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Biblioteka Politechniki Krakowskiej

100000299088

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Die experimentelle Untersuchung der Kommutations-vorgänge in Gleichstrommaschinen.

Von

Karl Czeija,

Assistent am Elektrotechnischen Institut der Grossherzogi. Badischen Technischen

Hochschule zu Karlsruhe.

Mit 31 Abbildungen.

I. Einleitung' und kurze Theorie.

Die experimentellen Untersuchungen der vorliegenden Arbeit stützen sich auf die von Prof. E. Arnold in seinem Werke „Die Gleichstrommaschine“, Bd. 1, gegebene Kommutationstheorie und haben zum Zwecke:

1. den Verlauf des Stromes in einer Armaturspule während der Kurzschlussperiode experimentell zu untersuchen;

2.    die Abhängigkeit des Verlaufes des Kurzschlussstromes vom Felde in der Kommutierungszone und

3.    die Anwendbarkeit derMethode der Bürstenpotentialmessung für die Beurteilung der Kommutationsver-hältnisse einer Maschine festzustellen.

Während des Uebertrittes einer Armaturspule von einem Stromzweig in den nächstfolgenden sind die mit den Enden einer Spule verbundenen Kollektorlamellen durch die Bürste kurzgeschlossen.

Die in der kurzgeschlossenen Spule während der Dauer einer Kurzschlussperiode auftretende E.M.K. e kann nach dem Kirchhoff-schen Gesetze als algebraische Summe der E.M.Ke. erhalten werden, welche

1.    durch das von den Erregerampere Windungen herrührende Feld in der Kurzschlusszone,

2.    durch den Kraftfluss der quermagnetisierenden Ampère-

windungen,

21

Sammlung elektrotechnischer Vorträge. V.

3.    durch den Kraftfluss, der nur mit der kurzgeschlossenen und den benachbart im Kurzschluss befindlichen Spulen verkettet ist, in-

₄ duziert werden, und

4.    durch den Spannungsabfall, welchen der Kurzschlussstrom infolge des Ohmschen Widerstandes der Spule erleidet.

Während der Dauer des Kurzschlusses T sind nun diese E.M.Ke. mehr oder weniger veränderlich und zwar ändert sich die unter 1. genannte E.M.K. nach Massgabe des Verlaufes der Feldkurve in der Kurzschlusszone. Die vom quermagnetisierenden Kraftfluss induzierte E.M.K. eq hängt von der magnetischen Leitfähigkeit Xq des Querkraftflusses ab und wird je nach der Form der Polschuhe, der Bürstenstellung und der Sättigung der Polspitzen und Zähne, mit der Zeit t variieren. Befinden sich die Bürsten in der neutralen Zone und ist

bi _ ideeller Polbogen v    Polteilung

nähernd konstant; es steigt, wenn die Bürsten gegen die Polspitzen verschoben werden. Für ein gegebenes Xq ist die durch den Querkraftfluss induzierte E.M.K. gleich

das Verhältnis cq =

klein, dann bleibt eq an-

2eq = 2 AS

v . h . Xq . 10~⁶ Volt¹).

Die E.M.K., welche durch die Selbst- und gegenseitige Induktion induziert wird, ist

L + SM

2 em — 2 ia .

Dieselbe variiert während T nur wenig; sie nimmt mit der Dauer des Kurzschlusses zu, wenn die Maschine als Generator läuft, und nimmt mit derselben ab, wenn die Maschine als Motor läuft.

Der Ohm sehe Spannungsabfall hängt nur vom Momentanwerte des Kurzschlussstromes und dem Widerstande R der Spule und der Verbindungen zu den Lamellen ab.

Ist bei einem bestimmten Strome ia pro Armaturstromzweig ein Feld in der Kommutierungszone vorhanden, das in der Spule die E.M.K.

e = ek =

2 . ^em -f- eq -f- ia R |%p

³)

induziert, dann werden die während des Kurzschlusses in der Armatur-

x) Siehe Arnold, Bd. I, S. 258.

²)    Ibid. S. 351.

³)    Siehe Arnold, Bd. I, S. 383.

spule auftretenden E.M.Ke. kompensiert, und der Kurzscklussstrom i verläuft geradlinig nach der Zeit t.

Wir haben in diesem Falle eine Kommutation mit konstanter Stromdichte unter der Bürste.

Weicht die von einem bestimmten Felde in der kurzgeschlossenen Spule induzierte E.M.K. e von ek ab, so dass

e = ßk -j- ez x)

Fig. 1.

ist, so wird die zusätzliche E.M.K. ez das Auftreten von zusätzlichen Strömen iz bedingen, und die Stromdichte unter der Bürste ist je nach der Grösse von ez bezw. iz variabel.

Im allgemeinen wird nun die Stromdichte unter der Bürste nicht konstant sein, sondern zwischen auf- und ablaufender Bürstenkante von Punkt zu Punkt, und für die einzelnen Punkte auch innerhalb der Dauer einer Periode, variieren.

Ist der Strom pro Ankerstromzweig ia und der Momentanwert des Kurzschlussstromes i, so wird der durch die Fläche Fu/

(Fig. 1) von der Lamelle nach der Bürste übertretende Strom gleich ia — i sein und für den eingezeichneten Stromverlauf ist dann die Stromdichte in dem

betrachteten Momente x — x1? wobei x = -^j-, gleich

?ux =

ia — i

Fll/ '

sux variiert während einer Periode. Nehmen wir jedoch an, die Bürste deckt sehr viele Lamellen²), dann werden die Schwankungen, welche sux/ zeitlich erleidet, nicht sehr gross sein, und das Bild der Stromdichteverteilung wird sich innerhalb der Dauer des Kurzschlusses einer Spule nur wenig ändern. Führen wir für sux/ = sux die Mittelwerte der örtlichen Stromdichten ein, dann können wir die Stromdichteverteilung entlang der Bürstenbreite durch eine Kurve

= f(x)

ia — i

Sux =

Fu'

b Electrical Review 1900, S. 43 und Arnold, Bd. I, S. 284. ²) Siehe Arnold, Bd. I, S. 369.

Zu Beginn des Kurzschlusses t = 0 ist Fu' = 0 und zu

darstellen.

Ende desselben t = T ist Fu' = Fu, also

Fu =    . Fu.

Setzen wir = x, also dt = T . dx, so wird

Fu

und da

so wird

d (ia i) — sux. dFu,

ia — i = F u.f S

. dx.

Entspricht nun der mittleren örtlichen Stromdichte sux der spezifische Widerstand Rk, so wird

Px — Sux . Rk

die mittlere örtliche Potentialdifferenz zwischen Bürste und Kollektor darstellen.

Der spezifische Uebergangswiderstand kann in Abhängigkeit von der zeitlich variierenden Stromdichte durch die Beziehung x)

ü _ eu

Rk — —

Su x

-f- Rw

ausgedrückt werden, wobei für ein bestimmtes Bürstenmaterial, eu einer konstanten Potentialdifferenz zwischen Bürste und Kollektor und Rw einer von der effektiven Stromdichte

Su eff —

T 'S

Su Xdt

abhängigen Konstanten entspricht. Es ist also

Px ⁼ Su x • Rk = ßu -f~ Rw • su x

und

Sux —

Px ©u

Rw

x) Dr.-Ing. M. Kahn, Uebergangswiderstand von Kohlenbürsten. (Diese Sammlung Bd. III, S. 483.)

Dies in die Formel für ia — i eingesetzt, ergibt

X = 1

i„-i =

oder

fr-/¹

— e„) d x.

x = O

Die Potentialdifferenzen Px können wir nun dadurch erhalten, indem wir die Potentialdifferenzen zwischen Bürste und Kollektor entlang der Bürstenbreite messen. Diese Potentialdifferenzen in Abhängigkeit von der Bürstenbreite aufgetragen, ergeben die Bürstenpotentialkurve oder das Kommutierungsdiagramm.

Wie aus der Formel für i hervorgeht, ist die Bürstenpotentialkurve die Integralkurve zur Kurzschlussstromkurve i = f(x), oder umgekehrt, die Kurzschlussstromkurve ist die Differentialkurve der Bürstenpotentialkurve¹).

Ganz exakt ist jedoch diese Ableitung nicht. Die gemessenen Mittelwerte von Px bezw. sux werden insbesondere an den Bürstenkanten von dem, einem bestimmten Verlauf des Kurzschlussstromes entsprechenden Momentanwert abweichen.

Um die Bestimmung des Verlaufes der Kurzschlussstromkurven aus der experimentell gefundenen Potentialkurve Px = f(x) (s. Fig. 1) durchzuführen, müssen wir zunächst die konstante Potentialdifferenz eu kennen. Ist diese für das betreffende Bürstenmaterial festgelegt, so hat man, um die Ordinatenabschnitte Px — eu zu erhalten, eine Parallelverschiebung der x-Achse um eu vorzunehmen (Fig. 2). Der Mittelwert der Kurve Px — eu ergibt dann Rw . su, d. i. die Potentialdifferenz, die der in jedem Momente konstanten Stromdichte

Su =

2ia

entspricht. Es ist somit

Fu

Rw —

(Rw su)

Su

Ohm.

Rw stellt eine von der effektiven Stromdichte sueff abhängende Konstante dar. sueff erhalten wir aus den mittleren örtlichen Stromdichten bezw. aus der Potentialkurve folgendermassen.

Es ist

Su elf —

V*-/

’ 0

Sux²

.dt= J-

Rw

Y ' f (Px-e„)²dt

und wenn wir das Verhältnis

+P, m

-P. lY.lt

-4i.

Rw • Sy

o,L

_£■

«>

— eu)²dt

Su eff • Rw

Su . Rw

= fu

Fig. 2.

flf

p,

JT

+T-X,

o,v

ef

_2l

ut ;

i /’VX

i*a-i

-lou

als den Form faktor der Stromdichteverteilung unter der Bürste bezeichnen, so ist

Su elf — fu • Su ¹).

¹) Siehe Arnold, Bd. I, S. B67.

Um aus der Bürstenpotentialkurve die Kurzschlussstromkurve graphisch berechnen zu können, sei hier folgende Konstruktion angeführt x). Man zerlegt die Bürstenpotentialkurve (Fig. 2) in eine Anzahl vertikaler Schichten, indem man die Abscissenachse, welche der Dauer des Kurzschlusses bezw. der Bürstenbreite entspricht, in eine bestimmte Anzahl gleicher Teile teilt. Die Mittelpunkte der so auf der Bürstenpotentialkurve entstandenen Teilstrecken werden auf die Ordinate für t = T (x = 1) projiziert. Zieht man nach diesen Projektionen Strahlen von 0 aus, so erhält man für jede Teilschicht die Richtung der Integralkurve, bezw. der Kurzschlussstromkurve. Zeichnet man von 0 ausgehend ein Polygon, dessen Seiten zwischen je zwei Ordinaten parallel den entsprechenden Strahlen sind, so gibt dieses den Verlauf der Kurzschlussstromkurve an. Die Konstruktion wird offenbar um so genauer, je grösser die Zahl der Vertikalschichten gewählt wurde. Die erhaltenen Werte der Integralkurve können nun leicht auf den gewählten Ampèremassstab AT = 2ia reduziert werden. Die Fläche, welche der Linienzug O P N tx 0 mit der Achse einschliesst, ist gleich

i = Xi

/(Px

— eu) dx = prop. (ia — i) = RS.

x= o

Die Rechtecksfläche O T . A T ist gleich der Fläche, welche die Bürstenpotentialkurve mit der Abscissenachse einschliesst, und im Ordinatenmassstab ergibt AT die mittlere Ordinate Rw . su Volt.

II. Beschreibung der Yersuchsanordnuug zur experimentellen Aufnahme der Kurzschlussstrom-, Feld- und Bürstenpotentialkurven.

Die ersten Untersuchungen über die experimentelle Bestimmung des Verlaufes des Kurzschlussstromes haben Everett und Peake²) in der Weise durchgeführt, dass sie nach Fig. 3 an Stelle der einen normalen Bürste zwei um annähernd Kollektorlamellenbreite gegeneinander versetzte und durch Vulkanfiber isolierte Kupferbleche kx, kt auf den Kollektor setzten. Die beiden Kupferbleche der Versuchs-

J) Diese Methode der graphischen Integration wurde von Prof. E. Brauer in seinem Buche „Turbinentheorie“ angegeben.

²) Experiments on commutation in dynamos and motors. Electrician Bd. XL,

S. 861.

bürste waren durch einen induktionsfreien Widerstand r = 0,007 Ohm miteinander verbunden. Mit Hilfe eines rotierenden Kontaktapparates S, der auf der Maschinenwelle angeordnet war, konnte nun der Momentanwert des Spannungsabfalles, welchen der zwischen den beiden Kupferblechen fliessende Strom erzeugt, in jedem Augenblicke gemessen werden.

Diese YersuchsanOrdnung entspricht jedoch nicht den normalen Verhältnissen, bei welchen die Bürste entlang ihrer ganzen Fläche

aufliegt. Dadurch wird infolge wesentlicher Aenderung des für die Kommutation so wichtigen Uebergangswiderstandes die Stromverteilung unter der Bürste verändert und es können demnach die erhaltenen

Fig. 3.

Versuchsresultate nur für ganz spezielle Fälle gelten

Bei der vom Verfasser gewählten Versuchsanordnung wurde der näher liegende Weg eingeschlagen, indem der Kurzschlussstrom nicht in der Bürste, sondern in der Spule direkt gemessen wurde.

Es wurde zu diesem Zwecke (Fig. 4) eine Armaturspule A aufgeschnitten und die Schnittenden durch Vermittlung von zwei Schleifringen Sx durch einen sehr kleinen induktionsfreien Widerstand r verbunden. Der Widerstand r bestand aus zwei hintereinander geschalteten Normalwiderständen der physikalisch-technischen Reichsanstalt von je 0,001 Ohm. Der Spannungsabfall, welcher vom Momentan werte des in r fliessenden Stromes erzeugt wurde, wurde mittels der rotierenden Kontaktscheibe S, die auf der Maschinenwelle sass, beobachtet. Die Scheibe S bestand aus einer Stabilitscheibe von 21,0 cm Durchmesser. Am Umfange derselben war an einer Stelle ein Metallsegment (Fig. 5) von 7,5 cm Länge eingelegt. Die Hilfsbürsten sassen auf zwei Ebonitstiften, die in einem am Maschinenlager drehbar angebrachten Arm befestigt waren. Durch Verstellen dieses Armes mit den Hilfsbürsten konnte der Zeitpunkt des Kontaktes für jede beliebige Lage der Armaturspule während einer Umdrehung eingestellt werden. Die Einstellung erfolgte durch einen mit dem Arm verbundenen Zeiger.

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—-wvwvwv—

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Versuchsanordnung von Everett und Peake.

Die Stellung desselben konnte an einer in 720 Teile geteilten Teilscheibe abgelesen werden. Der Teilkreisdurchmesser derselben betrug 22,2 cm.

Fig. 4.

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'i.

Dieselbe Kontaktvorrichtung wurde auch zur Aufnahme der Feldkurven benutzt. Von zwei benachbarten Kollektorlamellen waren zwei Abzweigungen zu den Schleifringen s₂ geführt. Die auf denselben schleifenden Bürsten waren mit einem Stromwender w2 in Verbindung. Je nachdem man nun den Stromwender w₂ oder Wj stöpselte, konnte man die Feldkurve oder Kurzschlussstromkurve aufnehmen.

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r-i

w,

\C

BQ

--WVMWWi—

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Versuchsanordnung zur Aufnahme der Kurzschlussstrom- und Feldkurven.

Wi gestöpselt: Aufnahme der Kurzschlussstromkurven. W2 gestöpselt: Aufnahme der Feldkurven.

Der Kondensator C war ein Glimmerkondensator von Siemens & Halske mit Kapazitätsstufen zwischen 0,001 und 0,5 MF. V und N sind Vorschalt- bezw. Nebenschlusswiderstände für das Galvanometer. Dieses war ein stark gedämpftes ballistisches Galvanometer von Siemens & Halske mit einem inneren Widerstande von 10000 Ohm. Die Schleifringe Sx und die Kupfergazebürsten, die in den Stromkreis der aufgeschnittenen Spule geschaltet waren, waren sehr reichlich dimensioniert (Fläche einer Bürste 2,1 cm²), und der Auflagerdruck sehr gross bemessen, so dass man den Uebergangs-widerstand als konstant ansehen konnte.

Die Normalwiderstände waren vor den Versuchen in Bezug auf ihre Selbstinduktion geprüft worden, und es konnte weder nach der Methode von Maxwell, noch durch die Messung des Spannungsabfalles, des Stromes und des verbrauchten Effektes beim Hindurchschicken von Wechselströmen von 50 und 100 Perioden eine Wirkung der Selbstinduktion oder Kapazität konstatiert werden.

Eine besondere Fürsorge musste den Hilfsbürsten auf der Kontaktscheibe zugewandt werden. Erst nach vielem Herumprobieren hat sich gezeigt, dass sich am günstigsten hierzu schmale, ganz flach ge-

Fig. 5.

■Iscm

-e>

Va

hämmerte Kupfergazebürsten eignen. Diese Kupfergazebürste kam zwischen zwei Messinglamellen zu liegen, welche derselben die entsprechende Steifigkeit verliehen. Die Auflagebreite dieser Bürsten war in der Drehrichtung gemessen nur 1 mm. Die Einstellung der Bürsten erfolgte nach Fig. 5. Die entsprechenden Zeitpunkte für den Beginn

Fig. 6.

Einstellung auf der Kontaktscheibe, a) t = 0, (x = 0). b) t = T, (x = 1).

und das Ende der Kommutation konnten in folgender Weise sehr einfach ermittelt werden. In Fig. 6 a und b seien 1 und 2 die Kollektorlamellen, die mit den Enden der aufgeschnittenen Armaturspule verbunden waren. Der Kollektor wurde erst in die Lage gebracht, in welcher die auflaufende Bürstenkante mit der auflaufenden Kante der Lamelle 2 (Fig. 6 a) zusammenfiel. Nun wurden die richtig eingestellten Hilfsbürsten auf der Kontaktscheibe so lange verschoben, bis sie das Kontaktsegment an der auf- bezw. ablaufenden Kante berührten.

Die zugehörige Stellung des Zeigers auf der Teilscheibe entsprach dann für die betreffende Bürstenstellung der Maschine, dem Beginn der Kommutierung t = 0, (x = 0). Ganz analog (Fig. 6 b) wurde auch t = T, (x = 1) ermittelt.

Die erhaltenen Ablenkungen des Galvanometers entsprachen der Potentialdifferenz, mit welcher der Kondensator im Momente des Kontaktes geladen wurde. Um diese Potentialdiflferenz bei einer bestimmten Empfindlichkeit und Dämpfung des Galvanometers in Volt zu erhalten, wurde die Aichung jedesmal vor und nach der Aufnahme der Kom-mutierungs- bezw. Feldkurve für die betreffende Tourenzahl durch-

Fig. 7.

r>0

's fr

°V

'JVW-

XJM.V

Messung der Bürstenpotentiale.

geführt. An Stelle der Schleifringe s₂ bezw. Enden von r, also den nach der Zeit veränderlichen E.M.Ken., wurde eine genau messbare Gleichstromspannung in den Messstromkreis eingeschaltet, und der einer bestimmten Spannung entsprechende Ausschlag, in Abhängigkeit von ersterer beobachtet, ergab die Aichkurve. Die bei den verschiedenen Geschwindigkeiten und Kapazitäten, bei bestimmter Empfindlichkeit des Galvanometers erhaltenen Aichkurven, verliefen innerhalb des für die Messung benutzten Skalenbereiches geradlinig.

Die Messung der Potentialdifferenzen zwischen Bürste und Kollektor innerhalb der auf- und ablaufenden Bürstenkante erfolgte nach der Anordnung Fig. 7. Auf den Bürstenstift wurde ein Metallsegment befestigt, welches entsprechend der Kollektorkrümmung

abgedreht war. Beliebig einstellbar auf diesem war ein Schieber, welcher auf einem isolierenden Stifte die Hilfsbürste trug. Die Kollektorbürste zwischen den beiden Kanten und ca. 1,5 bis 2,0 mm von der Auflagefläche entfernt, wurde mit einer Teilung versehen und die Punkte durch kleine Anbohrungen markiert. Mit Hilfe eines dünnen, unter die Bürste gelegten Papierstreifens, welcher die gleiche Teilung wie die Bürste besass, konnten die den einzelnen Teilpunkten entsprechenden Stellungen der Hilfsbürste auf dem Metallsegment eingestellt und markiert werden. Die Schaltungsanordnung für diesen

Kg. 8.

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120

120

Hauptdimensionen der Versuchsmaschine, b Nutenform.

Versuch ist aus Fig. 7 ersichtlich. Der Kontakt mit der Bürste wurde durch ein zugespitztes Drahtstück D, welches an die einzelnen Punkte der Hauptbürste angelegt wurde, hergestellt. Zur Messung der Potentialdifferenzen diente ein Präzisionsmillivoltmeter von Siemens & Halske. Als positiv wurde für alle Versuche das Potential angesehen, welches bei der eingezeichneten Stellung der Quecksilberwippe den richtigen Ausschlag im Millivoltmeter lieferte. Die an der auf- bezw. ablaufenden Kante der Hauptbürste gemessenen Potentialdifferenzen entsprachen dann den auf der Teilscheibe des Kontaktapparates ermittelten Punkten für den Anfang bezw. das Ende der Kurzschlussperiode. Die

Zwischenpunkte konnten leicht durch Reduktion des Kollektorumfanges auf den Teilkreisumfang erhalten werden.

Die zur Untersuchung gewählte Maschine war für eine Leistung von 10 KW. bei 110 Volt und 750 Touren pro Minute bestimmt.

Die Hauptdimensionen derselben, sowie Nuten- und Polschuhform sind aus der Fig. 8 und der folgenden Tabelle zu entnehmen:

Ankereisendurchmesser Ankereisenlänge .    .    .

Wicklungsart .    .    .    .

Polzahl...........

Anzahl der Ankerstromzweige

Spez. Belastung........

Anzahl der Armaturdrähte .    .    .    .

Drahtdurchmesser, nackt/isoliert .    .

Nutenzahl..........

Nutenform..........

Nutenweite.........

Nutentiefe..........

Zahnteilung am Umfang.....

Zahnteilung am Fusse.....

Zahndicke am Umfang.....

Zahndicke am Fusse......

Polschuh:

Material..........

Länge ...........

Polbogen..........

Polteilung..........

Verhältnis..........

. . D = 24,2 cm . . h = 29,0 , Schleifenwicklung von Hand ausgeführt

2p = 2

2 a = 2

A S = 2,492 . ia N = 192

.    .    = 2.3,0/3,5 mm

48

glatt

9,0 mm ) 16,9 „    >

tj = 16,1 mm t₂ = 13,9 „ zi — 7,1 „ z₂ = 4,9 „

Fig. 8 b

Gusseisen (Fig. 8 a) lp = 28,7 cm bi = 29,5 „ x = 38,5 „

bi

= 0,98

V erhältnis

bi

— = «i = 0,765

Polbohrung......

Luftzwischenraum .... Magnetschenkel:

Material.......

Länge in der Achsenrichtung

Breite........

Radiale Höhe inch Polschuh

Querschnitt......

Joch:

Material.......

Länge in der Achsenrichtung

Radiale Höhe......

Querschnitt......

= 25,0 cm 8 = 4 mm

Gusseisen

28.5    cm 22,7 „

12.5    „

Qm = 647 cm²

Gusseisen 29,0 cm 12,0 „

Qj = 34S cm²

Kollektor:

. Kupfer • Dk = 15,0 cm = 10,0 „

. K = 48 ß -- 0,85 cm eine Art Mikafabrikat . 8i = 1,0 mm = 0,0625 . E

Material.......

Durchmesser......

Nutzbare Breite.....

Anzahl der Lamellen .    .    .

Breite einer Lamelle aussen Art der Isolation ....

Dicke der Isolation .    .    .

Maximale Spannung zwischen zwei Lamellen .

48

Lamellen pro Polpaar.........

Vk = 0,00787 . n

Kollektorumfangsgeschwindigkeit.....

Bürsten:

Kupfer

Kohle

Material........

Anzahl der Stifte.....

Bürsten pro Stift.....

1,4 cm 2,8 „

2 X 3,92 cm²

_L_ j

3,92 '

1,4 cm 2,1 „

2 X 2,94 cm²

Bürstenbreite bj.....

Bürstenlänge.......

Fläche aller Bürsten ....

J Amp./cm²

2,94 '

Stromdichte.......

Nebenschluss:

1890

Zwei Spulen in Serie Windungen pro Spule .    .    .

1,6/2,0

mm

Drahtdurchmesser, nackt/isoliert

Der Antrieb der Maschine erfolgte von einem 10 PS. Gleichstrommotor aus. Da der Riemenantrieb infolge der Riemenschlüpfung zu Fehlerquellen Veranlassung gab, wurden Generator und Motor direkt gekuppelt. Im Falle dass die Versuchsmaschine als Motor untersucht wurde, konnte die Antriebsmaschine als Generator auf einen Widerstand geschaltet werden und diente so als Belastung.

Was nun die Genauigkeit dieser Versuchsanordnung anbetrifft, so kann dieselbe ziffermässig nicht gut ausgedrückt werden. Die hier beschriebenen Anordnungen haben sich nach vielem Probieren als die zweckmässigsten erwiesen. Wählt man den in die Schnittstelle der Armaturspule geschalteten Widerstand grösser, dann kann man natur-gemäss die Momentanwerte des Spannungsabfalles beliebig vergrössern. In demselben Masse wird aber dadurch der Widerstand der Spule, in welcher die Kommutationsverhältnisse untersucht werden, verändert und es könnten auf diese Weise Unsymmetrien in die beiden Ankerstromzweige gebracht werden. Die Messung wurde ferner auch dadurch beeinträchtigt, dass zur Aufnahme einer Kommutierungskurve (mindestens 10 bis 11 Punkte) ca. 25 Minuten benötigt wurden, während welcher Zeit die Laufbedingungen der Maschine vollständig

konstant bleiben sollten. Um die hierdurch entstehenden Fehlerquellen zu vermindern, wurden die Versuche nur bei stationären Temperaturen durchgeführt.

Die Kommutierungskurven wurden stets zweimal aufgenommen : einmal fortschreitend in der Drehrichtung, das anderemal entgegen derselben; dort wo sich grössere Abweichungen ergaben, wurde der Mittelwert zur Auftragung der Kurve verwendet.

Die Empfindlichkeit des Galvanometers für die Aufnahme der Kommutierungskurven betrug bei den zuerst angeführten Versuchen

1 Skalenteil = 1,93 .IO“⁴ Volt.

In den Figuren sind jeweils die abgelesenen Skalenteile (z. B. in

0 5

Fig. 11: 1 Skalenteil = —~— mm) eingetragen. Die Amperemassstäbe

wurden dieser Skalenteilung angepasst.

Die bei der Aufnahme der Feldkurven sich ergebenden Gal-vanometerausschläge sind in den Figuren durch die aus den Aichkurven abgegriffenen Spannungen in Volt dargestellt.

Die Messung der Bürstenpotentiale wurde stets vor und nach der Aufnahme der Kommutierungskurven durchgeführt, was sich als unbedingt notwendig erwies, da sich eine während des Versuches etwa auftretende Aenderung des Bürstendruckes oder eine Lageveränderung des Kollektors in achsialer Richtung, weniger im charakteristischen Verlaufe, als in den absoluten Werten der Bürstenpotentiale (Px — eu) bemerkbar machte.

III. Die experimentell aufgenonmienen Kurzschlussstrom- und Bür stenp otentialku r ven.

1. Versuche mit Kupferbürsten.

a) Die Maschine besitzt Polschuhe (Fig. 8).

Als Bürsten waren pro Stift je eine Kupfergazebürste von einer Auflagefläche Fu = 1,4 X 2,8 = 3,92 cm² aufgesetzt. Die Maschine lief als Generator mit n = 300 Umdrehungen pro Minute und war fremd erregt für alle untersuchten Belastungen und Bürstenstellungen mit in = 3,0 Amp.

Für die Bürstenstellung in der geometrisch neutralen Zone, Stellung I, ist in Fig. 9 die experimentell ermittelte Feldkurve für Leerlauf und in Fig. 10 die Leerlaufcharakteristik aufgezeichnet. Fig. 9

zeigt auch die auf den Teilkreisdurchmesser reduzierte Projektion der Polschuhe.

Für diese Bürstenstellung wurden für die Stromstärken J = 0, 40 und 60 Amp. (Tab. I a und b, Fig. lia I) die Bürstenpotentialkurven

Fig. 9.

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Feldkurve für Leerlauf. in = 3,0, n = 300. (Maschine besitzt Polschuhe.)

A₀', A/ und A₂' und für J = 40 und 60 Amp. die Kurzschlussstrom-kurven A₁ und A₂ aufgenommen. Die Bürstenpotentiale wurden an der negativen Bürste gemessen. Die erhaltenen Beobachtungswerte

sind als Funktion der Bürstenbreite bezw. Kurzschlussdauer x = -f-aufge tragen.

Ermittelt man nach der auf S. 319 angegebenen Konstruktion aus den Bürstenpotentialkurven Af und Af die Kurzschlussstromkurven, so erhält man bei Annahme einer konstanten Potentialdifferenz unter der Bürste von eu = -f 0,000546 Volt <>= 0, welche der mittleren Ordinate der Bürstenpotentialkurve A₀' für Leerlauf entspricht, die punktierten Kurzschlussstromkurven Ax und A₂. Dieselben stimmen mit den experimentell erhaltenen Kurzschlussstromkurven sowohl in ihrem

Fig. 10.

Volt

£*70

AlS=IeiYn

ma

60

-ft

12000

60

j-

“T

10000

60

30

6000

20

6000

10

-4-

2000

Q6 QS 1,2    1,6    2.0    2,6    2.6    42    46 LnAmp.

Leerlaufcharakteristik, n = 300. (Bürstenstellung I.)

charakteristischen Verlaufe als auch in den absoluten Werten sehr gut überein.

Aus der Potentialkurve A/ für J = 40 A mp. erhält man: den Mittelwert der Ordinate

Rw su = 0,0555 Volt, die zeitlich konstante mittlere Stromdichte ist

Su =

2ia

40

Fu

3,92

= 10,2 Amp./cm²

und der Widerstand

Rav =

(RwSu) _ 0,0555

Su

10,2

= 0,00543 Ohm.

Bildet man den Formfaktor der Stromdichteverteilung unter

der Bürste

— eu)² d t

fu =

Rav • Su

Sammlung elektrotechnischer Vorträge. V.

22

QQ

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217

216,5

216

215

214

213

212

211

210

209

208

207

Teil

scheibe

304    * 700

438    560

443    552

514

504

490

542

462

580    422

615

387

630

364

683

710

731

735

730

323

CC CO DO DO O Ci Ci

toc<io

Ausschi. Ausschi, links rechts

co to i—1 co oo to

Or Cn 00

+ 10 + 60

40

+ 204

+ 323 + 348

— 100

230

229,5

229

228

227

226

225

tO tO 05 05 -d CO 4^    05    .00

701    +    200    —    460

730    -1-    230

734    +    235

H-i t—*    >—⁴ i—ł ►—i

co CO ZD ZD ZD CnOî ^ CO ZD

350    650    + 150

394

604    ! + 105

422    578    + 78

444

79    — 168    224    470

— 114    — 216

223

— 133    — 265

222

—    230    —    345

—    234    —    362

—    230    —    366

—    208    —    356

—    180    —    311

DO DO CO DO DO DO DOmhh

h-* o zD oo -a

Cn    OT    Ci    Ci

CO    -a    DO    00    I—I DO

ZD    Cn    00    00    00 Cn

554 I + 55

Mittel

J = 40 Amp.

Bürstenstellung I

Teil-

Mittel scheibe

J = 00 A.

DO

O

Û 05 ^    CO

Ci Cn O    Ci

530    4- 30    — 145    204

500

— 204

205

459

425

38    — 282

206

275    —    230

282    —    218    —    466

318    —    188    —    444

468    —    130    —    390

75    — 360

Links Rechts

Mittel ! Mittel

J — 40 Amp.

Bürstenstellung II

J = 84 A.

207

208

209

210

211

05 en O 05 en 05 05 O en en eo rf>. Cn ⁰⁰ ° o o o w o 00 oo o 05 to £3 OJ co

Teilscheibe Links

DO DO Ci -O Cn

-J 00 O ^

H ÜT DO DOM DO Ci DO 00 O O O

hu^-ii-i to ro

wwtovicocowww w ^ woîwaoiviMCOCOCO

MOW®OCJODOlC- h* h-i OO'ICOCOÜlQQ^^^a

Rechts

4- 225 4- 236

4- 424

4- 540 4- 516

+ 514

4- 520

4- 472

4- 418

4- 366

+ 264

4- 69,0

+ 170,5

+ 218

4- 234

4- 232

4- 231

Mittel

J = 40 Arap.

Bürstenstellung III

Tabelle la. Kurzschlussstromkurven. Maschine lief als Generator.

Bürstenstellung III

J = 40 A. Px Volt

A/O — 0,1281

— 0,077

— 0,002

+ 0,042 + 0,078

+ 0,122

+ 0,201

+ 0,243

Funken

grenze

J = 0 Px Volt

V X — 0,082

— 0,045

— 0,015

— 0,005 + 0,027 + 0,059 + 0,078 + 0,086

Funkenfrei

Tabelle Ib. Potentialkurven. Maschine lief als Generator.

Bürstenstellung II

Bürstenstellung I

J = 84 A. Px Volt

J = 40 A. Px Volt

J = 60 A. J = 0    ! J = 20 A.

Px Volt Px Volt Px Volt

J = 40 A. Px Volt

J = 0 Px Volt

Marken auf der Bürste

^-3 3“ + 0,0246

+ 0,033 + 0,063 + 0,078 + 0,084 + 0,096 + 0,1985 + 0,1554

Minimale

Funken.

Funken

grenze

O/’V

/V

+ 0,066

+ 0,063

+ 0,066

+ 0,0621 + 0,0564 + 0,0435 + 0,0285 + 0,045

+ 0,066 + 0,069 + 0,055 + 0,045

+ 0,030

+ 0,0165

— 0,0117

— 0,0777

V x

+ 0,0435 + 0,039 + 0,0216 + 0,009

—    0,003

—    0,021

— 0,0486

A/ + — 0,0345

— 0,0165

Funkenfrei

Funken

grenze

— 0,171

Kleine F unken

+ 0,0201 + 0,057 + 0,0760 + 0,105 + 0,184 + 0,24

Ganz

kleine

Funken.

Funken

grenze

A/O — 0,021 — 0,006 + 0,034 + 0,062 + 0,069 -1- 0,075 + 0,105 + 0,15

V x — 0,021

— 0,0096

Funkenfrei

Aufl.-K. 0

2    —    0,003

3    +    0,0048

4    +    0,0081

5    +    0,00855

6    +    0,0027

Abl.-K. 7    —    0,015

Funkenfrei

Die Maschine lief bei sämtlichen Versuchen mit in = 3,0 Amp., n = 300 Umdrehungen pro Min.

indem man das Verhältnis zwischen der Wurzel aus dem Mittelwerte von (Px—eu)² und dem Mittelwerte Rwsu bestimmt, so erhält man

fu =

0,073

= 1,32 und sueff = 10,2 . 1,32

Für J = 60 A mp., Kurve A₂' ergibt sich R\v su = 0,0745 Volt,

0,0555

13,46 Amp./cm².

= 15,3 Amp./cm²,

60

Su =

3,92

Rw = 0,0049 Ohm,

fu = 1,56 und Sueff = 15,3 . 1,56 = 23,9 Amp./cm².

Bei J = 0 und 40 Amp. lief die Maschine vollständig funken-frei, bei J = 60 Amp. waren an den ablaufenden Kanten beider Bürsten kleine Funken bemerkbar. J = 60 Amp. entsprach der Funkengrenze für diese Bürstenstellung; höhere Belastungen bedingten schon mittleres bis starkes Feuern.

In Tab. Ia und b, Fig. lia II sind wieder die Bürstenpotentialkurven für J = 0, 20, 40 und 84 Amp. in den Kurven A₀/, A/, A₂' und A,' und die experimentell aufgenommenen Kurzschlussstromkurven für J = 40 und 84 Amp. in A₂ und A₃ dargestellt. Die Bürsten, Stellung II, waren für diesen Versuch um 10° gegenüber der Bürstenlage I (s. Fig. 9) in der Drehrichtung verschoben. Die Maschine war wieder mit in = 3,0 Amp. erregt und lief mit n = 300 Touren pro Minute. Die aus den Bürstenpotentialkurven für J = 20, 40 und 84 Amp. konstruierten Kurzschlussstromkurven sind punktiert eingezeichnet. Für J = 40 Amp. zeigt die experimentell aufgenommene Kurzschlussstromkurve für die erste Hälfte fast vollständige Ueber-einstimmung, während sie in der zweiten Hälfte erst flacher verläuft und circa im letzten Siebentel der Kurzschlussperiode sehr rasch in den Endwert übergeht. Für J = 84 Amp. stimmen die experimentell erhaltenen Punkte -j- mit den konstruierten • fast überein.

Die aus den Bürstenpotentialkurven erhaltenen Grössen sind in der Tabelle S. 333 angegeben.

In der Bürstenlage II lief die Maschine zwischen 40 und ca. 80 Amp. funkenfrei; bei J = 20 Amp. war ganz minimale, bei Leerlauf etwas stärkere Funkenbildung bemerkbar.

Die Bürstenstellung III, Fig. 11a III, Tab. Ia und b, entsprach einer Verschiebung der Bürsten um 10° aus der geometrisch neutralen Zone entgegen der Drehrichtung. Unter denselben Verhältnissen wie vorher sind hier die Potentialkurven für J = 0 und

a)    Experimentell aufgenommene Kurzschlussstrom- und Bürstenpotentialkurven. Maschine als Generator. (Polschuhe und Kupferbürsten.)

Fig. 11.

b)    Momentanwerte der Stromdichten.

c)    Feldkurven für J = 40 Amp.

_s

n x S'

S'

o-

!.. .

TT

7Û

5"

if

::

20 J 4

>40

30'

CO to —* <    t*Q CO CJi g ^

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..... Dl

j:

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J-40

J=40

ii

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A, 7

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J-4Û ~

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J.

>84

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44

ZL

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io

cu

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——!—i

14 :-J-=

Sammlung elektrotechnischer Vorträge. V,

#

Kurve A₀' J = 0

Kurve A/

J = 20 A.

Kurve A₂'

J = 40 A.

Kurve As' J = 84 A.

eu Volt Rw Su Volt su Amp./cm2 Rw Ohm

— 0,008

0¹)

0,0373

0,06

0,088

5,1.

10,2

21,4

fu

0,00732

1,545

0,0059

1,041

0,00411

1,087

Sueff Amp./cm²

7,88

10,61

23,3

J = 40 Amp. in den Kurven A₀' und A/, sowie die experimentell aufgenommene Kurzschlussstromkurve für J = 40 Amp. in Kurve A1 dargestellt. Bei Einführung eines eu = -}- 0,006 Volt ergibt sich aus A/:

R.wsu = 0,0542 Volt, su — 10,2 Amp./cm², Rw = 0,00531 Ohm, fu = 2,2 und Sueff = 22,35 Amp./cm².

Die aus der Bürstenpotentialkurve konstruierte Kurzschlussstromkurve liegt etwas höher als die experimentell ermittelte. Bei dieser Bürstenstellung lief die Maschine bei Leerlauf funkenfrei, während bei J = 40 Amp. mittleres Feuern auftrat, d. h. sowohl an der ablaufenden Kante als auch unter den seitlichen Bürstenkanten konnte deutliche Funkenbildung bemerkt werden.

Die Momentanwerte der Stromdichte Verteilung unter der Bürste erhalten wir aus den experimentell aufgenommenen Kurzschlussstromkurven wie folgt:

Es ist

X = X]

la — i = f Sux • d'Fu'

und

dFu' =

Fu

ÿ-.dt,

somit

di

dt Sux T ’

also

T di T

VIII. Kommutation hei Kurzschluss und Superposition der Leerlauf- und Kurzschlusspotentialkurve.

Pg = 0,0065 bis 0,1 + 0,005 su Volt,

¹

Siehe Arnold, Bd. I, S. 370.

Sux =

T    di    T

Fu    dt    Fu * ^a’

wenn a den Winkel darstellt (s. Fig. 2), den die Tangente an die

0 Der Wert 0 wurde hier -angenommen.

experimentell aufgenommene Kurzschlussstromkurve mit einer Horizontalen einschliesst.

Im vorliegenden Falle ergibt sich die Dauer des Kurzschlusses zu b - Si

da

Vk

und

236,7 b — §i = 1,4 cm

= 0,00594 Sek.,

Dk =15,0 cm n = 300

Vk —

Dk.ft • n

60

= 236,7 cm pro Sek.

Bei Einführung der entsprechenden Massstäbe

40

für Amp.: 1 cm = -7^7— = 1,74 Amp. 23

und

für Sek.: 1 cm =

0,00594

= 0,000531 Sek.

erhält man die Stromdichte in Amp. pro cm²:

Su x —

F„ V

Ordinatenmassstab

Abscissenmassstab

• tg* =

= 4,95 . tg ot.

0,00594    1,74

3,92    ' 0,000531

. tg a

gestellt.

In den Fig. lib I, II und III sind die Kurven sux = f(x) dar

und

Für Bürstenlage I ergab sich :

für J = 40 Amp. Kurve A/' aus Kurve Ax (Fig. liai)

für J = 60

A₂ (Fig. liai).

Aus Kurve A₁// berechnet sich ferner:

sumitt = 9,95 Amp./cm² (vergl. S. 329 u. 332) Su eff — 13,5    „

fu= 1,355;

und ebenso aus Kurve A₂":

Sumitt = 15,0 Amp./cm².

Sueff = 21,4    „

fu= 1,435.

■ •

Fig. 12.

a)    Experimentell aufgenommene Kurzschlussstrom- und Bürstenpotentialkurven. Maschine als Motor.

b)    Feldkurven J = 40 Amp.

iaAmp.

30-

20-

£ [Vo|L

10- 0,12

008

0,04

0- 0

0,04

0,08

¹⁰‘ 0,12

0,16

420

O*

r-v

II

J-60

J-40

Jp

Pä2-

J-4Q. f'

t-

\j_

Ai/

rr

li

::le

7-

Pf

iL

■t

ii

W-

J-40

ms

Is

<?M 0,40pSf

01

pi

0,30

J-æ

0,20

Bürstenstellung I :

0,10

0,10

i—1

420

~p

0,30

ffM

440

Für die Bürstenlage II ergab sich:

und

für J = 40 Amp. Kurve A₂" aus Kurve A₂ (Fig, 11 a II)

für J = 84

A₃ (Fig. 11 a II).

Für die Bürstenlage III ergab sich:

für J = 40 Amp. Kurve Ax" aus Kurve Ax (Fig. 11 a III).

Für die drei Bürstenstellungen I, II und III wurden ferner unter Beibehaltung derselben Erregung in = 3,0 Amp., Geschwindigkeit n = 300 Umdrehungen pro Min. und der gleichen Drehrichtung, die Kommutationsverhältnisse für den Betrieb der Maschine als Motor untersucht.

Die erhaltenen Beobachtungswerte sind in den Fig. 12 a, b I, II und III graphisch dargestellt.

Für eine Ankerstromstärke von J = 40 Amp. lief die Maschine in der Bürstenlage I und III funkenfrei, in Lage II mit deutlich bemerkbarer Funkenbildung unter der ganzen Auflagefläche. Für die Bürstenlage III entsprechen ca. 95 Amp., Kurve A₃', für die Lage I ca. 40 Amp., Kurve A/, der Funkengrenze.

Die aus den Potentialkurven konstruierten Kurzschlussstromkurven sind punktiert eingezeichnet und die den einzelnen Kurven entsprechenden Werte sind aus Fig. 12 und der folgenden Tabelle zu entnehmen.

Für die konstante Potentialdifferenz etl wurden für den Betrieb als Motor, der mit entgegengesetzter Stromrichtung und im gleichen Drehsinn wie der Generator lief, annähernd diejenigen Spannungen eu mit entgegengesetzten Vorzeichen eingeführt, die bei den entsprechenden Bürstenstellungen und dem Lauf als Generator verwendet wurden.

Bürstenstellung II

Bürstenstellung 1

Bürstenstellung III

J = 40 A.

J = 40 A. J = 60 A.

J = 40 A. J = 95 A.

eu

R\V SU

Su

Rw

fu

Su eft'

A/O

A./ -f-

0,0371

0,0409

A/O + 0,006 0,0426

A/O — 0,006 0,0247

10,2

15,3

10,2

10,2

0,00364

0,00267

0,00417

0,00245

A.,'x — 0,006 0,0507 24,25 0,0021

1,48

1,8

2,2

1,33

15,1

27,6

22,5

13,6

üt os

b) Die Maschine besass eine Polbüchse.

Bei den folgenden Versuchen lief die Maschine mit denselben Bürsten, nur war an Stelle der Polschuhe eine Polbüchse, Fig. 8 (punktiert), eingesetzt. Die Feldkurve, die für die Maschine als

Fig. 18.

'S;

St

rt-t

-1

§    'S.

—f

Jl

4-

TI

rrr

60

bimmm

100 120

/Of i W

iw i

260

360    20    47 I

s.

777^^

TZTwĄ

-^--H

~7r

14

' Ï;

ff?

i.

(łllM_

Feldkurve für Leerlauf. in = 3,0, n = 300. (Maschine besitzt Polschuhe.)

Generator bei n = 300 und in = 3,0 Amp. und für die Bürstenlage I aufgenommen wurde, zeigt Fig. 13. Im Vergleich zur Feldkurve für die Maschine mit den Polschuhen (Fig. 9), erkennt man den steilen Verlauf des Feldes in der neutralen Zone. Das Feld, welches die im Kurzschluss befindliche Spule erzeugt, ist hier selbst bei Leerlauf deut-

lieh ausgeprägt (Höcker der Kurve in der neutralen Zone), da sich dieses infolge des den Anker vollkommen umschliessenden Eisenmantels sehr gut ausbilden kann.

Für die Bürstenlagen I, II und III sind in Fig. 14 I, II und III verschiedene Potentialkurven aufgetragen. Die entsprechenden Stromstärken sind aus der Figur ersichtlich.

In der Bürstenstellung I (geometrisch neutrale Zone) lief die Maschine bei 20 Amp. an der Funkengrenze, bei 42 und 51,5 Amp. mit bemerkbarer Funkenbildung. Bei der Bürstenstellung III lief die Maschine bei Leerlauf und bei J = 17 Amp. mit starker Funkenbildung.

Die Bürstenstellung II, Fig. 14 IIa und b, entspricht der Einstellung, bei welcher die Maschine mit 71 Amp. ohne Funkenbildung läuft. Die Bürsten sind um ca. 8 ⁰ gegenüber der Stellung I in der Drehrichtung verschoben. Bei Leerlauf feuerte die Maschine bei dieser Bürstenstellung heftig. Die aus den Bürstenpotentialkurven unter Zugrundelegung von eu = — 0,041 und -- 0,0195 Volt konstruierten Kurzschlussstromkurven sind punktiert eingezeichnet. Bei der Aufnahme der Bürstenpotentialkurve für J = 40 Amp.¹) konnte für die ablaufende Bürstenkante kein ruhiger Instrumentausschlag beobachtet werden. Derartige Abweichungen sind offenbar nur durch die Natur der Bürstenpotentialkurve gegeben, bei welcher für diese Stellen die örtlichen Potentialdifferenzen zwischen zwei sehr stark diffe

rierenden Momentanwerten schwanken. Die unter Annahme der eingeführten Mittelwerte konstruierte Kurzschlussstromkurve wird daher von der tatsächlichen etwas abweichen, da sich diese plötzlichen Spannungsänderungen auf einen grösseren Teil der Bürstenbreite verschleppen und so das Bild verwischen.

Die mit der Polbüchse ausgestattete Maschine lief bei der Belastung J = 71 Amp. nur in der Bürstenstellung II funkenfrei.

Ein funkenfreier Betrieb der Maschine als Motor für die Bürstenstellung I oder II war nicht möglich. In Fig. 15 sind wieder die experimentell aufgenommenen Bürstenpotentialkurven A/, J = 40 Amp., A₂', J = 50 Amp. und A₃', J = 60 Amp. und die Kurzschlussstrom-

9 Die schwach punktiert eingezeichneten Kurventeile der experimentell aufgenommenen Kurzschlusskurve A₂ (voll ausgezogen) verbinden die beobachteten Werte. Der höckerige Verlauf der Kurzschlussstromkurve dürfte im vorliegenden Falle durch innere Ströme bedingt sein, welche durch örtliche Feldpulsationen entstehen können.

Volt

42

4/4

DS.

402

7/{/~

/'■>

Fig. 14.

ldAm/i.

J* I1

ia

éà

Px

zo

J=CO

t*

«*

4M

4M

4*

GC4

/!_

//

H/

eis

so

Volfi

a/t

-4

4M

i'ri

Volt

z.

fin

■J

an

o,/c

30

‘V

j-?i

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i A 4#

l \Am/i e Voll

0,1

o.oe

M/

0,A

0,/t

02

_.A

I. Ao'    .    .    .    J    =    0    Amp.

o_

A,,

II a. Ao'

J = 0 Amp. Ai und Ai' . . . J = 40 „

A₂ und A₂' . . . J = 71 „

ei

II b. Feldkurve für J = 71 Amp.

III. Ao' . . . J = 0 Amp. Aï' ... J = 17

02

em

Untersuchung der Maschine mit der Polbiichse als Generator, n = 300, in = 3,0 Amp.

kurven Al und A₃ für die Bürstenlage III (siehe Fig. 13) dargestellt.

Als Motor lief die Maschine mit der Ge- **

JO

schwindigkeit n = 300 Umdrehungen pro Min., Erregung in = 3,0 Amp. und mit der gleichen Drehrichtung wie als Generator.

\*io

Fig. 15.

eVött

0,5

Im übrigen zeigen die hier aufgenommenen Kurven denselben cha-    i0"

rakteristischen Verlauf, wie hei der Maschine mit Polschuhen und der Bürstenstellung III (siehe Fig. 12 a III). Zwischen 40 und 60 Amp. war keine Funkenbildung bemerkbar. Die konstruier-Kurzschlussstrom-kurven sind hier nicht eingezeichnet, doch erkennt man schon aus

%o-

dem Verlaufe der Bürstenpotentialkurven, dass erstere auch hier im charakteristischen Verlaufe ziemlich gut mit den experimentell für    ld

J = 40 und 60 Amp.    r

aufgenommenen Kurven At und A₃ übereinstimmen. Die Grösse eu könnte in diesem Falle nur aus vorher ermittelten Werten für den Uebergangswiderstand und aus ähnlichen Kommutationsverhältnissen eingeführt werden.

ten

QM

2i

0-- 0

4C--

30~

4,02

4M

0,06

4/2

i/m

Ol

V-

eVött

der Maschine mit der Polbüchse als Motor. in = 3,0 Amp. (Bürstenstellung III.)

Ai' und Ai .... J = 40 Amp.

J = 50    „

J - 60    ..

A₂'

A3' und A3

F40 Feldkurve . . J = 40 . . J = 60

1^60

2. Versuche mit Kohlenbürsten.

id Ampr

Fig. 16.

30

20

J*3Q

J=80 ft)

fest

ft

5Ł

J-20

10

''4r

id\AàfL

»

io

b-

0,6

0,6

Bei der Maschine mit den Polschuhen wurden die Kommuta-tionsverhältnisse auch für den Fall untersucht, als die Maschine mit Kohlenbürsten lief. Es war pro Stift je eine Kohlenbürste le Carbone Sorte X von einer Auflagefläche Fu = 1,5 X 2,0 = 3,0 cm² aufgelegt. Die Maschine lief als Generator mit in = 3,0 Amp. und n = 300 Umdrehungen pro Min. Die Bürsten waren so eingestellt, dass die Bürstenmitte gerade in die Mitte zwischen den vorher bei der Maschine mit den Polschuhen untersuchten Bürstenstellungen I und II zu liegen kam.

0,2

eu

LJ

0,2

0,6

TThI

Kurzschlussstrom- und Bürstenpotentialkurven. Maschine lief mit Polsehuhen und Kohlenbürsten.

In Fig. 16 b sind nun die Potentialkurven, die wieder an der negativen Bürste für die Stromstärken J = 0, 20, 30 und 40 Amp. aufgenommen wurden, in den Kurven A₀', A₁/, A/ und A₃' dargestellt. Die folgende Tabelle gibt die aus den Potentialkurven ermittelten Grössen an. Die aus den Potentialkurven konstruierten Kurzschlussstromkurven sind punktiert,

die experimentell aufgenommenen voll ausgezogen in Fig. 16 a eingetragen.

Die Uebereinstimmung ist auch hier eine zufriedenstellende.

A₀'

J = 0 A.

A/ +

J = 20 A.

A₂' X J = 30 A.

As' O J = 40 A.

eu

+ 0,22

Rw Su

su

Ru

fu

Su eff

Pu

O <1 ^ O OS o o

(M (M ü 05 H IO CM CO O O CO ^

0,22

0,415

10,0

I C IC

0,0415

C'

Cr

1,08

10,8

0,449

CO o

© © co © i-i⁻ ©

H    t-H

CO

to co

CM

CO

►P>- CO o O' tn

Weitere Untersuchungen über den Verlauf von Kurzschlussstromkurven bei Kohlenbürsten kann ich vorläufig nicht anführen, da an der Versuchsmaschine trotz wochenlangen Einschleifens der Kohlen und sorgfältigster Behandlung des Kollektors keine vollständige und ruhige Auflage der Bürsten zu erzielen war. Der Grund hierfür lag hauptsächlich an den langen und verhältnismässig dünnen, daher an allen Vibrationen teilnehmenden Bürstenstiften. Die hier für Kohlenbürsten angeführten Versuche sind bei vollkommen blankem Kollektor mit besonders beschwerten Bürsten aufgenommen. Für die Aufnahme der Bürstenpotentiale machten sich naturgemäss diese kleinen Schwingungen weniger geltend, was durch die oftmalige Wiederholung der Versuche mit verschieden beschwerten Kohlen konstatiert werden konnte. Bei Kupfergazebürsten, wo sich infolge des weichen Geflechtes schon bei verhältnismässig geringem Bürstendruck die Auflagefläche innig an die Kollektorkrümmung anschmiegte, traten diese störenden Beeinflussungen nicht auf.

IV. Abhängigkeit des Verlaufes der Kurzschiussstromkurve vom Felde in der Konimutierungszone.

Um die erhaltenen Resultate in Betreff des Verlaufes der Kurzschlussstromkurve diskutieren zu können, ist es erforderlich, den Verlauf des Feldes in der Kommutierungszone zu kennen. Es wurden daher zugleich mit den Kurzschluss- und Bürstenpotentialkurven auch die Feldkurven, soweit sie für die Kommutationszone in Betracht kommen, aufgenommen. Die um den Spannungsabfall in der stromführenden

Spule korrigierten Feldkurven sind für die als Generator und Motor mit den Kupfergazebürsten laufende Maschine in den Kurven c, I, II und III der Fig. 11 und den Kurven b, I und III der Fig. 12 eingezeichnet. Der jeweilige Momentanwert des Spannungsabfalles ergab sich aus dem Widerstand der Spule und der in dem betreffenden Momente aus der experimentell aufgenommenen Kurzschlussstromkurve erhaltenen Stromstärke. Wir wollen im folgenden mit dem -(- Vorzeichen diejenigen E.M.Ke. bezeichnen, die beim Generator im Sinne des in der Drehrichtung voranliegenden, beim Motor im Sinne des rückliegenden Poles induziert werden.

Berechnung des für einen geradlinigen Verlauf des Kurzschlussstromes erforderlichen Feldes.

Um eine Kommutation mit konstanter Stromdichte zu erzielen, muss für den Generator ein Feld vorhanden sein, das gleich

ek =

2 ^era + eq-f iaR

r])

ist. Für die vorliegende Maschine mit den Polschuhen und Kupferbürsten bei 2ia= 40 Amp. und n = 300 berechnet sich ek wie folgt: Es ist

T = 0,00594 Sek. K = 0,002 Ohm,

ideelle Länge des Ankereisens h = 29,0 cm, Länge der Spulenköpfe . . ls = 28,0 cm.

Für die in Fig. 8 b dargestellte Nutenform wurde u w²

L + SM =

und

• (U [Xn -j“ £ {^n “b + £ P-k] + L [Xs ~f" ^ P-s]) O = 8 . 10-⁸ . (29 . 4,9 + 28 . 0,645) = 1,28 . 10~⁵

10⁸

Om — 3a •

L + IM

= 20 .

1,28 . IO“⁵

0,00594

= 0,0432 Volt

gefunden.

Um Xq zu bestimmen, wollen wir experimentell Vorgehen. Die durch das Armaturfeld in einer Spule induzierte E.M.K. ist

2eq = ² KT" A-S • v . hXq . 10-⁶ Volt

— 2.4.49,9 . 3,85 . 29 . Xq . IO⁻⁶ = 2.0,0225 . Xq Volt.

*) Siehe Arnold Bd. I S. 850.

feld, Stellung I, Fig. 9, dargestellt. Die experimentell aufgenommene (punktierte) Kurve wurde durch die voll ausgezogene ersetzt, aus welcher sich bei Einführung der entsprechenden Werte die spezifischen Leitfähigkeiten

2 eq

0,045

Nehmen wir nun das Ankerfeld der Maschine auf, so entspricht die an den Enden einer Armaturspule gemessene induzierte E.M.K. (also abzüglich des Spannungsabfalles) der Spannung 2 eq, und wir erhalten für die spezifische magnetische Leitfähigkeit entlang des Ankerumfanges

(2eq) . 10«

N

2.-^-. AS.v.li

In Fig. 17 ist das bei n = 300 Touren, J = 40 Amp. und bei in geometrisch neutraler Zone stehenden Bürsten aufgenommene Anker-

Fig. 17.

-t*

NI

-etf-

il

1:

4

S:

-en-

4-

-Pr

/!

ii

fTTf

J2l

2n

JV_

J2_

1(2-

J2_

Li.

■Amert/mfang.

--Armaturfeld, J = 40 Amp. . — . — Feld bei kurzgeschlossener Armatur, = 40 Amp.

-*■

ergeben.

Für die weitere Betrachtung soll nun angenommen werden, dass em für alle Bürstenstellungen und während der Dauer des Kurzschlusses konstant bleibe, während wir die Werte von 2eq nach der vorher ermittelten Xq-Kurve für jede Bürstenstellung besonders berechnen wollen.

Ermittelung der zusätzlichen E.M.Ke. ez und Diskussion der Kurzschlussstromkurven.

1. Maschine als Generator.

Für die Bürstenstellung I, J = 40 Amp., zeigt die Feldkurve Fig. 11 c I eine starke Rechtsverschiebung gegenüber dem Felde für Leerlauf. Sie verläuft innerhalb x = 0 und x = 1 durchweg negativ (s. S. 342) und fällt im wesentlichen gegen das Ende der Kommutierungsperiode ab. Die für einen geradlinigen Verlauf der Kurzschlussstromkurve erforderliche E.M.K. ek müsste hier gleich

ek =

2 ^em -j- eq -f- iaR j^-^r

9)

= 0,258 + 0,08 x

sein, wenn em = 0,0432 und eq = 0,0225 . 4,75 = 0,1065 Volt ist.

Für Xq führen wir den sich aus der Xq-Kurve zwischen x = 0 und x = 1 ergebenden Mittelwert 4,75 ein.

Für die E.M.K., welche zu Beginn des Kurzschlusses, x = 0, in einer Spule induziert wird, finden wir aus der thatsächlich vorhandenen Feldkurve Fig. 11c I

e(X - o) = — 0,164 Volt

und für die E.M.K., welche zu Ende des Kurzschlusses, x = 1, induziert wird

e(X - i) = — 0,008 Volt.

Erforderlich wäre

und

für x = 0 ... die E.M.K. ek(x = 0)¹) = + 0,258 Volt

= + 0,338 Volt;

für x = 1 ... die E.M.K. ek(X = n somit ergibt sich eine zusätzliche E.M.K. ez = e — ek für x = 0 ... eZ(X-o) = — 0,422 Volt

für x = 1 ... eZ(x = n = — 0,346 Volt.

und

Dieser für die ganze Kommutierungsdauer negativen zusätzlichen E.M.K. entspricht auch ein negativer zusätzlicher Strom, der sich im Verlaufe der Kurzschlussstromkurve Fig. lia I durch eine Unterkommutierung und Verzögerung des Kommutierungsvorganges äussert. Der Strom in der kurzgeschlossenen Spule wächst bis ca. x = 0,1 an, geht erst bei x = 0,8 durch Null und erreicht zwischen x = 0,8 und x = 1,0 seinen Endwert. Die Vollendung der Kommutation erfolgt nur durch das Ablaufen der Lamelle.

Noch deutlicher ist der Einfluss des negativen Feldes für die Kurzschlussstromkurve J = 60 Amp. durch die stärkere Unterkommutierung ausgeprägt. Das zusätzliche Feld ist hier offenbar zu Beginn der Kommutierung relativ grösser als bei J = 40 Amp.

Für die Bürstenstellung II ist das Feld bei Eintritt in die Kurzschlusszone schwach und positiv, wird in der Mitte sogar negativ und steigt dann sehr steil an. Um hier et zu berechnen, müssen wir die Variation von Xq innerhalb der Kurzschlusszone berücksichtigen. Wir nehmen an, dass für diese Bürstenstellung dasselbe Ankerfeld gilt wie für die Bürstenlage I, und erhalten dann, wenn wir in der Xq-Kurve, Fig. 17, das Stück zwischen Xqo = 4,75 und Xqi = 6,2 durch eine gerade Linie ersetzen, für

eq = 0,0225 . (4,75 + 1,45 x).

und für

Es ist dann

Xq = 4,75 + 1,45 x

ek = 2 (0,0432 + 0,0225 [4,75 + 1,45 x] + 0,04 [x - 0,5]) ek = 0,259 -j- 0,145 x Volt.

Aus der experimentell aufgenommenen Feldkurve ergibt sich e(X - o) = + 0,039 Volt und e(X = i) = -}- 0,413 Volt;

erforderlich ist

somit

ek (x — o) = + 0,259 Volt und ek(X=i) = -f- 0,404 Volt,

eZ(x = o) = — 0,22 Volt und eZ(X = i) = -f- 0,009 Volt.

Das Feld ist für diese Bürstenstellung und in Bezug auf einen geradlinigen Verlauf der Kurzschlussstromkurve anfangs nur etwas zu schwach, zu Ende nur ganz wenig zu stark. Die experimentell aufgenommene Kurzschlussstromkurve zeigt den Einfluss des schwachen Feldes nur für den mittleren Teil der Periode, was auch im Zusammenhänge mit dem Felde leicht zu erklären ist.

Sammlung elektrotechnischer Vorträge. V.

Für J = 84 Arap. ist offenbar infolge der grösseren Rechtsver-schiebung das Feld insbesondere zu Ende des Kurzschlusses schwächer geworden, und die Kurzschlussstromkurve entspricht einer Verzögerung des Kommutierungsvorganges.

Für dieselbe Bürstenstellung, Erregung und Geschwindigkeit muss dann für J = 20 Amp. das Feld in der Kommutierungszone sehr steil und stark positiv verlaufen.

Die konstruierte Kurzschlussstromkurve zeigt daher eine Ueber-kommutierung. Wir erkennen aus diesem Versuche sehr deutlich den Einfluss, welchen das bei dieser Maschine und den verschiedenen Belastungen sehr stark variierende Feld auf den Kommutationsvorgang ausübt.

Für die Bürstenstellung III und J = 40 Amp., Fig. 11 c III, ist das Feld im negativen Sinne sehr stark.

Berechnen wir wieder die erforderliche kommutierende E.M.K. ek, so erhalten wir, indem wir die Werte von Xq aus der Kurve abgreifen:

eq= 0,0225 . (6,5 - 1,7 x)

und

ek = 2 (0,0432 + 0,0225 [6,5 - 1,7 x] + 0,04 [x - 0,5]) ek = 0,339 -f- 0,0034 x Volt.

Aus der aufgenommenen Feldkurve ergibt sich :

ß(x = o) = — 0,447 Volt und e(X - i) = — 0,15 Volt;

erforderlich ist

= + 0,342 Volt,

somit

ek (x = o) = + 0,339 Volt und ek(x ®z(x = o) = — 0,786 Volt und eZ(X-i> — — 0,492 Volt.

Dieser sehr starken negativen zusätzlichen E.M.K. entsprechen auch starke negative zusätzliche Ströme, wodurch der Strom in der kurzgeschlossenen Spule zwischen x = 0 und x = 0,3 von i = ia = 20 Amp. auf i = 46,5 Amp. ansteigt. Die eigentliche Stromwendung erfolgt erst zwischen x = 0,88 und x = 1, offenbar nur durch die Vorgänge unter den Bürsten. Diese erzwungene Stromumkehr bedingt das Auftreten von grossen Potentialdifferenzen zwischen Bürste und Lamelle und gibt Anlass zur Funkenbildung.

2. Maschine als Motor.

Genau dieselben Betrachtungen können wir auch für den Lauf der Maschine als Motor, der mit gleicher Drehrichtung wie der Gene-

rator lief, anstellen. Für die Bürstenstellung I und den Ankerstrom J = 40 Amp. (Fig. 12 b I) erhalten wir unter Beibehaltung der für den Lauf als Generator berechneten Werte für em und eq die für die Kommutation mit konstanter Stromdichte erforderliche kommu-tierende E.M.K.

ek = 0,338 — 0,08 x,

also

ek(x = o) = + 0,338 Volt und ek(x = i) = + 0,258 Volt. Aus der Feldkurve (Fig. 12 b I) ergibt sich

e(x - ₀₎ = — 0,035 Volt und e(X = 1} = — 0,34 Volt,

und somit

ez (x — o) ——    0,373 Volt und eZ(X = i) = — 0,598 Volt.

Dieser negativen zusätzlichen E.M.K. entspricht wieder die insbesondere gegen Ende der Kurzschlussperiode deutlich ausgeprägte Verzögerung des Kommutierungsvorganges.

Die in Fig. 12b III für die Bürstenstellung III erhaltenen Kurzschlussstromkurven sind charakteristisch für ein sehr steil verlaufendes Motorfeld.

Es ist hier die erforderliche kommutierende E.M.K.

also

ek = 0,342 — 0,0034 x,

6k(x = o) = + 0,342 Volt und ek(x = n = + 0,339 Volt, und die aus der Feldkurve erhaltenen Werte

ß(x = o) = -f- 0,395 Volt und e(x = i) = — 0,18 Volt

und somit

ez(x = o) = + 0,053 Volt und ez(x-1> = —0,519 Volt.

Die zusätzliche E.M.K. ist hier zu Beginn der Kommutierungsperiode positiv. Die Kommutation erfolgt zuerst sehr rasch und es tritt bei x = 0,55 sogar eine Ueberkommutierung auf, indem der Kurzschlussstrom den Wert i = 26 Amp. erreicht. Infolge des plötzlich zu schwach werdenden Feldes sinkt die Stromstärke und erreicht zugleich mit dem Ablaufen von der Bürste den End wert.

Denselben charakteristischen Verlauf zeigt auch die für J = 60 Amp. erhaltene Kurzschlussstromkurve, nur ist hier keine Ueberkommutierung zu bemerken. Würde man die Belastung weiter steigern, z. B. bis J = 95 Amp. (konstruierte Kurzschlussstromkurve A₃), so verschwindet infolge der grösseren Linksverschiebung des resultierenden Feldes das

positive zusätzliche Feld für den Beginn, das negative Feld für das Ende des Kurzschlusses wird kleiner, und die Kommutation erfolgt in einem günstigeren Felde.

Vergleichen wir die Grössenordnungen der den gefundenen zusätzlichen E.M.Ken. eZ(X = o) und eZ(X = i> entsprechenden zusätzlichen Ströme, so erkennen wir zunächst aus Bürstenstellung I (s. S. 344 und 347), dass ungefähr gleiche zusätzliche E.M.Ke. beim Generator viel grössere zusätzliche Ströme hervorrufen als beim Motor. Beachtet man jedoch, dass em mit zunehmender Kurzschlussdauer beim Motor ab-, beim Generator zunimmt, da (L -j- SM) mit zunehmender Entfernung von der Polspitze abnimmt, und dass ferner die magnetische Hysteresis die Kommutation beim Motor unterstützt, so stimmt dieses Verhalten mit der Theorie vollkommen überein (s. Arnold, Gleichstrommaschine, Bd. I, S. 316). Sehr deutlich ist auch aus Fig. 12 b III zu erkennen, dass das berechnete und konstant angenommene em für den Motor zu grosse Werte liefert, indem der beobachteten starken Beschleunigung des Kommutationsvorganges zu Beginn der Periode nur eine zusätzliche E.M.K. von eZ(X = 0) =-f- 0,053 Volt entspricht.

Eine analytische Verfolgung dieser Vorgänge ist nur schwer möglich, weshalb wir uns auf die Anführung der Tatsache beschränken wollen.

Für die Bürstenstellung II muss offenbar das Feld durchweg negativ verlaufen, und die hier auftretenden negativen zusätzlichen Ströme bedingen die aus der Kurzschlussstromkurve ersichtliche Unterkommutierung und Verzögerung des Kommutierungsvorganges.

3. Maschine mit der Polbüchse als Generator.

Eine quantitative Verfolgung der hier auftretenden Werte für die zusätzlichen E.M.Ke. ist wegen der bei den vorliegenden Verhältnissen nur sehr ungenauen Berechnung von em und e^ nicht möglich. Wir wollen daher die Vorgänge nur qualitativ betrachten. Die für J = 71 Amp., n — 300, in = 3,0 Amp. und für die Bürstenstellung II aufgenommene Feldkurve (Fig. 14 b II) verläuft bei Eintritt in die Kurzschlusszone negativ und abfallend und steigt gegen Ende der Periode plötzlich wieder sehr steil an. Die Kurzschlussstromkurve zeigt dementsprechend eine Verzögerung des Kommutierungsvorganges, doch ist dieselbe insbesondere gegen Ende der Periode nicht so stark ausgeprägt, als man von dem nochmaligen steilen Ansteigen des Feldes erwarten könnte. Dies kann vielleicht nur durch das Zusammen-

wirken des Einflusses der E.M.K. der Selbstinduktion und der Vorgänge unter der Bürste erklärt werden. Der durch den Eintritt der kurzgeschlossenen Spule in das plötzlich steil ansteigende Feld bewirkten Aenderung des Stromes wirkt die E.M.K. der Selbstinduktion entgegen und verhindert eine noch weitere Verzögerung der Kommutierung.

Die für J — 40 Amp. erhaltene Kurzschlussstromkurve zeigt zuerst eine kleine Unterkommutierung, „dann eine, wenn auch nur kurz dauernde Beschleunigung der Kommutierung. In der Mitte der Kurzschlussdauer wird die Kommutierung stark verzögert und fast zugleich mit dem Ende derselben tritt noch eine Ueberkommutierung auf. Die Maximalwerte für diese Ueber-, bezw. Unterkommutierung sind etwas unsicher, da an diesen Stellen kein konstanter Galvanometerausschlag beobachtet werden konnte. Die Maschine feuerte bei dieser Bürstenstellung.

Das Feld für diese Belastung wurde nicht aufgenommen, doch erklärt sich der Verlauf desselben aus der Kurzschlussstromkurve, indem entsprechend der geringeren Belastung im Vergleich zu J = 71 Amp. das quermagnetisierende Feld verringert wurde und nun das kommu-tierende Feld gegen Schluss der Periode plötzlich sehr steil ab fällt. Dadurch entstehen die unmittelbar vor Ablauf der Bürste auftretenden positiven zusätzlichen Ströme.

4. Maschine mit der Polbüchse als Motor.

In der Bürstenstellung III wurden für die als Motor laufende Maschine für die Feldkurven bei den Belastungen J = 40 Amp. und 60 Amp. die in Fig. 15 wiedergegebenen Kurven F₄₀ und Fö0 erhalten. Dieselben zeigen einen sehr steilen Verlauf, und es ist offenbar ez für den Beginn des Kurzschlusses positiv, was sich in dem beschleunigten Verlaufe der Kurzschlussstromkurven ausprägt. Für J = 40 Amp. steigt der Strom in der Mitte des Kurzschlusses, x = 0,4, bis auf ca. i = 35 Amp. an und geht dann, erst steiler, dann flacher auslaufend, in den Endwert über. Das Feld verläuft für Mitte und Ende der Periode im wesentlichen flach abfallend. Für J = 60 Amp. ist das Feld zu Ende der Periode negativ, für den Beginn derselben schwächer als für J = 40 Amp., doch immer noch grösser als die hier erforderliche kommutierende E.M.K. ek(xr:o)- Die Kurzschlussstromkurve zeigt anfangs wieder eine beträchtliche Beschleunigung der Kommutierung, ein nochmaliges Abfallen und eine offenbar nur durch die Vorgänge unter der ablaufenden Lamelle vollendete Kommutierung.

Y. Zusammenfassung der Versuch sergebnisse.

a) Abhängigkeit zwischen Kurzschlussstromkurve und kommutierendem Feld.

Wie wir aus den bisher angeführten Beispielen erkennen, finden wir in allen Fällen den Zusammenhang des Verlaufes der Kurzschlussstromkurve mit dem Felde in der Kommutierungszone deutlich ausgeprägt. Die hier durch Rechnung erhaltenen und die sich aus den ermittelten Feldkurven ergebenden Werte liefern uns, wenn dieselben auch nur als Anhaltspunkte für die Grössenordnung der auftretenden Werte von ez dienen können, in jedem Falle ein deutliches und diskutierbares Bild über den Einfluss der Feldvariationen auf den jeweiligen Verlauf des Stromes in der kurzgeschlossenen Spule.

Durch die vorliegenden Versuche ist somit auch der experimentelle Beweis dafür erbracht, dass der Verlauf des Kommutierungsvorganges in erster Linie nur durch die Grösse und Richtung der zusätzlichen E.M. Ke. bedingt wird.

Der durch das Feld der kurzgeschlossenen Spulen hervorgerufene zackige Verlauf des Feldes in der Kommutierungszone lässt sich experimentell und analytisch nicht weiter verfolgen, da eine Messung der Koeffizienten der selbst- und gegenseitigen Induktion, insbesondere der E.M.K. der scheinbaren Selbstinduktion, Ls = ksL²) für die den tatsächlichen Verhältnissen entsprechenden Bedingungen (Rotation der Armatur und Variation des Stromes in den benachbart im Kurzschlüsse befindlichen Spulen), nicht durchzuführen ist. Immerhin reichen die für den Beginn x = 0 und das Ende x = 1 der Kurzschlussperiode bestimmten Werte für ez aus, um den Zusammenhang zwischen Feld und Kurzschlussstromkurve zu beweisen.

b) UebereinStimmung zwischen den experimentell aufgenommenen und den aus den Bürstenpotentialkurven konstruierten Kurzschlussstromkurven.

Betrachten wir die Gleichung

'■/

Px-

R\v

so erhalten wir dieselbe unter der Annahme, dass der Kollektor unendlich viel Lamellen besitzt, dass sich also für alle Punkte zwischen Kollektor und Bürste der Verlauf der Stromdichteverteilung innerhalb der Zeitdauer einer Periode nur sehr wenig ändert. Dieses trifft nun mit ziemlicher Annäherung für den in der Mitte befindlichen Teil der Bürsten zu; an den Bürstenkanten wird jedoch die Stromdichte innerhalb einer Periode mehr oder weniger schwanken. Ueber die äussersten Grenzen dieser Schwankungen und deren Verlauf während der Periode dem messbaren Mittelwerte gegenüber können wir nun so lange nichts aussagen, als wir nicht den Verlauf des Kurzschlussstromes in der Bürste selbst, bezw. die zeitlichen Variationen der örtlichen Potentialdifferenzen untersuchen können. Eine derartige Versuchsanordnung, welche bei einer bestimmten Anzahl von der Bürste bedeckten Lamellen die örtlichen Stromdichtevariationen während der Kurzschlussperiode zu beobachten gestattet, ist bei den für praktische Zwecke gebauten Maschinen nicht leicht möglich, da einerseits die hier unter der Bürste zu messenden Grössen sehr klein sind und durch die Uebergangs-widerstände stark beeinflusst werden, andererseits die Dauer des Kurzschlusses selbst sehr kurz ist, nur Bruchteile von ^ioo Sekunden beträgt.

Der Einfluss der Zahl der von der Bürste bedeckten Lamellen auf die Bürstenpotentialkurve ist analytisch in allgemeiner Form nicht auszudrücken, da hier die Art der Wickelung (Schleifen- oder Wellenwickelung), die elektrische und magnetische Verkettung der im Kurzschlüsse befindlichen Spulen und das Verhältnis von Lamellenbreite zu Bürstenbreite gleichzeitig zu berücksichtigen sind.

Bei Schleifenwickelungen (s. Arnold, Bd. I, S. 376) erstreckt sich die Px-Kurve sowohl im reduzierten wie auch im wirklichen Schema nur über eine Bürstenbreite. Bei Wellenwickelungen erstreckt sich der Kommutationsvorgang stets über eine Bürstengruppe im reduzierten Schema. Wir können nun aber die Messungen nur an der, dem wirklichen Schema entsprechenden Bürstenbreite ausführen, weshalb für Wellenwickelungen unter Umständen grössere Abweichungen zwischen der Integralkurve zur Px-Kurve und der wirklichen Kurzschlussstromkurve auftreten können. Wir werden jedoch später sehen, dass die an solchen Maschinen erhaltenen Kurven ebenfalls sehr gut diskutierbare Resultate liefern.

Was die elektrische Verkettung anbelangt, so ist diese noch schwieriger zu behandeln, da man die Induktionskoeffizienten und effektiven Widerstände sowohl rechnerisch als auch experimentell nur annähernd bestimmen kann. Die Kenntnis der gegenseitigen Beeinflussung der benachbart liegenden und in verschiedenen Stadien des Kurzschlusses befindlichen Spulen ist aber unbedingt erforderlich, um das Problem zu lösen.

Um hier Grundlagen für eine genaue Berechnung zu schaffen, müssten Resultate an Maschinen vorliegen, bei denen man unter sonst gleichen Laufbedingungen die in einer Nute liegenden Spulenseiten und Wickelungsverhältnisse beliebig variieren könnte.

Beschränken wir uns auf die hier angeführten Versuche und Resultate, so finden wir eine vollkommen zufriedenstellende Ueb ereinstimmung zwischen den experimentell aufgenommenen und den aus den Potentialkurven konstruierten Kurzschlussstromkurven. Der charakteristische Verlauf

der Kurzschlussstromkurve ist in jedem Falle in der Bürstenpotentialkurve deutlich ausgeprägt.

Betrachten wir umgekehrt die aus den experimentell aufgenommenen Kurzschlussstromkurven nach der Beziehung (s. S. 334) Ordinatenmassstab

T / Sux Fu \

Abscissenmassstab

• lg a = -J- • (P*

•Rw

— eu)

ermittelten Momentan werte der Stromdichteverteilung (Fig. lib I, II, III), so müssen dieselben, mit Rw multipliziert, die Bürstenpotentialkurven ergeben. Die Uebereinstimmung zwischen diesen beiden Kurven ist in Bezug auf den charakteristischen Verlauf ebenfalls eine sehr gute. Auch die einmal aus den Potentialkurven, das anderemal aus der Kurve für die Momentanwerte der Stromdichteverteilung berechneten Werte für su, sueff und fu stimmen gut überein. Es kommt hier noch die etwas unsichere Ermittelung für die Werte von Rw und eu hinzu, doch genügt die aus den Figuren lib I, II, III erhaltene Uebereinstimmung, um auch zu beweisen, dass die Kurzschlussstromkurve die Differentialkurve der Bürstenpotentialkurve ist.

Auf Grund des so erhaltenen Beweises für den analytischen Zusammenhang zwischen Kurzschlussstrom- und Bürstenpotentialkurve können wir dazu übergehen, die Kommutationsverhältnisse direkt aus der Bürstenpotentialkurve zu untersuchen.

VI. Beurteilung des Feldes in der Kommutierungszone aus den experimentell aufgenommenen Potentialkurven.

Nach dem Vorhergehenden können wir also den Verlauf des Feldes in der Kommutierungszone, bezw. den Verlauf der Kurzschlussstromkurve aus den Bürstenpotentialen erkennen. Da es sich in praktischen Fällen iedoch nur darum handeln wird, die Variationen des Feldes bei verschiedenen Belastungen zu untersuchen, so sollen im folgenden die, allgemein bei normalen Maschinen vorkommenden, charakteristischen Potentialkurven bei belasteter Maschine zusammengestellt werden, Fig. 18.

1. Das Feld in der Kommutierungszone entspricht der Bedingung für eine Kommutation mit konstanter Stromdichte; es ist ez = 0

Fig. 18.

c,

Bj.

n.

/ßz

+p

x

'O

-ą

Charakteristische Bürstenpotentialkuryen.

und die Potentiale Px sind für die ganze Bürstenbreite konstant (Kurve A).

2. Das Feld ist während der ganzen Kommutierungsperiode zu schwach, ez negativ; der Kommutierungsvorgang wird verzögert. Die Potentialkurve besitzt kleine Werte unter der auflaufenden Bürstenkante. Gegen die ablaufende Kante zu wachsen dieselben rasch an (Kurve BJ. Ist das Feld zu Beginn der Periode sehr schwach, dann tritt Unterkommutierung auf; der Strom in der kurzgeschlossenen Spule erreicht Werte, die grösser sind als der Strom pro Ankerstromzweig. Dem Maximum des Stromes i entspricht der Vorzeichen Wechsel in den gemessenen Potentialen Px (Kurve B₂).

3. Das Feld ist während des ganzen Kommutierungsvorganges zu stark, ez positiv; die Kommutierung wird beschleunigt. Die entsprechende Potentialkurve fällt im wesentlichen gegen die ablaufende Kante zu ab (Kurve C^. Ist das Feld gegen Ende der Kurzschlussperiode sehr stark und positiv, dann tritt Ueberkommutierung auf. Bevor der Kurzschlussstrom seinen Endwert für den folgenden Ankerstromzweig erreicht, nimmt er Werte an, die grösser sind als ia (Kurve C₂).

Bei einem zu steil verlaufenden Felde haben wirzwischen dem Lauf als Generator und Motor zu unterscheiden:

4.    Ein mit der Dauer des Kurzschlusses zu steil ansteigendes Feld bedingt beim Generator negative zusätzliche E.M.Ke. zu Beginn des Kurzschlusses und positive zu Ende desselben. Die Kommutierung wird zuerst verzögert, dann beschleunigt; dementsprechend steigt die Potentialkurve erst an, erreicht einen Maximalwert und sinkt dann wieder (Kurve Dx und D₂).

5.    Beim Motor bedingt ein steil abfallendes Feld positive zusätzliche E.M.Ke. zu Beginn und negative zu Ende des Kurzschlusses. Der Kommutierungsvorgang wird erst beschleunigt und dann verzögert. Die Potentialkurve sinkt erst und steigt dann wieder an (Kurve Ex und E₂).

Die hier aufgetragenen Potentialkurven entsprechen den an der negativen Bürste aufgenommenen Werten von Px, wenn man das Vorzeichen -f- bezw. — auf das Potential der Bürste bezieht.

VII. Kommutation bei Leerlauf.

Läuft die Maschine normal erregt und mit stromlosem Anker, so wird zwischen benachbarten Lamellen in einem bestimmten Augenblicke eine solche Potentialdifferenz bestehen, welche dem Felde entspricht, in dem sich die mit den betrachteten Lamellen verbundene Spule bewegt. Kommen die betreffenden Lamellen unter die Bürste zu liegen, so wird die induzierte E.M.K. einen Strom durch die Spule treiben, die durch die Bürste kurzgeschlossen ist. Die Grösse und Richtung dieses Stromes hängt offenbar nur von der Grösse und Richtung der induzierten E.M.K., vom Widerstande und der Selbstinduktion des so gebildeten Stromkreises ab. Zu Beginn und Ende des Kurzschlusses ist demnach der Strom gleich Null; er verläuft während der ganzen Kurzschlussperiode in der gleichen Richtung, wenn die induzierte E.M.K. während derselben ihre Polarität beibehält.

Aendert die induzierte E.M.K. ihre Polarität, so wird auch der Strom in der kurzgeschlossenen Spule innerhalb der Dauer der Periode seine Richtung ändern. Der Fall tritt ein, wenn die Bürsten in der geometrisch neutralen Zone stehen; der Strom behält in Bezug auf den Verlauf in der Spule seine Richtung bei, wenn die Bürsten im einen oder anderen Sinne aus der neutralen Zone verschoben sind (s. Feldkurve Fig. 9). Für die Versuchsmaschine sind nun in Fig. 19 I, II und III für die untersuchten Bürstenstellungen I, II und III die Potentialkurven für die negative Bürste bei Fremderregung mit in = 3,0 Amp. und bei der Geschwindigkeit n = 300 Touren pro Min. aufgezeichnet.

Unter der Voraussetzung, dass keine inneren Ströme vorhanden sind, dass also für x = 0 und x = 1 der Kurzschlussstrom und der

Fig. 19.

S i

o,; to

COS

0,(K

.J

ąoz

il

ąor

1.0 10

Volt f

sm

Kommutation bei Leerlauf (ia = 0).

Strom in der Armatur gleich Null sind, muss die Summe der Flächen, welche die Potentialkurven ober- und unterhalb der Abscissenachse ein-schliessen, gleich Null sein.

Führt man die Integration der Potentialkurve mittels Planimeter oder graphisch durch, so êrkennt man, dass dieses nicht zutrifft. Wir müssen sonach eine Parallelverschiebung der x-Achse um einen Betrag eu vornehmen, der gleich der mittleren Ordinate der Leerlaufpotentialkurve ist.

Im vorliegenden Falle ergab sich für die

Lage I . . . eu = -f 0,000546 ^ 0 Volt „ II . . . eu = — 0,008    „

„ III ... eu = -f- 0,0103    „

Führen wir den aus den Bürstenpotentialkurven für J = 40 Amp. sich ergebenden Mittelwert von

Rw = 0,0054 Ohm (s. S. 329, 332 u. f.)

und für den vorliegenden Fall:

ia = 0

Fu = 3,92 cm2 T = 0,00594 Sek. Massstab : 1 cm = 0,02 Volt „    1 cm = 0,000531 Sek.

wird

ein, welchen wir für die hier in Betracht kommenden Stromdichten bei Kupferbürsten als konstant ansehen wollen, so erhalten wir aus

t = ti

1 = 1a--!¹- r (P*

R\v ęJ

— eu) d X = ia —

F„

T . Rw

ßr■

— eu) dt;

3,92

0,00594 . 0,0054

. 0,02 . 0,000531

^Fläche

m cm

\t = tj

!} Amp.

/1 = o

^Fläche

in cm

i = - 1,295 .

\ t = tx

! ) Amp.

/1 = 0

Multipliziert man die Ordinaten der punktiert eingezeichneten Integralkurven mit (1,295 . 11) (worin 11 = Anzahl der Teilschichten zu je 1 cm), dann ergeben sich die Kurzschlussstromkurven für die leerlaufende Maschine.

Für die Bürstenstellung I tritt nun während der Kurzschluss-période eine Richtungsänderung der induzierten E.M.K. auf, wodurch z. B. während der ersten Halbperiode der Strom bei der auflaufenden Bürstenkante in die Lamelle eintritt, bei der ablaufenden Kante nach der Bürste Übertritt. Der Strom wird für eine bestimmte Stelle Null und verläuft in der zweiten Halbperiode in entgegengesetzter Richtung. Der Maximalwert des Kurzschlussstromes beträgt hier nur ca. 2,7 Amp.

In der Bürstenstellung II, bezw. III, in der die Bürsten in der Drehrichtung, bezw. entgegen derselben, verschoben sind, bleibt die Polarität (s. Feldkurve Fig. 9) der induzierten E.M.K. während der ganzen Kurzschlussdauer die gleiche; es wird demnach auch der Strom während derselben seine Richtung in der Spule nicht ändern und wird für die auflaufende Kante von der Bürste nach der Lamelle und für die ablaufende von der Lamelle nach der Bürste verlaufen, bezw. umgekehrt für die Lage III.

Die angenäherten Momentanwerte für den Kurzschlussstrom können aus der Fig. 19 (Kurven i) entnommen werden. Die 3 Kurven A₀ der Fig. 19 stellen nun die unter normalen Verhältnissen

überhaupt möglichen Fälle dar, die der Verlauf der Potential- und Kurzschlussstromkurven für Leerlauf (ia = 0) aufweisen kann.

Was nun die Parallelverschiebung der Abscissenachse um eu Volt betrifft, so entspricht dieselbe ihrer physikalischen Bedeutung nach der für ein bestimmtes Bürstenmaterial konstanten Potentialdifferenz eu, denn wir hatten für den spezifischen Widerstand die Beziehung

SU X

Rt = — + R,,,

bezw. für die Potentialdifferenz

Px —    -}- Su x . Rw

eingeführt. Nun ergibt sich aber die Tatsache, dass die Grösse und Richtung von eu sowohl von der Stromrichtung, als auch von den auftretenden Stromdichten abhängig ist. Sie ist im Falle eines während der ganzen Kommutierungsperiode bei der auflaufenden Bürstenkante austretenden und bei der ablaufenden Kante eintretenden Stromes positiv; bei der umgekehrten Stromrichtung ist sie im allgemeinen viel kleiner, sogar negativ, und für einen während des Kom-mutationsvorganges seine Richtung wechselnden Strom wird eu fast Null. Dieselbe Beobachtung ergibt sich auch für Kohlenbürsten. Die Beziehung für den spezifischen Widerstand Rk gilt, wie wir später sehen werden, bei Kupferbürsten nur für Stromdichten, die grösser sind als 6 Amp./cm², für Kohlenbürsten (s. Dr.-Ing. M. Kahn, Uebergangswiderstände von Kohlenbürsten) nur für solche von mehr als 1 Amp./cm².

Für die bei der Kommutation der leerlaufenden Maschine auftretenden Stromdichten ist somit diese Gleichung nicht mehr streng gültig. Es hat sich ferner aus dem Vergleich zwischen den experimentell aufgenommenen und den aus den Bürstenpotentialkurven konstruierten Kurzschlussstromkurven gezeigt, dass die mehr oder weniger gute Uebereinstimmung wesentlich von der Grösse der Parallelverschiebung abhängt.

Beim Motor ist eine Aufnahme der Leerlaufpotentiale nicht möglich, weil der Anker den Leerlaufstrom führt. Nehmen wir jedoch an, es seien keine Leerlaufverluste vorhanden, oder es würde die zur Deckung derselben erforderliche Energie mechanisch zugeführt, dann gäbe es bei demselben Felde und der gleichen Drehrichtung keinen Unterschied zwischen dem Leerlauf als Generator und dem theoretischen Leerlauf als Motor, und man hätte mit Bezug auf die entgegengesetzte Stromrichtung eine gleich grosse, aber mit entgegengesetzten Vorzeichen eingeführte Parallelverschiebung eu zu Grunde zu legen. Die so erhaltenen Kurzschlussstromkurven stimmten jedoch mit den experimentell erhaltenen nicht so gut überein, als mit den für die Konstruktion verwandten Werten:

Bürstenstellung I ...    eu    =    0 Volt

„ II . . .    eu    =    -f- 0,006    Volt

„ III . . .    eu    =    - 0,006    „

Beim Motor kommt eben hier noch in Betracht, dass der Strom in der gleichen Bürste im entgegengesetzten Sinne verläuft, wie beim Generator. Handelt es sich im allgemeinen nur darum, aus dem Verlaufe der Potentialkurven auf die Feldvariationen während der Belastung zu schliessen, so wird man bei Kupferbürsten keinen grossen Fehler begehen, wenn man eu = 0 setzt. Einige Anhaltspunkte für die richtige Wahl von eu geben die folgenden Werte: Für Kupfergazebürsten ist eu für den Fall, dass die Bürstenpotentialkurven gegen Ende der Periode keine zu grossen Potentialdifferenzen aufweisen, zwischen 0,003 und 0,008 Volt einzuführen. Die grösseren Werte beziehen sich auf Potentialkurven vom charakteristischen Verlaufe der Kurve III (Fig. 19), die kleineren auf Kurven ähnlich der Kurve II. Bei Kohlenbürsten ist, soweit dies aus den vorliegenden Versuchen geschlossen werden kann, für eu ca. 0,1 bis 0,2 Volt zu wählen. Für die negative Bürste ist eu positiv für den Lauf als Generator und negativ für den Lauf als Motor anzutragen.

¹

) Die Punkte ek <x = 0) und ek (X = l) sind in der Figur eingezeichnet.

²

) Siehe Arnold, Gleichstrommaschine Bd. I, S. 351.

VIII. Kommutation hei Kurzschluss und Superposition der Leerlauf- und Kurzschlusspotentialkurve.

Schliesst man die Klemmen einer Maschine kurz und erregt dieselbe so weit, dass bei einer bestimmten Geschwindigkeit ein gewisser Strom durch die Armatur fliesst, so muss auch in diesem Falle die Stromwendung unter Einfluss des resultierenden Feldes der kurzgeschlossenen Maschine und durch die Vorgänge unter den Bürsten erfolgen.

Das Feld der kurzgeschlossenen Maschine entsteht durch die Superposition der Felder, die durch die Amperewindungen der Armatur und durch die Erregeramperewindungen erzeugt werden. Das Feld der Erregeramperewindungen ist für die Bürstenstellung in der geometrisch neutralen Zone, gegenüber dem von den Ankerampèrewin-

düngen hervorgerufenen Felde, vernachlässigbar klein. Die Feldkurve der kurzgeschlossenen Maschine wird demnach im wesentlichen den gleichen Verlauf aufweisen, wie das durch die Ankerampere Windungen gebildete Feld und zeigt im Gegensätze zu letzterem nur eine kleine Verschiebung den Polmitten gegenüber, welche von der Grösse der Erregeramperewindungen abhängig ist. Für die Kommutierungszone fällt jedoch das Feld der kurzgeschlossenen Maschine mit dem Armaturfelde zusammen. In Fig. 17 ist für die Versuchsmaschine und der Bürstenstellung in der geometrisch neutralen Zone, nebst dem Ankerfelde für J = 40 Amp. (punktierte Kurve), auch das Feld der kurzgeschlossenen Maschine für dieselbe Stromstärke durch die strichpunktierte Kurve dargestellt. Wir begehen hier keinen grossen Fehler, wenn wir das Feld der kurzgeschlossenen Maschine durch die gleiche Kurve ersetzen (voll ausgezogene Kurve), wie das Ankerfeld und erhalten dann für die spezifische Leitfähigkeit entlang des Armaturumfanges die gleiche Xq-Kurve wie für den Querkraftfluss allein. Die in einer Ankerspule vom Armaturfelde induzierte E.M.K. können wir dann mit hinreichender Genauigkeit durch die Beziehung

2eq = -

2 -=L . v . L . AS . Xq . 10-⁶ Volt

IV

ausdrücken.

Die durch die Selbst- und gegenseitige Induktion (L -j- SM), welche wir wieder als konstant während der Zeit T ansehen wollen, in der kurzgeschlossenen Spule induzierte E.M.K. ist

2 em —    2 ia

T Volt,

L + SM

und der Ohmsche Spannungsabfall in der Spule für die Annahme eines geradlinig nach der Zeit verlaufenden Kurzschlussstromes ist gleich

— 2 ia . R .

(i-4)

Damit bei einem Strome ia pro Armaturstromzweig die Kom-mutation mit konstanter Stromdichte erfolgt, ist eine E.M.K.

H)

6k — 2 ^em -j- eq -f- ia R ^-7^

erforderlich.

In der Fig. 20 sind für eine und dieselbe Bürstenstellung die Feldkurven durch die in der Spule induzierten E.M.Ke. dargestellt. I stellt die Feldkurve der mit normaler Erregung leerlaufenden

Maschine, II die der normal erregten und belasteten und III die der kurzgeschlossenen und den gleichen Strom wie bei Belastung führenden Maschine dar. Sei ek die für einen geradlinigen Verlauf der Kurzschlussstromkurve erforderliche E.M.K., so wird in einem bestimmten Momente x = xr — MO die zusätzliche E.M.K. für die Kommutation bei Belastung,

-MR „ + PN „

* Kurzschluss und „ Leerlauf

darstellen.

Unter der Voraussetzung, dass die Superposition des Leerlaufund Anker-, bezw. Kurzschlussfeldes die Belastungsfeldkurve ergibt, dass also

PN + PR = PO

ist, wird auch

PN -f- MR = M 0

sein, d. łi. die algebraische Summe d e r z u s ä tz 1 i ch en E. M. Ke., die in Bezug auf die Kommutation bei leerlaufender und

Fig. 20.

kurzgeschlossener Maschine auf-treten, ist gleich der zusätzlichen E.M.K., die bei Belastung wirksam ist.

“MO

Feldkurven: I. Leerlauf, II. Belastung, III. Ankerfeld.

Wie wir aus dem Vorhergehenden ersehen haben, hängt der Verlauf des Kurzschlussstromes und die Stromdichteverteilung unter der Bürste in erster Linie nur von der Grösse und Richtung der zusätzlichen E.M.K. ab. Wir können daher auch weiter schliessen, dass die durch eine bestimmte zusätzliche E.M.K. bei Belastung auftretende Stromdichteverteilung durch Superposition der Stromdichteverteilungen bei Leerlauf und Kurzschluss erhalten werden kann. Die Stromdichteverteilungen unter der Bürste ergeben sich durch die Messung der Bürstenpotentiale, woraus folgt, dass die Kurve, welche man bei derselben Bürstenstellung durch Superposition der Bürstenpotentialkurven der leerlaufenden und kurzgeschlossenen Maschine erhält, mit der Potentialkurve für Belastung übereinstimmen soll.

Bevor wir auf eine weitere Diskussion dieser Ergebnisse ein-gehen, sollen einige diesbezügliche Versuche r) angeführt werden.

Beispiel L Für die Versuchsmaschine mit den Polschuhen und Kupferbürsten sind in Fig. 21 I, II und III die Potentialkurven für die drei Bürstenstellungen (s. Fig. 9) für Leerlauf, Belastung und Kurzschluss dargestellt. Die Maschine lief mit n = 300 Umdrehungen pro Minute und war fremd erregt: bei Leerlauf und Belastung mit in = 3,0 Amp., bei kurzgeschlossener Maschine war die Erregung so klein, dass sie nicht mehr genau gemessen werden konnte.

Für die Bürstenstellung I sind die Kurzschlusspotentialkurven Pk' und PU' für Jk = 40 und Jk = 60 Amp. gleichzeitig mit den Kurven für Belastung PU, Jb — 40 Amp. und Pb", Jb = 60 Amp. in Fig. 211 aufgetragen. Die Superposition unter Annahme von eu = 0 ergibt die punktierten Kurven Ps' und Ps", welche mit denjenigen für Belastung sowohl im charakteristischen Verlaufe als auch in den absoluten Werten sehr gut übereinstimmen. Hier stehen die Bürsten in der neutralen Zone, und bei einer nicht allzusteilen Feldkurve verläuft hier das kommutierende Feld bei Kurzschluss fast ganz gleich wie das resultierende Feld bei Belastung. Die Kommutation erfolgt daher bei Belastung annähernd in demselben Felde wie bei Kurzschluss, was auch die experimentell aufgenommene (und konstruierte) Kurzschlussstromkurve für Jk = 60 Amp. bei Vergleich mit der für Belastung (s. Fig. lia I) zeigt. Für Jk = 60 Amp. liegt die superponierte Kurve Ps" etwas höher als die Kurve Pb". Die Maschine lauft mit J = 40 Amp. bei Kurzschluss und Belastung funkenfrei, mit 60 Amp. bei Kurzschluss und Belastung mit geringer Funkenbildung.

Für die Bürstenstellung II, Fig. 21 II, sind die Potentialkurven für Belastung Pb, Jb = 84 Amp. und Leerlauf P₀ dargestellt. Aus Fig. lib II geht hervor, dass für die Belastung Jb = 84 Amp. das Feld zu Beginn des Kurzschlusses etwas zu schwach ist. Für Kurzschluss und 84 Amp. wird das Feld offenbar negativ und sehr steil ansteigend verlaufen (s. Fig. 17), daher auch das rasche Anwachsen der Potentialdifferenzen, entsprechend dem verzögerten Verlaufe der Stromwendung (s. konstruierte Kurzschlussstromkurve für Jk= 84 Amp.). Der Kommutierung für Leerlauf entspricht ein starkes positives Feld. Durch die Nähe der Polspitzen wird hier die Superposition des Leerlauf- und Kurzschlussfeldes nicht mehr genau das Belastungsfeld er-

0 Die erste Anregung zur experimentellen Untersuchung der Superposition der Leerlauf- und Kurzschlusspotentialkurven verdanke ich Herrn Ing. J. L. la Cour. Sammlung elektrotechnischer Vorträge. V.

-f

ÏÏ

-,

iii

44

4-H

Fig. 21

Is, I

r±±

TUP

t .<

4-f-

~hf

T\

L'l

m-

-u

-f-

Jti

T“

■j—

Sf

Volt

A/n/i

Po

Pb

Pk

J = O Amp. Po

Jb = 60 Jk = 60

Pb'

Pk'

P« = Pk + Po • J =60

Pb

Pk

Pb"

Pk"

auch die Abweichung der durch Superposition erhaltenen

geben

(punktierten) Potentialkurve gegenüber der tatsächlich bei Belastung Jb = 84 Amp. aufgenommenen Kurve Pb bedingt. Die Maschine feuert

was

bei Kurzschluss, bei Belastung arbeitet sie an der Funkengrenze. Durch Superposition wird eine Spannung für die ablaufende Bürstenkante erhalten, die etwas höher als die Funkengrenze liegt.

Für die Bürstenstellung III und Jb — 60 Amp. stimmt die durch Superposition von P₀ und Pk erhaltene Kurve Ps mit der bei Belastung aufgenommenen Kurve Pb gut überein. Die Kommutation erfolgt hier bei Kurzschluss in einem günstigeren Felde wie bei Belastung und derselben Bürstenstellung, da das zusätzliche Feld bei Belastung viel grösser als das bei Kurzschluss ist. Dieser Fall wird immer dann eintreten, wenn die Bürsten etwas entgegen der Drehrichtung verschoben sind und die Feldkurve für Leerlauf sehr steil verläuft.

In der nebenstehenden Tabelle

Bürstenstellung III 60 Amp.

Ps

0,106

15,3

0,00693

0,384

Bürstenstellung II 84 Amp.

Pb

0,1224

0,0876

15,3

0,0076

0,381

15,3

Ps

0,1376

21,5

0,00588 0,00572

0,298

0,266

Pb

0,0895

21,5

0,0042

0,157

P/ I Pk

0,0522    0,161

10,2    21,5

0,00512 0,00761

0,438

0,158

sind einige aus den Potentialkurven berechnete Grössen zusammengestellt. Beispiel II. Die Versuchs

40 Amp.

Pb'

0,0502

10,2

0,00492

0,15

maschine (mit Polschuhen) lief mit breiten Kohlenbürsten bx = 30 mm, in = 3,0 Amp. und n = 300. In Fig. 22 a sind zunächst die auf-Potentialkurven

für

genommenen Leerlauf (J = 0), P₀, Belastung Jb = 60 Amp., Pb⁷ und Kurzschluss Jk =

60 Amp., Pi/ und Jk — 100,5 Amp., Pk" dargestellt. Die Bürsten stehen hier, wie aus der Feldkurve I (Fig. 22 b) und der Leerlaufpotentialkurve P₀ ersichtlich, in der geometrisch neutralen Zone. Die durch Superposition aus Leerlauf und Kurzschluss erhaltene Kurve Ps/ stimmt mit

Bürstenstellung 1

60 Amp.

co

IO

Oh ° G> ©a

Pb"

Pk"

eu

0,099

0,075

0,099

0,0052

0,174

15,3

0,00646

0,284

15,3

15,3

0,00492

0,24

0,00646

0,3

Rw Su.....

Su......

Rw.....

Spannung an der ablaufenden Kante (Volt)

eVolt

tf

'-ĄS

061

Ci

CS

c/

o_

et

CS

ce

Fig. 22.

77\

2'.

<L

^=7

yf

Fig. 28.

Toit

2.0 —

+Px «'

44

42—

nz

C.3

0£

C,6

iO

te

•'

-*6

Jî

-P*

ce

Volt

U-

Po

Pb'

. . . . J = 0 Amp. . . . . Jb = 60    „

.. . . . Jk = 60    „

Pk' . . L.

Pb' = Pb' + Pk' -T = 60

Jk =104

Pk"

eVoll

Untersuchung der Kommutation hei Kurzschluss. Beispiel II.

J = 0 Amp. Jb = 60    „

Jk = 60 „

Pb' = P₀ + Pk' • • J = 60 „

h) Kurve I: Feldkurve in = 3,0 Amp., J = o Amp.

„ II: Feldkurve Jk= 100,5 „

a) P₀

Pb'

Pk'

der Belastungspotentialkurve Pp' gut überein. Die Maschine läuft bei dieser Bürstenstellung zwischen 0 und 80 Amp. funkenfrei, mit 100,5 Amp. bei Kurzschluss und Belastung an der Funkengrenze.

Für denselben Punkt am Ankerumfange erhielten wir aus Fig. 17

Xq = 4,63.

Ebenso ergaben sich für eine Bürstenstellung, bei der die Bürsten um ca. 17° aus der geometrisch neutralen Zone in der Drehrichtung verschoben wurden, die in Fig. 23 für Jb = 60 Amp. und Jk = 60 Amp. dargestellten Potentialkurven. Die Maschine läuft bei dieser Stromstärke und n = 300 Umdrehungen pro Min. bei Kurzschluss und Belastung funkenfrei; mit 104 Amp. lief die Maschine bei Belastung funkenfrei, bei Kurzschluss mit geringer Funkenbildung.

Beispiel III. In Fig. 24a sind die Potentialkurven für eine Maschine der Gesellschaft für elektrische Industrie Karlsruhe für 110 Volt, 80 Amp. und 800 Umdrehungen pro Min. dargestellt. Die Bürsten sind nur ganz wenig aus der neutralen Zone verschoben. Die Maschine lief mit n = 800 bei dieser Bürstenstellung zwischen Leerlauf und Volllast und bei Kurzschluss mit normalem Strome funkenfrei. Die Potentialkurven für

sowie für

Die Feldkurve II (Fig. 22 b), die für Jk = 100,5 Amp. erhalten wurde, entspricht, wie eine Nachrechnung anzeigt, fast ganz der Xq-Kurve, die wir aus Fig. 17 und dem Ankerfelde für J — 40 Amp. erhielten. Es ist z. B. für den Punkt A:

2 eq ■= 0,51 Volt,

A S = 125, v = 3,85 m/Sek., h = 29 cm 2 eq . 10⁶

ferner

und somit

- 2e<i • ¹⁰³

N

2~ . AS.y.li

112

= 4,55.

Jb = 0, 40 und 82 Amp.,

Jk = 40 und 82 Amp.

sind aus der Figur ersichtlich. Die durch Superposition erhaltenen Belastungspotentialkurven ergeben gute Uebereinstimmung mit den für Belastung tatsächlich erhaltenen. (Die ersteren sind hier mit Rücksicht auf die Deutlichkeit der Figur fortgelassen.)

Fig. 24 b zeigt die Potentialkurven für Leerlauf, normale Belastung und Kurzschluss mit normalem Strome. Die Bürsten sind hier in das für Belastung (normal) richtige Feld eingestellt. Die Maschine lief bei dieser Bürstenstellung funkenfrei zwischen Leerlauf und Normallast.

C6

O.Î

0,t

42

O.i

OA

-ĘWI

+Ę Voll

e,i

es

e,/

Vr

P/j

ej

BO

Fig. 24.

//

lÂ

VP.

__/

'^7

ti

Beispiel IV. Für eine 22 KW.-Maschine (Gasdynamo) sind in Fig. 28 a die für normale und konstant gehaltene Erregung bei 0, ¹/2, ³/4, ⁴/4 und ca. ⁵/4 Belastung aufgenommenen Bürstenpotentialkurven dargestellt. Die Bürsten sind hier so eingestellt, dass für Halblast, Jb = 100 Amp., die Kommutation mit annähernd konstanter Stromdichte erfolgt. Die bei derselben Bürstenstellung und bei Kurzschluss mit den Strömen Jk = 100, 150 und 200 Amp. erhaltenen Potentialkurven (Fig. 28 b) ergeben, mit der Leerlaufpotentialkurve superponiert, Kurven, die mit den bei den entsprechenden Belastungen aufgenommenen gut übereinstimmen. Es entspricht in Fig. 28 b bezw. a:

y-

SP*

/ V;V>:_

jc

Kurve I . . . * Il . . . „ III . . .

C—I    I G_(

o' er s'

tO t—¹ t—¹■

O en O O O O

-g VelA \ M II 11

Untersuchung der Kommutation bei Kurzschluss. Beispiel III.

a) P₀

Pb'

IV

Pb"

Pk"

Jb = 40 Jk = 40

Jb = 82 Jk = 82

0 Amp.

h) Po •

Jb = 80 Jk = 80 Ps = P₀ + Pk • • J = 80

Pb

Pk

Diese Beispiele, welche an Maschinentypen mit den verschiedensten Sättigungsverhältnissen, Polschuhformen und Wickelungsanordnungen erhalten wurden, mögen genügen, um zu beweisen, dass die Superposition von Leerlauf- und Kurzschlusspotentialkurven mit genügender Annäherung den Verlauf der Belastungspotentialkurve ergibt.

Die Abweichungen rühren zum Teil von Verschiedenheiten her, welche für die verschiedenen Strom-

dichteverteilungen die Potentialdifferenz eu und der Widerstand Rw erleidet. Diese Einflüsse sind jedoch rechnerisch nicht zu verfolgen, weshalb wir in diesem Falle am sichersten gehen, wenn wir eu bei der Superposition vernachlässigen. Dies ist auch schon dadurch gerechtfertigt, dass es sich hier weniger um absolute Werte, als nur um die Beurteilung des charakteristischen Verlaufes handelt. Die scheinbare E.M.K. der Selbstinduktion wird ferner, entsprechend den verschiedenen zusätzlichen Strömen für Belastung und Kurzschluss, nicht dieselbe bleiben, was insbesondere bei grösseren Bürstenverstellungen zu beträchtlichen Abweichungen führen könnte.

Im allgemeinen ergibt sich nun, dass die Uebereinstimmung eine um so bessere ist, je weniger die Bürsten aus der neutralen Zone verschoben sind, also überall dort, wo man die Gültigkeit der Superposition der zusätzlichen E.M.Ke. voraussetzen darf.

Es wird nun von einigen Firmen der funkenfreie Lauf einer Maschine bei kurzgeschlossener Armatur als ein Kriterium für einen ebenfalls funkenfreien Lauf bei der normalen Belastung und derselben Bürstenstellung aufgefasst.

Wir wollen untersuchen, innerhalb welcher Belastungsgrenzen und bei welcher Bürstenverstellung ein funkenfreier Lauf bei Kurzschluss möglich sein muss, damit man ein sicheres Urteil über die Kommutation bei Belastung erhält.

Nehmen wir zunächst an, die Bürsten stehen in dem für Halblast richtigen Felde, so dass für diese Belastung ez = 0, also

6k — 6m

+ eq + ia R f-FjT

9-

Nach S. 359 erhalten wir bei Kurzschluss und dem halben normalen Strom ein Feld, dem die in der kurzgeschlossenen Spule induzierte E.M.K.

e' = —

~f~ ek -f- ia R [

EH

9)

entspricht. Für einen geradlinigen Verlauf der Kurzschlussstromkurve bei kurzgeschlossener Armatur ist die kommutierende E.M.K.

ei/ = ek =

erforderlich, so dass

e/ — ek/ = ez'

wird.

em +    + laß

— 2 ^em -f- eq -j- ia R

Wir erhalten in diesem Falle (kurzgeschlossene Armatur und halber normaler Strom) die grösste zusätzliche E.M. K., die zwischen Leerlauf und Volllast auftreten kann. Die Forderung, dass bei dieser zusätzlichen E.M.K. die Maschine ohne Funkenbildung läuft, ist vollkommen gerechtfertigt.

Bei normaler Volllast oder bei Leerlauf arbeitet die Maschine, wenn die Kommutation bei Halblast mit konstanter Stromdichte erfolgt, nur mit der Hälfte dieser berechneten zusätzlichen E.M.K. Es bietet daher der funkenfreie Lauf bei Kurzschluss und dem halben normalen Strome genügende Sicherheit, um auch eine funkenfreie Stromwendung bei normaler Volllast und derselben Bürstenstellung erwarten zu dürfen.

Stehen die Bürsten in der geometrisch neutralen Zone, dann entspricht die Feldvariation zwischen Leerlauf und normaler Belastung fast demselben Felde, in dem bei Kurzschluss mit dem normalen Strome kommutiert wird. Dies ist auch leicht erklärlich, wenn man die Feldkurven für das Polfeld und Ankerfeld betrachtet (s. Fig. 20). Bei Kurzschluss haben wir bei dieser Bürstenstellung in der Kommutierungszone ein Feld, das dem Ankerfelde entspricht; bei Belastung hingegen ein Feld, das an dieser Stelle durch Superposition des Leerlauf- und Ankerfeldes gebildet wird. Das resultierende Feld in der Kommutierungszone bei Belastung wird somit umso weniger von demjenigen abweichen, in welchem bei Kurzschluss kommutiert wird, je flacher die Feldkurve für Leerlauf verläuft. Die zusätzlichen E.M.Ke. für Leerlauf und Kurzschluss und bei normaler Belastung sind daher annähernd die gleichen, ebenso die Kommutationsverhältnisse (s. z. B. Fig. 21 I oder 22 a). Letztere entsprechen den ungünstigsten Bedingungen, die überhaupt beim normalen Betriebe auftreten können; man kann hieraus schliessen, dass eine Maschine, die bei dieser Bürstenstellung und Kurzschluss funkenfrei den normalen Strom kommutiert, auch normal belastet ohne Funkenbildung laufen wird.

Es ist nun für verschiedene Maschinentypen mehr oder weniger Erfahrungssache, inwiefern bei in geometrisch neutraler Zone stehenden Bürsten ein funkenfreier Lauf zwischen Leerlauf und Volllast möglich ist, und man hat hiernach seine Forderungen D in Betreff der für die Untersuchung bei Kurzschluss zu wählenden Maximalstromstärke zu stellen.

Von normalen und richtig dimensionierten Maschinen wird man in allen Fällen verlangen können, dass dieselben in der für Halblast richtigen Bürstenstellung und bei Kurzschluss ¹2 bis ³/4 der normalen Stromstärke, und für in geometrisch neutraler Zone stehenden Bürsten und bei Kurzschluss ³/4 bis ⁴/4 des normalen Stromes funken frei oder mindestens an der Funkengrenze kommutieren.

Ein ergänzendes Bild über die Kommutationsverhältnisse erhält man jedoch in jedem Falle immer erst dann, wenn man nebst der Untersuchung des Kurzschlusses auch den Leerlauf bei der normalen Erregung und derselben Bürstenstellung beobachtet.

IX. Vorgang bei der experimentellen Beurteilung der Kommutation. (Beispiel.)

Die Ursachen zur Funkenbildung bei den für eine bestimmte Maschine zulässigen Belastungen sind entweder durch konstruktive Mängel bedingt, oder sie entstehen erst während des Betriebes durch ungenügende Wartung des Kollektors und der Bürstenapparate. Letztere Ursachen sind leicht zu erkennen und daher auch verhältnismässig einfach zu beheben. Ungleich wichtiger ist die durch konstruktiven Aufbau hervorgerufene Funkenbildung am Kollektor. Von allen den hier massgebenden Faktoren (s. Arnold, Gleichstrommaschine, Bd. 1) sollen jedoch nur die für die experimentelle Beurteilung der Kommutationsvorgänge am meisten in Betracht kommenden behandelt werden.

Diese sind:

1.    Einfluss der Konstruktion der Polschuhe mit Rücksicht auf die magnetische Leitfähigkeit für den Querkraftfluss und den Verlauf des Polfeldes in der Kommutierungszone.

2.    Anordnung der Wicklung und Unterbringung der Armaturleiter auf dem Anker.

3.    Dimensionierung und Konstruktion des Kollektors und der Stromabnehmer.

Wie wir aus der Behandlung der Bürstenpotential- und Kurzschlussstromkurven ersehen haben, sind die unter Einfluss einer bestimmten Polschuhform bei verschiedenen Belastungen auftretenden Feldvariationen aus dem Verlaufe derselben zu erkennen. Auf die Grösse der Feldvariationen wirkt in erster Linie die Grösse der spezifischen Leitfähigkeit Xq für den Querkraftfluss, und die Armaturselbstinduktion und gegenseitige Induktion ein. Wie sich aus der Betrach-

Aufschluss gewährt, so hat man

tung der Grössen für eq und em ergibt, besitzt jedoch die durch den Querkraftfluss induzierte E.M.K. eq den grössten Anteil. Bei der jetzt allgemein üblichen Bauart von Gleichstrommaschinen sind die berechneten Werte von Xm und ks . XL mehr oder weniger von der gleichen Grössenordnung (s. Arnold, Bd. I, 391 und 392), während Xq je nach bi

der Grösse von cq = und je nach der Form und Sättigung der Polspitzen innerhalb weiterer Grenzen schwankt. Mit der Anordnung der Armaturleiter ist man im allgemeinen an bestimmte Grenzen gebunden, die durch die Zahnsättigung und die Rücksichtnahme auf Wirbelstromverluste in den Armaturleitern und Polschuhen, die Anwendung von ganz aussergewöhnlichen Verhältnissen zwischen Nutenhöhe und Nutenbreite ausschliessen. Liegen dann noch die gleichzeitig im Kurzschluss befindlichen Spulenseiten nicht in zu verschiedenen kommutierenden Feldern, worüber eine Kontrolle der Anzahl der zwischen den Polspitzen lie-z

genden Nuten —

(1 — ai) z

-bi

die grösste Aufmerksamkeit einer richtigen Formgebung der Polschuhe und der Sättigung der Polspitzen zuzuwenden.

Von diesen Gesichtspunkten haben wir auch bei der Untersuchung der Kommutation einer Maschine auszugehen. Da sich im Verlaufe der experimentell bei irgend einer Bürstenstellung und Belastung aufgenommenen Bürstenpotentialkurve stets das Zusammenwirken aller dieser Faktoren äussert, so werden wir, um ein vollständiges Kriterium über die Kommutationsverhältnisse zu erhalten, nebst der experimentellen Beobachtung, auch eine Kontrolle über die Wicklungsverhältnisse, der Spannung zwischen benachbarten Kollektorlamellen und der N

Werte von . AS . b . v . 10 ⁶, ai, Xq, Xm, Xi,kH auszuführen haben. K

Liegt eine fertige Maschine vor, so wird sich nun für die Untersuchung der Kommutation am besten diejenige Bürstenstellung eignen, bei welcher bei Halblast mit konstanter Stromdichte kom-mutiert wird. Diese wird bei allen Maschinen mit nur halbwegs richtig dimensionierter Polschuhform durch einen Vorversuch leicht zu ermitteln sein, indem man die Maschine mit normaler Klemmenspannung und dem halben Strome laufen lässt. Während man die Bürsten verstellt, hat man durch Messung der Bürstenpotentiale diejenige Stellung ausfindig zu machen, bei welcher die Bürstenpotentialkurve nur positiv bezw. negativ und möglichst flach und geradlinig verläuft.

Die bei dieser Bürstenstellung bei Leerlauf, ⁴/2, ³/4, ⁴/r und ⁵/4 Belastung aufgenommenen Bürstenpotentialkurven lassen dann eine Beurteilung der Feldvariationen zwischen Leerlauf und Belastung gegenüber dem Felde bei Halblast zu. Die bei Volllast in der Bürstenpotentialkurve im allgemeinen ausgeprägte Verzögerung der Kommutierung oder Unterkommutierung wird um so kleiner sein, je geringer im wesentlichen Xq ist; ferner wird die für Leerlauf erhaltene Kurve um so weniger steil ansteigen, je flacher das Feld in der Kommutierungszone verläuft. Je weniger also die für verschiedene Belastungen sich ergebenden Potentialkurven im charakteristischen Verlauf von der für Halblast abweichen, und je geringere Potentialdifferenzen die für Leerlauf erhaltene Kurve aufweist, desto stabiler ist das Feld und desto besser wird die Maschine bei konstanter Bürstenstellung die Bedingung eines funkenfreien Laufes bei den geringsten Kollektorübergangsverlusten erfüllen.

Man wird nun nicht immer in der Lage sein, im Versuchsraume einer Fabrik voll belasten zu können, da man bei abnormalen Spannungen einerseits nicht über genügende Belastungswiderstände verfügen wird, andererseits nicht immer eine entsprechende Antriebsenergiequelle für grosse Typen vorhanden sein wird. In diesem Falle lässt die Untersuchung bei Leerlauf und Kurzschluss eine vollständige Beurteilung der Kommutierungsverhältnisse zu. Da die für Halblast richtige Bürstenstellung in diesem Falle nur umständlich gefunden werden kann, so wird man hier die Bürsten in die geometrisch neutrale Zone einstellen und für diese Bürstenstellung die Bürstenpotentialkurven aufnehmen, wenn die kurzgeschlossene Armatur ¹j$, ³/4 und ⁴/4 des normalen Stromes führt. Die durch ■ Superposition erhaltenen Potentialkurven werden dann eine ähnliche Beurteilung über die Feldvariationen zwischen Leerlauf und Volllast zulassen, wie die direkt bei Belastung aufgenommenen. Die Bürstenstellung in der neutralen Zone kann experimentell sehr leicht aufgefunden werden, indem man bei fremder Erregung mit dem normalen Erregerstrom durch die Aufnahme der Bürstenpotentialkurven diejenige Stellung aufsucht, bei welcher die Leerlaufpotentialkurve zweimal die Abscissenachse schneidet (s. Fig. 19 I).

Bei kurzgeschlossener Maschine lässt sich auch ohne viel Energieaufwand eine Dauerprobe der stromführenden Maschine leicht durchführen, aus welcher man Aufschlüsse über die Erwärmung der Armatur, des Kollektors und der Stromabnehmer erhält. Es wäre daher gerade

diese letztere Untersuchungsmethode x), selbst wenn die Belastung direkt untersucht werden kann, für alle Maschinen zu empfehlen.

Die Aufnahme der Potentialkurven ist nach der auf S. 323 und 374 angegebenen Versuchsanordnung wohl an allen Maschinen und ohne besondere Vorrichtungen leicht durchzuführen. Um Irrtümern vorzubeugen, untersucht man vor dem Versuche die Polarität der Bürsten, an welchen die Potentialkurven aufgenommen werden und legt ein für allemal bestimmte Vorzeichen für die Auftragung der Potentiale fest. In der vorliegenden Arbeit (s. Fig. 7) beziehen sich die positiv bezw.

Fig. 26.

Fig. 25.

s.e

iï/

it tj es

x.

US

CA

JL

t,s

rctf

Bürstenpotentialkurven, an verschiedenen Bürstenstiften gemessen.

I negative, II positive Bürste.

Einfluss der Temperatur.

Kurve I im kalten Zustande, J = 100 Amp.

Kurve II im warmen Zustande, J = 100 Amp.

negativ aufgetragenen Werte für Px stets auf das Potential der Bürste.

Wesentlich ist ferner noch die Beschaffenheit des Kollektors und das gleichförmige Aufliegen sämtlicher Bürsten. An Kollektoren, die geschmiert werden, oder die durch die Bürsten angefressen bezw. stark geschwärzt sind, kann man keine brauchbaren Messresultate erzielen. Bei Maschinen mit vielen Bürstenstiften ist es ferner zweckmässig, die Potentialmessungen an verschiedenen Bürsten vorzunehmen, da in diesem

Falle die Bürsten einerseits gegenseitig verschoben sein können, andererseits nicht alle Bürstenstifte gleichförmig an der Stromabnahme teilnehmen könnten. Bei Schleifenwicklungen können derartige Unsym-metrieen nur durch ungleiche, von den Polen austretende Kraftflüsse, oder durch excentrische Lagerung des Ankers hervorgerufen werden.

Bei Wellenwicklungen hingegen ist letzteres ganz besonders zu beachten, da dieselben aus nicht in sich abgeschlossenen, sondern aus durch die Bürsten verketteten Stromkreisen bestehen. Die Gesamtstromstärke verteilt sich dann, wenn keine Aequipotentialverbindungen vorhanden sind, auf die einzelnen Bürstenstifte, entsprechend dem reciproken Werte der Widerstände der einzelnen Bürstensätze¹). Ist also ein Bürstensatz weniger gut eingelaufen, so nimmt er weniger Strom ab als der benachbarte. Bei einer Maschine für 65 KW. p = 3 und a = 3, wurden so z. B. für zwei benachbarte Bürstenstifte die in Fig. 25 dargestellten Potentialkurven bei einer gelieferten Stromstärke von J = 355 Amp. erhalten. Unter Einfluss der grösseren Stromdichte werden sich nun auch die betreffenden Bürsten erwärmen, wodurch bei Kohlenbürsten der Widerstand rasch abfällt und die Stromabnahme vom Kollektor nur noch ungleichförmiger wird. Dadurch erklärt sich auch, dass bei solchen Maschinen mitunter während des Betriebes der eine oder der andere Bürstensatz

Die Potentialkurven, die an der

plötzlich zu feuern anfängt.

Versuchsmaschine einmal bei kalten Kohlen, das anderemal bei durch den Stromdurchgang erwärmten Kohlen gemessen wurden, zeigt die Fig. 26.

Es geht schon daraus hervor, dass bei der Untersuchung der Bürstenpotentiale auch auf eine stationäre Temperatur Rücksicht genommen werden muss.

Beispiel für die Untersuchung der Kommutation.

Im folgenden soll an der Hand eines Beispieles kurz der Gang einer solchen Untersuchung erläutert werden.

Zur Untersuchung gelangte eine von einem Gasmotor angetriebene 22 KW.-Maschine für 120 bis 170 Volt und n = 188. Es ist p = 4, a = 1, Reihenschaltung, N = 346, Z = 173, K — 173, AS = 145,

T (1 — Oj)

ai =

21,5

29,9

= 0,72,

= oo 6,

4 Bürstenstifte mit je 4 Kohlenbürsten (le Carbone, Sorte o)

Breite bj = 1,7 cm,

Länge = 3,0 cm,

= 4,9 Amp./cm².

200

Su =

2 . 4 . 1,7 . 3

Vor Beginn der Versuche lief die Maschine mit normaler Be-lastung während 3 Stunden. Die Bürstenpotentialkurven wurden an der positiven und negativen Bürste aufgenommen. Als Spannungsmesser diente ein Präcisions-Millivoltmeter von Siemens & Halske mit 100 Ohm

Fig. 27.

-f 195

180 -

235

*770

-s FisnsäV-äL

' ~~m à

¹⁰ h*—29-—J fS

r<-17—k 12346Ç

oooooc

V\

Widerstand. Die Potentiale wurden zwischen zwei Spitzen gemessen, wovon die eine jeweils an einen der auf der Kohle markierten Punkte (Fig. 27c), die andere auf das am glatten Kollektorumfange deutlich sichtbare Spiegelbild der entsprechenden Kohlenmarke gehalten wurde.

1. Untersuchung bei normal erregter Maschine.

Durch einen Vorversuch wurde die Bürstenstellung ermittelt, bei welcher für Halblast J = 100 Amp., Ek = 120 Volt, die Potentialkurve am flachsten und annähernd geradlinig verlief. Die bei der so gefundenen Bürstenstellung und bei konstanter Klemmenspannung Ek = 120 Volt für die Ströme J = 100, 150, 200 und 236 Amp. aufgenommenen Bürstenpotentialkurven zeigt Fig. 28 a. (In derselben sind bloss die für die positive Bürste erhaltenen Werte aufgetragen, da die an der negativen Bürste erhaltenen im charakteristischen Verlaufe dem Spiegelbild in Bezug auf die Abscissenachse entsprechen.)

Bei 236 Amp. lief die Maschine mit minimaler Funkenbildung, zwischen Normallast und Leerlauf funkenfrei. Die im Verlauf der

0,6

44 Jk'm 44 ^

J-0

GS

J-WO

0.4

0,6

0,6

f*

iS

i4

<6

it

Fig. 28 c.

I 0 's

X\

J.O

J^fOO

Jję^lSO

Jk=2oo

+PxVott

^    ^ ki    o<

>v    sa»

OS

0,6

0,f Of™

iO

iS

i4

Fig. 28 a.

X\

J~o

Kurve I:

„ II:

„ III:

28 b.

. . . J = 100 Amp. . . . J = 150    „

... J = 200    „

T,

Jk-m

-Px Volt

Untersuchung bei für Halblast richtig eingestellten Bürsten und normaler Erregung.

Untersuchung bei für Halblast richtig eingestellten Bürsten und kurzgeschlossener Armatur.

2.0

ntt

Untersuchung bei Kurzschluss und bei in geometrisch neutraler Zone stehenden Bürsten.

Potentialkurven bei zunehmender Belastung ausgeprägte zunehmende Verzögerung des Kommutierungsvorganges ist hier sehr gering.

2. Untersuchung der Maschine hei kurzgeschlossener

Armatur.

Die Bürsten wurden in die geometrisch neutrale Zone eingestellt, welche Bürstenstellung einerseits bei stillstehender Maschine, andererseits durch die Aufnahme der Bürstenpotentialkurve J = 0 (ia = 0) (Fig. 28 c) bei offener Armatur und fremder Erregung mit dem normalen Erregerstrom ermittelt wurde. Indem man nun bei kurzgeschlossenen Klemmen die Maschine jeweils so weit erregt, dass die Ströme Jk = 100, 150 und 200 Amp. im Anker fliessen, erhält man die in Fig. 28 c dargestellten Potentialkurven. Die Maschine lief bei Jk = 150 Amp. (³/é der normalen Belastung) an der Funkengrenze (minimale Funken), hei Jk = 200 Amp. (normaler Strom) mit schwacher Funkenbildung.

Auch die so erhaltenen Kurven zeigen die verhältnismässig geringe Variation des Feldes bei der Belastungsänderung. Um die Untersuchung zu vervollständigen, sind auch noch in Fig. 28b die bei der für Halblast richtigen Bürstenstellung und bei kurzgeschlossener Armatur für die Ströme Jk = 100, 150 und 200 Amp. gemessenen Bürstenpotentialkurven aufgetragen, welche, mit der bei Leerlauf und normaler Erregung erhaltenen Kurve superponiert, genau dasselbe Bild über die Feldvariation ergeben, wie das bei normaler Belastung gefundene. Die Verstellung der Bürsten zwischen der neutralen Zone und der für Halblast richtigen Bürstenstellung betrug, am Kollektorumfange (Dk . rc

1,8

= 2,32 La-

0,77

= 45 . tu = 141,5 cm) gemessen, nur 1,8 cm, d. h. ca. mellenbreiten.

Fasst man die sich hier ergebenden Resultate zusammen, so kann man die Maschine in Bezug auf Kommutationsverhältnisse als sehr günstig bezeichnen.

X. Untersuchung der Uebergangswiderstände von ttupferbürsten.

Ueber die experimentelle Untersuchung von Kupferübergangswiderständen liegen in der Litteratur die Beobachtungswerte von Prof. Arnold, E.T.Z. 1899, S. 5, Dettmar, E.T.Z. 1900, S. 429 und Hellmund, E.T.Z. 1902, S. 824 vor.

Im folgenden soll daher nur das über die Uebergangswiderstände gesagt werden, was für die Beurteilung derselben für den Kommutierungsvorgang bei Kupferbürsten, insbesondere für die Betrachtung des Wider-

Den Uebergangswiderstand zwischen einer Kupferbürste und einem rotierenden Kollektor oder Schleifring wollen wir als Verhältnis von gemessenem Spannungsabfall zwischen Bürste und Kollektor zu dem übertretenden Strome definieren, welcher den

Standes des Kurzschlussstromkreises und der Uebergangsverluste notwendig ist.

ersteren erzeugt.

Dieser so erhaltene Widerstand auf die Flächeneinheit der Auflagerfläche reduziert, ergibt den spezifischen Uebergangswider-stand Rk.

Die Versuche wurden mit Kupfergazebürsten durchgeführt. Der Auflagerdruck wurde sowohl bei ruhendem, als rotierendem Kollektor mittels einer Wage gemessen, an deren einem Balken die Bürste befestigt war. Auf die Schale des anderen Balkens wurden immer so viel Gewichte gelegt, bis sich die Bürste vom Kollektor abhob und den schmalen Lichtspalt¹) einer in der Visierebene aufgehängten Glühlampe sehen liess. Nun wurden wieder so viel Gewichte abgenommen, bis sich die Bürste auf den Kollektor ohne Druck auflegte und der Lichtspalt verschwand. Die halbe Differenz aus den Gewichten, die aufgelegt wurden, bis sich die Bürste abhob, gegen die, bei welchen sich die Bürste wieder aufsetzte, ergab den Auflagerdruck, der im folgenden stets auf 1 cm² der Auflagertiäche reduziert wurde.

Die genaue Bestimmung der Auflagerfläche ist bei Kupferbürsten schwierig, da sich die Bürstenkanten stets etwas ausfransten und auch infolge des losen Geflechtes sich oft einzelne Schichten loslösten und so Zwischenräume bildeten, welche die Auflagerfläche unterbrachen. Nach jedem Versuche wurden daher die Bürsten abgenommen, die Auflagerflächen mit feinem Graphitstaube bestreut und der so auf Papier erhaltene Abdruck mehrmals planimetriert.

Die Versuchsanordnung war die folgende. Auf einem isolierenden Bürstenstift wurden die beiden Bürstenträger so aufgesetzt, dass die auf- und ablaufenden Bürstenkanten in Bezug auf die Längsrichtung des Kollektors sich deckten. Die Stromzufuhr erfolgte von den Bürstenträgern aus, die Messung des Spannungsabfalles in den beiden in Serie geschalteten Uebergangsschichten durch ein Weston-millivoltmeter. Die Drähte für die Spannungsmessung waren unmittelbar oberhalb der Auflagerfläche von der Bürste abgezweigt.

Die Fig. 29 zeigt den spezifischen Uebergangswiderstand Rk in

x) Dr.-Ing. M. Kahn, Der Uebergangswiderstand von Kohlenbürsten (Enke). Sammlung elektrotechnischer Vorträge. V.

Abhängigkeit von der Stromdichte su bei konstanter Kollektorgeschwindigkeit Vfc = 0,11 ni pro Sek. und Vk = 0, (Kurven I und II). Der Auflagerdruck musste hier etwas gross, gleich 280 g pro cm² gewählt werden, da infolge der stark vibrierenden Bürstenstifte eine Messung bei niederem Auflagerdrucke nicht möglich war. Dieser Auflagerdruck brachte mit sich, dass sich der Kollektor etwas rauh schliff. Von einem Oelen des Kollektors wurde Abstand genommen, da in diesem Falle eine Messung zu unzuverlässig schien und trotz mehrfacher Versuche keine diskutierbaren Kurven erhalten werden konnten. Ebenso musste von einer Messung der Widerstände einer einzelnen Uebergangsschicht zum Zwecke des Studiums des verschiedenen Verhaltens bei Uebertritt

Fig. 29.

Otim/zerc/7?

Si-

0,0020

to

■fS

zo

⁸⁶

Abhängigkeit des Uebergangswiderstandes Rk von der Stromdichte su. Auflagerdruck 280 g pro cm².

Kurve I : vp = 0,11 mjSek. ; Kurve II: Vk = 0; Kurve III (Hellmund): Vk = 8 ni/Selc.

des Stromes von Kollektor zur Bürste und umgekehrt abgesehen werden, da sich wegen der Kleinheit der hier zu messenden Grössen ein Unterschied nur unsicher fesstellen liess.

Bei der wiedergegebenen Kurve Fig. 29, I und II (Tabelle untenstehend) betrug die Auflagerfläche der einen Bürste 0,99 cm², die der anderen 0,9 cm². Als Mittelwert wurde Fu = 0,945 cm² eingeführt. Es ist demnach

und

Rk =

su = Amp./cm²

Fu

2 . su

Ohm eines cm²,

wenn i den Strom in Amp. und e die gemessene Spannung an zwei hintereinander geschalteten Uebergangsschichten in Volt darstellt.

Aus Beobachtung berechnet

Aus Kurve I (Fig. 29)

su =

1,058 i

Rk

c°

Rk

Su

Rk

Pg —

su • Rk Volt

Temperatur

23,1

24,75

26,5

23,1

20,2

17,95

16,71

15,9

13,85

0,001212

0,001222

0,001298

0,001318

0,001360

0,001455

0,001478

0,00147

0,001525

to M CO 05 CO œ « to Or CO CO CD tO

0,001605

0,001647

0,001656

0,001772

0,00184

0,002163

0,00212

0,0215

5,0

7,5

10,0

12,5

15,0

17,5

20,0

22,5

25,0

0,00199

0,00182

0,00167

0,00158

0,00149

0,00142

0,00135

0,00131

0,00127

9,96. 10-3

13.65.10- 3

16.7    .10-3

19.75.10- 3

22.35.10- 3 24,9 .10-3 27,0 .10-3 29,5 .10-3

31.7    .10-3

Zu Beginn der Versuchsreihe 35° C., zu Ende 35,6 ⁰ C. (gemessen Bürste und Kollektor), Auflagerdruck 280 g/cm²

an

Bilden wir aus der Kurve Rk = f (su) (Kurve I) die Abhängigkeit zwischen su . Rk und su, und tragen wir diese Funktion graphisch auf, so erhalten wir die in Fig. 30 mit G markierten Punkte.

Nun können wir die Abhängigkeit zwischen Rk und su durch die

Gleichung

ausdrücken, worin a und ß Konstanten sind, die von der Beschaffenheit der Auflagerflächen, dem Bürsten- bezw. Kollektormaterial und dem Auflagerdrucke abhängen.

Diese Gleichung auf die Kurve C (Fig. 30) angewendet, ergibt für a = 0,0064

und

ß = 0,00103,

so dass

Rk =

+ 0,00143.

s„

Diese Formel gibt für Stromdichten unter 7 Amp./cm² etwas zu grosse Werte, während sie für die normalen Stromdichten

10 bis 25 Amp./cm2 sehr gute Uebereinstimmung liefert.

0 Siehe Arnold, Bel. I, S. 487.

In Fig. 30 sind noch Beobachtungswerte, welche aus den Versuchen von Prof. Arnold, Dettmar und Hellmund entnommen wurden, durch die Beziehungen Rk su = f (su) zusammengestellt.

Die Ergebnisse verschiedener Beobachter zeigen vor allem, dass die Differenzen innerhalb der gemessenen Werte sehr beträchtlich sind. Dettmar erhielt die grössten Werte für den Uebergangswiderstand, der Verfasser die kleinsten. Die Grössenordnung der von mir gemessenen Uebergangswiderstände stimmt mit den von Hellmund auf rauher, trockener Gleitfläche gemessenen überein, nur erhielt Hellmund den Widerstand als unabhängig von der Stromdichte (s. Fig. 29, Kurve III).

Ermittelt man die Konstanten a und ß für die dargestellten Versuchsergebnisse, so ergibt sich für die Resultate von:

Prof. Arnold .    . . Rk —

0,0064

Su

-f- 0,004 (Kurve A)

Dettmar

•    • Rk =

0.1

Su

-f- 0,008 (Kurve D)

Hellmund. .    .    . Rk =

0,1-275

su

+ 0,0024 (Kurve H)

Verfasser .    .    .    . Rk =

0,0064

su

+ 0,00103 (Kurve C)

Diese gelten im allgemeinen für die Stromdichten zwischen 6 und 35 Amp./cm².

Sei Pg = Rk . su = a -j- ß • su, so erhalten wir für die Potentialdifferenz Pg bei zeitlicher und entlang der ganzen Auflagerfläche konstanter Stromdichte su die Gleichungen :

Beobachter Prof. Arnold . .    . Pg = 0,0064 -f- 0,004 su

. . Pg — 0,1    -f* 0,008 su

„ Dettmar

„    Hellmund.    .    .    .    Pg = 0,1275 -j- 0,0024 su

*    Verfasser .    .    .    .    Pg = 0,0064 + 0,00103 su

Während bei Kohlenbürsten Pg = RkSu mit grosser Annäherung konstant gesetzt werden konnte, ist dies bei Kupferbürsten nicht zulässig, weil bei den hier auftretenden grossen Stromdichten, bis zu 30 Amp./cm², der Teil der Potentialdifferenz, der von ß . su herrührt, grösser ist, als der konstante, von der Stromdichte unabhängige Teil. Wie wir aus diesen Gleichungen ferner noch sehen können, schwankt a zwischen

0,0064 und 0,1275,

0,008 und 0,00103

während ß nur zwischen

variiert.

Hieraus können wir schliessen, dass in der Grösse a zum grössten Teil der Einfluss der Gleit-flächenbeschaffenheit, also der Einfluss der Reibungsverhältnisse liegt, während der absolute Wert von ß offenbar nur das Material in Bezug auf seine Leitfähigkeit berücksichtigt. Tatsächlich ist die Konstante a, wie aus den Versuchen von H e 11 m u n d hervorgeht, bei vollständig rauher Auflagerfläche sehr klein, sogar Null, während sie bei vollständig glatter Auflagerfläche den Wert 0,1275 erreichen kann.

Dies sagt mit anderen Worten, dass, abgesehen von Temperatureinflüssen, die Abhängigkeit des Ueber-gangswiderstandes von der Stromdichte bei rotierendem Kollektor oder Schleifring, nur bei deutlich aus gebildeter homogen er Ueber-gangsschicht (Grenzschicht) besteht ; wo diese durch kleine Unebenheiten der Gleitfläche, welche durch das Einschleifen der Kupferbürsten entstehen, sich nicht ausbilden kann, verschwindet das Charakteristikum für die Abhängigkeit zwischen Uebergangswiderstand und Stromdichte. Bei Kohlen-

ÇS5

0,s

Qt

QOg

QOt

OfiO

l'l

/H_

cp

Fig. 30.

10

Zo

JO

40

Die von verschiedenen Beobachtern erhaltenen Beziehungen zwischen Bk su und su.

bürsten sind die Gleitflächen glatt und die Uebergangsschicht homogen, weshalb auch hier die Erscheinung sehr stark ausgeprägt ist. Inwiefern die Temperatur die absoluten Werte von a und ß beeinflusst, wurde nicht festgestellt ; doch scheint dieselbe nur auf die Konstante ß einzuwirken, und zwar wird bei Kupferbürsten nach Massgabe des positiven Temperaturkoeffizienten die Abhängigkeit des Uebergangswiderstandes von der Stromdichte mit zunehmender Temperatur abnehmen.

Das Verhalten des Uebergangswiderstandes bei konstanter Stromdichte, konstantem Auflagerdruck und variabler Geschwindigkeit ist aus Fig. 31 zu ersehen. Der Widerstand steigt hiernach erst an, erreicht ein Maximum bei ca. 4 m pro Sek. und geht dann nach und

Fig. 31.

Ohmpmcvi¹

f,om

2    4    S f w m/iroSek.

Abhängigkeit des Uebergangswiderstandes von der Kollektorgeschwindigkeit. su = 14,37 Amp.|cm² konstant. Auflagerdruck = 280 g|cm².

nach in einen konstanten Wert über. Diese Variation wird ausschliesslich, wie auch schon die Versuche von Prof. Arnold zeigen, nur durch das Verhältnis der Schwingungen der Maschine zur Eigenschwingung der Bürste bedingt. Hierfür ist die Kollektorbeschaffenheit, die Konstruktion und das Gewicht der Bürstenhalter massgebend. Bei den vorliegenden Bürstenträgern kann der Ueber-gangswiderstand bei Geschwindigkeiten von über 5 m pro Sek. als unabhängig von der Geschwindigkeit angesehen werden.

Was nun die Uebergangswiderstände bei sowohl zeitlich, als auch örtlich entlang der Bürstenfläche variierender Stromdichte anbetrifft, so können wir uns die bei rotierendem Kollektor auftretenden Verhältnisse nicht in der Weise hersteilen, um sie getrennt von allen Induktionsvorgängen untersuchen zu können.

Führen wir jedoch die Beziehung

Rt = -5- ₊ ß

SU X

auch für eine nach der Zeit variierende Stromdichte ein, wobei wir jetzt den Momentanwert der Stromdichte betrachten, so können wir aus den Bürstenpotentialkurven a und ß bestimmen, a entspricht der konstanten Potentialdifferenz eu¹) und ß dem spezifischen Widerstand (Rw Sn)

Rw =

Su

Die Grösse Rw erhielt man bei Kohlenbürsten als annähernd umgekehrt proportional der effektiven Stromdichte su eff, also muss Rw su eff = P\v = konstant

sein. Bei den angeführten Versuchen (s. S. 341) erhielten wir für Poemen annähernd konstanten Wert und zwar war für die untersuchte Kohlensorte Pw ^ 0,455 Volt.

Bei Kupferbürsten trifft dies jedoch nicht zu. Bilden wir für einige Werte von sueff und Rw (s. S. 332 u. f.) das Produkt Pw:

Su eff —- 10,61

Su eff — 13,5 Su eff — 22,35 Su eff — 23,9 Su eff — 23,0

so sehen wir, das Pw im wesentlichen mit su eff zunimmt. Die Abhängigkeit dieser beiden Grössen kann man wegen der Kleinheit der hier zu messenden Grössen, und ferner wegen der unsicheren Bestimmung von eu durch eine Funktion nicht genau feststellen. Wir begehen jedoch keinen grossen Fehler, wenn wir bei Kupferbürsten Rw als unabhängig von su eff betrachten und als Mittelwert für die Potentialdifferenz zwischen Bürste und Kollektor die Beziehung

Pg = 0,0065 bis 0,1 + 0,005 su Volt,

bezw. für den spezifischen Widerstand

4 0,005 Oii in

Kk —

0,0065 bis 0,1

su

ansehen. Die erhaltenen Werte für Rw entsprechen dann auch den durch die Messung der Uebergangswiderstände bei konstanter Stromdichte ermittelten Werten für ß.

XL Verschiedenes Verhalten der positiven und negativen Bürsten.

Betrachten wir die aus den Bürstenpotentialkurven ermittelten Werte für Rw bei Kupfergazebürsten, so erkennen wir, dass dieselben für eine und dieselbe Bürste für die Stromrichtung Bürste-Lamelle

b Siehe auch S. 357.

und für annähernd die gleiche Stromdichte su und su eff kleiner aus-fallen, als für die umgekehrte Stromrichtung (s. Versuche bei der als Motor laufenden Maschine S. 335 und bei der als Generator laufenden Maschine S. 329 u. f.)

Der Grund zu diesem Verhalten kann nur in Verschiedenheiten der Uebergangswiderstände je nach der Stromrichtung gesucht werden.

Derartige Verschiedenheiten wurden auch von Prof. Sengel (E.T.Z. 1897, S. 527) und von Dr.-Ing. M. Kahn ( „Uebergangswider-stände von Kohlenbürsten“) beobachtet. Beide Beobachter fanden, dass die aus dem Uebergangswiderstände bei der Stromrichtung Bürste-Lamelle gemessenen Spannungsdifferenzen kleiner waren, als die bei gleicher Stromdichte und entgegengesetzter Stromrichtung erhaltenen.

Ein sehr interessanter Fall wurde bei einer grossen Elektrolytmaschine mit zwei Kollektoren, einer für die positiven, der andere für die negativen Bürsten beobachtet. Man fand hier, dass der positive Kollektor in kurzer Zeit sehr heiss wurde, während sich der negative nur wenig erwärmte. Die Stromdichten waren für die aufgelegten Kupferbürsten als zulässig zu betrachten und auch die Kollektoren waren in Bezug auf Material und Dimensionen gleich. Eine wirksame Abhilfe war erst geschaffen, nachdem man die Armatur umwickelte und bei denselben Bürstendimensionen auf jeden Kollektor sowohl positive als negative Bürsten auflegte.

An zwei Maschinen, die sowohl mit Kupfer- als auch Kohlenbürsten liefen, wurden diesbezügliche Versuche angestellt. Aus denselben ergab sich, dass bei konstanter Bürstenstellung und Steigerung der Stromstärke bis zur Funkengrenze das Auftreten einer Funkenbildung zuerst an den positiven Bürsten beobachtet werden konnte. Die Unterschiede sind jedoch sehr gering und konnten nur für die Belastungen bezw. Bürstenstellungen beobachtet werden, bei welchen die Maschinen gerade an der Funkengrenze arbeiteten.

XII. Grösse der Funkenspannung.

Bei einer bestimmten Potentialdifferenz zwischen Bürste und Kollektor tritt Funkenbildung auf. Diejenige Spannung, bei welcher zwischen ablaufender bezw. auflaufender Bürstenkante und dem gegenüberliegenden Punkt am Kollektor eine Funkenbildung gerade noch bemerkt werden kann, wollen wir als Funkengrenze bezeichnen.

Um die Funkengrenzen festzustellen, wurden an Hand der bei den verschiedensten Bürstenstellungen, Belastungen und Geschwindig-

keiten, sowohl bei Kupfergaze- als auch Kohlenbürsten aufgenommenen Bürstenpotentialkurven die Spannungen an den Bürstenkanten untersucht. Im folgenden sind die erhaltenen Ergebnisse zusammengestellt. Die Vorzeichen beziehen sich stets auf das Potential der Bürste, a) Kupfer gazebürst en.

Mittleres Feuern

Funkengrenze (gerade noch bemerkbare blaue Perlen)

Deutliches Funken entlang der ablaufenden Kante

Feuern unter ablaut ender Kante und seitlichen Kanten, mitunter Spritzen

Volt:

-0,128    +0,15

—    0,08    +0,141

-0,177    +0,174

-0,186 +0,18

—    0,116    +0,19

+ 0,24

Volt:

—    0,186    +0.243

—    0,297    + 0,31

—    0,171 -0,24

—    0,297

Volt:

+ 0,381    — 0,33

+ 0,36    — 0,35

+ 0,4 + 0,35

Volt:

+ 0,4 + 0,42 + 0,438 + 0,4 + 0,55

+ 0,8

0,15 bis 0,22

0,18 bis 0,29

0,35

0,4 bis 0,55

Hiernach liegt die Funkengrenze für Kupfergazebürsten zwischen 0,15 bis 0,22 Volt.

Bei Spannungen über 0,25 Volt ist die Funkenbildung in jedem Falle deutlich zu bemerken. Zwischen 0,35 und 0,5 Volt beobachtet man Funken und „Spritzen“ und eine rasche Erwärmung des Kollektors. Schon bei Spannungen von über 0,3 Volt wird durch das Feuern das Bürstengewebe zerstört, wodurch, wenn bei den entsprechenden Belastungsverhältnissen keine Aenderung der Bürstenstellung vorgenommen wird, die Funkenbildung durch das Ausfransen der Bürste sehr rasch zunimmt.

b) Bei Kohlenb ürsten ist die Funkenspannung innerhalb noch weiterer Grenzen variabel. Hier spielt die Kollektortemperatur, Kol-lektorbeschatfenheit und das Kohlenmaterial eine wesentliche Rolle.

Aus eingehenden Versuchen, die hierüber mit „le Carbone“-Kohle, Sorte oo, angestellt wurden, sollen nur einige Werte angeführt werden. Hiernach konnte die Funkengrenze beobachtet werden:

Funkengrenze:

DO to CO to tc ot ćo b

Hp*- Ot Ot

1,11 Volt

-    0,85 „

-    0,97 „

- 1,8 „ — 1,96 „ 2,15 „

Als mittlere Grenzwerte können wir

1,8 bis 2,7 Volt

einführen. Bei Spannungen über 3,0 Volt tritt unter allen Umständen deutlich bemerkbare Funkenbildung auf.

Betrachten wir die gemessenen Potentialdifferenzen mit Rücksicht

bezeichneten Werte grösser

auf ihr Vorzeichen, so erkennen wir, dass sowohl bei Kupfer- als auch Kohlenbürsten die mit

sind als die mit — bezeichneten.

Die mit dem -f- Vorzeichen bezeichnete Potentialdifferenz entspricht der Stromrichtung Bürste-Lamelle.

Bei der Funkenbildung haben wir es offenbar nur mit einer Lichtbogenbildung zu tun, weshalb auch diese Erscheinung nur auf die verschiedenen Leitfähigkeiten des Lichtbogens, je nach der Stromrichtung, zurückzuführen sein wird.

Verschiedene Beobachter fanden, dass im Gleichstrombogen Metall-Kohle die Leitfähigkeit des Bogens grösser ist, wenn der Strom vom Metall zur Kohle fliesst, als in umgekehrter Richtung und bei der gleichen Stromstärke.

Einige Versuchs werte von Arons¹) mögen dies illustrieren. Ist Kupfer Anode und Kohle Kathode, dann wurde bei 7 mm Bogenlänge eine Spannung von 60 Volt, und für Kohle als Anode und Kupfer als Kathode dieselbe Spannung bei einer Bogenlänge von nur 4 mm beobachtet. Bei einer konstanten Bogenlänge und Stromstärke bildet sich sonach der Lichtbogen für die Stromrichtung Kohle-Kupfer (Bürste-Lamelle) erst bei einer grösseren Spannung, als für die umgekehrte Stromrichtung.

Dies steht nun auch im Einklänge mit den beobachteten Funkenspannungen²). Für die Stromrichtung Bürste-Lamelle (Kohle-Kupfer z. B.) bildet sich ein bemerkbarer Lichtbogen erst bei einer Spannung von ca. 2,2 Volt, für die umgekehrte Stromrichtung schon bei einer Spannung von ca. 1,5 Volt. Dasselbe Verhalten kann auch bei Kupfergazebürsten beobachtet werden, nur sind hier die Differenzen nicht so beträchtlich.

5 Wiedemanns Annalen 1896, 57, 185.

²) Die auf S. 384 angeführte Beobachtung dürfte hiernach dadurch zu erklären sein, dass bei konstanter Bürstenstellung und zunehmender Belastung (Verzögerung der Kommutation) für die ablaufenden Kanten der positiven Bürsten rasch zunehmende, mit — bezeichnete Potentialdifferenzen entstehen. Bei diesen Funkenspannungen tritt nun eine Lichtbogenbildung schon bei kleineren Werten auf, als bei den mit -f- bezeichneten.

Inwieferne diese Variationen der Funkenspannung mit den Aende-rungen des Uebergangswiderstandes Rw¹) bezw. Rk im Zusammenhänge stehen, kann hier nicht untersucht werden, und es soll hier nur die Tatsache angeführt werden, dass derartige Verschiedenheiten bemerkt wurden.

Die Erklärung dieser Erscheinungen kann ohne genaue Kenntnis der Eigenschaften der Uebergangsschicht (Polarisationswirkungen, Fritterwirkungen?) einerseits, und der Eigenschaften dieses speziellen Falles einer Lichtbogenbildung andererseits, in exakter Form nicht gegeben werden.

Soweit es sich übrigens um normale Maschinen handelt, kommen diese kleinen Verschiedenheiten der Potentialdifferenzen unter der positiven und negativen Bürste gegenüber den übrigen, für den funkenfreien Lauf massgebenden Grössen nicht in Betracht.

Bei Elektrolytmaschinen für sehr grosse Stromstärken könnte man diese Erscheinung in der Weise berücksichtigen, dass man die Auflagerfläche der positiven Bürsten vergrössert.

Schluss.

Die vorliegende Arbeit möge in erster Linie bezwecken, einige Einblicke in die experimentell nur schwer zugänglichen Kommutierungsprobleme zu geben. Nun bietet gerade die Kommutierung, bei welcher gleichzeitig so mannigfache und verschiedenartige physikalische Vorgänge Zusammenwirken, noch ein reichliches Feld zu eingehendem Studium auf experimenteller Grundlage.

Bei der Aufnahme der Bürstenpotentialkurven wurden die Potentialdifferenzen stets zwischen gegenüberliegenden Punkten der Bürste und des Kollektors gemessen. Auf eine Beobachtung und Behandlung der Kurven, die sich entlang der Bürstenbreite und in der Fortsetzung entlang des Kollektorumfanges ergeben, wenn man zwischen einem festen Punkte auf der Bürste und einer entlang des ganzen Kollektorumfanges verschiebbaren Hilfsbürste die Potentialdifferenzen misst, wurde

(Rw Sn)

b Für den Uebergangswiderstand Rw =

Bürste-Lamelle erhielten wir kleinere Werte, als für die umgekehrte Richtung. Der Stromrichtung Bürste-Lamelle entspricht also der kleinere Uebergangswiderstand und die kleinere Leitfähigkeit für den Lichtbogen. Inwieweit sich nun mit den Aenderungen des Uebergangswiderstandes auch die zusätzlichen Ströme ändern, entzieht sich jeder Betrachtung.

Su

bei der Stromrichtung

nicht weiter eingegangen. Diese Bürstenpotentialkurve muss dann das durch die Vorgänge unter der Bürste beeintiusste Stück der Kollektorpotentialkurve (Summationskurve) darstellen und in dieselbe übergehen, was auch für verschiedene Fälle bereits experimentell bestätigt wurde.

Eine bedeutende Vervollkommnung der hier verwendeten Methode zur Aufnahme der Kurzschlussstromkurven könnte durch Verwendung eines D udellschen Oscillograph en erreicht werden, welcher mit genügender Genauigkeit den der Kurzschlussdauer entsprechenden Bruchteil einer vollen Umdrehung zu beobachten gestattet.

Die vorliegende Arbeit wurde im Mai 1903 der Technischen Hochschule zu Karlsruhe als Doktor-Dissertation eingereicht. Die experimentellen Untersuchungen wurden im Elektrotechnischen Institut der Technischen Hochschule zu Karlsruhe in der Zeit zwischen Herbst 1901 und Ende 1902 ausgeführt.

Die Anregung zu dem behandelten Thema verdanke ich Herrn Hofrat Professor E. Arnold, der mich auch während der Durchführung der Versuche stets in liebenswürdigster Weise mit seinem Rate unterstützt hat. Ihm, sowie Herrn Professor Dr. A. Schleiermacher sage *

ich an dieser Stelle meinen besten Dank für das mir bewiesene Entgegenkommen.

V*

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