Titel: Kommutator-Motore für einphasigen Wechselstrom.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1905, Band 320 (S. 776–780)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj320/ar320207

Kommutator-Motore für einphasigen Wechselstrom.

Von Dr. Albert Hoerburger, Berlin.

(Fortsetzung von S. 763 d. Bd.)

Textabbildung Bd. 320, S. 776
Textabbildung Bd. 320, S. 776

4. Der Repulsionsmotor. Die in Fig. 20 angegebene Schaltung leitet über auf eine weitere Reihe vom Kommutatormotoren, die als Repulsionsmotore bezeichnet werden. Wenn man nämlich die beiden Felder, die auf einander senkrecht stehen, aber stets in Phase sind, zusammen nimmt, so erhält man ein resultierendes Feld, dessen Ache in der Mitte der beiden Wicklungen liegt. Die beiden Feldspulen können also durch eine einzige ersetzt werden. Die Bürsten sind nun nicht in der Achse dieser Spule anzubringen, sondern um einen bestimmten ∡ ψ verschoben (Fig. 22). Dieser Motor ist von Thomson zuerst im amerikanischen Patent 430328 angegeben worden. In der Ausführung zeigte er ein Feld mit ausgeprägten Polen und einen gewöhnlichen Gleichstromanker mit kurzgeschlossenen Bürsten, die aus der Feldachse herausgedreht waren. Bei einem derartigen Motor ist aber die Gestaltung mit ausgeprägten Polen sehr ungünstig. Das Feld kann sich nämlich nur in der Richtung der Pole ausbilden, während doch schon aus der Entstehung des Motors aus der doppelpoligen Wicklung leicht einzusehen ist, dass für die gute Wirkung das Entstehen eines Querfeldes von grösster Wichtigkeit ist. Das zur Ausbildung eines Drehfeldes und zur Kompensierung der Kurzschlussströme notwendige senkrechte Feld wird bei ausgebildeten Polen unterdrückt und der Motor wird einen schlechten Wirkungsgrad und grosse Phasenverschiebung, kleines Drehmoment und grosse Stromaufnahme besitzen. Zum Teil werden diese Nachteile aufgehoben durch eine Anordnung, die H. H. Lake durch das britische Patent 20241/94 geschützt ist. Wie aus Fig. 23 ersichtlich, sind zwischen den eigentlichen bewickelten Polen noch weitere, sogen. blinde Pole angebracht, welche die Ausbildung des Querfeldes ermöglichen. Im allgemeinen wird man jedoch beim Repulsionsmotor gleichmässig verteilte Ständerwicklung anwenden; das Schema ist in Fig. 24 gezeichnet.

Textabbildung Bd. 320, S. 776

Ein derartiger Motor hat auf den ersten Anblick etwas verblüffend einfaches, eine einphasige Ständerwicklung, die für jede beliebige Spannung gewickelt werden kann, einen Läufer, der gar keine elektrische Verbindung nach aussen hat, sondern nur einen Kurzschluss zwischen den Bürsten. Es ist in der Tat unbegreiflich, dass ein derartig konstruktiv einfacher Motor, der, wie später gezeigt wird, ganz gute Eigenschaften besitzt, jahrelang bei uns nicht nur nicht angewandt, sondern nicht einmal bekannt war. Erst durch das neu erwachte Interesse an den Einphasenwechselstrom-Kommutatormotoren ist auch dieser Motor bekannt geworden.

Textabbildung Bd. 320, S. 776

Dass in einem derartigen Motor überhaupt ein Drehmoment zustande kommt, zeigen die Fig. 25, 26 und 27, in denen eine einfache Spule in einem zweipoligen Wechselfeld in drei verschiedenen Stellungen gezeichnet ist. In der Stellung der Fig. 25 wird in der Spule ein grosser Strom induziert; der Strom ist in Phase mit dem Felde und jeder Pol übt auf den unter ihm liegenden Teil der Spule ein grosses Drehmoment aus. Trotzdem tritt keine Bewegung ein, weil die beiden Drehmomente einander |777| gleich, aber entgegengesetzt sind. Die Spule ist im labilen Gleichgewicht. In der Stellung der Fig. 26 wird gleichfalls in der Spule ein Strom induziert, das Drehmoment bewegt die Spule derartig, dass in ihr kein Strom mehr erzeugt wird, die Spule wird also solange gedreht, bis sie im stabilen Gleichgewicht der Fig. 27 sich befindet. Soll eine derartige Vorrichtung in ständiger Bewegung bleiben, so ist die Wicklung geschlossen auszuführen und in der Stellung der Fig. 26 durch Bürsten kurzzuschliessen.

Um klarzulegen, wie in einem derartigen Motor die Felder entstehen und verteilt sind, sind dieselben in die Fig. 28 eingezeichnet worden. Die Achse der Stromzuleitungen zum Stator a b schneide den Rotor in den Punkten α β und die Bürstenachse c d schneide auf dem Stator die Punkte γ δ aus. Durch den in den Statorwindungen fliessenden Strom wird im Rotor ein Strom induziert, der, falls die Bürstenachse c d mit der Achse a b zusammenfallen würde, den Statorstrom aufheben, also entgegengesetzte Richtung haben würde. Da die Achsen um den Winkel ψ verschoben sind, so überwiegt das grössere Stück und die Ströme verlaufen im Rotor wie in der Fig. 25 eingezeichnet. Wie man sieht, stimmt die Stromrichtung in den Stücken a γ und a c bezw. b δ – β d überein.

Textabbildung Bd. 320, S. 777

Diese Amperewindungen bilden gewissermassen einen Doppelgürtel von Windungen und erzeugen in der dazu senkrechten Achse ein Feld, welches offenbar das Erregerfeld des Motors, also F ist. In den anderen Stücken der Wicklung sind die Ströme einander entgegengesetzt, dieselben stehen daher im Verhältnis von Anker und Kompensationsspule zueinander, und es bildet sich ein Querfeld A senkrecht zum Erregerfeld aus. Das Erregerfeld wird demnach nicht allein vom Stator, sondern zur Hälfte auch vom Rotor das Kompensationsfeld im Rotor gebildet. Beim Winter-Eichberg-Latour-Motor lagen die Verhältnisse gerade umgekehrt, wenn man davon absieht, dass hier das Erregerfeld zum Teil auch noch im Rotor gebildet wird. Man sieht ohne weiteres, dass die Stellung der Fürsten von ausschlaggebendem Einfluss auf das Verhalten des Motors sein muss; durch Verschieben der Bürsten in einem oder anderm Sinne kann man das Erregerfeld schwächen oder verstärken, event. sogar in seiner Richtung umkehren, wenn die Bürstenachse auf die andere der Statorachse geschoben wird. Im nachstehenden soll noch kurz das Diagramm der Spannungen im Repulsionsmotor gegeben werden, in derselben einfachsten Weise, wie bei den anderen Motoren.

Da die Felder A und F nicht mit der Bürstenachse zusammenfallen, sondern um den Winkel ψ/2 beziehungsweise 90° – ψ/2 verschoben sind, so tritt in allen Grössen der Spannungen noch eine Winkelfunktion des ∡ ψ auf.

Durch das Feld F wird im Stator eine elektromotorische Kraft induziert, die in der Phase 90° hinter dem Felde ist und von der Grösse

EFi = C11 . v . p . sin ψ BF

ist. Wenn p die Anzahl der Statorwindungen ist, so kommen für das Feld BF nur die Anzahl p . sin ψ in Bedacht. Da vom Felde BF noch eine zweite induzierte Spannung auftritt, die ebenfalls nach der bisher gebrauchten Schreibweise mit eFi zu bezeichnen wäre, so sollen die Spannungen im Stator diesmal mit E bezeichnet Werden. Ebenso wird vom Felde BA im Stator eine Spannung in der Statorwindung induziert, die um 90° in der Phase zurück ist:

EAi = C12 . v . p cos ψ . BA.

Im Rotor werden durch die beiden Felder nun vier Spannungen erzeugt, zwei durch Induktion, in der Phase um 90° zurück, zwei durch Rotation, in Phase mit dem Feld. Ihre entsprechenden Grössen sind:

eFi = C13 . v . z. sin ψ . BF

und

eAi = C14 . v . z. cos ψ . BA

eFg = C15 . n . z. sin ψ . BF

und

eAg = C16 . n . z. cos ψ . BA.

Die Gesamtzahl der Rotorwindungen z ist ebenfalls für die einzelnen Felder, wegen der Verschiebung der Bürstenachse, mit der Winkelfunktion von ψ zu multiplizieren. In der Fig. 29 sind diese Spannungen in der gewohnten Weise eingetragen. Wie man sieht, tritt auch hier eine Phasenkompensation ein, indem den induzierten Spannungen eine in der Phase voreilende Spannung entgegenwirkt. Allein diese Kompensation kann in keinem Falle vollständig sein, wie bei dem früher betrachteten Winter-Eichberg-Latour-Motor, denn die entgegenwirkende Spannung eAg kann niemals die beiden anderen Spannungen vollständig kompensieren, immerhin wird bei zunehmender Geschwindigkeit der Leistungsfaktor immer günstiger. Im allgemeinen wird also die Spannung um den ∡ φ > 0 verschoben sein und so der Motor mit einem Leistungsfaktor kleiner als 1 arbeiten.

Textabbildung Bd. 320, S. 777
Textabbildung Bd. 320, S. 777

Der Repulsionsmotor hat bei Stillstand durch die unter den Bürsten kurzgeschlossenen Windungen grosse Verluste, doch bessern sich diese Verhältnisse beim Lauf ganz bedeutend. Es bildet sich nämlich auch hier ein zwar nicht kreisförmiges, aber elliptisches Feld aus, welches die Kurzschlusspannung und damit die Verluste vermindert. Der Motor entwickelt ein grosses Anzugsmoment, um so grösser, je kleiner der Widerstand des Kurzschlusses ist. Der Leistungsfaktor nimmt mit wachsender Geschwindigkeit zu und erreicht seinen maximalen Wert |778| bei synchronem Lauf, darnach fällt er ziemlich rasch ab. Darin verhält sich der Repulsionsmotor anders wie der Serienmotor, bei welchem der Leistungsfaktor mit steigender Tourenzahl immer weiter zunimmt. Der Repulsionsmotor kann also mit hoher Frequenz, etwa der allgemein gebräuchlichen, betrieben werden, damit der günstigste Leistungsfaktor bei vollem Lauf erreicht, aber nicht überschritten wird. Umgekehrt muss der Serienmotor mit kleiner Frequenz und grosser Polzahl betrieben werden, damit der Motor bei vollem Lauf sich in mehrfachem Uebersynchronismus befindet und einen günstigeren Wert des Leistungsfaktors erreicht. Auch beim Repulsionsmotor ist das Verhältnis der Feldamperewindungen zu den Ankeramperewindungen klein zu machen, damit die schädlichen induzierten Spannungen, welche die Phasenverschiebung bewirken, nicht zu gross werden. Beim Repulsionsmotor lässt sich dieses Verhältnis aber durch die Bürstenstellung stark beeinflussen. Das Verhalten eines Repulsionsmotors gegenüber dem Serienmotor lässt sich am besten aus den Kurven der Fig. 30 entnehmen, wobei derselbe Motor, dessen Verhalten als kompensierter Motor aus Fig. 12 zu entnehmen war, nun bei gleichem Wechselstrom als Repulsionsmotor geschaltet war.

Textabbildung Bd. 320, S. 778
Textabbildung Bd. 320, S. 778

Von grossem Nachteil ist, dass der Motor in seiner Drehrichtung nur durch die Bürstenstellung beeinflusst werden kann. Trotzdem hat die Firma Brown, Boveri & Co. den Motor als Bahnmotor verwendet und die Regulierung nach dem Vorschlage von Déri durch Bürstenverstellung mit gutem Erfolge durchgeführt. Will man eine derartige komplizierte mechanische Anordnung vermeiden, so kann man nach Fig. 31 auf dem Stator noch eine zweite Windung aufbringen, die gegenüber der ersten um den doppelten Winkel ψ verschoben ist, und nun je nach der gewünschten Drehrichtung die eine oder die andere Spule einschalten. Damit hat man aber bereits die Einfachheit des Motors wieder aufgegeben, indem nunmehr zwei Wicklungen auf dem Stator unterzubringen sind und daher für jede nur der halbe Raum zur Verfügung steht. Eine viel bessere Lösung hat Oerlikon schon im Jahre 1893 gefunden und durch das Schweiz. Patent 6634 schützen lassen. Die Feldwicklung auf dem Stator hat nach Fig. 32 in der Nähe der Bürstenachse nach beiden Seiten mehrere Verbindungen nach aussen. Mit Hilfe eines einfachen Umschalters ist es nun möglich, den Strom dem Stator in entsprechenden Punkten 1 1', 2 2' zuzuführen und so eine relative Verschiebung der Bürsten herbeizuführen. Die General Electric Co. hat jahrelang den Repulsionsmotor gebaut und auch für Bahnzwecke verwendet. Neuerdings aber ist diese Gesellschaft, wie oben angegeben, speziell für Bahnzwecke zur Verwendung des kompensierten Serienmotors übergegangen.

Bei allen bisher behandelten Motoren ist der Rotor ein normal gebauter Gleichstromanker, man kann also unter Umständen dieselbe Maschine in allen Schaltungen verwenden. Die Firma Oerlikon macht das tatsächlich und hat Versuchsergebnisse veröffentlicht, die ein und derselbe 35 PS Motor beim Betrieb ergeben hat

  • 1. als Gleichstromserienmotor mit 200 Volt Spannung,
  • 2. als gewöhnlicher Wechselstrommotor mit ruhender Erregerwicklung bei 22 Perioden und 200 Volt Spannung,
  • 3. als Repulsionsmotor mit Wechselstrom von 44 Perioden und 250 Volt Spannung,
  • 4. als kompensierter Serienmotor mit rotierender Erregerwicklung und Kurzschlussbürsten, System Winter-Eichberg-Latour, mit Wechselstrom von 44 Perioden und 250 Volt Spannung.
Textabbildung Bd. 320, S. 778

Die Maschine (vergl. Fig. 33) war im Stator und Rotor 6 polig gewickelt und die Wicklung in halb offenen Nuten verteilt. Der Stator hatte zwei völlig gleiche Wicklungen, war also wie ein zweiphasen Induktionsmotor gebaut. Die beiden Wicklungen konnten jede für sich und parallel geschaltet verwendet werden; letzteres geschah bei Verwendung als Repulsions- und kompensierter Motor. Als Gleichstrom- und Wechselstromserienmotor wurde die zweite Wicklung als Kompensationsspule benutzt, um die Ankerquerwindungen aufzuheben. Der Luftspalt betrug 1 mm, ein ungewöhnlich niedriger Wert. Der Rotor hatte keine besonderen Kollektorverbindungen mit hohem Widerstand, sondern war ganz normal gebaut. Die Bürstenbrille trug in den ersten drei Fällen 6, im letzten Falle 12 Bürstensätze mit 8 mm breiten Kohlen.

In den ersten beiden Fällen waren die Bürsten in der neutralen Achse in der Mitte zwischen den beiden Feldern angebracht, beim Repulsionsmotor waren die Bürsten um 1/10 der Polteilung gegen die magnetische Achse der Statorwicklung verschoben. In allen vier Fällen musste die Maschine den modernen Ansprüchen entsprechen, d.h. bei längerer Belastung durfte die Erwärmung bei keinem Teil 45° übersteigen und der Kommutator keine Spur von Funken zeigen. In den Fig. 3437 a und b ist das Verhalten graphisch aufgezeichnet und zwar in den Darstellungen a bei konstanter Geschwindigkeit, und in den Darstellungen b bei konstanter Stromstärke. Der Wirkungsgrad ist bei Gleichstrom natürlich am höchsten, ist aber im ungünstigsten Falle nur um etwa 3 v. H. niedriger. Der Leistungsfaktor ist beim Repulsionsmotor etwas niedriger wie beim Serienmotor. Die Kommutation war tadellos zwischen 500 und 1000 Umdrehungen, unter oder über dieser Geschwindigkeit mussten bei den letzten beiden Arten besondere Mittel angewandt werden um die Kurzschlusslamellenspannung zu vermindern.

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Textabbildung Bd. 320, S. 779
Textabbildung Bd. 320, S. 779
Textabbildung Bd. 320, S. 779
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Textabbildung Bd. 320, S. 780

Thomson hat noch eine zweite Art von Repulsionsmotoren angegeben, die in Fig. 38 schematisch dargestellt ist. Statt der kurzgeschlossenen Bürsten verwendet er breite, offene Bürsten, die einen grösseren Raum des Kollektors bis zu ½ der Polteilung kurz schliessen. Es ist selbstverständlich, dass diese Bürsten mit ihrer grossen Auflagefläche am Kollektor nicht unbeträchtliche Reibungsverluste zur Folge haben, indessen werden durch diese Anordnung auch gewisse Vorteile erreicht, die nach Cramp in folgendem bestehen. Im gewöhnlichen Repulsionsmotor ist die Spannung von ¼ des Rotors (je nach der Bürstenstellung) der Spannung des übrigen Teiles entgegengesetzt, so dass nur die halbe Spannung für die Ankerströme zur Wirkung kommt; auch durchfliesst der Rotorstrom stets alle Windungen, ohne Rücksicht, ob diese in nützlicher Stellung sind, oder nicht, so dass unnötige ohmsche Verluste in den Kauf genommen werden müssen, endlich geben die Kurzschlusströme unter den Bürsten ein entgegengesetztes Drehmoment. Diese Nachteile sind bei den breiten offenen Bürsten vermieden. Insbesondere ist hier der Rotorstrom nur in jenen Spulen, in denen er zur Entwicklung eines Drehmomentes nötig ist, so dass an ohmschen Verlusten gespart wird und kein entgegengesetztes Drehmoment entwickelt werden kann.

(Fortsetzung folgt.)

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