Elektrodynamische Maschine mit Trommelanker. Gegenstand dieser Erfindung ist eine elektrodynamische Maschine mit Trommel anker.
Es ist schon früher vorgeschlagen wor den, sowohl die Feldmagnete, wie auch den Anker geschlossen auszuführen, so dass sie gegen den Luftspalt zu, je einen gesehlosse- nen Eisenring bilden, wobei am Anker die einzelnen für sich gewickelten Spulen unter gebracht sind. Diese Bauart weist verschie dene Vorteile auf, die bei elektrodynami schen Maschinen gewöhnlicher Bauart nicht erzielt werden können. Mit Maschinen dieser Art ausgeführte Versuche zeitigten jedoch auch unbefriedigende Ergebnisse, insbeson dere was hommutierung und Wirkungsgrad anbelangt.
Bekannt sind auch Maschinen in welchen entweder nur der Anker oder nur die Feld magnete geschlossen ausgeführt sind, so dass der geschlossene Ring die eine Seite des Luftspaltes begrenzt. Auch diese Bauart schliesst gewisse Vorteile in sich. Um den Hauptpolen nicht einen allzu grossen Einfluss auf die Isommutierung ein zuräumen, hat man bisher darauf gehalten, dass die Zahl der Ankernuten zwischen den Polkanten nicht einen gewissen Wert unter schreitet. Die diesbezügliche Formel lautete bisher:
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(bis jetzt 0,65 bis 0,7 für zweipolige und 0;65 bis 0,75 für mehrpolige Maschinen), Z die Anzahl der Ankernuten und p die An zahl der Polpaare bedeutet.
Unter "virtuellem Polbogen" b; ist der Bogen zu verstehen, welcher parallel zum Anker verlaufend im Luftspalt zwischen den radial von den Polschuhkanten zur An kerachse gezogenen Linien liegt, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. Es hat sich gezeigt, dass in Maschinen, in welchen mindestens der Anker geschlossen ausgeführt ist, eine vollkommen funkenfreie Kommutierung erreicht wird, wenn, wie dies bei der Maschine gemäss der vorliegenden Er findung der Fall ist, das Verhältnis der An kernutenzahl zur Anzahl der Polpaare und das Verhältnis des virtuellen Polbogens zur Polteilung die Beziehung:
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erfüllen. Bei den nachstehend als Ausführungsbei spiele angegebenen Maschinen sind die ge nannten Grössen wie folgt gewählt: <I>A.
Motoren mit</I> geschlossenem <I>Anker</I> 1. Anlassmotor für die Dieselmaschinen, 4 Pole, 26 Nuten, 1000 Umdrehungen pro Minute, 24 Volt Gleichstrom ai=0,7 Z=26 2p =4
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2. Anlassmotor für Dieselmaschinen, 4 Pole, 22 Nuten, 1000 Umdrehungen pro Mi nute, 24 Volt Gleichstrom ai=0,7 Z=22 2p=4
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3. Universalmotor für Bohrzwecke, 4 Pole, 13 Nuten, '2220 Volt, 5380 Umdrehun gen pro Minute (mit Untersetzungsverhält nis 1 : 14,5 = 237 Umdrehungen pro Mi nute) ai = 0,8 Z = 13 2p = 4
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4. Universalbohrmotor, 2 Pole, 13 Nu ten, 5380 Umdrehungen pro Minute, 220 Volt (mit Untersetzungsverhältnis 1 : 13 = 413 Umdrehungen pro Minute) ai = 0,67 Z - 13 2p = 2
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5.
Universalbohrmotor, 2 Pole, 11 Nuten, 9500 Umdrehungen pro Minute, 220 Volt (mit Untersetzungsverhältnis 1 : 11,3 = 8.10 Umdrehungen pro Minute) a;=0,74 Z=11 2p=2
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6. 3/4 PS Motor, 220 Volt Gleichstrom, 500 Umdrehungen pro Minute, 27 Nuten ai = 0,74 Z = 27 2p = 4
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B. Motore mit geschlossenem Anker und mit geschlossenem Feldmagneten 7. Motor für Signalzwecke, 14polig, 1.7 Ankernuten, 34 Umdrehungen pro Minute, 10 Volt Gleichstrom.
ai=0,9 Z-17 2p=14
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B. 5 PS Motor, 1000 Umdrehungen pro Minute, 220 Volt Gleichstrom.
9. 2,5 PS Motor, 640 Umdrehungen pro Minute, 220 Volt Gleichstrom.
1.0. 1 PS Motor, 280 Umdrehungen pro Minute, ?20 Volt Gleichstrom.
Alle drei mit: 10 Polen, 53 Ankernuten ai = 0;8 Z = 53 2p = 10
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11.7 PS Kompressormotor, 600 Volt Gleich strom, 250 Umdrehungen pro Minute, 8- polig, 57 Ankernuten.
ai = 0,9 Z = 57 2p = 8
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In den Fig. 2 bis 6 sind beispielsweise schematisch verschiedene praktische Ausfüh rungsformen des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Je eine vierpolige Maschine zeigen die Fig. 2 und 3, in welchen vergleichsweise links eine bekannte Maschine, rechts da gegen eine solche nach der Erfindung dar gestellt ist. In I ig. ? ist auf der linken ,Seite eine Maschine üblicher Bauart mit Wendepolen und mit neununddreissig offe nen Nuten im Anker dargestellt. Die rechte Seite der Figur zeigt dagegen eine Maschine finit gleichen äussern Abmessungen, aber ohne Wendepole, in welcher die Pole kürzer und breiter, aber offen sind, der Ankerdurch messer grösser ist und die Ankernuten ge schlossen sind. Die Nutenzahl beträgt bloss dreizehn, so dass bedeutend grössere Spulen im Anker Platz finden.
Die Maschine rechts kann entweder eine grössere Leistung be sitzen, als die links oder aber langsamer laufen. Durch den Wegfall der Wendepole wird für die Feldmagnetspulen Raum frei; diese sind grösser, obschon sie kürzer aus fallen. Der Ohmsche Widerstand kann somit bedeutend verkleinert werden.
Wie ersichtlich, sind sowohl die Pol- scbulie wie auch die Ankernuten und die dazwischenliegenden Stege breiter, so dass auch das Verhältnis ai entsprechend grösser wird. Für die rechte Seite wird dieser Wert ai = 0,8 statt 0,63 wie für die linke Seite. In der links dargestellten Maschine nach gebräuchlicher Bauart haben wir Z = :39 2p = 4 ai = 0;63
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während sich für die auf der rechten Hälfte der Figur dargestellte Maschine ergibt: Z - 13 2p = 4 ai = 0,8
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Die in Fig. 3 rechts gezeigte Ausführung weicht von der links dargestellten, gleiche Aussenabmessungen besitzenden Maschine bekannten Bauart bezüglich der Anzahl von. Polen ab.
Die Maschine rechts ist gleich falls ohne Hilfspole, aber dafür mit zehn Polen ausgerüstet und sowohl Anker als Magnetgestell sind geschlossen ausgeführt. Bekanntlich nimmt das aktive Kupfer- und Eisengewicht bei zunehmender Polzahl ab. Ausserdem bedingt der Wegfall der Hilfs pole eine Herabsetzung der Herstellungs kosten bei gleichzeitiger Erhöhung der Ma schinenleistung. Durch Versuche ist fest gestellt worden, dass die dargestellte zehn- polige Maschine ohne Hilfspole unter allen Belastungen gute Kommutierung zwischen Leerlauf und hundert Prozent Überlast be sitzt.
Aus der Formel von Arnold-La-Cour
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in welcher bedeuten: z = Polteilung bi = virtueller Polbogen
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ergibt sich, dass die Ankerrückwirkung den Werten von (,c-bi) und von A S propor tional ist. Da der virtuelle Polbogen der be schriebenen Maschine grösser ist als in Ma schinen der üblichen Bauart, so ist der Wert (,c-bi) bei jener Maschine kleiner.
Die Formel
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in welcher bedeuten: ha = gesamter Ankerstrom N = Zahl der wirksamen Leiter im Anker a = die halbe Ankernutenzahl D = Durchmesser des Ankers zeigt für die vorstehend beschriebene Ma schine, dass der Durchmesser des Ankers bei gleichbleibenden Aussenabmessungen grösser ist als bei bekannten.
Es ist üblich, die Teilung der Ankerspu len gleich oder nahezu gleich der Polteilung zu wählen. Hieraus folgt, dass die Anzahl der wirksamen Leiter nahezu mit der Ge samtzahl der Leiter übereinstimmt. Anhand praktischer Ausführungen, ist bewiesen wor- den, dass ohne Wendepole gute Kotnmutie- rung bei jeder Belastung gewährleistet ist, wenn die Wicklungsteilung annähernd gleich dem virtuellen Polbogen gewählt wird. So geht zum Beispiel bei den weiter oben unter B8, B9 und B10 angeführten zehnpoligen Motoren die Wicklungsteilung von der er sten zur vierten Ankernute.
Wie aus Fig. 3 rechte Hälfte ersichtlich ist, entspricht dies ungefähr einem Zentriwinkel von \?.5 , wäh rend der virtuelle Polbogen einem Winkel von 28' entspricht. Aus dem Ankerwick lungsschema ist ersichtlich, dass die .Zahl der in Opposition befindlichen Leiter zusam men mit der Zahl der in der neutralen Zone liegenden ungefähr dreiundvierzig Prozent ausmacht, so dass nur ungefähr siebenund fünfzig Prozent der Leiter tatsächlich wirk sam sind.
Diese stark verminderte Zahl der wirk samen Leiter im Verein mit dem, wie er wähnt, vergrösserten Ankerdurchmesser re duziert den Wert von (A S) um die Hälfte oder sogar mehr, im Vergleich zu den Ver hältnissen wie sie sich für eine Maschine üblicher Bauart ergeben. Die aus der Formel
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sich ergebende Ankerrückwirkung beträgt infolgedessen weniger als die Hälfte des Wertes, der sich für eine Maschine üblicher Bauart ergeben würde, weil sowohl (c-bi), als auch (A S) kleiner sind als bei dieser.
Wird die Teilung der Ankerspulen wie be schrieben so gewählt, dass sie gleich oder kleiner als der virtuelle Polbogen ist, so können die Maschinen als nach dem Trans formatorprinzip wirkend betrachtet werden, In Maschinen mit normaler Teilung der An kerspulen wird die Zahl der nicht wirksamen Leiter klein im Verhältnis zu den wirk samen. Die elektrodynamische Kraft des die Leiter umgebenden Feldes erzeugt das Dreh moment.
Ist aber die Ankerspulenteilung gleich oder kleiner als der virtuelle Pol bogen, so wird durch diese Wahl der Tei- lung die Zahl der unwirksamen Leiter er höht und erreicht ein Maximum, wenn die Spulenteilung der Ankernutenteilung ent spricht, in solchen Fällen ist die elektro dynamische Kraft mehr oder weniger aus geglichen bezw. neutralisiert und das Dreh moment ist nur von den Spulen abhängig, die als Amperewindungen wirken und den umflossenen Ankerzahn magnetisieren, sowie von den Kraftlinien, die in denjenigen Ei senteilen erzeugt werden, die im Feldfluss stehen.
Die rückwirkende elektromotorische Kraft in den Leitern wird nicht durch deren seitliches Schneiden der Kraftlinien hervor gerufen, sondern wie in einem Transforma tor durch den Fluss im Innern der Anker spulen. _ Bei einem Motor oder einer Dynamo maschine mit radial angeordneten Polen und einer Umfangsgeschwindigkeit von weniger als dreissig Meter pro Sekunde ist die Länge des Ankereisens durch die folgende Formel bestimmt:
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in welcher l = Länge des Ankereisens b; = virtueller Polbogen Die angeführten praktischen Beispiele be ziehen sich mit Ausnahme der Motore AG, B8, B9 und B10 auf umgebaute Maschinen üblicher Bauart, bei welchen die Abmessun gen durch die vorhandenen Gehäuse bedingt \waren. In den Fällen dagegen, wo keine Be schränkung der Verfügungsfreiheit vorlag.
wurden die Ankerlängen stark vergrössert und es ergab sich für den Motor A6 zum Beispiel Ankerlänge 12 cm Ankerdurchmesser 1.2 cm Virtueller Polbogen<I>b; =</I> a; <I>,</I> z a; = 0,74
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und hieraus 1)i = 0,74 # 9,42 = 9,97 cm
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und ferner für die Beispiele Motore ss8, B9, ss1(1:
Ankerlänge = 15 cm Ankerdurchmesser = 19,6 cm ai = 0,8 virtueller Polbogen
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Dieses vergrösserte Verhältnis der Anker länge zum viertuellen Polbogen ermöglicht eine starke Vergrösserung der Eisenlänge im Anker und Feldmagneten mit dem Ergeh- nis, dass bei gleichen Aussenabmessungen der Fluss vergrössert wird. Damit wird im Ver gleich zu Maschinen üblicher Bauart die Leistung noch weiter vergrössert. Bekannt lich nimmt ferner auch das wirksame Kupfergewicht im umgekehrten Verhältnis zur Zunahme des Verhältnisses l : bi ab.
Bei Verwendung der oben angegebenen Werte aus der Gleichung
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zur Herstellung von Maschinen, hat es sich herausgestellt, dass im Vergleich mit Ma schinen bekannter Bauart sich für dieselbe Leistung kleinere Abmessungen ergeben, und zwar konnte festgestellt. werden, dass die Vo lumen dieser Maschinen zu denen von Ma schinen üblicher Konstruktion sich ungefähr verhalten wie eins zu drei.
Ausserdem besitzen die Geschwindigkeits und die Leistungskurven dieser Maschinen einen flachen Verlauf. Sie unterscheiden sich darin auch von den bekannten, mit geschlos senen Eisenringen ausgeführten Maschinen.
Ihre Leerlaufgeschwindigkeit ist gering, Um den für diesen Zweck günstigsten Verlauf des Kraftlinienflusses zu gewähr leisten, sind die Feldmagnetpole unter sich durch Stege verbunden, deren Querschnitt ungleichmässig ist und sich den Magnet spulenformen anpasst, wie aus Fig. 3 bei a ersichtlich ist. Gleichmässiger Querschnitt dieser Stege zwischen den Polen würde eine starke Streuung zur Folge haben. Dank dem allmählich von den Polen aus abnehmenden Eisenquerschnitt wird dagegen eine hohe, mit zunehmender Belastung rasch wachsende Sättigung erzielt und die Streuung redu ziert. Dadurch ist auch eine gute Kommu tierung sichergestellt.
Gleichzeitig bewirkt der von den Polen aus abnehmende Eisen querschnitt eine gleichmässige Verteilung des Flusses über den Luftspalt zwischen Polring und Anker; die Verteilung passt sich selbst tätig den verschiedenen Belastungen an.
Bei Gleichstrommaschinen liegt der kleinste Querschnitt des Eisenringes mitten zwischen zwei Polen. Bei Maschinen, die ent weder nur als Motor oder nur als Generator laufen, wird der dünnste Eisenquerschnitt sich vorzugsweise etwas näher am einen oder am andern anliegenden Pol befinden, wie es die verschiedenen Ankerrückwirkungen er fordern.
Bei den beschriebenen Maschinen nimmt die bei plötzlichem Einschalten ohne Anlass- widerstand auftretende Anlaufstromstärke bedeutend kleinere Werte an als bei Maschi nen üblicher Bauart. Überdies kommen diese Maschinen in überraschend kurzer Zeit auf volle Tourenzahl auch wenn sie bei voller Last angelassen werden. Es ist daher mög lich, sie bei Vollast oder bis zu hundertpro zentiger Überlast ohne Anlassvorrichtung in Gang zu setzen, weil unter allen Belastungs verhältnissen die Kommutierung unverän dert gut bleibt.
Für die Ausführung von Polring und Anker mit geschlossenem Eisenring sind bis her die verschiedensten Lösungen vorge schlagen worden. F'ig. 4 zeigt eine Konstruk tion, bei welcher die Polschuhe und der ge schlossene Eisenring aus Stanzblechen c zu- summengesetzt sind, die im vorliegenden Beispiel je vier Polschuhteile d und vier Zwischenstege e aufweisen. Die Stanzbleche werden durch Vernietung zusammengehalten und die vorbereiteten, in der Zeichnung nicht dargestellten Feldmagnetspulen werden in bekannter Weise über die Polschuhe ge schoben, worauf das gestrichelt gezeichnete Joch f über die Feldmagnete aufgepresst und mit letzterer in bekannter Weise verbunden wird.
In Fig. 5 ist ein anderes Beispiel teil weise dargestellt. Das Beispiel zeigt eine zehnpolige Maschine, bei welcher, wie im vorhergehenden, vorbereitete fertige Mag netspulen zur Verwendung gelangen. Die Jochteile f und die Polschuhteile d werden aus einem Blechstück ausgestanzt. Am Luft- spaltseitigen Ende sind die Pole mit schwal benschwanzförmigen Einschnitten g ver sehen, die zur Aufnahme der Abschlussteile /?.bestimmt sind. Die Abschlussteile h, können nach Belieben aus Stanzblechen zusammen gesetzt oder bei kleineren Abmessungen der Maschine auch aus einem Stück: hergestellt sein.
Nachdem die Stanzbleche zusammen genietet sind können auch hier die Feldmag netspulen i über die Polschuhe d geschoben werden worauf die Abschlussteile h einge presst werden und den Feldmagnetring schliessen. j ist der zylindrische Stahlmantel des Gehäuses. -" Für den geschlossenen Anker lässt sich Stabwicklung anwenden, besonders bei gro ssen Maschinen bei denen eine geringe Zahl von Kupferstableitern unterzubringen ist. Ein Stanzblech für eine derartige Maschine ist in der rechten Hälfte der- Fig. ss darge stellt.
Es ist selbstverständlich auch möglich, die Ankerbleche so auszubilden, dass fertig gewickelte Ankerspulen eingelegt werden können. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 6 dar gestellt. Diese Ankerbleche bestehen aus einem geschlossenen Ring k mit nach der Mitte zu offenen Nuten. Sie sind insbeson dere für Einzahnwicklung geeignet und ge statten das Einlegen der vorgewickelten Spu- len von der Innenseite her. Nach vollendeter Wicklung wird der so gebildete Ankerkäfig über einen zweckmässig als Rad ausgebil deten Kern gepresst, der möglichst leicht aus geführt sein kann.
Die Verwendung eines geschlossenen An kers hat ferner noch den Vorteil, dass keine Vorrichtungen für die Fliehkraftsicherung der Spulen vorgesehen werden müssen. Die hierdurch erzielte Raumersparnis kommt vollständig der Ankerwicklung zugut, wel ehe mehr Windungen oder grössere Quer schnitte aufweisen kann.