Die Gleichstrommaschine. Ihre Theorie, Untersuchung, Konstruktion, Berechnung und Arbeitsweise: Erster Band Theorie und Untersuchung

740 Pages·1919·40.919 MB·German

by  I. L. la Cour (auth.)

Arnold -Ia Cour
Die Gleichstrommaschine
Ihre Theorie,
Untersuchung, Konstruktion, Berechnung und Arbeitsweise
Erster Band
Theorie und Untersucbung
von
I. L. la Cour
Dritte vollstandig umgearbeitete Auflage
Mannldruck 1923
Mit 570 Textfiguren
Berlin
Verlag von Julius Springer
1919
ISBN- 13:978-3-642-89282-0 e-ISBN- 13:978-3-642-91138-5
DOl: 10.1007/978-3-642-91138-5
Alle Rechte,
insbesondere da.s der 'Obersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten
Copycight by Julius Springer, Berlin 1919
Softcover reprint of the hardcover 3rd edition 1919
Vorwort.
In der vorliegenden dritten Aufiage der Gleichstrommalichine
hat Unterzeichneter, der Prof. Arnold· bei derAusarbeitung der
eraten Auflage dieseaBuches. behUflich war, die .E inteilung des
Stoffes in den friiheren Aufiagen im weaentlichen· beibehalten. Da
Theorie und Untersuchung Hand in Hand gehen mlissen, batte
Prof. Arnold in der zweiten Aufiage die eXperimentelle Untersuchung
der Gleichstrommaschine vom zweiten in den ersten Band liber
nommen. In dieser Auflage bin ich noch weiter gegangen und babe
die Untersuchungc.ler Gleichstrommaschine liber den ganzen erst en
Band verteilt, 80 daB z. B. die magnetische Untersuchung der Gleich
strommaschine aich der Theorie des magnetischen Feides, und die
experimentelle Untersuchung der· Kommutierung mch der Kommu
tierungstheorie direkt anschlieBt. In dieser Weise folgt die Unter
suchung der Gleichstrommaschine in irgendeiner Beziehung stete
Hand in Hand der theoretischen Behandlung der Maschine in gleicher
Beziehung.
Die Erfahrung bat gelehrt, da.B eine Gleichstrommaschine, die
im allgemeinen richtig berechnetund a.usgeflihrt ist, nur dann gut
arbeiten wird, wenn sie vollkommen symmetrisch ist und die momen
tanen Vorgii.nge in.· ihr nicht viel von den mittleren abweichen. lch
babe deswegen. die . ganze Theorie darauf· ausgehen lassen, baupt
.
sicblich die Vorgii.nge in riioglichst symmetrischen Gleichstrom-
maschinen,. und zwar die mittleren Vorgii.nge in denselben, zu unter-
suchen. In zweiter Linie ist dann theoretisch nachgewiesen, welche
sekundil'6 Erscheinungen auftreten, wenn die Maschine entweder
nicht symmetrisch ist, oder wenn die momentanen Vorgii.nge in der
Maschine durch zu wenige Ankemnten oder Kommutatoriamelleri
von den mittleren Vorgii.ngen abwaichen. Diese Abweichung der
IV Vorwort.
momentanen von den mittleren Vorgangen machen sich hauptsach
lich durch Pulsationen im Feld und Stromen bemerkbar.
Hierdurch wird dar Anfanger st,ets danach streben, eine mog
lichst symmetrische Maschine zu entwerfen. SoUte durch die Wahl
cler Wicklungsart oder der Nutenzahl eine Unsymmetrie nicht gut
vermieden werden konnen, so wird er ferner imstande sein, diese
Unsymmetrie maglichst klein zu halten, sowie zu kontrollieren, ob
keine schadlichen Sekundarvorgange hierdurch entstehen.
Da beim Entwurf einer Maschine viele GroBen in Betracht
kommen, so ist es immerhin eine Kunst, die giinstigsten Abmessungen
derselben festzustellen. Die mathematischen Formeln reichen nicht
allein aus; groBe Erfahrung und ein gutes Gefiihl sind hei der rich
tigen Wahl der Hauptdimensionen auch von sehr groBem Wert.
Ich glaube daher, daB eine ausfiihrliche Theorie der Gleich
strommaschine, die aIle wesentlichen Punkte behandelt und die
durch das Experiment gewonnenen Erfahrungen untersucht und
kritisiert, auch fiir den Ingenieur der Praxis von Nut,zen ist.
Es ist nicht schwierig fiir normale Verhaltnisse und wenn an
den Materialaufwand keine sparsamen Bedingungen gekniipft wer
den, eine gut arbeitende Gleichstrommaschine zu bauen. Die Auf
gabe des Ingenieurs besteht aber darin, mit dam Minimum an Her
stellungskosten allen geforderten Bedingungen zu genii gen. Je mehr
man sich diesem Minimum nahert, urn so sorgfaltiger muE die Ma
schine berechnet werden und um so mehr ist es not wen dig, die
Theorie der Gleichstrommaschine zu beherrschen.
lch bin der Ansicht, daB die Vorausberechnung einer Maschine
mit graBter Sorgfalt erfolgen soll und daB hierfiir schwerlich zu viel
Zeit verwendet werden kann; denn selbst wenn ein Ingenieur, der
als Werkzeug nur Bleistift, Papier und einen Rechenschieber braucht,
mehrere Tage anstatt nur einige Stunden an einer Maschine rechnet
und es gelingt ihm dabei, giinstigere Abmessungen zu Hnden, so ist
das fUr die Fabrikation von Vorteil.
Zu der Behandlung des Stoffes selbst sei noch folgendes
bemerkt:
Die selten vorkommenden Unipolarmaschinen, sowie Maschinen
mit Scheibenankern und Ringankern sind in den einleitenden Ab
schnitten nur kurz behandelt, weil sie heute nur noch hauptsachlich
historisches Interesse besitzen. Dasselbe gilt auch fiir offene Anker
wicklungen und glatte Trommelanker. Die einzigen Ankerwicklungen,
Vorwort. v
die eineo ausfiihrliche Behandlung erfahren haben, sind deswegen nur
die geachlossenen Trommelwicklungen. Diese sind im dritten Kapitel
vom Gesichtspunkte der gri)BtOloglichen Symmetrie behandelt. Hier
durch haben aIle Wicklungsformeln sich ganz wesentlich verein
fachen lassen.
Nachdem in denersten Kapiteln diegebrauchlichsten Wick
lungenmit ihren Ausgleichverbindungen behaIidelt sind, folgt in den
niichsten Kapiteln das magnetische Feld, seine Erregung und Be~
rechnung, Bowohl beiLeerlauf als bei Belastung. Ieh will nur hier
auf die Bedeutung der neutl'alen Zone des Ankerfeldes besonders
aufmerksam machen, weil diese ~icht allein die Berechimng der
Ankerriickwirkung, sondern auch die Berechnung der Feldverteilung in
Wendepolmaschinen besonders erleichtert. Aus den Feldkurven er
geben sich in einfacher Weise odie Potentialkurven des Kommutators,
und da diesc fiir die Kommutierung von maBgebendem EinfluB ist,
so bilden gerade die Potentialkurven des Kommutators einen natiir
lichen Vbergang zu der Kommutierungstheorie.
Die Kommutierungstheorie habe ich auf die von Prof. Arnold
und Verfasser ausgearbeitete graphische Methode aufgebaut, °koom
pletiiiert durch die von Prof. Arnold und Mie gebrachte analytische
Berechnung fiir den einfachsten Fall der Widerstandskommutierung.
Die Kommutierungstheorie fangt deswegen im dreizehnten Kapitel
mit der Berechnung der in den Kommutierungszonen auftretenden
Felder und der von diesen in den kurzgeschlossenen Spulen indn
zierten EMKe an. Aus diesen bekannten Gr6Ben sind dann im sieb
0
zehnttJD Kapitel die Kommutierungsdiagramme, KurzschluBstrom
knrven· und Vbergangsverluste am Kommutator abgeleitet.
In den fo1genden Kapiteln sind einige komplettierende analy
tische Berechnnngen sowie die experimentelle Untersuchungder
Kommutierung gebracht. Die Kommutierungstheorie schlieBt dann
mit den Bedingungen und Mitteln zur Forderung einer guten Kom
mutierung, von denen die Wendepole und Kompensationswicklungen
im dreiundzwanzigsten Kapitel eingehend behandelt worden sind.
O
Die charakteristischen Kurven der Gleichstrommaschine sind
auf Motoren und Generator~n konstanten Stromes ausgedehnt. Neu
ist das foJgende K~pitel, worin aIle in Gleichstrommaschinen auf
tretende Schwingungen eingehend besprochen sind. In den letzten
Kapiteln sind die Veriuste und die Erwarmung, sowie die Unter
suchung derselben ausfiihrlich behandelt.
VI Vorwort.
1m zweiten Band wird die Berechnung, Konstruktion und
Arbeitsweise der Gleichstrommaschine behandelt werden. Er bringt
die Anwendung der im ersten Band gegebenen Theorie.
Herr Dipl.-lng. W. Gerhartz hat an einigen der ersten Kapitel
und Dr.-lng. A. Ytterberg an den drei letzten Kapiteln mitgearbeitet.
Dr. Ytterberg hat mich bei der miihsamen Arbeit des Korrektur
lesens sehr entlastet. lch spreche diesen beiden Herren meinen
besten Dank aus.
lch hofie, daB das aite in zwei Auflagen bewahrte Arnold
Bche Buch auch in seiner neuen Bearbeitung sich wiederum einen
Freundeskreis erwerben moge.
Stockholm, im Mai 1919.
J. L. la COOl'.
Inhaltsverzeichnis.
Erstes Kapitel.
Erzengung cines Gleicbstromes.
Seite
1. Erzeugung eines GIeiohstromes duroh unipolare Induktion •• . .. 1
2. Erzeugung eines GIeiohstromes dllroh Kommutierung eines Wachsel-
stromes . • . . • . . . • . . • • . . . . • • . . . . • . •. 9
3. Die in einer GIeiohstrommasohine induzierte elektromotorische Kraft 18
4. Die GIeichstrommaschine als Generator und als Motor . • . . • .. 22
Zweites Kapitel.
Otrene Ankerwicklnngen.
5. Offene Ankerwicklungen 24
Drittes Kapitel.
Geschlossene Trommel wicklnngen.
6. Allgemeine Symmetriebedingungen der geschlossenen Ankerwicklungen 28
7. Nutenschritt und Kommutatorschritt • . . . 33
8. Einteilung der Wicklungen. . • . . . . . . 37
9. Einfache Schleifenwicklung (Parallelwicklung) 89
10. Mehrfache Schleifenwioklungen . . . . . . . 43
11. Einfaohe Wellenwioklung (Reihenwicklung) 49
12. Mehrfache Wellenwioklung (Reihenparallelwioklung) 55
13. Unsymmetrisohe Wellenwioklungen . . • . . . • • 60
14. Wellenwioklungen mit vermehrter und verminderter Lamellenzahl 66
15. Ankerwicklungen mit zwei Kommutatoren. . . . . . . . • . . 71
Viertes Kapitel.
Ausgleichverbindnngen.
16. Ausgleioh- und Aquipotentialverbindungen 73
17. Anzahl und Schritt der Ausgleiohverbindungen 75
18. Ausgleiohverbindungen der einfaohen Schleifenwioklung. . 76
19. Aquipotentialverbindungen der mehrfaohen Sohleifenwioklung 80
20. Aqllipotentialverbindungen der mehrfaohen Wellenwioklung 83
Funftes Kapitel.
Wicklnngdabellen nnd Redoziertes Schema.
21. Wioklungstabellen . 91
22. Reduziertes Sohema . . 93
VIII Inhaltsverzeichnis.
Sechstes Kapitel.
Das magnetische Feld einer Gleichstrommaschine.
Seite
23. Form und Anordnung der Magnetgestelle 106
24.Zweipolige Magnetgestelle . 107
25. Mehrpolige Magnetgestelle • 110
26. Material der Magnetgestelle 112
Siebentes Kapitel.
Erregllng des mag-neUschl'n Feldl's einer Gleichstromm8schine.
27. Arten der F.elderregung •..., . 114
28. HauptschluB- nnd Serienerr4"gung . 11.5
29. Nebenschlu13erregung . , 116
30. DoppelschluBerregung . . . 116
31. Erregimg mit Hilfsbiirste 118
Achtes Kapitel.
Polar{tilt lind Drehriehtung l'iner Gleichstrommallchine.
32. Pblaritat eines selbsterregten Generators . . . . . . . . . " 120
33. Drehrichtung der Gleichstrommaschine aIs Motor' . . . . . . . 122
34. Klemmenspannung und Ankerstrom eines Generators urid eines Motors 124
Neuntes Kapitel.
Mllgnetfeld und Fl'ldllmperell'indungen bel Leerlauf.
35. Magnetische Kreise einer Dynamomaschine und die Magnetisierungs-
kurve derselben . . . . . . . . . . . . .• . . . . . . 125
36. Berechnungen der Amperewindungen (AWl) fiir den Luftspalt 131
37. Feldkurven und Feldpulsationen bei Nutenankern . . . . . . 139
38. Berechnung der Amperewindungen (AlVz) fiir die Ankerzahne 141
39. Berechnung der Amperewindungen (AWa) fiir den Ankerkern . 145
40. Berechnung der Amperewindungen fiir die Magnetkerne (AWm) und
das Joch (Altj) ............. : 146
41. Magnetisierungskurve und Leerlaufcharakteristik . 147
42. Bcrechnung der Feldstreuung . . . . . 148
Zehntes Kapitel.
Magnetische Untersuchung einer Gleichstrommaschine.
43. Aufriahl1le der Feldkurven. . . . . . . . . . . . . . 1.56
44. Messung des Streukoeffizienten einer Dynamomaschine . 161
Elftes Kapitel.
Ankerfeld lind Feldamperewindungen bei Belastung.
45. Die Ankerriickwirkung .. , . . . . . . . . . . . • . . . 164
46. Langsmagnetisierende UIW. quermagnetisierende Wirkung des Anker-
stromes • • . . . . . . .'. . . 166
47. Form des Ankerfeldes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
48. Experimentell ermitteIte Feldkurven • . . . . . . . . . . 176
49. Berechnung der Ankerriickwirkung und der Feldamperewindungen bei
Belastung • . • .. ...........•...... 179
50. GenaueBerechnung der Feldamperewindungen bei Belastung. . . . 185
Inhaltsverzeichnis. IX
Zw6lftes Kapitel.
Potentialknrren des KOmmntatol's.
Seite
51. Potentiaikurve bei Leeriauf 195
52. Potentialdiagramm 197
53. Lamellenspannung. . . . 205
54. Zuliissige Lamellenspannung 210
55. EinfluB der Biirstenlage auf die Lamellenspannung 212
56. Verschiebung der Potentialkurve mit der Helastung 216
Dreizehntes Kapitel.
Dus kommntierende Feld.
57. Kommutierung •.......................• 217
58. Das fiir eine ge'l'adlinige Kommutierung erforderlic!le Kommutierungs-
feid • . • • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
59. Das fiir eine spannungslose Biirstenkante erforderliche Kommutie-
rungsfeld ........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
60. Giinstigstes Konimutierungsfcld. . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
61. Die von Nutenfeldern und Kommutierungsfeldern in den kurzgeschlos
senen Spulen induzierten EMKe . . . • . . . . . . . . . . . • '234
Vierzehntes Kapitel.
KnrzschlnJlzeit.
62. KurzschluBzeit T einer Ankerspule . . . . . . . . . . . . . 244
63. Kommutierungszeit T" des Stromvolumens einer Nut . 247
64. Zahl der kurzgeschlosscnen Spulen und ihre gegenseitige Lage 249
Fiinfzehntes Kapitel.
Nntenfelder nnd Indnktionskoefflzienten.
65. Zerlegung des Ankerfeldes . . . • . . . . . . . . . . • • . . . • 253
66. Leitfiihigkeit des Nutenfeldes bei nur einer kurzgeschlossenen Spulen-
seite pro Nut ••..•...•.......•.....•• 254
67. Leitfiibigkeit des Nutenfeldes bei mehreron iibereinander liegenden
kurzgeschlossenen Spulenseiten pro Nut 257
68. Nutenfelder. . . • . . . . . . . . . 260
69. EMK-E'aktoren f. und f,n • . • • . • 268
70. Leitfiihigkeit J.. der Stirnverbindungen 272
71. Leitfiibigkeit eines glatten Ankers 275
72. Induktionskoeffizienten der KurzschluBstromkreise 275
Sechzehntes Kapitel.
Ubergangswiderstand bzw. Ubergangsspannnng' zwischen
Kommutator nnd Biirste.
73. Widerstande des KurzschluBstromkreises . . . . • . . . • . •. 282
74. Abhiingigkeit der tTbergangsspannung von der Stromdichte und Strom
richtung bei verschiedenen Biirstensorten . . • • • • . • . • . . 286
75. Abhiingigkeit der tTbergangsspannung von der Tempera.tur • • . . . 294
76. Abhiingigkeit der tTbergangsspannung von der chemischen Beschafien-
heit der Ubergangsfliichen. . • • • . • . . . . ..• • . 296
77. Abhiingigkeit der Ubergangsspannung vom Auflagedruck . . . . • • 297
x
Inhaltsverzeichnis.
78. Abhiingigkeit der Dbergangsspannung von der Umfangsgeschwindig-
keit, den E'rschiitterungen und dem Zustand des Kommutators . 298
79. tJbergangsspannung und tJbergangswiderstand bei rasch verander
lichen Stromdichten • . . . . . . . . .'. _ . . . . . . . . . 300
80. Praktische Angaben iiber zulassige Stromdichten und tJbergangs-
spannungen . • . • . . . . . . . . . . . 305
Siebzehntes Kapitel.
Kommutierungsdiagramme und KurzschluBstromkurven.
81. Potentialkurve des Kommutators in der Kommutierungszone 309
82. Deformierung der Potentialkurve unter den Bursten .' . . •. 310
83. Vorausberechnung des Kommutierungsdiagrammes .......•' 318
84. Ableitung der KurzschluBstromkurve aua dem Kommutierungsdia-
gramm ••.............• 322
85. Charakteristische Kommutierungsdiagramme und KurzschluBstrom-
kurven ..••...••... 326
86. tJbergangsverluste am Kommutator 328
Achtzehntes Kapitel.
Analytische Berechuung einiger KurzschluBstromkurven.
87. Elektrische und magnetische Verkettung der KurzschluBstromkreise 332
88. Kurzsc,hluBstromkurve bei einer Burstenbreite kleiner als die La-
mellenbreite (b1 ~ fJ) • • • • • • • • • • • • • • • • • .. 334
89. Beispiele fUr die Kommutierung bei einer Burstenbreite b1 ~ fJ 343
Neunzehntes Kapitel.
Zusiitzliche Strome in den kurzgeschlossenen Spulen bei einer
Bilrstenbreite groBer als die Lamellenbreite (6 Pl.
1)
90. ZusiHzliche Strome in den kurzgeschloasenen Spulen . . . . . . • 350
91. Maximale Stromdichten und Spannungen an den Biirstenkanten . • 354
92. Experimentelle Bestimmung von Offnungsspannungen zwischen Biir-
sten und Kommutatorlamellen . . • . . . • . . . . 358
93. EinfluB der zusatzlichen Strome auf die Funkenbildung . 361
94. Riickwirkung der zusiitzlichen Strome auf das Hauptfeld 364
Zwanzigstes Kapitel.
ExperimenteUe Untersuchung der Kommntierung.
95. Untersuchung der Symmetrie einer Gleichstrommaschine 368
96. Praktische Untersuchung der Kommutierung . . . . . . • . 370
97. MeBanordnung zur theoretischen Untersuchung der Kommutierung. 375
98. Experimentelle Aufnahme von Feldkurven, KurzschluBstromkurven
und ortlichen Kommutatorspannungen. . . . . . . . . . . . . 379
99. Experimentelle Aufnahme von Lamellenspannungs- und Lam ellen-
stromkurven •..•....•...•... . . . . . 386
Einundzwanzigstes Kapitel.
Bedingongen filr einegute Kommutlerung bei I.schinen
ohne Wendepole.
100. Hauptbedingung fiir eine gute Kommutierung . . . . . . . .. 389
101. EinfluB der Hauptabmessungen einer Maschine auf die Kommutierung 391
102. Weitere Bedingungen fiir eine gute Kommutierung . . . . . . . . 399