Sich selbst erregender Gleichstrom-Spaltpolgenerator mit die Halbpole flankierenden Haupt- und Hilfsbürsten, dessen Spannung in weiten Grenzen regelbar ist. Ein Bedürfnis nach selbsterregenden Gleich stromgeneratoren mit in weiten Grenzen regel barer Spannung ist in der Praxis vielfach vor handen. Die Erfindung hat einen derartigen Generator, also eine Maschine zum Gegenstand, deren Spannung beispielsweise von einem ge gebenen negativen Werte oder von Null oder von einem bestimmten positiven Kleinstwerte bis zu einem gleichfalls vorgeschriebenen po sitiven Höchstwerte in ähnlicher Weise regel bar ist, wie es bei jedem Nebenschlussgene rator der Fall ist.
Selbsterregende normale Generatoren müs sen, um stabile Spannungsverhältnisse zu er möglichen, über dem Knie der Leerlaufcha- rakteristik arbeiten. Ihr Eisen muss also an irgend einer Stelle des Schliessungskreises eine gewisse Sättigung aufweisen. Gleich zeitig müsste aber für weitgehende Spannungs regelung das resultierende (dynamische) Feld, von welchem die Nutzspannung der Maschine herrührt, dem verlangten Spannungsbereiche entsprechend veränderbar sein. Beide sich für normale Maschinen widersprechende Bedin gungen, d. h. stabile Spannung und grosser Re gulierbereich, können durch Spaltung der Pole und durch Anordnung bestimmter Wick lungen erfüllt werden.
Man braucht bloss den ersten Halbpol zu veranlassen, einen Fluss Zi zu erzeugen, der entweder konstant oder nur in mässigen Grenzen veränderlich ist und im Eisen, z. B. im Schenkel oder in den Zähnen oder in beiden Teilen zu gleicher Zeit die ge wünschte Sättigung hervorruft. Dadurch wird die Spannungscharakteristik für zwei Bürsten (Bi und bi oder B2 und b2), die diesen Fluss einschliessen, wie erforderlich, gekrümmt. Der zweite Halbpol hat dann einen zwischen einem positiven und einem negativen Maximum ver änderlichen Fluss zu erzeugen.
Dabei ist es nicht erforderlich, dass die Spaltung der Pole in deren Mitte vor sich geht; wenn also in der Folge von einer Polhälfte die Rede ist, soll damit nicht angedeutet werden, dass die Pole notwendigerweise in zwei gleichen Hälf ten geteilt gedacht sind. . Die Art und Weise, wie die beabsichtigte Spannungsregelung zustande kommt, lässt sich an der Hand der Abb. 1, die eine zweipolige Maschine mit gleich grossen Halbpolen dar stellt, deutlich erklären. Der Fluss Z1 des ersten Halbpols soll, wie aus den verschie denen Poldiagrammen a bis e der Abb. 1 her vorgeht, konstant beziehungsweise annähernd konstant sein.
Der Fluss Z2 des zweiten Halb pols ist dagegen von einem positiven Maxi mum (Abb. 1') bis zu einem negativen Ma ximum (Abb. 1b) veränderlich: Für die EMK zwischen den zwei um eine Polteilung von einander entfernten Hauptbürsten Bi und B2 kommt der Fluh> Z=Z1 +Z2 in Betracht. Dieser ist am grössten im Poldiagramm a, gleich Z1 im Poldiagramm c und Null im Pol diagramm e. Der resultierende Fluss Z ist im Falle des Poldiagrammes f negativ, was durch weitere Steigerung von Z2 im nega tiven Sinne und Verkleinerung von Z1 erreicht wurde. Die sämtlichen Poldiagramme sind für den Fall des Leerlaufs oder einer kompen sierten Maschine gezeichnet.
Zwischen der Hauptbürste Bi und der Nebenbürste bi kann dagegen eine Spannung abgenommen werden, die dem Flusse Z1 pro portional und mit diesem im wesentlichen konstant ist. Genau die gleiche Spannung ist auch zwischen den Bürsten B2 und b2 vorhanden.
Will man die Spannung zwischen den Grenzen +E und -E verändern, dann ist es am besten, in dem Augenblicke, in wel chem E= o ist (Poldiagramm e der Abb.1), den Strom. im äussern Kreis zu kommutieren und dann die Spannung wieder zu steigern, d. h. zu den Diagrammen<I>d, c, b</I> und a über zugehen. Die Kommutierung bietet in diesem Falle gar keine Schwierigkeiten, denn sie kann mittelst eines Umschalters (Fig. 4-6) ohne Unterbrechung sowohl des Anker- als auch des äussern Stromkreises vor sich gehen.
Eine gleichfalls zwischengleich hohen po sitiven und negativen Werten veränderliche Spannung könnte man auch von den Bürsten bi und B2 bezw. b2 und Bi abnehmen, ohne zur Kommutation greifen zu müssen. In einem solchen Falle würde aber der Generator nicht voll ausgenutzt seih. Beachtenswert ist es, dass die Spannung zwischen den zwei Neben bürsten Ei - E2 ist, wenn jene zwischen den Hauptbürsten mit Ei -i- E. bezeichnet wird. Dieser Umstand kann in gewissen Fällen zur Speisung zweier Stromkreise mit Vorteil be nutzt werden.
Es lässt sich nun zeigen, dass die geschil derte Spannungs- bezw. Feldänderung durch blosse Einstellung eines Nebenschlusswider standes möglich ist, ohne eine fremde Strom quelle für die Lieferung des Nebenschluss stromes zu benötigen. Auch lassen sich, wie bei jeder Gleichstrommaschine, Wendepole und auch Kompensationswicklungen anordnen, und zwar sowohl für die Haupt- als auch für die Nebenbürsten, so dass sich der Generator auch in bezug auf Funkenbildung nicht von den normalen unterscheidet.
Die Abb. 2-6 zeigen Ausführungsbeispiele des neuen Generators.
In Abb. 2 ist eine zweipolige Maschine abgebildet, die mit Haupt- und Nebenwende polen versehen ist. Die gleich grossen Halb pole tragen die Nebenschlusswicklungen Ni bezw. N2 und die Reihenschlusswicklungen R1 bezw. R2. Dabei ist es wichtig festzustellen, dass die Reihenschlusswicklungen, deren Achsen hier nicht senkrecht zur Achse der Haupt bürsten Bi, B- stehen, nicht reine Erreger wicklungen sind, sondern auch den Charakter von Kompensationswicklungen tragen. An Stelle der Reihenschlusswicklungen R1, R2 oder neben diesen könnten demnach auch Kompensationswicklungen angeordnet werden, die aber in Abb. 2 nicht weiter gezeichnet sind.
Im vorliegenden Falle, in welchem die Spaltpole gleich gross sind, schliessen die Achsen der Erregerwicklungen B und N mit der Achse der Hauptbürsten einen Winkel von 45 ein, .wie es in Abb. 3 gezeichnet ist. In dieser Abbildung und auch in den folgen den sind die Wicklungen Ri, Rz, Ni und N2 nur je einmal gezeichnet, um das Schaltbild möglichst übersichtlich zu gestalten ; dagegen konnten ohne Nachteil für die Deutlichkeit die Wendepolwicklungen zweimal gezeichnet werden.
Sollen die Nebenbürsten bi und b2 nur zur Abgabe des Erregerstromes dienen; dann sind ihre Wendepole wohl entbehrlich. Aus diesem Grunde sind in den Abb.4 bis 6 die Nebenwendepole weggelassen.
Wie weiter oben gesagt, soll der erste Halbpol einen annähernd konstanten Fluss Z1 führen. Dies ist der Fall, wenn die resul tierende Erregung dieses Halbpols unabhängig vom Belastungsstrom ist. Um dies zu er reichen, ist der erste Halbpol mit einer Reihen schlusswicklung Bi passender Windungszahl zu versehen und diese Wicklung gegen die Ankerwicklung zu schalten. Nimmt man an, dass 'ein positiver Strom im Anker von B2 nach Bi gerichtet sei und ein Ankerfeld zur Folge habe, das wie der Ankerstrom gerichtet ist (vergl. die Pfeile in den Abb. 2 und 3), so muss die Reihenschlusswicklung R1 so, wie in der Abb. 3 angegeben ist, geschaltet werden. Dann sind die Flüsse, die vom Ankerstrom bezw. vom Strome in R1 herrühren, gegen einander gerichtet.
Die Nebenschlusswicklung Ni ist entweder an die Bürsten Bi und 17i oder an die Bürsten B2 und b2 anzulegen. Dabei kann Ni so geschaltet werden, dass entweder die Reihenschlusswicklung R1 oder die Ankerwicklung unterstützt wird.
In beiden Fällen erhält man Generatoren von gleichen Eigenschaften, so dass hier nur der eine Fall, nämlich jener, in welchem die Nebenschluss wicklung Ni die Reihenschlusswicklung R1 unterstützt, behandelt zu werden braucht: Diese in Abb. 3 dargestellte Schaltung der Erregerwicklungen des ersten Halbpoles vor ausgesetzt, ist die resultierende Amperewin dungszahl F1 des ersten Halbpols durch die Gleichung
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gegeben, wenn man mit t17" die Windungszahl der Reihenschlusswicklung R1, mit zu die Win dungszahl der Ankerwicklung pro Ankerzweig, mit 117a, die Windungszahl der Nebenschluss wicklung Ni, mit J den gesamten Ankerstrom und mit i1 den Nebenschlussstrom in Ni bezeichnet.
F1 kann also durch Wahl von
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vollkommen unabhängig von J ge macht werden, wenn man nicht mit Rücksicht auf den Spannungsabfall vorzieht, wr1 etwas grösser als
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zu wählen, um die Erreger spannung möglichst konstant zu halten.
Während die gleiche Schaltung der Er regerwicklungen des ersten Halbpols in allen Abb.4 bis 6 wiederkehrt, kann die Schaltung der Erregerwicklungen des zweiten Halbpols, je nach dem angestrebten Ziele,' verschieden ausfallen. Wir wollen zwei Fälle unterschei den, je nachdem nämlich die Reihenschluss wicklung R2 die Ankerwicklung unterstützt oder gegen die Ankerwicklung geschaltet ist. Die Schaltung der Nebenschlusswicklung N2 ist dann eindeutig bestimmt durch die Span nung, die man erzeugen will. A. Reihenschlusswicklung R2 und Ankerwicklung gegeneinandergeschaltet (Abb. 4). Betrachtet man den Strom i2 in der Neben schlusswicklung des zweiten Halbpols dann als positiv, wenn er so, wie in der Abb. 4 gezeichnet ist, das Ankerfeld unterstützt, also einen.
Fluss hervorzurufen bestrebt ist, der mit Z1.gleichgerichtet ist, so sind die resultieren den Amperewindungen des zweiten Halbpols durch
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gegeben. Die zwei Nebenschlusswicklungen sind dabei an verschiedene Bürstenpaare ge legt, was indessen nicht nötig ist.
F2 und mit diesem der Fluss Z2 werden um so grösser, je grösser i2 ist, so dass der resultierende Fluss Z = Zi + Z2 mit i2 zu- und abnimmt.
Das charakteristische Verhalten der bZa- schine hängt im übrigen vom Vorzeichen der vom Belastungsstrom J herrührenden resultie renden Amperewindungen ab. Hier müssen wir" drei Fälle unterscheiden, nämlich je nachdem
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grösser, gleich oder kleiner ist als ?17r3 ist. Ist
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grösser als ?17r2, dann liegt der Fall eines Compoundgenerators vor. Will man klei nere Spannungswerte erhalten als sie durch das Feld F, allein erzeugt werden, so ist man genötigt, I'2 negativ zu machen, was durch Kommutierung des Erregerstromes i.2 ge schehen kann.
In diesem Falle sind die vom Hauptstrom herrührenden Amperewindungen und die Nebenschluss-Amperewindungen gegen einander geschaltet, so dass I'2 mit zunehmen dem J (absolut genommen) abnimmt. Das Abnehmen von F2 bedingt aber jetzt eine Spannungssteigerung (vgl. Poldiagramm d der Abb.1), so dass der Generator seinen Charakter als Compoundgenerator behält.
Wird i2 im negativen Sinne so gross gewählt, dass der re sultierende Fluss Z und mit diesem auch der Strom J negativ werdet), darin haben wieder die Nebenschluss-Amperewindungen und die vom Belastungsstrome herrührenden Ampere windungen das gleiche Vorzeichen, so dass der Generator auch in diesem Betriebszustand (Poldiagramm f der Abb.1) seinen Charakter als Compoundgenerator behält. Die Windungs zahl der Reihenschlusswicklung R2 kann auch gleich Null gewählt werden, d. h. sie kann vollkommen entfallen.
Macht man dagegen wr2 gleich
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dann haben wir mit einem reinen Nebenschlussgene rator zu tun. Die Regelung erfolgt auch hier, indem man i2 von einem positiven bis zu einem negativen -Höchstwerte ändert.
Ist dagegen ?v" grösser als
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darin nimmt die Maschine, weil
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negativ ist, den Charakter eines gegencompoundierten Gene- rators an. Die Gegencompoundierung kann, wenn nötig, auch so weit getrieben werden, dass der Generator bei jeder Spannung ohne Schaden kurzgeschlossen werden kann. Auch hier erfolgt die Regelung, indem man 12 zwi schen entsprechenden negativen und positiven Grenzen ändert.
Will man grössere negative Werte erhalten, so kommutiert man, wie oben erwähnt, am besten den Strom im äussern Kreis, sobald die Ankerspannung den Wert. Null erreicht hat. ss:- Reihenschlusswicklung R2 unterstützt Anker- icicklung (Abb. 5 und 6).
Bei diesem in Abb. 5 dargestellten Fall sind die resultierenden Amperewindungen für den zweiten Halbpol durch
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gegeben, wenn die Nebenschlusswicklung so geschaltet ist, dass sie die übrigen Wicklungen unterstützt. Die Maschine nimmt den Cha rakter eines stärk compoundierten Generators an. Uni kleinere Spannungen zu erzeugen, kann matt i2 kommutieren, d. h. die Neben schlusswicklung so schalten, dass sie das Feld der übrigen Wicklungen zu schwächen sucht. Diese Schaltung ist in Abb. 6 zur Darstellung gebracht.
Auch in dieser Schaltung liegt ein Compoundgenerator vor, denn die Maschinen spannung nimmt mit J zu. - Will man noch kleinere Spannungen erhalten, so muss man für i2 einen grossen negativen Wert wählen (Felddiagramm d der Abb.1), so dass I'- ab solut genommen mit zunehmendem J abnimmt. Ein Abnehmen von F2 ist aber hier mit einer Steigerung der Maschinenspannung verbunden, so dass die Maschine ihren Charakter als Compoundgenerator behält. Dasselbe tritt ein, wenn matt die negativen Nebenschluss-Ampere windungen so weit steigert, dass die Spannung negativ wird (Poldiagramm f der Abb. 1).
Diese Schaltung ist ganz besonders vorteil haft, wenn es sich darum handelt, einen Stromkreis mit konstantem oder wenigstens nicht stark veränderlichem Widerstand (z. B. Speisung der Erregerwieklung einer Maschine) zu speisen, weil es darin möglich ist, die Ver hältnisse so zu wählen, dass i2 während des ganzen Regelbereichs nicht kommutiert zu werden braucht. Man braucht bloss die er regenden Amperewindungen
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so gross zu wählen, dass sie allein bereits ge nügen, um das maximale Feld Z. zu erzeugen. Dann bleibt i2 immer negativ, d. h. so ge richtet wie in Abb. 6.
Um die Spannung Null zu erreichen, braucht man bloss die Neben- schluss-Aruperewindungen te"@ # i3 = w"1 # il zu machen, weil ja dann<I>A -</I> F2 wird, nach- dem<B>J</B>--- 0 ist. Steigert man i2 weiter, so wird F2 grösser als F1, und E und J negativ. Die Maschine behält ihren Compoundcharakter weiter, indem sich nun sämtliche Ampere windungen gegenseitig unterstützen.
Neben dem Vorteil, dass i2 im ganzen Spannungsbereich nicht kommutiert zu wer den braucht, besitzt diese Schaltung den wei teren, dass die Amperewindungen zur Erzeu gung des maximalen Feldes voll ausgenutzt werden, so dass man an erregenden Ampere windungen sparen kann.
Hinsichtlich der aufzuwendenden erregen den Amperewindungen ist überhaupt die hier beschriebene Spaltpolmaschine gegenüber den normalen Maschinen im Vorteil, weil die unter einem Halbpol vorhandenen Queramperewin dungen nur halb so gross als diejenigen unter einem Pol bei der Maschine reit ungeteilten Polen sind, so dass man mit einer verhältnis mässig kleinen Amperewindungszahl für Luft und Zähne auskommt, ohne dass die Feldver zerrung das zulässige Mass überschreitet.
Um die magnetische Charakteristik des ersten Halbpols zu krümmen oder um den Höchstwert von ZZ grösser als jenen von Z1 zu machen, kann man dem Schenkel des ersten Halbpols einen kleineren Querschnitt oder einen kleineren Polbogen geben als jenem des zweiten Halbpols. Diese Massnahme kann zweckmässig sein, wenn man durch blosse Ver stellung des Nebenschlussreglers von Na, also ohne Verstellung des Reglers von Ni und ohne Umschaltung des Ankerstromes, neben hohen positiven Spannungswerten auch klei nere negative Werte erreichen will.
Es ist bis jetzt angenommen, dass die Re gelung durch blosse Verstellung eines Neben schlussreglers, also durch Veränderung des Nebenschlussstromes i2, vor sich gehe. Dies schliesst selbstverständlich nicht aus, dass man diese Regelung mehr oder weniger auch durch einen Umschlusswiderstand zur Reihen schlusswicklung des zweiten Halbpols unter stützen kann. Durch genannten Umschluss widerstand wird nämlich die Windungszahl w" virtuell verkleinert. In einzelnen Fällen kann es auch vorkommen, dass man die gewünschte Reglung ausschliesslich mit Hilfe des ge nannten Umschlusswiderstandes durchführen will.