<Desc/Clms Page number 1>
Dynamoelektrische Maschine
Die Erfindung bezieht sich auf dynamoelektrische Kommutatormaschinen, bei denen vorwiegend die Ankerrückwirkung als Erregungsquelle dient.
Eine dynamoelektrische Maschine mit Erregung durch Ankerrückwirkung hat normalerweise einen Rotor oder Anker, der eine Wicklung und einen Kommutator der bei Gleichstrommaschinen üblichen Art aufweist. Die stärkere Komponente der Erregung wird bei dieser Maschinenart durch den Ankerrückwirkungsfluss gebildet, welcher von dem durch die Ankerwicklung fliessenden Strom hervorgerufen wird. Um das Entstehen dieser Ankerrückwirkung zu begünstigen, wird eine Mehrzahl von gegeneinander versetzten Bürstensätzen vorgesehen, wovon wenigstens ein Satz an einen niederohmigen Kreis angeschlossen ist, der im wesentlichen einen Kurzschluss darstellt. Ein weiterer Bürstensatz ist bei Verwendung der Maschine als Generator an einen Lastkreis bzw. bei Verwendung der Maschine als Motor an einen Speisekreis angeschlossen.
Der Stator einer solchen Maschine ist derart ausgebildet, dass er für die verschiedenen magnetischen
Flüsse, welche von den Ankerströmen erzeugt werden, einen Weg geringer Reluktanz darstellt ; er ist ferner mit verschiedenen Wicklungen zur Verbesserung oder Steuerung des Betriebes der
Maschine versehen. Diese Statorwicklungen umfassen eine Erreger- oder Steuer wicklung zur
Spannungsinduktion im Querkreis des Rotors, wodurch der starke Stromfluss in dem vorgesehenen niederohmigen Kreis entsteht, der seinerseits wieder den gewünschten starken Ankerrück- wirkungsfluss hervorruft, welcher das Hauptfeld bildet.
Bei der wirksamsten Bauweise ist noch eine
Kompensationswicklung vorgesehen, um bei Ver- wendung der Maschine als Generator die vom
Strom im Lastkreis herrührende Ankerrück- wirkung bzw. bei Verwendung der Maschine als
Motor die vom Speisestrom herrührende Anker- rückwirkung im wesentlichen zu kompensieren.
Eine dynamoelektrische Maschine dieser Bauart kann bei geeigneter Bemessung der verschiedenen
Kreise als gleichstromerregter Generator zur
Lieferung einer veränderbaren Spannung oder eines veränderbaren Stromes benutzt werden ; sie spricht auf eine Regelung des erregenden Steuerfeldes rasch an und ergibt ein sehr hohes Verstärkungsverhältnis zwischen der Änderung im Ausgang und der Änderung im Eingang des Steuerfeldes. Wenn diese Maschinenart als Gleichstrommotor verwendet wird, vermittelt das Steuerfeld eine ausserordentlich genaue Drehzahlregelung bei geringer Eingangsleistung und man kann daher bei einer solchen Maschine einfache, leistungsschwache Drehzahlregler verwenden.
Eine dynamoelektrische Maschine der beschriebenen Art wird allgemein als"Amplidyne" bezeichnet, wobei diese Bezeichnung auf eine durch Ankerrückwirkung erregte dynamoelektrische Maschine hinweist, die eine Steuerfeldwicklung, einen niederohmigen Querbürstenkreis sowie eine Kompensationswicklung hat, welche die sekundäre Ankerrückwirkung aufhebt.
Man hat bisher dynamoelektrische Amplidynemaschinen wegen der hohen Eigeninduktivität der verschiedenen Feldwicklungen allgemein als nur für den Gleichstrombetrieb verwendbar gehalten.
Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der dynamoelektrischen Amplidynemaschinen.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine ver- besserte dynamoelektrische Amplidynemaschine, die mit Wechselstrom betrieben werden kann, zu schaffen.
Ferner betrifft die Erfindung einen verbesserten
Wechselstrommotor mit veränderbarer Drehzahl.
Weiters befasst sich die Erfindung mit einem ver- besserten Wechselstromgenerator,-bei dem die erzeugte Frequenz unabhängig von der Drehzahl der Maschine ist.
Weitere Zwecke und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dei nachfolgenden Beschreibung an Hand der beigegebenen Zeichnungen.
In Fig. 1 der Zeichnung ist eine übliche Ampli- dynemaschine für Gleichstrombetrieb dargestellt, die als Generator ausgebildet und hier nur zur
Erläuterung wiedergegeben ist. Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen verschiedene Möglichkeiten zur An- wendung kapazitiver Blindwiderstände bei
Amplidynegeneratoren für Wechselstrom, um die Maschine mit höheren Frequenzen betreiben zu können. In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungs- form der Erfindung in Anwendung auf einen
<Desc/Clms Page number 2>
Amplidynegenerator für Wechselstrom dargestellt und die Fig. 6 und 7 zeigen Spannungsdiagramme, die mit der Maschine nach Fig. 5 erhalten werden können.
In Fig. 8 ist die Anwendung der Erfindung auf einen AmplidyneMotor für Wechselstrom wiedergegeben und Fig. 9 zeigt eine vollständige Schaltung eines Amplidynemotors für Wechselstrom mit einer Einrichtung zur Drehzahlregelung. In Fig. 10 ist die räumliche Anordnung der verschiedenen Statorwicklungen einer typischen Amplidynemaschine für Wechselstrom dargestellt.
Es ist bekannt, dass ein Gleichstrom-Serienmotor seine Laufrichtung nicht ändert, wenn man die Speisespannung umpolt. Dieses Verhalten beruht auf der gleichzeitigen Umkehr der Richtung von Feld-und Ankerstrom, wodurch das Drehmoment im gleichen Sinn erhalten bleibt. Aus diesem Grunde läuft ein solcher Motor auch bei Speisung mit Wechselstrom. Ein Gleichstromgenerator erzeugt eine Spannung umgekehrter Polarität, wenn das Feld umgepolt wird. Aus dieser Tatsache ergibt sich, dass es durchaus möglich wäre, einen Amplidynemotor mit Wechselstrom zu betreieben bzw. mit einem Amplidynegenerator, dessen Feld mit Wechselstrom erregt wird, Wechselstrom zu erzeugen, sofern der induktive Blindwiderstand der verschiedenen Wicklungen in irgendeiner Weise neutralisiert werden kann.
Ein Merkmal dieser Erfindung, welches es er- möglicht, eine dynamoelektrische Amplidynemaschine mit Wechselstrom zu betreiben, besteht in der Anwendung geeignet gewählter Mittel zur Abstimmung der induktiven Wicklungen der Maschine. Bei Anwendung solcher Mittel kann man durch Abstimmung der Steuer-und Querkreise eine Maschine, die ursprünglich nur als gleich- stromerregter Amplidynegenerator für Gleichstrom verwendbar ist, im Anschluss an eine Erregungs- quelle für Wechselstrom als Wechselstrom- generator betreiben. Bei dieser Art der Erregung ist die Frequenz einer solchen Maschine unab- hängig von ihrer Polzahl und Drehzahl und hängt ausschliesslich von der Erregungsquelle ab, die eine sehr schwache Energiequelle sein kann, wie etwa ein Röhrenoszillator, ein Stimmgabel- oszillator usw.
Es ist daher möglich, einen schwachen Wechselstrom ohne Änderung seiner ursprünglichen Frequenz hoch zu verstärken, wobei der Ausgangswechselstrom durch ge- eignete, leistungsschwache Mittel unter An- wendung eines oder mehrerer Steuerfelder ge- regelt oder gesteuert werden kann.
Als ebenso wichtiges Ergebnis der Anwendung des Abstimmprinzips auf dynamoelektrische
Amplidynemaschinen erhält man einen Wechsel- strommotor, der mit einer beliebigen, nicht syn- chronen Drehzahl laufen kann. Die Drehzahl solcher Maschinen hängt weder von der Polzahl noch von der Speisefrequenz, sondern vorwiegend von der angelegten Spannung, von der Stärke des
Querflusses (Hauptfeld), von der Belastung, von den Wicklungen und von der Temperatur ab. Wegen der dem Amplidynemotor eigentümlichen hohen Verstärkung kann überdies ein sehr leistungsschwacher Drehzahlregler verwendet werden.
In Fig. 1 ist ein üblicher Amplidynegenerator gemäss der amerikanischen Patentschrift Nr. 2,227. 992 dargestellt. In der genannten Patentschrift ist überdies die Verwendung eines Kondensators in Verbindung mit einem üblichen Amplidynegenerator für Gleichstrom beschrieben. Der Kondensator liegt hiebei in Serie mit einer zusätzlichen Wicklung, weiche ein Pendeln''r Maschine unterdrückt und zu diesem Zwecke über den Kondensator jeweils nur dann gespeist wird, wenn im sekundären Kreis Schwingungen vorhanden sind, wodurch sie dem Auftreten von wechselstrommässigen Schwingungen in der Kompensationswicklung entgegenwirkt Der Kondensator dient also hier als ein Kopplungsglied, welches nur im Falle unerwünschter Schwingungen wirksam ist, erfüllt somit eine Aufgabe, welche auch durch einen Transformator gelöst werden kann.
In einer Abänderung der beschriebenen Maschine wird in diesem Sinne ein Transformator an Stelle des Kondensators verwendet.
Eine Erklärung der Arbeitsweise dieser Maschine sei als zweckdienliche Einführung in die Theorie der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung vorausgeschickt. Die Anordnung nach Fig. l umfasst einen Generator mit einem Rotor 1, der durch eine (nicht gezeichnete) mechanische Kraftquelle angetrieben wird und dessen Ankerwicklung mit einem für Gleichstrommaschinen üblichen Kommutator verbunden ist. In der schematischen Darstellung ist auch der die Pole tragende Stator weggelassen. Der Anker ist mit einem Satz von Bürsten 2 und 3 ausgerüstet, die miteinander durch einen kurzschliessenden Leiter 4 verbunden sind und auf diese Weise einen niederohmigen Primäroder Querkreis durch den Anker 1 bilden.
Auf dem Kommutator des Ankers 1 gleiten ferner die Bürsten 5 und 6 eines zweiten Bürstensatzes, der am Kommutator elektrisch gegen den ersten Bürstensatz 2, 3 versetzt ist und einen Sekundäroder Längskreis durch den Anker bildet. Um eine im wesentlichen ausgeglichene Verteilung der elektrischen Ströme durch die verschiedenen Teile des Ankers zu erhalten, ist der zweite Bürstensatz
5, 6 um 90 elektrische Grade gegen den ersten
Bürstensatz 2, 3 versetzt. Da der erste Bürstensatz kurzgeschlossen ist, ist nur ein sehr schwacher Fluss erforderlich, um zwischen diesen Bürsten eine
Spannung zu induzieren, welche einen verhältnis- mässig starken Primärstrom durch den zwischen diesen Bürsten liegenden Teil der Ankerwicklung hervorruft.
Dieser Primärstrom erzeugt, wie durch einen Pfeil 7 angedeutet wurde, längs der Primär- achse einen magnetischen Fluss oder eine primäre
Ankerrückwirkung. Die verschiedenen Pfeile sind für eine vorgegebene Polarität der Speisequelle 12 dargestellt. Bei der Drehung des Ankers 1 schneiden die Leiter, die mit dem zweiten Bürsten- satz 5, 6 verbunden sind, den in der oben be- schriebenen Weise erzeugten primären Ankerrück- wirkungsSuss, so dass zwischen diesen Bürsten
<Desc/Clms Page number 3>
eine Spannung induziert wird. Wenn die Bürsten an den Klemmen 18, 19 mit einer Last verbunden sind, dann fliesst durch den Sekundärkreis des Ankers ein Sekundär-oder Laststrom, der längs dieser Bürstenachse eine durch den Pfeil 8 angedeutete sekundäre Ankerrückwirkung hervorruft.
Wie bereits erläutert wurde, ist nur ein sehr schwacher Fluss erforderlich, um einen starken Strom über die primären Bürsten zu erzeugen. Zur Regelung der sekundären Ausgangsspannung des Generators ist deshalb eine Erregerwicklung 9 vorgesehen, welche die erforderliche schwache magnetische Erregung für die Erzeugung des Hauptfeldes oder primären Ankerrückwirkungsflusses hervorruft. Die von dieser Wicklung bewirkte Erregung induziert zwischen den Bürsten und 3 in der Ankerwicklung eine E. M. K., so dass infolge der Kurzschlussverbindung 4 ein hoher Primärstrom zwischen diesen Bürsten auftritt.
Zur Änderung der Speisung der Wicklung 9 durch die Gleichstromquelle 12 zwecks Regelung der von dieser Wicklung bewirkten Erregung können beliebige geeignete Mittel vorgesehen werden, wie etwa ein veränderbarer Widerstand 11 in Serie zu dieser Wicklung.
Diejenige Komponente des Erregerfeldes, die von der Steuerwicklung 9 erzeugt wird, fällt in die sekundäre Kommutatorachse der Maschine und ist durch den Pfeil 10 angedeutet. Wie bereits dargelegt wurde, fällt die sekundäre Ankerrückwirkung 8 in die gleiche Achse wie die Erregung 10 vom Steuerfeld. In dem hier betrachteten Fall eines Generators ist die vom Steuerfeld hervorgerufene Erregung gegensinnig zur sekundären Ankerrückwirkung, während sich im Falle eines Motors die sekundäre Ankerrückwirkung und die Steuerfelderregur. g unterstützen. Um einen stabilen Generator zu erhalten, der mit einer minimalen Steuerfelderregung regelbar ist, muss diese sekundäre Ankerrückwirkung 8 vollständig neutralisiert werden.
Es ist bekannt, dass die Ankerrückwirkung, die von einem zwischen zwei Bürsten einer dynamoelektrischen Kommutatormaschine fliessenden Strom erzeugt wird, an einem um 90 elektrische Grade gegen den ersten Bürstensatz versetzten Bürstensatz eine Spannung hervor- ruft. Aus diesem Grunde muss die Ankerrück- wirkung neutralisiert werden oder es entsteht zwischen den Bürsten 2 und 3 eine Spannung, die umgekehrte Polarität und grösseren Wert als die infolge des Steuerfeldes 9 induzierte Spannung hat, so dass die Wirkung des Steuerfeldes über- troffen und vernichtet wird. Die vollständige
Neutralisation dieser magnetischen Rück- kopplung wird durch Anwendung einer Kom- pensationswicklung 13 am Stator erreicht, die im allgemeinen über die Wicklungsnuten verteilt ist, um die sekundäre Ankerrückwirkung an allen Stellen vollständig auszugleichen.
Diese Wicklung erzeugt eine Erregungskomponente längs der sekundären Kommutatorachse, die durch einen
Pfeil 14 angedeutet ist. Wenn eine Wicklung dieser Art mit richtiger Windungszahl in Reihe zu den sekundären ùstbürsten 5 und 6 geschaltet ist, dann heben sich die gegensinnigen Flüsse 8 und 14 auf und es können durch diesen Kreis starke Ströme fliessen, ohne dass infolge Rückkopplung auf den niederohmigen Kreis der Bürsten 2 und 3 in diesem ein wesentlicher Strom erzeugt wird.
Wenn die beschriebene Kompensationeinrichtung für die sekundäre Ankerrückwirkung richtig arbeitet, muss die Steuerfeldwicklung 9 nur eine verhältnismässig schwache Erregung hervorrufen und kann daher für einen sehr schwach. Eingangsstrom und ein niedriges Verhältnis von Induktivität zu Widerstand bemessen werden, wodurch die Ansprechgeschwindigkeit und die Regelempfindlichkeit anwachsen. Der durch Anker-rückwirkung erregte Generator kann daher mit einem hohen Verstärkerfaktor g baut werden, da die Erregerwicklung des Steuerfeldes nur eine verhältnismässig geringe Leitung erfordert und der Maschine eine hohe Empfindlichkeit eigentümlich ist. Die bisher beschriebene, durch Ankerrückwirkung erregte Maschine gemäss Fig. 1 ist eine Gleichstrommaschine nach der amerikanischen Patentschrift Nr. 2,227. 992.
Bei dieser Maschine müssen sowohl der Steuerstrom als auch der Ausgangsstrom Gleichströme sein bzw. wurde gefunden, dass diese Ströme höchstens eine Frequenz von 5 Hz haben dürfen.
Um den beschriebenen Gleichstrom-Amplidyne-
Generator unter Erregung mit Wechselstrom zur Wechselstromerzeugung verwenden zu können, wird die nun zu beschreibende Anordnung ge- troffen. Es hat sich gezeigt, dass die in Fig. 1 dar- gestellte Maschine bei Frequenzen zwischen
0 und 5 Hz ohne Abstimmung irgendeines
Kreises betrieben werden kann. In Fig. 2 ist nun eine Anordnung dargestellt, die im Frequenz- bereich von 5 bis 20 Hz befriedigend arbeitet.
Hiebei ist in Serie zum Steuerfeld 9 des Generators nach Fig. 1 ein Kondensator 15 eingeschaltet. Die
Induktivität der Steuerfeldwicklung hat solchen
Wert, dass sie mit einem Kondensator ange- messener Grösse abgestimmt werden* kann, bei- spielsweise mit einem Kondensator in der Grössen- ordnung von 40 Mikrofarad bis herunter zu 5 Hz bei einer Maschine mit einer Ausgangsleistung in der Grössenordnung von 1000 Watt. Bei diesen niedrigen Frequenzen wäre es unpraktisch, auch die Querachse, also den Primärkris, abzustimmen, -nachdem sich zeigte, dass zur Abstimmung dieses
Kreises, die bei 60 Hz mit einem Kondensator von
450 Mikrofarad möglich ist, bei 5 Hz ein Kon- densator von 65.000 Mikrofarad erforderlich wäre.
Wenn eine Frequenz von 18 bis 20 Hz erreicht wird, dann werden Blind-und Wirkwiderstand im Querkreis ungefähr gleich. gross und es ist dann zweckmässig, die in Fig. 3 dargestellte Schaltung anzuwenden, bei der zu dem Generator nach Fig. 2 ein Serienkondensator 16 im Querkreis zuge- schaltet ist, so dass die in Fig. 1 dargestellte Kurz- schlussverbindung 4 durch einen Kondensator in der Grössenordnung von 4000 Mikrofarad bei
20 Hz bis 450 Mikrofarad bei 60 Hz ersetzt wird, welcher an die primären Bürsten 2 und 3 ange-
<Desc/Clms Page number 4>
schlossen ist.
Es hat sich gezeigt, dass diese Anordnung bis zu 200 Hz befriedigend arbeitet, wobei die Grösse des Kondensators bei wachsender Frequenz zu vermindern ist. Eine Über- prüfung hat erwiesen, dass die kompensierende Feldwicklung 13 die Rückwirkung des sekundären Ankerkreises über den gesamten Frequenzbereich aufhebt.
Wenn dem Steuerfeld 9 Frequenzen über 200 Hz zugeführt werden, dann wird der Blindwiderstand des Sekundärkreises wirksam und es ist daher notwendig, die Maschine gemäss Fig. 4 vollständig abzustimmen. Hiebei wird dem Generator nach Fig. 3 noch ein Kondensator im sekundären Anker-oder Lastkreis zugeschaltet. Es ist nun verständlich, dass eine dynamoelektrische Amplidynemaschine mit abgestimmten Kreist'11 deI he- schriebenen Art bei Verwendung als Generator einen Wechselstrom mit einer Frequenz erzeugt, die unabhängig von der Drehzahl ist, und dass infolge der eigentümlichen Verstärkereigenschaften dieser Maschinenart die von der Leitung 12 dem Steuerfeld zugeführte Erregerleistung verhältnismässig schwach, d. h. in der Grössenordnung von 2 bis 4 Watt, sein kann.
Diese Tatsache befähigt die Maschine zur Wechselstromerzeugung innerhalb eines weiten Frequenzbereiches (der von der Möglichkeit der Speisung mit entsprechenden Frequenzen abhängt) bei extrem genauer Frequenzregelung, da die Leistungsanforderungen an das Steuerfeld hinreichend gering sind, um die Erregung der Maschine durch eine Präzisionsfrequenzquelle, wie durch einen Signalgenerator oder einen kristallgesteuerten Oszillator mit geeigneten Multivibrator-und Verstärkerkreisen, zu gestatten.
Die beschriebene stufenweise Abstimmung der drei Wicklungskreise, nämlich des Steuerfeldes, des Querfeldes und des Längsfeldes, lasst eine beträchtliche Vielseitigkeit hinsichtlich der Be- messung eines Wechselstrom-Amplidyne-
Generators zu, da die jeweilige Wahl des kapazi- tiven Blind-Widerstandes in den einzelnen Kreisen nach Massgabe der gewünschten Ausgangs- frequenz getroffen werden kann.
Aus den Fig. 3 und 4 ist zu erkennen, dass bei genauer Abstimmung des Steuer-und des Quer- kreises und bei Neutralisation des Widerstandes im Ankerkreis durch das Kompensationsfeld oder durch zusätzliche Abstimmung die erzeugte Aus- gangsspannung in Phase mit der Spannung an der
Steuerfeldwicklung ist. Durch die Abstimmung der Steuerfeldwicklung ist der Strom durch diese
Wicklung in Phase mit der Spannung und der
Fluss des Steuerfeldes, der in Phase mit dem Er- regerstrom ist, ist daher ebenfalls in Phase mit der Spannung an der Steuerfeldwicklung. Die zwischen den Querbürsten induzierte Spannung ist proportional zum Steuerfluss und in Phase mit diesem und daher auch in Phase mit der
Spannung an der Steuerfeldwicklung. Der Quer- strom ist infolge des Kondensators im Querkreis
EMI4.1
strom ist, in Phase mit der Spannung an der Steuerfeldwicklung.
Die Spannung an der Längsachse ist in Phase mit dem Querfluss und daher ebenfalls mit der Spannung an der Steuerfeldwicklung.
In Fig. 5 ist eine Anordnung dargestellt, welche die Erzeugung von Spannungen mit unregelmässiger Wellenform gestattet. Hier ist der Anker 20 mit den Quer-oder Primärbürsten 21, 22 und den Längs-oder Sekundärbürsten 23, 24 dargestellt. In Serie zu den Bürsten 23 und 24 sind Kompensationswicklungen 25 bzw. 26 geschaltet"nd über die Leitungen 27 und 28 mit der Last verbunden. In Serie zum Querkreis, also zum primären Kreis, liegt eine Erregerwicklung 29 für einen Querfluss. Diese Feldwicklung erzeugt eine Erregerkomponente längs der primären Kommutatorachse entsprechend dem Pfeil 30, also in gleicher Richtung wie die primäre Ankerrückwirkung, die durch den Pfeil 31 angedeutet ist.
Diese Wicklung, die aus verhältnismässig wenigen Windungen bestehen kann und daher geringe Induktivität aufweist, dient zur Verbesserung der Verteilung des Ankerrückwirkungsquerflusses sowie zur Verminderung der Stromstärke im Querkreis. Der Ankerrückwirkungsquerfluss, der durch den infolge der Steuerfelderregung im Ankerquerkreis fliessenden Strom erzeugt wird, hat eine im wesentlichen dreieckige Verteilung, während die Feldverteilung der Querfeldwicklung 29 im wesentlichen rechteckig ist.
Durch die Superposition der vom Querfeld hervorgerufenen rechteckigen Feldverteilung und der dreieckigen Verteilung des Ankerrückwirkungsflusses wird eine gleichmässigere Feldverteilung angenähert ; ferner wird auch der Strom vermindert, der über die Querbürsten 21 und'22 bei gegebener Feldstärke fliessen muss, weil die zusätzlichen Amperewindur. gen vom Feld 29 eine Verminderung des gesamten Feldstromes zulassen. Dieses beruht darauf, dass der von der Querwicklung erzeugte Fluss den primären Ankerrückwirkungsfluss unterstützt, so dass die zur Erzielung einer vorgegebenen Sekundärspannung erforderliche Stärke des primären Ankerstromes um den zur Erregung der Wicklung 29 aufgewendeten Strom vermindert wird.
Infolge dieser Verminderung des im Querkreis erforderlichen Stromes kann auch die von den Steuerfeldern 32 und 33 ge- forderte Erregung herabgesetzt werden.
Die Erregerwicklungen 32 und 33 für das
Steuerfeld können mit Gleichstrom bzw. Wechsel- strom gespeist werden, wobei die Erreger- wicklung 33 für den Wechselstrom mit einem
Serienkondensator 34 versehen ist. Die Erreger- wicklung 33 für Wechselstrom wird von einer
Wechselstromwelle 36,37 gespeist und der ver- änderbare Widerstand 35 dient zur Verminderung der Netzspannung auf den für das Steuerfeld 33 erforderlichen Wert. Die Erregerwicklung 32 für Gleichstrom wird von der Gleichstrom- leitung 39, 40 gespeist und auch hier ist ein ver- änderbarer Widerstand 38 zur Verminderung der
Netzspannung auf den gewünschten Wert vor- gesehen. An die Querbürsten 21 und 22 ist
<Desc/Clms Page number 5>
parallel zur Querwicklung 29 ein Abstimmkondensator 41 geschaltet.
Diese Parallelschaltung des Abstimmkondensators ist eine Alternativlösung für die Reihenabstimmung gemäss den Fig. 2-4.
Diese Anordnung kann zur Erzeugung einer Wechselspannung verwendet werden, die gemäss Fig. 6 einer Gleichspannung überlagert ist oder aber gemäss Fig. 7 abgeflachte Kuppen aufweist, welche dann entstehen, wenn die Erregerwicklung 32 bis zur Sättigung mit Gleichstrom gespeist wird.
In Fig. 8 ist als Ausführungsform der Er- findung eine als Motor dienende dynamoelektrische Amplidynemaschine dargestellt. Hiebei ist der
EMI5.1
mit dem Wechselstromnetz verbunden sind ; dienen zur Neutralisation der sekundären Ankerrückwirkung infolge des zwischen den Längsbürsten 45 und 46 fliessenden Stromes. Die Steuerfeldwicklung 51 wird ebenfalls von der Netzleitung 49, 50 her erregt und ist mit Hilfe des Reihenkondensators 52 abgestimmt. Der ver- änderbare Widerstand 53, der in Serie mit der Steuerfeldwicklung liegt, dient zur Herabsetzung der Netzspannung auf einen geeigneten Wert. Der Querkreis ist durch einen Kondensator 54 abgestimmt, der in der Kurzschlussverbindung der Querbürsten 43 und 44 liegt.
Bei dieser Ausführungsform ist eine weitere Feldwicklung 55 für den Anlauf in Serie mit den Längsbürsten und den Kompensationswicklungen vorgesehen, die im Stator in Richtung der Querbürsten angebracht ist.
Der Strom fliesst hier von der Leitung 49, 50 durch den Längskreis, der die Kompensationwicklungen 47 und 48 enthält, und durch die zwischen den Längsbürsten 45 und 46 liegenden Ankerwicklungen. Dieser Stromfluss erzeugt eine Ankerrückwirkung in Längsrichtung, die jedoch durch die Kompensationswicklungen im wesentlichen neutralisiert wird. Die seriengeschaltete Anlaufwicklung 55 erzeugt eine Anfangskomponente der Erregung in der gleichen Richtung, die später der Ankerrückwirkungsquerfluss einnimmt. Der durch die seriengeschaltete Anlauf- wicklung erzeugte Anlauffluss wirkt mit dem im
Längskreis fliessenden Strom zusammen und erzeugt das Anlaufdrehmoment. Gleichzeitig mit dem Stromfluss im Längskreis wird auch die
Steuerfeldwicklung 51 gespeist.
Sobald sich der
Anker 42 infolge des Zusammenwirkens des
Längsstromes und des von der seriengeschalteten
Anlaufwicklung erzeugten Flusses zu drehen be- ginnt, induziert die vom Steuerfeld hervor- gerufene Erregung zwischen den Querbürsten 43 und 44 eine Spannung. Infolge der kurz- schliessenden Verbindung zwischen diesen Bürsten fliesst ein starker Ankerquerstrom, der das Haupt- feld oder den Ankerrückwirkungsquerfluss erzeugt.
Dieser Ankerrückwirkungsquerfluss wirkt mit dem im Längskreio fliessenden Strom zusammen und erzeugt das Drehmoment für den normalen Lauf des Motors. Die Maschine läuft daher bei dieser Anordnung ähnlich wie ein üblicher Serienmotor an, wird jedoch unmittelbar nach dem Anlauf in einen Amplidynemotor umgewandelt und läuft sodann als solcher weiter.
Es ist leicht zu erkennen, dass die oben beschriebene Anordnung ähnlich der in Fig. 3 dargestellten ist mit der Ausnahme, dass die Längsbürsten anstatt mit der Last mit dem Wechselstromnetz verbunden sind. Die Drehzahl der Maschine wird durch die Stärke der vom Steuerfeld hervorgerufenen Erregung bestimmt. d kann daher mit Hilfe des veränderbaren Widerstandes 53 eingeregelt werden. Da die Zeitkonstante eines Amplidynemotors niedrig ist, kann die Drehzahl des Motors innerhalb eines weiten Bereiches durch geringfügige Einregelung des veränderbaren Widerstandes 53 schnell ge- ändert werden.
Es ist nun offensichtlich, dass sich ein wechselstrombetriebener Amplidynemotor gut zur Drehzahlregelung durch das Steuerfeld mit einem leistungsschwachen Regler eignet, wie beispielsweise mit einem Fliehkraft-Kontaktregler, der an die Stelle des veränderbaren Widerstandes
53 in Fig. 8 tritt. In Fig. 9 ist als Ausführungsform der Erfindung ein wechselstrombetriebener Amplidynemotor mit einem Regelkreis für die Drehzahl dargestellt. Der Anker 56 ist hiebei mit
Querbürsten 57, 58 und Längsbürsten 59, 60 versehen. In Serie mit den Längsbürsten liegen die Kompensationswicklungen 61 und 62 sowie eine Anlaufwicklung 63 am Wechselstromnetz 64,
65. Der Querkreis enthält einen Abstimm- kondensator 66 und die Querfeldwicklung 67.
Die Wirkungsweise der Querfeldwicklung wurde bereits im Zusammenhang mit Fig. 5 be- schrieben ; diese Wicklung vermindert hier zu- sätzlich die Grösse des Kondensators, u. zw. infolge der erhöhten Induktivität des Kreises.
Die Steuerfeldwicklungen 68 und 69 werden von der Leitung 64, 65 her gespeist und liegen in einem Regelkreis, der ähnlich dem in der amerikanischen Patentschrift Nr. 2,270. 709 be- schriebenen ist. Die Kondensatoren 70 und 71 stimmen die Steuerfeldwicklungen 68 bzw. 69 ab und der Widerstand 72 dient zur Vermin- derung der Netzspannung auf den für den Regel- kreis erforderlichen Wert. An die Serienschaltung von Steuerfeldwicklung 69 und Kondensator 71 sind die Kontakte eines vom Motor angetriebenen
Drehzahlreglers 73 angeschlossen. Dieser Regler kann eine beliebige bekannte Bauart haben und beispielsweise gemäss der amerikanischen Patent- schrift Nr. 1,795. 240 ausgebildet sein.
Unter gewissen Umständen können die beim Öffnen und Schliessen der Reglerkontakte auf- tretenden Impulse übermässig stark sein und es ist deshalb zur Herabsetzung dieser Impulse ein aus dem Widerstand 74, dem Widerstand 7. ? und der
Kapazität 76 bestehender Funkenlöscher vor- gesehen.
Die Steuerfeldwicklungen 68 und 69 sind der- art angeordnet, dass sie im wesentlichen gleich- grosse und gegensinnige Flüsse erzeugen, die
<Desc/Clms Page number 6>
EMI6.1
diese Pfeile die augenblickliche Beziehung der Flüsse für eine gegebene Polarität oder Halbperiode des Wechselstromes der Leitung 64, 65 darstellen. Bei Inbetriebnahme fliesst in der Ruhelage des Motors und bei offenen Kontakten des Reglers 73 der Strom von der Leitung 64, 65 über die Kompensationswicklungen 61, 62 über den zwischen den Längsbürsten 59, 60 liegenden Anker und die seriengeschaltete Anlaufwicklung 63.
Die Kompensationswicklungen 61 und 62 erzeugen einen Fluss, der im wesentlichen gleichgross und gegensinnig zu dem Ankerrückwirkungslängsfluss ist, so dass er diesen neutralisiert ; die Steuerfeldwicklungen 68 und 69 erzeugen im wesentlichen gleichgrosse und gegensinnige Flüsse und der resultierende 5teuertluss hat daher den Wert Null. Der Motor läuft unter dem Einfluss der seriengeschalteten Anlaufwicklung 72 als gewöhnlicher Serienmotor an, wobei das ursprünglich starke Anlauffeld mit anwachsender Drehzahl unter rascher Beschleunigung des Motors schnell abnimmt. Wenn die Nenndrehzahl des Reglers 73 erreicht ist, schliessen sich seine Kontakte und dabei wird die Steuerfeldwicklung 69 kurzgeschlossen.
Die Steuerfeldwicklung 68 ist daher allein wirksam und erzeugt einen Steuerfluss durch den Anker, der zwischen den Querbürsten 57 und 58 eine Spannung induziert und dadurch den starken Ankerquerstrom hervorruft, welcher seinerseits den starken Ankerrückwirkungsquerfluss in gleicher Richtung wie das Anlauffeld 63 erzeugt. Dieser Ankerrückwirkungsquerfluss wirkt mit dem im Längskreis von der Leitung her fliessenden Strom zusammen und erzeugt so das betriebsmässige Drehmoment des Motors. Der
Motor läuft nun als Amplidynemaschine weiter und das rasche Ansprechen auf die Erregung seitens des Steuerfeldes 68 vermindert die Dreh- zahl des Motors schnell. Wenn die Drehzahl des Motors unter die Nenndrehzahl des Reglers 73 absinkt, dann werden dessen Kontakte geöffnet und die Steuerfeldwicklung 69 wird wieder einge- schaltet, worauf sich der Regelzyklus für die Dreh- zahl fortsetzt.
Im Betrieb vibrieren die Regler- kontakte sehr rasch und gewährleisten dadurch eine weiche Geschwindigkeitsregelung. Da die
Zeitkonstante eines Amplidynemotors sehr gering ist, ergibt sich durch diesen Kreis eine ausser- ordentlich genaue Geschwindigkeitsregelung.
EMI6.2
schaltungsmässig jedes Spulenbündel mehrere verschiedene Steuerfeldwicklungen enthalten. Auf jeden Fall sind jedoch die Steuerfeldwicklungen, die an den beiden Polen angebracht sind, natürlich in Serie geschaltet und bilden so die vollständige Steuerfeldwicklung.
Die Querwicklung ist ebenfalls in zwei Spulen 83 und 84 unterteilt, wobei jede Spule beide Pole erfasst und in den der Längsachse benachbarten Wicklungsnuten angeordnet ist. Für jeden Pol ist eine Kompensationsspule vorgesehen und die beiden Spulen 85 und 86 sind in üblicher Weise mit den beiden Bürsten der Längsachse verbunden. Jede Spule ist konzentrisch in den Wicklungsnuten des Poles untergebracht und besteht gewöhnlich aus einer geringen Anzahl von Win- dungen rines starken Drahtes.
Mit einem kleinen wechselstrombetriebenen Amplidynegenerator gemäss Fig. 4 wurde eine Frequenz von 400 Hz bei einer Drehzahl von 3600 U/min erreicht. Die für die Untersuchung verwendete Maschine war besonders für den Betrieb als Wechselstrom-Amplidyne-Generator geeignet, u. zw. auf Grund der dünnen Lamellierung im Rotor und Stator, wo in beiden
Fällen eine Blechstärke von 0-254 mm verwendet wurde. Bei dieser geringen Blechstärke wurde eine Impedanz erzielt, die nur ungefähr das Vierfache des Gleichstromwiderstandes betrug. Die
Statorbleche dieses Generators hatten einen
Aussendurchmesser von 130 mm und einen Innen- durchmesser von 83-058 mm.
Der Rotor hatte einen Aussendurchmesser von 82. 55 mm, so dass sich ein einfacher Luftspalt von 0. 254 mm ergab ;
Rotor und Stator waren zu einer Dicke von
47-6 mm geschichtet. Der Rotor war mit 24 Nuten versehen und trug 48 Spulen mit 4 Windungen je Spule bei einer Drahtstärke von 1. 15 mm, wobei zwei Spulen je Nut vorgesehen waren.
Der Widerstand der Ankerwicklung zwischen zwei diametral gegenüberliegenden Punkten be- trug 0-27 Ohm bei 25 0 C. Der Kommutator war so angeschlossen, dass die neutrale Zone, also die Zone der maximalen erzeugten Rotor- spannung, aber der geringsten Spannung zwischen den Kommutatorlamellen, mit der Mittellinie der
EMI6.3
<Desc/Clms Page number 7>
Bürsten hatten eine Dicke von 2-38 mm, wobei jede Bürste nur eine Rotorspule erfasste. Die Abstimmung der Maschine wurde durch Anwendung eines Kondensators von 7 Mikrofarad im Querkreis und eines Kondensators von 100 Mikrofarad im Längskreis erreicht.
Ein anderer kleiner Wechselstromgenerator, der gemäss Fig. 3 gebaut war und überdies eine Querwicklung enthielt, erzeugte bei Erregung mit 60 Hz Wechselstrom 784 Watt bei 3600 U/min.
Diese Maschine hatte einen lamellierten Stator mit einem Aussendurchmesser von 205 mm und einem Innendurchmesser von 128-27 mm. Der Aussendurchmesser des Rotors betrug 127 mm, so dass der einfache Luftspalt 0-635 mm stark war.
Rotor und Stator waren bei einer Blechstärke von 0-635 mm auf eine Dicke von 140 mm geschichtet.
Der Rotor war mit 24 Wicklungsnuten versehen und trug 72 Spulen mit einer Drahtstärke von 1-45 MM, also drei Spulen je Nut, wobei 5 Windungen je Spule vorgesehen waren.
Die Querwicklung bestand aus zwei Spulen mit 20 Windungen je Spule bei einer Drahtstärke von 105 sum. Die Steuerfeldwicklung umfasste zwei Spulen mit je 500 Windungen bei einer Drahtstärke von 4-55 55 mm. Die Kompensationswicklung bestand aus zwei Spulen mit einer Drahtstärke von 1-45 mm, wobei jede Spule 32 Windungen um den mittleren Zahn, 20 Windungen um drei Zähne, 30 Windungen um fünf Zähne und 24 Windungen um sieben Zähne aufwies. Der Querkreis der Maschine war mit einem Kondensator von 50 Mikrofarad abgestimmt.
Die oben beschriebene Maschine wurde bei 60 Hz als Motor betrieben und erzeugte eine Ausgangsleistung von li PS bei 3200 U, min mit einem Wirkungsgrad von 70% und einem Leistungsfaktor von 94 %. Die für die Untersuchung verwendete Schaltung entsprach im wesentlichen der Schaltung nach Fig. 9, wobei jedoch der Dreh- zahlregler weggelassen war.
Aus der obigen Beschreibung ergeben sich viele
Anwendungsmöglichkeiten für Wechselstrom-
Amplidyne-Generatoren bzw.-Motoren. Durch
Anwendung des beschriebenen Abstimmprinzips ist es möglich, mit Hilfe eines Wechselstrom-
Amplidyne-Generators, der mit hoher Drehzahl läuft, einen Wechselstrom niedriger Frequenz zu erzeugen, so dass die Schwierigkeit der grossen
Abmessungen, die sich sonst bei niedrigen Fre- quenzen ergibt, vermieden wird. Umgekehrt kann ein Wechselstrom-Amplidync-Motor bei hoher Drehzahl von einer Quelle niedriger Fre- quenz betrieben werden.
Infolge der eigentüm- lichen schwachen Erregung einer Wechselstrom-
Amplidyne-Maschine ist eine ausserordentlich genaue Drehzahl-oder Spannungsregelung mit leistungsschwachen Reglern für das Steuerfeld möglich. Überdies kann eine ungenaue Frequenz- queUe in eine sehr genaue Frequenzquelle um- gewandelt werden, indem man einen Amplidyne- generator für Wechselstrom durch einen üblichen
Induktionsmotor antreibt, der von dieser un- genauen Quelle gespeist wird.
Da ein Wechsei- strom-Amplidyne-Motor durch Anderung der Spannung an der Steuerfeldwicklung innerhalb eines beträchtlichen Drehzahlbereiches betrieben werden kann, ist es möglich, nach diesem Prinzip einen in der Drehzahl regelbaren Motor für eine Speisefrequenz von 60 Hz herzustellen, der ein Anlaufmoment und eine Regelbarkeit der Drehzahl aufweist, die mit dem Gegenstück des regelbaren Gleichstrommotors vergleichbar sind.
Darüber hinaus kann eine Mehrzahl von Wechsel- strom-Amplidyne-Generatoren im Parallelbetrieb verwendet werden, ohne dass es erforderlich ist, dass diese auf die gleiche Drehzahl gebracht werden, da ihre Ausgangsfrequenz von der gleichen Frequenzquelle gesteuert werden kann.
Es wurden zwar besondere Ausführungsformen dieser Erfindung dargestellt und beschrieben, doch ist es für den Fachmann offenkundig, dass im
Rahmen der Erfindung noch verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich sind, so dass die beschriebenen Ausführungsformen nur als Beispiele ohne Einschränkung der allge- meinen Ausführungsmöglichkeiten zu werten sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Dynamoelektrische Maschine der ankererregten Type, die mit einem Stator, einem Rotor mit Kommutator und mit gegeneinander versetzten primären und sekundären Bürstensätzen ausgestattet ist, welche einen primären bzw. sekundären Kreis durch den Rotor bilden, und die ferner eine Kompensationsfeldwicklung aufweist, welche die vom Strom im sekundären Rotorkreis hervorgerufene Ankerrückwirkung im wesentlichen neutralisiert, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem dieser Kreise ein Kondensator zur Neutralisation des induktiven Widerstandes des betreffenden Kreises vorgesehen ist.
2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine oder mehrere
EMI7.1
dieser Felderregerwicklungen, welcher den induktiven Widerstand des betreffenden Kreises im wesentlichen neutralisiert (Fig. 5).
3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Kondensator (16 bzw. 17) in den primären bzw. sekundären Rotorkreis eingeschaltet ist, um den induktiven Widerstand dieser Kreise im wesentlichen zu neutralisieren (Fig. 4).
EMI7.2
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.