Kollektormaschine. Vorliegende Erfindung hat den Zweck, den Bau von Kollektormaschinen (für Gleich wie für Wechselstrom) mit dem möglichst minimalen Bürstenfeuer zu ermöglichen. Am wichtigsten erscheint das Entfernen der Kurz schlussströme, die infolge Überbrückung meh rerer Lamellen verschiedener Potentiale durch cin und dieselbe Bürste auftreten. Dazu wird gemäss vorliegender Erfindung die Iso lationsbreite zwischen zwei benachbarten La mellen gleich oder grösser als die Bürsten breite gemacht, wobei jedoch der Armatur strom nicht unterbrochen werden darf, was dadurch erreicht wird, dass nie sämtliche Bürsten gleichzeitig auf die Isolation zu lie gen kommen, so dass der Armaturstrom bei irgendwelcher Stellung des Kollektors unter keinen Umständen vollkommen unterbrochen werden kann.
Die beiliegende Zeichnung stellt beispiels weise Ausführungsformen des Erfindungs gegenstandes dar.
In Fig. 1 ist R der Rotor einer Wechsel strom-Kollektormaschine und S ihr Stator; die Statorwicklung ist durch 1s, 2s, ... 6s be- zeichnet; T ist ein Drehfeld-Transformator. Seine Primärwicklung ist in Dreieck geschal tet und hat ihre Klemmen in I, II, III; die Sekundärwicklung 1T, 2T,... 6T ist in Stern geschaltet und über die Statorwicklung 1s, 2s ... 6s mit den Bürsten verbunden. Dabei ist die Lamellenisolation breiter als die Bürsten breite. Im Moment der in der Fig. 1 einge zeichneten Bürstenlage sind die Bürsten 2, 4, 6 ausgeschaltet, während die Bürsten 1, 3, 5 eingeschaltet sind. Bei Drehung des Rotors um 1/2 Lamellenteilung werden die Kontakte 1, 3, 5 unterbrochen, während der Kollektor mit den Bürsten 2, 4, 6 verbunden wird.
Auf diese Weise können weder Kurzschlussströme zwischen zwei benachbarten Lamellen, noch vollkommene Stromunterbrechung vorkom men.
In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungs form sind alle mit grosser Selbstinduktion be hafteten äusseren Teile (in vorliegendem Falle die Sekundärwicklung des Transformators und die Statorwicklung) in Vieleck geschaltet, an dessen Knotenpunkte die Bürsten ange schlossen sind; aus diesem Schema ist leicht ersichtlicl@, dass unter keinen Umständen ein mit Selbstinduktion behafteter Stromkreis unterbrochen werden kann.
Durch Vieleckschaltung der mit Selbstin duktion behafteten und mit den Bürsten ver bundenen äussern Teile wird eine grosse Er niedrigung der Reaktanzspannung der Kom mutationsströme erzielt, wodurch die Funken bildung am Kollektor bedeutend verkleinert wird.
Die Bürsten, welche dieselbe Lage gegen Kollektorlamellen einnehmen, z. B. die Bür sten 1, 3, 5 oder 2, 4, 6 in Fig. 1 und die Bürsten 1, 4, 7, 10 oder 2, 5, 8, 11 oder 3, 6, 9, 12 in Fig. 2 werden hier Bürsten "der selben Art" genannt. In Fig. 1 sind nur zwei Bürstenarten und in Fig. 2 drei Bürstenarten dargestellt. Die Verhältnisse und der
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Lamellen- und Isolationsbreite (h' und h2) zur Bürstenbreite (h) werden hier mit m und n bezeichnet.
Zum Beispiel in Fig. 1 ist m=1, n=1 und in Fig. 2 m=1, n=2. Wenn die Anzahl der Bürstenarten m+n ist, und wenn der Phasenwinkel zwischen ihnen gleich ist, so wird dadurch die gesamte Auflagefläche zwi schen den Bürsten und dem Kollektor kon stant behalten. Die in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform ist ein Einzelfall dieser all gemeinen Prinzipien.
Alle oben angeführten Ausführungsfor men leiden unter dem Übelstand, dass zur Er zielung eines minimalen Kommutierungsstro mes eine entsprechende Erhöhung der Phasen zahl erforderlich ist. Im folgenden wird eine Ausführung (Fig. 3) beschrieben, welche ein Minimum der Reaktanz zu erzielen erlaubt, ohne die Anzahl der Phasen ungemessen zu steigern.
Das Wesen dieser Ausführungsform liegt im Vorhandensein von zwei oder mehr von einander elektrisch unabhängigen Wicklungen auf dem Rotor. Jede Wicklung hat ihren be- sondern Kollektor mit zugehörigen, ebenfalls elektrisch unabhängigem Bürstensystem.
Dabei werden die verschiedenen Rotor wicklungen so ausgeführt, dass ihre magneti sche Abhängigkeit vom Felde möglichst gleich wird, und dass eine möglichst enge gegensei tige elektromagnetische Beeinflussung zwi schen den Leitern, welche die Kommutie rungsströme der verschiedenen Bürstensy steme führen, erzielt wird.
Somit wird die Energie der Selbstinduk tionsfelder der Kommutierungsströme in ihrem grössten Teile nicht zwischen Kollektor und Bürste frei, sondern wird in bedeutendem Masse infolge gegenseitiger Induktion auf an dere Systeme übergehen. Wenn nun die Kom mutation in den magnetisch verketteten Syst- men Stromänderungen zur Folge hat, die in entgegengesetzter Richtung auf das Feld ihrer gegenseitigen Induktion einwirken, so wird diese Einwirkung eine grosse Erniedrigung der Reaktanzspannung veranlassen, und wenn eine genügend enge Verkettung vorhanden ist, so wird die Reaktanzspannung zu einem Minimum geführt.
In Fig. 3 bestehen zwei identische Sy steme, wobei das eine System vom andern durch das Zeichen (') unterschieden wird.
In der Ausführungsform nach Fig. 4 sind auch beide Systeme identisch und ihre zuge hörigen Kollektore so gegeneinander verdreht, dass die durch gleiche Zahlen bezeichneten (z. B. 4 R' und 4 R) äquipotentiellen Bürsten verschiedener Systeme zu verschiedenen Bür stenstellungsarten gehören. Im vorliegenden Falle sind die Kollektoren um eine halbe Kollektor - Lamellen - Teilung gegeneinander verdreht. In Fig. 5 sind die der Fig. 4 ent sprechenden Stromdiagramme widergegeben.
Die Fig. 5a und 5a' zeigen die Stromdia gramme für beide Systeme (1-6, 1'-6') entsprechend der Rotorstellung wie in Fig. 4 eingezeichnet, während die Fig. 5b und 5b' die Stromdiagramme zeigen, wenn der Rotor um eine halbe Kollektor-Lamellen-Teilung verdreht ist; die geometrische Summe der Ro torströme beider Systeme ist im Stromdia gramm, Fig. 5c, gezeichnet, und die Fig. 5d und 5d' geben die Stromdiagramme beider Sy steme wieder im Moment, wenn der Rotor die Mittelstellung zwischen a und b einnimmt. In allen Diagrammen bedeuten die neben jedem Sektor stehenden Zahlen den Strom im zuge- hörigen Wicklungsteil, z.
B. der Vektor 0-1-2-3 bezeichnet den Strom in Wick lungsteil 1-2-3, d. h. in Teilen der Rotor wicklung, die zwischen den Bürsten 1R, 2R, 3R liegen, in Teilen der Statorwicklung, die zwischen den Punkten 1S, 2S, 32 liegen und in Teilen 1T, 2T des Transformators, die zwischen den Klemmen 1, 2, 3 liegen; auf diese Weise sind die augenblicklichen Strom phasen in der Wicklung durch die augenblick liche Lage der Bürsten auf dem Kollektor gegeben.
In der Auslegung der Diagramme der Fig. 5 muss man beachten, dass die Veränder lichen, die durch die Vektoren dargestellt sind, keine Sinus-Funktionen sind, weil die Kommutierungsströme es auch nicht sind. Es ist aber üblich, besonders in Mehrphasensyste men, periodische, nicht sinusoidale Funktionen durch Vektoren darzustellen, deren Grösse und Winkelgeschwindigkeiten veränderlich sind. Trotz dieser Änderungen in der Geschwindig keit und in der Grösse besteht gewöhnlich eine gewisse Regelmässigkeit in der gegenseitigen Stellung der verschiedenen Phasenvektoren, woraus man, wie im vorliegenden Falle, in teressante Schlussfolgerungen ziehen kann.
In den Diagrammen der Fig. 5 hat man zur Vereinfachung angenommen, dass in jedem System der Strom in der Hälfte der Bürsten unterbrochen war. Diese Vereinfachung bringt nicht eine Veränderung der Schluss resultate mit sich.
In Fig. 6 ist eine Ausführungsform sche matisch wiedergegeben mit drei unter sich elektrisch unabhängigen Systemen von Wick lung, Kollektor und Bürsten. (Im Schema sind die drei Systeme mit Ziffern ohne Index, und mit solchen mit Index (') und (") un terschieden.) Diese drei Systeme sind so auf dem Umfange verteilt, dass die äquipotentiel- len, durch gleiche Zahlen bezeichneten Bür sten verschiedener Systeme relativ zu den an grenzenden Kollektor-Lamellen, eine andere Stellung einnehmen, während z. B. die Bürste 1 auf einer Lamelle voll aufliegt, so liegen die Bürsten 1' auf der ersten Hälfte und die Bürste 1" auf der zweiten Hälfte der Isola- tion (bei Drehrichtung des Rotors im Sinne des Uhrzeigers).
Nach diesem gleichen Prinzip kann man irgendwelche Verwirklichungsform erreichen, bestehend aus m+n Systemen, bei welchen die Lamellenbreite m-Mal und die Isolations breite n-Mal grösser ist als die Bürstenbreite, mit m+n Bürstenarten in jedem System, wo bei die Bürstenarten gegenseitig um den glei chen Phasenwinkel verschoben sind.
In der in Fig. 4 dargestellten Ausfüh rungsform kann man noch die beiden Wick lungen elektrisch miteinander verbinden, zweckmässigerweise an Punkten von unge fähr gleichem Potential des Rotors und des Stators, z. B. Punkte 1 und 1' und 2 und 2' der Fig. 4. Diese Verbindung würde mittelst grossem Widerstande geschehen, so dass der ausgleichende Strom verhältnismässig klein ausfallen würde.
Wie aus oben Gesagtem zu ersehen ist, wird durch Anwendung der hier vorgeschla genen Erfindung die Kommutation in Kol lektormaschinen bei sämtlichen Stromdurch gangsperioden verbessert, folglich ist sie auch für Gleichstrom anwendbar, oder für den Fall, dass gleichzeitig die Ströme verschie dener Periodenzahl, oder wenn zwei Mehr phasenströme, deren Vektoren (folglich auch deren Felder) mit derselben Geschwindigkeit, aber einander entgegengerichtet umlaufen, die Maschine durchsetzen. Zwei solcher Systeme bilden wie bekannt, einen pulsierenden Strom, der leicht vom gewöhnlichen Einphasenstrom erhalten werden kann.
Zwecks Erzielung einer gleichmässigen Reibung, d. h. einer gleichförmigen Abnut zung auf dem ganzen Kollektorumfang, emp fiehlt es sich, die isolierten Streifen A aus demselben Material auszuführen, wie die stromführenden Kollektorlamellen B, wobei sie von letzteren und gegeneinander isoliert werden. Eine solche Ausführungsform zeigt beispielsweise die Fig. ?.