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Einrichtung zur Aufrechterhaltung der richtigen Polarität bei f leichstromerzeugern
Einige Arten von Gleichstrommaschinen sind betriebsmäßig der Gefahr einer Umpolung
ausgesetzt. Dazu gehören beispielsweise hauptstromerregte Schweißmaschinen und Erregermaschinen.
Die Umpolung tritt im ersten Falldarm ein, wenn die Maschine versehentlich mit einer
anderen Stromquelle, z. B. einer anderen Schweißmaschine mit höherer Spannung parallel
,geschaltet wird. Durch die Reihenschlußwicklung fließt dann ein unter Umständen
großer Strom in umgelehrter Richtung. Auch Stoßkurzschluß bewirkt bei vielen Maschinen
durch Überwiegen der Ankerrückwirkung eine Umpolung des Feldes. Bei Erregermaschinen
kommt es vor, daß durch Kurzschluß das Hauptgenerators induktiv im Magnetrad ein
großer, den Anker der Erregermaschine durchfließender und das Feld überwältigender
Strom erzeugt wird. Umpolen einer Erregermaschine kann auch eintreten, wenn durch,den
Nebenschlußregler der Feldstrom rasch geschwächt wird, weil die Selbstinduktion
des Magnetfeldes der Hauptmaschine :im Anker der Erregerinaschineeinen Strom mit
großer Ankerrückwirkung aufrechterhält. Es existieren noch andere Gründe, die bei
Maschinen gelegentlich ein Umpolen bewirken. Manchmal schafft dies ernstliche Unzuträglichkeiten,
so daß vor Fortsetzung des Betriebes entweder Umschaltungen im Ankerstromkreis vorgenommen
werden müssen oder durch besondere Hilfsmittel im Erregerkreis richtige Polung erfolgen
muß.
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Die, Verhütung des Umpolens von Gleichstromerzeugern durch besondere
Maßnahmen im Erregerkreis ist auf verschiedene Weise gelöst worden. So hat man z.
B. den Erregerkreis der Maschine mit einer fremderregten Hilfswicklung versehen,
die über einen Gleichrichter aus einem Wechselstromnetz gespeist wird. Der Nachteil
ist, daß diese Maßnahme z. B. bei Benzinaggregaten nicht anwendbar ist. Man kann
ferner die Nebenschlußwicklung gegen Ströme in umgekehrter Richtung durch ein vorgeschaltetes
elektrisches Ventil schützen, oder man kann bei Kompoundmaschinen der Nebenschlußerregerwicklung
einen Widerstand mit hohem positivem Temperaturkoeffizienten vorschalten, !der den
Strom in der Nebenschlußwicklung auf fast voller Größe hält, 4venn die Spannung
der Maschine infolge eines Rückstromes in der Serienwicklung sinkt. Diese Schaltungen
lassen sich aber bei
reihenschlußerregten Maschinen nicht anwenden.
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Die Erfindung sieht statt dieser schon vorgesclilageiien,den Erregerstromkreis
betreffenden Maßnamnen einen im magnetischen Kreis der -Maschine angeordneten Dauermagneten
mit parallel geschaltetem magnetischem Nebenschluß vor. Der manetische Nebenschluß
ist nach der Erfindung derart bemessen, dar die aus Datiermagnet und magnetischem
Nebsenschluß bestehende Kombination hei unerregter Maschine Kraftlinien von der
durch den Magnet bestimmten Richtung durch die übrigen Teile des Magnetkreises in
den Anker senden und daß Kraftlinien umgekehrter Richtung, die durch äußere Einflüsse
entstehen, finit so geringem Potentialgefälle durch den magnetischen Nebenschluß
abgeleitet --erden, daß keine Umpolung oder gefährliche Schwächung des permanenten
Magnetei) entstellt. Der permanente Magnet muß also eine größere Koerzitivkraft
haben als das ganze übrige (aus Weicheisen bestehende) Magnetsystem, so daß er imstande
ist, eine richtige Polung der Maschine vorzunehmen, auch wenn sie vorher durch einen
großen Strom ummagnetisiert worden ist. Sein Querschnitt muß so groß sein, daß in
den Anker eine genügend große Kraftlinienzahl von richtiger Polarität gesandt wird
nach Abzug aller Streulinien, insbesondere auch der durch den magnetischen Nebenschluß
fließenden.
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Die Verwendung von Dauermagneten im Magnetfeld voll Generatoren ist
schon früher vorgeschlagen -worden, und zwar zu dein Zweck, die Remanenz zu vergrößern
und so ein rascheres Erregen der 'Maschine zu gewährleisten. Zur Verhütung des Unipolens
müßen aber unwirtschaftlich große Mengen des teuren permanentmagnetischen Materials
eingebaut werden. Die Erfindung schützt den Dauermagneten durch einen magnetischen
Nebenscluß, dessen Widerstand so klein gehalten wirf, daß das magnetische Potentialgefälle
beim grölten Umpolfeld kleiner als die Koerzitivkraft des Dauermagneten ist. Dur
magnetische Widerstand muß andererseits aber wieder so groß sein, daß nach Aufhören
der Gegenmagnetisierung genügend Kraftlinien des permanenten Magneten unter Wiederherstellung
der ursprünglichen Polarität der 'Maschine in den Anker geleitet werden.
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In Fig. i ist das Wesen der Erfindung schematisch dargestellt. 15
ist ein permanenter Magnet, 12 ist der dazu parallel geschaltete, aus weichem Eisen
bestehende Nebenschluß, 1e3' zweckmäßig mit einem entweder festen Oder veränderlichen
Luftspalt 13 versehen ist. Durch die Wahl der Breite des Luftspaltes kann die Größe
des magnetischen Wider-Standes so bemessen «-erden, wie es nach dem obren notwendig
erscheint: Der Widerstand muß so klein sein, daß der permanente Magnet beine stärksten
auftretenden Gegenfeld nicht unigepolt wird, er muß aber doch auch so groß sein,
daß der Dauermagnet hei unerregter Maschine nach Abzug aller Streulinien ein genügend
starkes Feld durch den Anker des Generators schicken kann. Der Luftspalt kann auch
mit unmagnetischem Material, z. B. Messingblech oder unmagnetischem Stahlblech,
ausgefüllt werden. Bei Verwendung des letzteren kann auch eine Schweißung vorgenommen
werden. so daß der mit (lein Luftspalt versehene Teil des Ständereisens bezüglich
der mechanischen Beanspruchungen ein fester ununterbrochener Körper ist. Zur Er-1iuterung
der Wirkungsweise der Einrichtung nach der Erfindung sei angenommen, daß der permanente
Magnet voll Kraftlinien im Sinne des Pfeiles i.1 von unten nach oben durchflossen
wird. Hierbei müssen vier 711-stände berücksichtigt werden: i. Nenn die unerregte
Maschine vom vorliergehenden Betrieb richtig polarisiert ist, so wirkt die Koerzitivkraft
des permanenten Magneten in der gleichen Richtung wie die Remanenz des übrigen Magnetfeldes.
Durch den magnetischen Parallelwiderstand 12 wird ein Teil der vom permanenten Magneten
erzeugten Kraftlinien in der Richtung nach abwärts fließen.
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2. Wenn die Maschine im Betrieb richtig erregt wird, so werden im
magnetischen Nebenschluß 12 Kraftlinien von unten nach oben fließen.
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3. Wenn die Maschine z. B. durch falsche Parallelschaltung umpolarisiert
-wird, so führt der magnetische Nebenschluß 12 die Summe der vom permanenten Magneten
12 herrührenden Kraftlinien und der Kraftlinien des übrigen Magnetsystems.
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1. Nach Abschaltung der Maschine sind vorerst alle Eisenteile des
fiebrigen 'Magnetkreises in falscher Richtung magnetisiert. Dann zerlegt sich der
Fluß des permanenten Magneten in zwei Komponenten, deren eine sich durch den magnetischen
Nebenschluß i2 schließt, während die andere durch das fiebrige Magnetsystem geht
und stark genug ist, tun den remanenten Magnetismus der übrigen Teile des Magnetfeldes
zu überwinden.
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Die Streuung der Kraftlinien im Raum wirkt ähnlich wie der magnetische
Nebenschltila. -Wenn im Luftspalt 13 des magnetischen -Nebenschlusses eine Kraftliniendichte
von etwa, 12 000 Linien auf den Quadratzentimeter -ewä hlt wird, so verlangt
dies etwa iooo Amperewindungen zur Überwindung einer Luftspaltlänge von i inin.
Wenn der -Magnet
15 eine höhere Koerzitivkraft geben soll, so ist
dazu .ein mehrere Zentimeter langer Stab eines sehr guten Materials oder ein noch
längerer Stab eines mittelmäßigen Magnetmaterials erforderlich.
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Die in Fig. i schematisch dargestellte Einrichtung kann an verschiedenen
Stellen des magnetischen Kreises angeordnet sein. Einige Ausführungsbeispiele sind
in den Fig. 2 bis ; dargestellt. Fig. 2 zeigt eine normale zweipolige Maschine,
die beispielsweise als Erregermaschine verwendet werden könnte. Ein Anker 20, Magnetpole
2i und Magnetspulen 22 zeigen nichts Außergewöhnliches. Das Magnetjoch 23 ist .dagegen
horizontal geteilt. In der linken Zeichnungshälfte ist ein horizontaler Luftspalt
2d. durch einen Magnetstab 25 überbrückt. Schrauben 26 sind nur durch ihre Mittellinien
angedeutet. Sie können aus urimagnetischem Stoff sein. In der rechten Zeichnungshälfte
ist der Luftspalt durch eine Platte 29 aus urimagnetischem Stahl ausgefüllt und
mit den beiden Magnetjochhälften verschweißt. Zur Überbrückung des Spaltes wird
ein Hufeisenmagnet 27 verwendet, der größere Länge, daher größere Koerzitivkraft
hat als ein gerader Stab ,aus gleichem 'Material. Schrauben 28 dienen zur Befestigung
des Hufeisenmagneten an die beiden Magnetjochhälften.
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In Fig. 3 ist der Magnetstab 35 zwischen zwei Teile 31 und 322 eines
Erregerpolschafts eingesetzt, die durch einen Luftspalt 3.I getrennt sind.
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Die Fig. .4 und 5 zeigen in zwei Projektionen die Verwendung der Erfindung
bei einer Querfeldmaschine mit Hauptstromerregung, wie sie für Schweißzwecke häufig
verwendet wird. Der Anker So hat ein kurzgeschlossenes Bürstenpaar 5 r und in halbem
Polabstand dazu versetzt ein Paar _Nutzbürsten 52. Die Polschuhe 53 haben die bei
Querfeldmaschinen bekannte Form. Der obere Pol 54 ist als Regulierpol ausgebildet,
indem in einem becherförmigen, mit Öffnungen 55 versehenen Teil ein kolbenförmiger
Körper c,6 mittels Schraube 57 und Handrad 58 verstellt werden kann. Der untere
Pol 59 sowie der obere Pol 54 sind mit Reihenschlußspulen 4.o umgeben. Das Magnetjoch
41 ist in Horizontaler Richtung durchgeschnitten, so daß ein Luftspalt .I2 entsteht.
Dieser ist auf beiden Seiten durch Platten 4.5 aus hartem Magnetstahl überbrückt,
die mittels Schrauben 43 an die beiden Jochhälften angeschraubt sind Ringe 44 aus
urimagnetischem Material trennen die Lagerschilde ,I6 vom Joch, so daß keine magnetische
Kurzschließung des Kraftlinienflusses durch diese erfolgt.
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In den Fig. 6 und 7 sind Ausführungsformen für Querfeldmaschinen mit
und ohne Regulierpole angegeben, bei denen die Erfinclung nicht im Joch, sondern
an einer Stelle des unteren Pols zur Anwendung kommt. In einem Fall ist ein als
Glocke geformter Magnet, im anderen Fall ein gerader Magnetstahl angewendet. Der
untere Pol kann zur Unterstützung seiner räumlichen Fixierung im Gehäuse beispielsweise
durch unmagnetische Platten 6o und Schrauben 61 mit dem oberen Pol verbunden sein.
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In Fig. 6 ist der Polschuh 53 durch Schrauben 67 mit einer in der
Zeichnung tellerförmig dargestellten Platte 63 verbunden. Ihr gegenüber, durch den
Luftspalt 66 getrennt, liegt ein eiserner Zwischenring 6d., der seinerseits die
Verbindung zwischen dein permanenten Magneten 65 und dein Gehäuse 62 schafft. Der
Zwischenring 6.I ist am Außen- und am Innenrand mit Gewinde versehen und gestattet
daher eine Verstellung des Luftspalts 66. Der glockenförmige Dauermagnet 65 ist
mit der Platte 63 durch eine Schraube 68 verbunden, wodurch eine zweite Fixierung
der räumlichen Lage des unteren Pols geschaffen wird.
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In Fig. 7 ist ein zylindrischer Dauermagnet 75 gezeichnet. Das aus
Weicheisen bestehende Ansatzstück 73 besitzt prismatischen Querschnitt und ist mit
dem Polschuh 53 verschweißt. Diesem Stück liegt die Eisenplatte 74 gegenüber, die
im Magnetjoch 72 verschraubt ist. Der Luftspalt 76 kann beispielsweise dadurch verändert
werden, daß zwischen Platte 74 und permanentem Magnet 7 5 oder zwischen dieser Platte
und dem Ansatzstück 73 Eisenbeilagen eingefügt werden. Dauermagnet 75 und Polschuh
53 können wieder durch eine die Platte 7.4 und den Dauermagneten 75 durchdringende
Schraube 77 in ihrer räumlichen Lage zusätzlich gesichert werden.
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Den Anordnungen von Fig.4 bis 7 ist es gemeinsam, -daß ,die Aufrechterhaltung
der richtigen Polarität im Primärfeld der Qtterfeldmaschine stattfindet. Es ist
dagegen nicht notwendig, im sekundären Feldkreis besondere Vorkehrungen zu treffen,
weil bei richtiger Bemessung der Einrichtung im Primärkreis die gewünschte Polarisierung
des Sekundärfeldes im Betrieb von selbst erfolgt.
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Z@enn man den erwähnten Luftspalt im Ständer veränderbar macht, so
ist es ohne weiteres zulässig, einen permanenten -Magneten mit recht hoher Koerzitivkraft
zu verwenden, weil man überschüssige Kraftlinien des permanenten Magneten durch
Verringerung des Luftspalts so ableiten kann, daß die das übrige Magnetfeld durchströmenden
und den Anker erreichenden Kraftlinien keinen übermäßig hohen Wert erreichen, so
daß auch die Leerlaufspannung der Maschine nicht unerwünscht hoch wird.
Ein
anderes Mittel, um bei der Einrichtung nach der Erfindung die Leerlaufspannung in
mäßigen Grenzen zu halten, ist die Anwendung einer entmagnetisierenden Nebenschlußwicklung,
die entweder an die Nutzbürsten oder auch an eine Nutzbürste und die untereinander
verbundenen Hilfsbürsten angeschlossen werden kann. Bei Fördermaschnen ist eine
ähnliche Einrichtung unter dem Namen Selbstmordschaltung bekannt. Eine Schaltung,
mit der bei Querfeldinaschinen die Leerlaufspannung in mäßigen Grenzen gehalten
werden kann, ist in Fig. 8 dargestellt. Der Nutzstrom wird en Bürsten 52 entnommen
und fließt über die Haupterregerwicklung 40. In der Figur dient der Nutzstrom zur
Speisung eines Lichtbogens 8o. Die Gegenwicklung 8i ist entweder an den Nutzbürsten
52 oder an einer Bürste 52 und einer Hilfsbürste 51 angeschlossen. Die Gegenwicklung
wird nur für wenige Prozente der Amperewindungen der Hauptwicklung bemessen und
hat daher auf die Stromabgabe im Betrieb nur geringen Einfluß.
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Der permanente Magnet ist für eine Zahl von Kraftlinien bemessen,
die genügt, uni die Maschine richtig zu polarisieren. Das ist nur ein Bruchteil
des gesamten Kraftlinienflusses, der auftritt, wenn die Maschine im Betrieb die
volle Spannung gibt oder wenn sie an Fremdspannung angeschlossen ist. Der magnetische
Nebenschluß muß daher für eine viel größere Kraftlinienzahl bemessen sein als der
permanente Magnet. Bei ordnungsmäßigem Betrieb wird die Kraftlinienzahl im gesamten
magnetischen Kreis in bestimmter Richtung nicht wesentlich kleiner sein, als die
Kraftlinienzahl in umgekehrter Richtung, die bei Ummagnetisiernug durch äußere Einflüsse
eintritt. Bei ummagnetisierter Maschine besteht eine Tendenz zur Schwächung des
permanenten Magneten. Während der ungleich häufigeren Fälle des normalen Betriebes
aber wirkt das Potentialgefälle im magnetischen Nebenschluß auf eine Verstärkung
des permanenten Magneten hin, und daher ist nicht zu befürchten, daß bei langem
Gebrauch der Maschine durch Alterung eine Schwächung des Magneten erfolgt.
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Sollte aber eine erhebliche Schwächung des Magneten eingetreten sein,
so ist es bei mehreren der dargestellten Anordnungen möglich, den permanenten Magneten
ohne Zerlegung der übrigen Maschine .durch einen neuen auszutauschen, z. B. bei
der Anordnung nach Fig. 2, rechte Hälfte, und bei den jenigen nach Fig. -. bis 7.