrifft, an sich vorteilhaft.
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Im vorliegenden Falle jedoch, in welchem alle Spulen dieser Hauptwicklung
mit Systemen von Hilfswindungen parallel geschaltet sind, wird eine neue Wirkung
erzielt, da diese parallel geschalteten Hilfswindungen zur Parallelschaltung von
weiteren Reaktanzen mittels Zwischentransformatoren führen, welche, wie im vorstehenden
gezeigt, sich nicht nur auf einem, sondern auf zwei oder mehr Wegen durch die Haupt-
und Hilfssysteme über den ganzen Anker in beiden Richtungen fortsetzt.
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Ähnliche Anordnungen sind gemäß der Erfindung möglich, wenn die Hauptwicklungen
als Wellenwicklungen oder Reihenparallelwicklung angeordnet sind und die Hilfswicklung
eine Schleifen-, Wellen-oder Reihenparallelwicklung in verschiedenen Kombinationen
ist.
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Die Anordnung der Hauptwicklung als Reihenwicklung oder Reihenparallelwicklung
zeigt bezüglich der magnetischen Verkettung mit benachbarten Windungen ein ähnliches
Ergebnis, wie in Abb. 3 für die Leiter der Windungen einer Parallelwicklung mit
wechselweise verschiedenem Wicklungsschritt gezeigt, da in einem Wicklungsgang,
d. h. zwischen zwei benachbarten Kollektorlamellen einer Reihenwicklung, enthaltene
Windungen in gemeinsamen Nuten mit zu verschiedenen Systemen gehörenden Spulen unter
verschiedenen Polpaaren gelegt sind.
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Einige der obenerwähnten Kombinationen ergeben Hilfswicklungen mit
vollem Wicklungsschritt. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn eine Wellenhauptwicklung
mit einer Schleifenhilfswicklung kombiniert ist. In solchen Fällen muß die Hilfswicklung
entweder einen übergroßen Wicklungsschritt haben in Kombination mit einer Hauptwicklung
mit einem etwas verkürzten Wicklungsschritt oder umgekehrt, um die Lage der parallel
geschalteten Haupt- und Hilfswindungen in verschiedenen Nuten und mit unabhängigen
Streuflüssen beizubehalten.
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Eine Reihenwicklung beliebiger Art ergibt bei Verwendung für die Hilfswicklung
eine Anordnung, bei welcher die Wicklungen der Kommutierungstransformatoren über
zwei oder mehr Polpaare verteilt sind mit einer engen und lockeren Verkettung der
auf verschiedene Weise abwechselnden Primär- und Sekundärwicklungen je nach der
Anzahl der Polpaare in der Maschine und der besonderen Ausführung der Wicklung.
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Die Verwendung von Reihen- oder Reihenparallelwicklungen als Hilfswicklungen
in Verbindung mit Schleifenhauptwicklungen ergibt weitere Vorteile der erfindungsgemäßen
Anordnung, wie aus den in den Abb. 5 und 6 dargestellten Beispielen ersichtlich
ist.
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In Abb. 5, die einen Teil der Ankerwicklung eines vierpoligen Ankers
mit dreiundzwanzig Nuten zeigt, ist die Hauptwicklung M eine Schleifenwicklung mit
drei Leitern je Schicht in der Nut, wobei der Kollektor C neunundsechzig Lamellen
hat.
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Die Hilfswicklung A ist eine Wellenwicklung mit verkürztem Wicklungsschritt,
d. h. etwa ein Drittel der Polteilung, so daß zwei Windungen in Reihe dieselbe Spannung
ergeben wie die Spannung einer Hauptspule mit vollem Wicklungsschritt.
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Die Hauptwicklung M hat einen wechselnden Wicklungsschritt von fünf
und sechs Nuten, die Hilfswicklung sodann einen Nutenschnitt von zwei Nuten. Aus
dem Diagramm ist ersichtlich, daß der Kommutierungstransformator z. B. für die Hauptwindung
22, I7, welche zwischen den Kollektorlamellen CI und C69 geschaltet ist, eine Transformatorwicklung
hat, welche aus zwei Hilfswindungen I, 3 und I2, I4 besteht. Die Hilfswindung I2,
I4 ist eng mit den Windungen in denselben Nuten, die zu dem Hilfssystem zwischen
den Kollektorlamellen C69 und C68 gehören, und ebenso eng mit einer weiteren Windung
in denselben Nuten verkettet, die zu dem mit den Lamellen C68 und C67 verbundenen
Hilfssystem gehören. Zu diesen Hilfssystemen gehören in den Nuten S23 und S2 liegende
Windungen, welche eng mit einer Windung des mit den Kollektorlamellen C67 und C66
verbundenen Hilfssystems verkettet sind. Auf diese Weise erzielt man durch alle
diese Transformatoren eine Parallelschaltung unmittelbar mit den Hauptwindungen
22a, I6 und 22b, I6a, die mit den Kollektorlamellen C69, C68 und C68, C67
verbunden sind, und unmittelbar mit der Hauptwindung 2I, I6b in den Nuten S2I, SI6,
usw. Weiterhin wird eine lose Verkettung der vorstehend betrachteten Hauptwindung
22, I7 auch in der Hauptnut selbst erreicht durch die Leiter in der Nut S 22, nämlich
die Leiter 22a und 22b, welche Teile der Hauptwindungen i6, 22a bzw.
16a, 22b
sind. Außerdem ist die Hilfswindung i, 3 lose mit den Hilfswindungen
in den Nachbarnuten S23, S2 verkettet, wodurch sich eine weitere Transformatorwirkung
ergibt, die sich zu den bereits beschriebenen addiert. Dasselbe trifft auf die im
Diagramm nicht gezeigten Windungen rechts des mit den Kollektorlamellen Ci, C69
verbundenen Systems zu.
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Außer dieser fast völligen Reduzierung der wirksamen Reäktanz der
Kommutierung auf einen vernachlässigbaren Betrag hat diese Anordnung noch den weiteren
Vorteil, daß die Hilfswicklung auch als Ausgleichssystem für die Hauptschleifenwicklung
wirkt.
Jede Windung der Hilfswellenwicklung bildet gleichzeitig einen Ausgleicher zwischen
den beiden Polpaaren.
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Da die Hauptschleifenwicklung eine ungerade Zahl von Spulen hat und
die Anzahl der Polpaare zwei ist, gibt es keine spannungsgleichen Punkte bei alleiniger
Verwendung dieser Schleifenwicklung. Daher müßten bei alleiniger Verwendung einer
Schleifenwicklung dieser Art Ausgleicher zwischen den Kollektorlamellen auf einer
Seite und den vorderen Verbindungen der Windungen an dem anderen Polpaar angeordnet
werden, aus welchem Grunde eine Schleifenwicklung der beschriebenen Art normalerweise
nicht verwendet werden würde.
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Die Potentialdifferenz zwischen den Kollektorlamellen an gegenüberliegenden
Punkten des Kollektors von der halben Spannung einer Hauptwindung wird jedoch dadurch
überwunden, daß der verkürzte Wicklungsschritt der Hilfswicklung, der eine Spannung
je Spule von der Hälfte der vollen Spannung ergibt, eine solche Spule als Ausgleicher
wirken läßt. Die Ausgleichwirkung ist sehr zufriedenstellend, da jede Kollektorlamelle
mit der Hilfswicklung verbunden ist.
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In dem in Abb.6 dargestellten Beispiel ist die Hauptwicklung M eine
doppelte Schleifenwicklung mit dem Zwecke der Verminderung der Spannung zwischen
benachbarten Kollektorlamellen auf die Hälfte des durch den vollen Fluß bestimmten
Betrages. Die Wicklung ist eine in sechsundfünfzig Nuten S gelegte Sechspolwicklung
mit vier Leitern je Nut und zwei Leitern je Schicht.
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Die Hilfswicklung A ist eine Wellenwicklung mit derselben Zahl Leiter
und erfordert daher einen Wicklungsschritt, der ein Sechstel der Spannung je Windung
ergibt, verglichen mit derjenigen der Hauptwindung, welche in dem dargestellten
Beispiel ein Wicklungsschritt von einer Nutteilung ist. Auf diese Weise geben drei
in Reihe geschaltete Windungen der Hilfswicklung, z. B. die Windungen 56, I, I8,
I9, und 37, 38, die mit den benachbarten Kollektorlamellen CIII und CIIo verbunden
sind, die halbe Spannung einer Hauptwindung in dem in Frage stehenden Fall, wobei
die Hauptwindung 43, 52 das Potential in gleichen Teilen zwischen den Kollektorlamellen
CIIo und C 112 aufteilt, welche zu einem Kreis der doppelten Schleifenwicklung gehören
und mit dieser Hauptwindung 43, 52 verbunden sind, und so die relative Spannung
der zwei Kreise der Hauptwindung durch Festlegung des Potentials der Kollektorlamelle
CIII gewährleistet, die zu dem anderen Kreis der doppelten Schleifenwicklung gehört,
mittig zwischen den benachbarten Lamellen CIIo und CII2.
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Diese Hilfswicklung wirkt daher nicht nur als Ausgleicher zwischen
den verschiedenen Polpaaren, sondern auch als sonst notwendige Ausgleicher zur Festlegung
der Bezugsspannung der zwei Teile der doppelten Schleifenwicklung gegeneinander.
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Die Wirkung auf die sich ergebende Reaktanz der Kommutierung ist ähnlich
der vorbeschriebenen. Die Verkettung der verschiedenen Systeme ist auf drei Polpaare
und mittels verschiedener Nachbarsysteme von Hilfswindungen auch von einem Kreis
der Doppelschleifenwicklung auf den anderen ausgedehnt. Die Gleichheit der Werte
der in parallel geschalteten Spulen der Haupt- und Hilfswicklung induzierten Spannungen
beruht in allen jenen Fällen, wo sie in denselben Ankernuten untergebracht sind,
auf einer sinusförmigen Verteilung des Feldes auf den Umfang des Ankers insoweit,
als verkürzte Wicklungsschritte der Hilfswicklung verwendet werden.
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Diese Anordnung hat anderseits das Ergebnis, daß höhere Harmonische
der Felder nicht gleiche Spannungsbeträge in den parallel geschalteten Spulen induzieren,
so daß Ausgleichströme mit von der Hauptfrequenz verschiedener Frequenz in Reihe
durch die parallel geschalteten Windungen fließen, ohne durch den Kollektor auf
die Bürsten zu gehen, wobei diese Ströme die höheren Harmonischen des Feldes entmagnetisieren.
Das verbleibende Feld wird im wesentlichen sinusförmig sein mit dem Ergebnis, daß
die nachteiligen Wirkungen der Transformatorspannungen höherer Frequenz völlig vermieden
werden. Das Vorhandensein dieser Spannungen, die durch die Bürsten kurzgeschlossen
sind, in den jeweils eine Kommutierung erfahrenden Windungen ist neben der Reaktanz
und der Transformatorspannung ein weiterer Grund für die Kommutierungsschwierigkeiten
von Wechselstromkommutatormaschinen.
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Bei Gleichstrommaschinen, bei welchen das Hauptfeld im allgemeinen
nicht sinusförmig ist, werden zweckmäßig erfindungsgemäße Anordnungen mit Hilfswicklungen
mit vollem Wicklungsschritt verwendet.