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Rotierender induktiver Schalter mit angeschlossenem Verbraucher Die Erfindung betrifft einen rotierenden induktiven Schalste@ mit angeschlossenem Verbraucher, gekennzeichnet durch eine Statoranordnung mit zwei auf zwei Stator-Polpaare verteilten, zum Anschluss an ein Speisenetz bestimmten Spulen und einem gegenüber den Sbator-Polpaaren mit einer frei wählbaren und von der Frequenz des Speisenetzes unabhängigen, jedoch niedrigeren Frequenz rotierenden Eisenkern, welcher den Zweck hat, die Reaktanz der beiden Spulen periodisch mit der erwähnten frei wählbaren Frequenz abwechselnd entsprechend seiner Drehlage zwischen einem Minimum und einem Maximum zu verändern.
Indem der induktive Schalter zwischen ein Wechselstrom-Speisenetz und einen Verbraucher geschaltet wird, ist er bestimmt, eine der nachstehenden Aufgaben zu erfüllen: 1. Periodisches Ein- und Ausschalten des Stromes in einem Stromkreis mit der frei wählbaren Frequenz fp, wobei die Stromamplitude während einer Halbwelle praktisch auf Null reduziert wird (Fig. 2).
2. Periodische Umkehr der Polarität der Stromwellen in einem Verbraucher-Stromkreis, bezogen auf das Speisenetz, wodurch z. B. die Umkehr der Drehrichtung oder einer geradlinigen Bewegung eines elektrischen Zweiphasen-Motors erzielt werden kann.
3. Periodisches Umschalten des Stromes von einem auf einen anderen Verbraucherstromkreis mit der freu wählbaren Frequenz fp, ohne die Verwendung eines weiteren, mechanischen Schalters, wodurch unter anderem ein elektrischer Motor mit reversierender Bewegung geschaffen werden kann, wobei die Reversierfrequenz fp frei wählbar und unabhängig von der Netzfrequenz ist, was bisher in der Praxis nicht bekannt war.
4. In Verbindung mit einem oder zwei weiteren identischen induktiven Schalbern: Periodische Umkehr der Phasen eines Zweiphasen-Netzwerkes oder zweier Phasen eines Dreiphasen-Systems, wodurch die Umkehr des Drehsinnes oder der Richtung einer geradlinigen Bewegung eines Zwei- oder Dreiphasen- Motors erzielt werden kann.
Es sind elektromagnetische Einrichtungen bekannt, welche unter Veränderung der Induktivität zwischen einem Maximum und einem Minimum die vorstehend unter 1, 3 und 4 angeführten Aufgaben ausführen können, so z. B. Einrichtungen, welche mit Vormagnetisierung arbeiten. Diese Einrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass sie zur Steuerung des Vormagnetisierungsstromes eine weite@e, mechanisch gesteuerte Einrichtung erfordern, was zu weiteren Schwierigkeiten führt, abgesehen von der relativ starken magnetischen Streuung und dem erhöhten Bedarf an aktiven Materialien (Eisen und Kupfer).
Dadurch sind diese Einrichtungen mit einem grösse- ren Spannungsabfall, einem reduzierten Leistungsfaktor, grösseren Energieverlusten und damit geringerem Wirkungsgradl und grösserem Materialbedarf behaftet, verglichen mit dem erfindungsgemässen für duktiven Schalter.
Zum Umschalten des Stromes von einem Stromkreis auf den anderen sind ferner verschiedene Einrichtungen bekannt, welche von einem rotierenden Eisenkern Gebrauch machen, der sich im Innern eines mit zwei versehied@nen Windungen bewickelten Stators dreht, und welche Einmich@ungen auf dem Prinzip des Einphasen-Transformators bernhan. Zwei im;
Serie geschaltete Halbspulen auf dem Stator sind mit .denn Netz verbunden und bilden die Primärwicklung des Transformators. Zwei weitere Wicklungen sind auf dem Stator um 90 versetzt und bilden je eine Sekundärwicklung des Transformators. An den
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Klemmen jeder Sekundärwicklung ist ein Verbraucherstromkreis angeschlossen. Damit wird die in die Primärwicklung eintretende Netzenergie abwechslungsweise in einer der Primärspulen konzentriert, je nach der Stellung des rotierenden Kerns in bezug auf die Halbspulen.
Auf Grund des Flusses, welcher mittels des rotierenden Kerns abwechslungsweise gegen eine der Sekundärwicklungen gerichtet wind, tritt die Energie abwechselnd in denn einen oder den anderen Verbraucherstromkreis über. Es lässt sich ein auf dem gleichen Prinzip des Einphasen-Transformators beruhendes System denken, welches auch in der Lage ist, den Drehsinn eines Zweiphasen- oder Dreiphasen- Motors umzukehren. Es ist jedoch zu betonen, dass eine solche Einrichtung weit grössere magnetische Streuung aufweist als die oben erwähnten, mit Vormagnetisierung arbeitenden Einrichtungen, abgesehen von der Tatsache, dass zur Erfüllung der oben angeführten Aufgabe Nr. 3 die doppelte Kupfermenge für die Primärwicklung erforderlich ist und somit die J2R-Verluste doppelt so hoch sind.
Diese zweite bekannte Anordnung ist deshalb hinsichtlich Spannungsabfall, Phasenverschiebung und Wirkungsgrad noch nachteiliger als die erstgenannte Anordnung.
Der rotierende, induktive Schalter, gemäss der Erfindung sucht diese Nachteile zu vermeiden, indem zwei Spulen verwendet werden, welche auf einfache Weise mit den Verbraucherstromkreisen verbunden sein können.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in Fig. 1 dargestellt und wird nachstehend beschrieben, wie auch Anwendungsbeispiele für den induktiven Schalter zur Erfüllung der vorerwähnten Aufgaben 1, 2, 3 und 4, welche Beispiele in Fig. 3, 4 und 5 dargestellt sind.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist der rotierende, induktive Schalter einen Stator mit vier ausgeprägten Polen auf. Jedem Paar von diametral gegenüberliegenden Polen ist eine Spule zugeordnet, deren Hälften (Halbspulen) auf die beiden Pole eines Paares verteilt sind.
Jede Halbspule ist mit der Halbspule auf dem diametral gegenüberliegenden Pol in Serie geschaltet, also 1 mit 1' und 2 mit 2', und die beiden Paare von Halbspulen, also 1 und 1' bzw. 2 und 2', sind parallel zueinander zwischen das Speisenetz und eine Klemme des Verbrauchens geschaltet. Vor den Polen dreht sich ein Eisenkern M mit einer geeigneten Drehzahl, welcher Kern infolge der aufeinanderfolgend eingenommenen Stellungen gegenüber den Polpaaren die Reluktanz des Magnetkreisabschnittes zwischen einem Paar von gegenüberliegenden Polen gegen einen Maximalwert hin steigert und gleichzeitig die Reluktanz des Magnetkreisabschnittes zwischen dem anderen Paar von Statorpolen auf ein Minimum reduziert.
Im Abschnittdes Magnetkreises zwischen jedem Paar von diametral gegenüberstehenden Polen wech- selt der Anstieg der Reluktanz periodisch reit einer Verminderung derselben ab, wobei die Abwechslung mit einer frei wählbaren Frequenz
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erfolgt, unabhängig von der Frequenz des Speisenetzes, jedoch bestimmt durch die Drehzahl des rotierenden Kerns.
Da der durch den Verbraucher fliessende und vom induktiven Schalter durchgelassene Strom - der durch eines der in Serie geschalteten Paare von. Halbspulen auf zwei gegenüberliegenden Polen fliesst - von der Reaktanz des Stromkreises mit den beiden Halbspulen bestimmt ist, schwankt seine Stromstärke entsprechend der Reluktanz des Magnetkreisabschnittes zwischen den entsprechenden, diametral gegenüberliegenden Polen. In einer bestimmten Lage des beweglichen Kerns M, bei welcher die Reluktanz eines der genannten Magnetkreisabschnitte minimal ist, weist somit der Wechselstrom, welcher durch das Paar von Halbspulen auf dem entsprechenden Polpaar fliesst, praktisch die Amplitude 0 auf, währenddem die Amplitude in dem Paar von Halbspulen auf dem anderen Paar von diametral gegenüberliegeniden Polen und somit die Stromstärke auf dem Nennwert ist.
Wenn der bewegliche Magnetkern die Rotation fortsetzt und in eine Lage gelangt, welche gegenüber der vorgenannten Lage um 90 versetzt ist, erreicht die Stromstärke im ersten Paar von Halbspulen, dessen Reaktanz nun minimal isst, den Nominalwert, währenddem im zweiten Paar von Halbspulen, dessen Reaktanz vom Minimum auf den Maximalwert angestiegen ist, die Amplitude des Stromes praktisch 0 isst.
Mit anderen Worten: Infolge der Veränderung der Reluktanz der beiden Magnetkreisabschnitte in der beschriebenen Weise wegen der aufeinanderfolgenden, vom rotierenden Magnetkern eingenommenen Lagen wähnend der Drehbewegung wird jede Paar von Halbspulen auf zwei gegenüberliegenden Polen von einem Wechselstrom-Wellenzug (Fig.2) durchflossen, welcher Strom vom Verbraucher aus dem Speisenetz absorbiert wird.
Während jeder Periode Tfp, welche durch die frei gewählte Frequenz fp bestimmt ist, .ist ein Strom aus dem Speisenetz (dessen Frequenz bei- spielsweise 50 Hz beträgt) in dem einen Paar in Serie geschalteter Halbspulen nur während der einen Halbwelle - Tfp/2 - wirksam, währenddem der Strom während der anderen Halbwelle hier praktisch 0 ist;
letzterer wird auf :den Stromkreis :de;si anderen Paasies von Halbspulen geleitet, .die sich auf dlem .anderen Paar der diametral gegenüberliegenden Pole befin- den.
Wie aus der Fig.2 ersichtlich ist, findet die Variation der Stromstärke im Stromkreis, -eines Halbspulenpaares mit der gleichen Frequenz f. und in derselben Folge statt wie die Veränderung der Reluk-
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tanz des betreffenden Abschnittes des Magnetkreises. Diese Frequenz fp ist unabhängig von der Netzfrequenz und wird nur von der Drehzahl des Kerns M bestimmt. Der Kern M wird mittels eines Elektromotors angetrieben, gegebenenfalls über ein Untersetzungsgetriebe.
Auf der Motorwelle kann ein Schwungrad montiert sein, um die Schwingungen der Winkelgeschwindigkeit zu dämpfen, welche unter dem Einflussdes von den Polen auf den Magnetkern ausgeübten Drehmoments entstehen, wenn der Kern sich vom einen Polpaar gegen das andere Polpaar hin weiterbewegt. Aus dem Vorstehenden ist verständlich, dass die Wirkung des induktiven Schalters auf den elektrischen Strom im Stromkreis des Schalters ähnlich ist der Wirkung eines mechanischen Ventils, das in einer Rohrleitung sitz@,in welchem ein Medium fliesst, d. h. denn Elektronenfluss im Stromkreis freizugeben oder zu sperren.
Verschiedene Schaltungsarten des induktiven Schalters im Hinblick auf die eingangs in der Beschreibung aufgezählten Aufgaben sind in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellt.
Fig. 3 zeigt die Anordnung des induktiven Schalters, wenn er mit einer bestimmten Frequenz, die von derjenigen des Netzes verschieden ist, als Umschalter wirken soll. Die Halbspulenpaare sind wie in Fig. 1 mit 1 und 1' bzw. 2 und 2' bezeichnet. OA und OC stellen die Wicklungen des Verbrauchers dar, zwischen denen der Strom umgeschaltet werden soll. Diese Wicklungen können beispielsweise die Wicklungen eines Systems von zwei Elektromagneten mit gemeinsamem Anker sein, der als Antrieb für eine Hin- und Herbewegung dient, wobei die frei gewählte Frequenz fp unabhängig von der Frequenz des Speisestromes für die Elektromagnete ist.
Fig. 4 zeigt die Anordnung des induktiven Schalters bei Verwendung desselben als Umschalter für die Polarität der Stromwellen. AO stellt die Wicklung des Verbrauchers dar, in welcher die Polarität dem Stromwellen periodisch mit der Frequenz fp gewechselt werden soll. Jede Halbspule eines Paares gegenüberliegender Pole des induktiven Schalters ist mit einem Ende der Wicklung AO verbunden. Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt, der Kern M in der Stellung für maximale Reaktanz des Spulenpaares 1, 1' steht, so fliesst der Strom mit einer bestimmten Wellenfolge, welche derjenigen des Speisenetzes entspricht, über 2, 2'. Wenn der Kern die Drehlage entsprechend der maximalen Reaktanz des Spulenpaares 2, 2' erreicht, so fliesst der Strom durch den Verbraucher mit einer gegenüber vorher umgekehrten Polarität bzw. Richtung.
Auf diese Weise ist es mit einem einzigen induktiven Schalter möglich, die Drehrichtung bzw. die Richtung einer geradlinigen Bewegung eines Einphasen-Motors zu wechseln.
Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit zur Verwendung des induktiven Schalters als Phasenumkehrer für einen dreiphasigen Verbraucher. Die Schaltung weist drei identische induktive Schalter auf, deren Kerne M miteinander, gekuppelt und in der gleichen Relativ- tage zum Stator auf der Welle eines Elektromotors montiert sind. In diesem Schema sind die drei Phasen der Verbraucherwicklung mit OA, OB und OC bezeichnet. Beim einen induktiven Schalter - in Fig. 5 der erste Schalter von links - ist die Schaltung der Halbspulenpaare die gleiche wie in Fig. 1, es sind also die Halbspulen untereinander in Serie geschaltet und die Paare zueinander parallel zwischen einer Phase des Netzes (Phase T) und einer Klemme des Verbrauchers (Klemme A) geschaltet.
Die beiden anderen Schalter sind folgendermassen geschaltet: Die Ausgangsklemmen der Halbspulenpaare jedes Schalters sind mit den Eingangsklemmen einer der beiden anderen Phasen des Verbrauchers verbunden, und zwar die Klemmen des zweiten Schalters mit der Klemme B und diejenigen des dritten Schalters mit der Klemme C. Die Eingangsklemmen der beiden Halbspulenpaare desselben Schalters sind wechselweise mit einer der beiden anderen Phasen (R und S) des Speisenetzes verbunden. Wenn also die Eingangsklemme des Halbspulenpaares 1, 1' des zweiten Schalters mit der Phase S des Netzes verbunden ist, so ist die, Eingangsklemme 1, 1' des dritten Schalters an die Phase R angeschlossen.
Gleichzeitig ist die Eingangsklemme des Halbspulenpaares 2, 2' des zweiten Schalters mit der Phase R und diejenige des Halbspulenpaares 2, 2' des dritten Schalters mit der Phase S verbunden.
Beim zweiten und dritten Schalter sind also die gleichnamigen Halbspulenpaare unterschiedlicher Schalter parallel an die gleiche Netzphase angeschlossen, es sind nämlich mit jeder Netzphase die Eingangsklemmen des Halbspulenpaares 1, 1' des einen Schalters und die Eingangsklemme des Paares 2, 2' des andern Schalters parallel verbunden.
Durch die dargestellte Schaltung eines Systems von drei identischen induktiven Schaltern ist es möglich, den Drehsinn oder die Richtung einer linearen Bewegung eines Dreiphasen-Motors zu reversieren. Das gleiche Ergebnis würde erreicht .durch Anschluss der Eingangsklemmen des zweiten und: dritten Schalters arg- die gleiche Netzphase und Kreuzung der Ausgänge derselben bzw. Anschluss an die Klemmen B und C des Dreiphasen-Verbrauchers.
Für die Bewegungsumkehr bei einem Dreipha- se:n-Motor kann .auch einer der Schalter weggelassen werden, nämlich derjenige, welcher in Fig. 5 an die Klemme A angeschlossen ist. Dieser Schalter ist nur in Ausnahmefällen erforderlich wenn eine sehr ausgeprägte Verminderung den Stromstärke im Be- reich:d.e@r Bewebgungs-Umkehr gewünscht ist.
Im Vergleich zu anderen, bekannten Anordnun- genn für ,die gleicheng Aufgaben zeigt der beschriebene induktive Schalter die Vorteile ein:
r minimalen magnetischen Streuung, eines geringeren spezifischen Bedarfs an aktiven Materialien (Eisen, und Kupfer), was in einem minimalen Spannungsabfall am Schalter, einer Verminderung der schädlichen Auswirkung auf ,den Leistungsfaktor, verbunden mit geringerem Leisitungsbedarf, resultiert.
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