Entwicklung des Kommutatorankers

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1 6.2 GSM: Kommutatorwicklungen Seite 1 Entwicklung des Kommutatorankers Die Wicklung des Ankers der gedachten Gleichstrommaschine besteht aus nur einer Spule (Durchmesserspule). Die Ankerspule dreht sich in einem vom konstanten Erregerstrom I E erzeugten Luftspaltfeld B gemäß Bild Bild 6.2-1: Rotierende Ankerspule in einem vom konstanten Erregerstrom erzeugtem Feld Bild 6.2-2: Drehung einer Ankerspule im Erregerfeld Der prinzipielle Verlauf der induzierten Spannung ist in Bild dargestellt. Der Kommutator schaltet -unabhängig vor der Rotorlage- immer die unter dem Nordpol stehende Spulenseite auf die positive Bürstenklemme, die unter dem Südpol stehende auf die negative Bürstenklemme. Es entsteht eine Gleichspannung!

2 6.2 GSM: Kommutatorwicklungen Seite 2 Im Bereich wo keine Spannung in die Spule induziert wird, wird die Spule vom Kommutator kurzgeschlossen. Dieser Bereich wird neutrale Zone genannt. Bild 6.2-3: Kraftwirkung bei einer stromdurchflossenen Ankerspule im Erregerfeld Wird über den Bürsten ein Gleichstrom eingespeist, so sorgt der Kommutator dafür, dass die Stromrichtung in den Spulenseiten -unabhängig von der Rotorlage- in Bezug auf die Erregerpole immer gleich ist. In jeder Position des Ankers entsteht die gleiche Kraftrichtung. In der Spule selber fließt ein Wechselstrom, da der Kommutator in der neutralen Zone die Spule kurzschließt und die Stromrichtung umkehrt. Dieser Vorgang wird Stromwendung oder Kommutierung genannt. Die entstandene Gleichstrommaschine (Bild 6.2-3) ist für die praktische Anwendung noch unbrauchbar, da sie als Generator eine stark pulsierende Gleichspannung erzeugt und als Motor nicht aus jeder Position anläuft. Es ist anzustreben, durch Hintereinanderschalten von mehreren, gleichmäßig am Ankerumfang verteilten Spulen eine größere Gleichspannung mit verringerter Pulsation zu erhalten.

3 6.2 GSM: Kommutatorwicklungen Seite 3 Bild 6.2-4: Entstehungsprozess einer Kommutatorwicklung (zweipolige Maschine mit Durchmesserspulen, Schleifenwicklung) Die Kommutatorwicklung wird immer als Zweischichtwicklung ausgeführt. Anfang und Ende jeder Spule werden an zwei benachbarte Kommutatorstege angeschlossen (Bild 6.2-4a). Das Ende einer Spule und der Anfang einer am Umfang benachbarten Spule liegen am gleichen Steg. Die Anzahl der Kommutatorstege ist also gleich der Anzahl der Spulen (Bild 6.2-4b). Da das Ende der zuletzt angeschlossenen Spule auf jenen Kommutatorsteg trifft, an dem der Anfang der zuerst eingelegten Spule befestigt ist, entsteht eine in sich geschlossene Wicklung (Bild 6.2-4c).

4 6.2 GSM: Kommutatorwicklungen Seite 4 Bild 6.2-5:Nach außen in Erscheinung tretende Zusammenschaltung der Bürsten eines Kommutatorankers bei aufsitzenden Bürsten Die eintretende Bürste liege auf Lamelle 12, die Austrittsbürste auf Lamelle 6. Eine gedachte Linie durch die beiden Bürsten wird als Bürstenebene oder Bürstenachse bezeichnet (Bild 6.2-5a). Der Ankerstrom kann sich, ausgehend von Lamelle 12, in zwei Ankerzweige I und II aufteilen. Der Zweig I führt in die Oberlage der Nut 12, über den hinteren Stirnverbinder aus der Unterlage der Nut 6 heraus auf die Lamelle 1, welche keinen Kontakt zu den Bürsten hat. Von hieraus führt der Zweig in Nut 1 aus Nut 7 auf Lamelle 2, dann in Nut 2, usw. Es werden nacheinander alle Spulen eines Zweiges entgegen dem Uhrzeigersinn durchflossen (Bild 6.2-5b). Für den Zweig II gilt entsprechendes im Uhrzeigersinn (Bild 6.2-5c).

5 6.2 GSM: Kommutatorwicklungen Seite 5 Betrachtet man den stromdurchflossenen Kommutatoranker in Bild 6.2-5c so erkennt man, dass auf der einen Seite der Bürstenebene alle Ströme in die Ebene hineinfließen, auf der anderen Seite heraus. Vereinfachend ist dies in Bild dargestellt. Bild 6.2-6: Kommutatoranker als Ganzes, a) Prinzipdarstellung des Kommutatorankers nach Bild 6.2-5; b) Einfluss der Bürstenlage auf die Verteilung der Durchlaufrichtungen Die Richtung der Durchflutung Θ liegt immer in der Bürstenebene, unabhängig von der Position des Ankers (Bild 6.2-6b). Die Bürstenebene ist ortsfest zum Stator und damit zu dessen Durchflutungszeiger. Die Lage der Ankerdurchflutung zur Statordurchflutung verändert sich also auch bei Drehung des Ankers nicht und liefert in jeder Stellung ein Drehmoment mit konstanter Richtung und Größe (bei genügend großer Anzahl von Spulen).

6 6.2 GSM: Kommutatorwicklungen Seite 6 Die Anzahl der Spulen des Ankers muss mit der Lamellenzahl oder Stegzahl K des Kommutators übereinstimmen. Die Nutzahl Q ist im Allgemeinen kleiner als die Lamellenzahl, so dass u K = (6.2-3) Q Spulenseiten einer Schicht nebeneinander in einer Nut liegen. Hat eine Spule die Windungszahl N S so ergibt sich eine Nutfüllung mit zn = 2 uns Leiterstäben/Nut (Bild 6.2-7). Die Gesamtzahl der Leiterstäbe am Ankerumfang z A ergibt sich zu z = 2uN Q = 2 KN. (6.2-4) A S S Bild 6.2-7: Querschnitt durch eine Ankernut einer großen Gleichstrommaschine

7 6.2 GSM: Kommutatorwicklungen Seite 7 Durchmesser und Sehnenwicklung In der üblichen Darstellung von Ankerwicklungen numeriert man die Leiterstäbe nach der Lamellenzahl und gibt Abstände in Lamellenschritten an. Eine Polteilung hat also einen Schritt von K 2 p Lamellen. Die Spulenweite y 1 der Durchmesserwicklung ergibt sich zu K y = 1 2p (6.2-5) Lamellen. Die gesehnte Wicklung hat eine Spulenweite von K y < 1 2p (6.2-6) Lamellen. Liegen die u Spulen einer Oberschicht auch in der Unterschicht in einer Nut so erhält man -fertigungstechnisch vorteilhaft - Spulen gleicher Weite. Hierfür muss der Nutschritt y 1 Q der Spule die Bedingung y y y Q 1 1Q = = 1 = ganze Zahl (6.2-7) u K erfüllen. Wicklungen mit Spulen gleicher Weite bezeichnet man auch als ungetreppte Wicklung. Wird die Bedingung (6.2-7) nicht erfüllt, so entsteht eine Treppenwicklung (Bild 6.2-8). Bild 6.2-8: Lage von Ober- und Unterschicht einer Spule, a) ungetreppte Wicklung mit y 1 = 24, y 1Q = 8; b) Treppenwicklung mit y 1 = 25, y 1Q = 8 / 8 / 9

8 6.2 GSM: Kommutatorwicklungen Seite 8 Schleifenwicklungen Bei der Schleifenwicklung wird das Ende der einen Spule unmittelbar mit dem Anfang der benachbarten Spule verbunden (verschaltet). Der Abstand der verschalteten Spulenseiten wird als Schaltschritt y 2 bezeichnet (Bild 6.2-9). Bild 6.2-9: Schaltung einer Schleifenwicklung a) Eine Windung pro Spule, N S = 1 b) N S = 2 Als Stromwendeschritt y wird der Abstand von zwei in Reihe geschalteten Spulen bezeichnet. Für die Schleifenwicklung gilt: y = 1 = y1 y. (6.2-8) 2 In Bild ist als Beispiel eine Schleifenwicklung einer vierpoligen Maschine mit einer Lamellenzahl von 16 und einer Nutzahl von 16, d.h. mit einer Spulenseite pro Nutenlage, dargestellt. Der Abstand der Bürsten y B ist gleich der Polteilung. Der Spulenschritt ergibt sich zu 4 Lamellen, der Schaltschritt beträgt 3 Lamellen.

9 6.2 GSM: Kommutatorwicklungen Seite 9 Bild : Schema einer vierpoligen Schleifenwicklung K = 16, Q = 16, u = 1, y1 = 4, y2 = 3, y = 1, y B = 4 Man erkennt, dass sich die gesamte Ankerwindungszahl bei der Schleifenwicklung in 2p parallele Zweige aufteilt. Die für die Ankerspannung maßgebliche Windungszahl ergibt sich also zu N KN S za = = 2p 4 p. (6.2-9) Der Ankerstrom teilt sich entsprechend auf, so dass der Spulenstrom über IA IS = (6.2-10) 2 p berechnet werden kann. Damit die gesamte Ankerwicklung sich in p parallel Ankerzweigpaare aufteilen kann, muss bei einer Schleifenwicklung die Nutzahl Q durch die Polpaarzahl teilbar sein. Bei fertigungsbedingten Unsymmetrien können die parallel geschalteten Ankerzweige Potentialdifferenzen aufweisen. Um Ausgleichsströme über die Bürsten zu vermeiden, werden häufig Ausgleichsverbindungen zwischen den Zweigen geschaltet.

10 6.2 GSM: Kommutatorwicklungen Seite 10 Wellenwicklungen Bei der Wellenwicklung (Bild ) verbindet man das Ende einer Spule mit dem Anfang einer gleichliegenden Spule des nächsten Polpaares. Nach nur p Spulen ist somit ein voller Umlauf um den Ankerumfang zurückgelegt. Bild : Schaltung einer Wellenwicklung a) N S = 1, b) N S = 2 Der Umlauf der p Spulen endet im Fall der ungekreuzten Wicklung eine Lamelle vor dem Anfang, d.h. für den Stromwendeschritt gilt K 1 y =, (6.2-11) p im Fall von gekreuzten Wicklungen K + 1 y =. (6.2-12) p Allgemein ergibt sich aus Bild y = y1 + y. (6.2-13) 2 Die Wellenwicklung vermeidet das Parallelschalten der Wicklungen nach Polpaaren. Es ergeben sich grundsätzlich nur zwei Ankerzweige: N KN z S A = = (6.2-14) 2 4 und IA I =. (6.2-15) 2 S

11 6.2 GSM: Kommutatorwicklungen Seite 11 Bild : Schema einer vierpoligen Wellenwicklung K = 17, Q = 17, u = 1, y1 = 4, y 2 = 4, y = 8, y B = 4, 25 Allgemeine Beziehungen Bezeichnet man die Anzahl der parallelen Ankerzweigpaare mit a so ergibt sich für die Schleifenwicklung a = p und für die Wellenwicklung a = 1. Damit lassen sich folgende allgemeine Beziehungen angeben: Windungszahl zwischen zwei Bürsten: N KN S za = = 2a 4 a, (6.2-16) Spulenstrom: IA IS =, (6.2-17) 2 a Windungszahl zwischen zwei Lamellen: N K = N p S (6.2-18) a

12 6.2 GSM: Kommutatorwicklungen Seite 12 Übung: Entwurf einer Ankerwicklung Für eine 4-polige Gleichstrommaschine mit einem Bemessungsstrom von 75A ist eine ungetreppte und ungekreuzte Wellenwicklung zu erstellen. Der Anker hat 33 Nuten, der Kommutator 99 Lamellen. Die Stromdichte in den Ankerspulen soll 5 A mm 2 nicht ü- berschreiten. 1. Geben Sie die Spulenweite in Lamellen- und Nutschritten an. 2. Berechnen Sie den Stromwendeschritt und den Schaltschritt 3. Wie groß ist der Leiterquerschnitt zu wählen?