DE161174C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

- JV! 161174 KLASSE 2\d.

Vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche ermöglicht, einphasigen Wechselstrom in einphasigen oder mehrphasigen Wechselstrom von geringerer Periodenzahl umzuwandeln. Im wesentlichen besteht die Vorrichtung in einem Kommutator, der von einem kleinen synchron laufenden Wechselstrommotor gedreht wird; dem Kommutator wird mittels Schleifringen, die mit den Segmenten des Kommutators in Verbindung stehen, einphasiger Strom zugeführt, während von feststehenden Bürsten, welche auf dem Kommutator schleifen, einphasiger oder mehrphasiger Strom von geringerer Periodenzahl abgenommen wird; die Anordnung könnte aber auch so getroffen sein, daß der Kommutator feststeht und die Bürsten beweglich sind. Der vom Kommutator abgenommene Strom setzt sich nur aus Halbwellen des zugeführten einphasigen Stromes zusammen. Die Bürsten sind so einzustellen, daß ein Wechsel der Kommutatorsegmente nur stattfindet, wenn der zugeführte einphasige Strom gerade den Nullwert hat; dadurch wird Funkenlosigkeit erreicht.

Der kleine Motor, welcher den Kommutator dreht, möge ein selbstangehender sein und wird mit einem Zweigstrome des zugeführten einphasigen Stromes betrieben.

Soll der zugeführte Wechselstrom in einen von 11 fach kleinerer Periodenzahl umgewandelt werden, so sind die Kommutatorsegmente so zu gestalten und die auf dem Kommutator schleifenden Bürsten so anzuordnen, daß der abgenommene Strom während η Halbperioden des zugeführten Stromes nur aus gleichgerichteten Halbwellen des zugeführten Stromes besteht, während in den darauf folgenden η Halbperioden der abgenommene Strom aus gleichgerichteten Halbwellen besteht, welche in bezug auf die früheren Halbwellen die entgegengesetzte Richtung haben. Der abgenommene Strom verhält sich wie ein Strom von η fach kleinerer Periodenzahl. Wird z. B. verlangt, daß der abgenommene Strom nur die halbe Periodenzahl haben soll im Vergleich mit dem zugeführten Strome, so ist der Kommutator so einzurichten, daß der abgenommene Strom aus je zwei gleichgerichteten Halbwellen besteht, denen zwei entgegengesetzt gerichtete Halbwellen folgen. Wenn man Strom von dreifach kleinerer Periodenzahl abnehmen will, so muß der Kommutator so beschaffen sein, daß der abgenommene Strom aus je drei gleichgerichteten Halbwellen besteht, denen drei entgegengesetzt gerichtete Halbwellen folgen. Benutzt man anstatt einfacher Bürsten sogenannte Doppelbürsten, d. h. je zwei miteinander leitend verbundene, in geringem Abstande angeordnete Bürsten, so werden die Kurvenformen der abgenommenen Ströme etwas abgeflacht und dadurch der gewöhnlichen Form der Wechselströme ähnlicher gemacht.

Der Kommutator kann auch so eingerichtet sein, daß während der 11 Halbperioden, wäh-

rend welcher gleichgerichteter Strom an den äußeren Kreis abgegeben wird, ein Teil · der Halbwellen unterdrückt wird, so daß intermittierend Stromlosigkeit im äußeren Kreis herrscht. Auch in diesem Falle verhält sich der abgegebene Strom wie ein Wechselstrom von η fach kleinerer Periodenzahl; es muß nur stets die Bedingung erfüllt sein, daß während η Halbperioden nur Strom von gleicher Richtung an den äußeren Kreis abgegeben wird, während in deil folgenden η Halbperioden nur • Strom von entgegengesetzter Richtung abgegeben wird.

Will man Zweiphasenstrom oder Mehrphasenstrom vom Kommutator abnehmen, so braucht man auf dem Kommutator nur mehrere Bürstenpaare schleifen zu lassen, die mit äußeren Kreisen verbunden sind. Dabei können die Bürstenpaare so angeordnet werden, daß im Falle der Abnahme von Zweiphasenstrom zwischen den beiden Strömen genau ein Phasenunterschied von ¹Z₄ Periode besteht, und daß im Falle der Abnahme von Dreiphasenst rom zwischen den abgenommenen drei Strömen genau ein Phasen unterschied von je ¹Z₃ Periode besteht. Der zugeführte Einphasenstrom läßt sich also unter Vermittlung des Kommutators in Zweiphasenstrom oder Dreiphaseustrom spalten, wobei die einzelnen Stromzweige genau die Phasenunterschiede haben, welche den Strömen eines Generators für zweiphasigen oder dreiphasigen Strom entsprechen ; in den Stromzweigen kann dabei auch gleiche Stromstärke herrschen, doch muß dies nicht notwendig der Falle sein. Im Falle der Abnahme von Zweiphasen- oder Mehrphasenstrom kann entweder ein gemeinsamer Kommutator oder für jeden Zweigstrom ein besonderer Kommutator angeordnet sein.

Die Vorrichtung kann dazu benutzt werden, uni Maschinen, welche zu ihrem Betriebe einen Wechselstrom von niederer Periodenzahl bedürfen, z. B. elektrische Gesteinsbohrer, mit Wechselstrom höherer Periodenzahl zu betreiben. Die Vorrichtung kann insbesondere auch dazu benutzt werden, um Motoren, Umformer oder Transformatoren für zweiphasigen und dreiphasigen Wechselstrom von irgend . einer bekannten Form mittels einphasigen Stromes zu betreiben, der mittels der Kommutatorvorrichtung in mehrphasigen Strom gespalten und so den Motoren zugeführt wird. Es ist dadurch nicht bloß der Vorteil erreicht, daß die Anlaß- und Reguliervorrichtungen nur in dem Stromkreise vor dem Kommutator allein angeordnet zu sein brauchen, sondern insbesondere der Vorteil, daß man Induktionsmotoren mittels einphasigen Stromes so betreiben kann, daß sie mit großer Belastung angehen. Man kann also auch eine elektrische Bahn unter Verwendung von Induktionsniotoren betreiben und den Fahrzeugen nur einphasigen Strom zuführen. Im Falle der Anwendung der Vorrichtung für den Betrieb von Motoren und Umformern, kann sie entweder während der ganzen Dauer des Betriebes oder nur während des Anlassens benutzt werden.

Der Unterschied des Erfindungsgegenstandes gegenüber bereits bekannten Einrieb,-tungen besteht in folgendem:

In der Patentschrift 59351 ist eine Einrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom niederer Periodenzahl beschrieben. Dabei ist aber eine Gleichstromdynamo mit gewöhnlichem Kollektor erforderlich, auf welchem außer den feststehenden Bürsten noch eine bewegliche Bürste schleift. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird statt der Dynamo nur ein Kommutator benötigt und ist keine bewegliche Bürste erforderlich; auch wechseln die Bürsten, welche auf dem Kommutator schleifen, nur die Segmente, wenn der zugeführte Strom den Nullwert hat, während bei der Dynamo die bewegliche Bürste die Kollektorlamellen wechselt, während zwischen denselben eine Induktion stattfindet.

In der Patentschrift 75741 ist" gezeigt, wie ein Induktionsmotor mittels einphasigen Stromes in Gang gebracht werden kann. Dabei wird aber der einphasige Strom nicht in einen Strom von niedrigerer Periodenzahl und auch nicht in einen Mehrphasenstrom umgewandelt, sondern bleibt ein einphasiger Strom der gegebenen Periodenzahl; derselbe wird nur unter Vermittlung eines Kollektors und darauf schleifender Bürsten verschiedenen Stellen der Wicklung des zu betreibenden Motors zugeführt. Dabei wechseln auch zum Unterschiede von der vorliegenden Erfindung die Bürsten die Kollektorlamellen, während der zugeführte Strom den vollen Wert hat.

In der Patentschrift 88806 ist eine Vorrichtung beschriebeil, welche ermöglicht, Mehrphasenstrom in einen anderen Mehrphasenstrom von verschiedener Phasenzahl und Periodenzahl umzuwandeln. Dabei muß ein Mehrphasenstrom, und zwar mindestens ein Dreiphasenstrom gegeben sein; im Falle der Änderung der Periodenzahl braucht man auch umlaufende Bürsten, welche die Kollektorlamellen wechseln, während der zugeführte Strom die volle Stärke hat.

In der Patentschrift 110510 ist gezeigt, wie in dem Falle, wenn nur einphasiger Strom zur Verfügung steht, Induktionsmotoren so betrieben werden können, daß sie mit Belastung angehen. In diesem Falle wird der Einphasenstrom mittels -einer besonderen Umformerdynamo in einen intermittierenden Mehr-

phasenstrom umgewandelt, der dem Motor zugeführt wird. In einer anderen Ausführungsform, welche in derselben Patentschrift beschrieben ist, wird der Motor dadurch in Gang gebracht und betrieben, daß demselben unter Vermittlung einer Kommutatorvorrichtung der einphasige Strom nur zugeführt wird, wenn Anker und Feldmagnet eine günstige Lage haben. Der Motor erhält nicht Mehrphasenstrom, sondern intermittierenden Einphasenstrom ohne Änderung der Periodenzahl ; die am Kommutator schleifenden Bürsten wechseln die Lamellen, während der Strom die volle Stärke hat.

Schließlich ist in Patentschrift 144577 ^e^^ne Umformerdynanio beschrieben, aus welcher pulsierender Gleichstrom entnommen und in einen Wechselstrom kommuntiert wird. Wohl kann diese Umformerdynamo mit einphasigem Wechselstrom gespeist werden und dadurch dieser Wechselstrom in einen Strom von niedrigerer Periodenzahl umgewandelt werden, es wird aber diese Umformung nicht mittels eines Kommutators allein, sondern mittels einer Umformerdynamo nebst Kommutator bewirkt. In den Figuren sind verschiedene Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes und seine Anwendung· schematisch dargestellt. Die Fig. 1 stellt eine Anwendung der Vorrichtung für den Fall dar, daß ein Zweiphasenstrominduktionsmotor mittels Einphasenstrom betrieben werden soll; die Fig. 2 und 4 stellen die induzierenden Wicklungen von Zweiphasenstrorrimotoren oder Umformern, die Fig. 3 und 5 die induzierenden Wicklungen von Dreiphasenstrommotoren und Umformern dar. Der Einfachheit halber sind die Motoren und Umformer immer als zweipolig angenommen, obwohl sie eine beliebige Polzahl haben können. Die Fig. 13 und 14 stellen die Wicklungen eines Zweiphasen- und eines Dreiphasenstromtransformators dar. Der Zweiphasenstrom muß bei den Klemmen A₁ E₁ und A₂ E₂, der Dreiphasenstrom bei den Klemmen A₁ E₁, A₂ E₂ und A₃ E„ zugeführt werden. Die Fig. 6, 7, 8, 9, 10 und 11 stellen verschiedene Ausführungsformen des Kommutators dar; die Fig. 12 zeigt die Anwendung von Doppelbürsten anstatt einfacher Bürsten.

Aus Fig. ■ 16 ersieht man die Kurvenform des vom Kommutator abgenommenen Stromes, -wenn der einphasige Strom in einen Strom von halber Periodenzahl umgewandelt wird; in der Figur ist der Fall dargestellt, daß Zweiphasenstrom abgenommen wird. Die Fig'. 18 bezieht sich auf den Fall, daß der einphasige Strom in einen Strom von. dreifach kleinerer Periodenzahl umgewandelt wird.

Die Fig'. 15 und 17 zeigen die Kurvenformen der abgenommenen Ströme, wenn in den an den Kommutator angeschlossenen Stromkreisen im Vergleich mit Fig. 16 und 18 ein Teil der Halbwellen des zugeführten einphasigen Stromes unterdrückt wird. Die Fig. 15 stellt den Fall dar, daß einphasiger Strom in zweiphasigen von halber Periodenzahl umgewandelt wird, wobei vom Kommutator jeweilig nur an einen Stromkreis Strom abgegeben wird. Die Fig. 17 zeigt die Kurvenform eines vom Kommutator abgenommenen Stromes von dreifach kleinerer Periodenzahl, wobei im Vergleich mit Fig. 18 ein Teil der Halbwellen unterdrückt ist. Die ausgezogenen Kurven in den Fig. 15, 16, 17 und 18 beziehen sich auf den Fall, daß einfache Bürsten angewendet werden; im Falle der Anwendung von Doppelbürsten erhalten die Ströme die durch punktierte Kurven dargestellte Form.

In allen den Kommutator darstellenden Figuren ist stets angenommen, daß Zweiphasen- oder Dreiphasenstrom abgenommen wird, obwohl auch einphasiger Strom allein abgenommen werden kann. Die Fig. 6, 7, 8 und 10 beziehen sich auf den Fall, daß vom Kollektor Zweiphasenstrom abgenommen wird, die Fig. 9 und 11 auf den Fall, daß Dreiphasenstrom abgenommen wird.

In den Figuren sind die Stromzuleitungen des zur Verfügung stehenden einphasigen Wechselstromes stets mit Z₁ Z₂, der Kommutator mit K, die Schleifringe, welche einerseits mit den Leitungen Z₁ Z₂, andererseits mit den Segmenten des Kommutators in Verbindung stehen, mit R₁R₂ bezeichnet. Die Verbindungsleitungen zwischen den Segmenten des Kommutators und den Schleifringen sind mit T₁ r₂ bezeichnet, und ist aus dem Bezugszeichen zvi ersehen, mit welchem Schleifring ein Segment verbunden ist. Der Kommutator ist in den Fig. 6 bis 11 stets so dargestellt, daß seine Oberfläche in eine Ebene aufgerollt ist. Die am Kommutator schleifenden Bürsten sind mit B, C bezeichnet.

Die zusammengehörigen Bürsten sind stets mit gleichem Bezug'szeichen versehen, ebenso die zusammengehörigen Klemmen der Verbrauchsstromkreise A und E.

In der Fig. 1 ist M der zu betreibende Hauptmotor, tu der kleine, selbstangehende Induktionsmotor, welcher den Kommutator K dreht. Sobald der Motor m synchron läuft, kann die Verbindung zwischen den Stromzuleitungen Z₁ Z₂ und den Schleifringen R₁ R₂ hergestellt werden. Der Kommutator mag von derselben Form sein, wie in Fig. 10 dargestellt ist. Von dem Kommutator werden zwei Ströme abgenommen, welche nur die halbe Periodenzahl haben im Vergleich zu dem Strome, welcher dem Kommutator zugeführt wird. Die beiden

Ströme haben die in der Fig. 16 dargestellte Form und wirken genau so wie zwei Wechselströme, welche einen Phasenunterschied von ¹Z₄, Periode, d. i. 90⁰ haben. Die Wicklung des induzierenden Teiles des Motors möge die in Fig. 4 dargestellte Form haben. Der eine der beiden vom Kommutator abgenommenen Ströme wird bei A₁E₁, der andere bei A₂ E₂ zugeführt. Der Anker des Motors M kann mit Anlaßwiderständen in Verbindung sein oder kurzgeschlossen sein oder auch eine Käfigwicklung haben. Der Einfachheit halber' sind in der Figur keine Anlaßwiderstände gezeichnet. Will man den Kommutator nur während des Anlassens des Motors M benutzen, so kann man den Motor, nachdem er die volle Geschwindigkeit erreicht hat, mittels des Schalters S₂ unmittelbar mit den Stromleitungen Z₁ Z₂ verbinden. Soll die Geschwindigkeit des Motors nicht geändert werden, so muß er hierbei auf doppelte Polzahl umgeschaltet werden, weil die Periodenzahl des zugeführten einphasigen Stromes doppelt so hoch ist als die Periodenzahl der vom Kommutator abgenommenen Ströme. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, sind nach Drehung des Schalters S₂ in die punktierte Lage die Klemmen A₁E₁ und ebenso die Klemmen A₂ E₂ untereinander verbunden. Der Motor ist daher bei der Verbindung mit Z₁ Z₂ als vierpoliger Motor geschaltet und behält die Tourenzahl bei, die er während des Anlassens erlangt hat.

Die Wirkungsweise des Kommutators soll an Hand der Fig. 10 erklärt werden. Der Kommutator enthält gemäß dieser Figur vier gleich breite Segmente, von denen das erste und dritte mit dem Ringe R₁, das zweite und vierte mit dem Ringe R₂ verbunden sind. Die Segmente sollen eine solche Breite haben, daß bei synchronem Lauf des den Kommutator antreibenden kleinen Motors, welcher der Einfachheit halber in der Figur nicht gezeichnet ist, ein Segment während der Dauer einer ganzen Periode des zugeführten Einphasenstromes bei den Bürsten vorübergeht. Im Falle der kleine Motor den Kommutator direkt antreibt, müßte er daher achtpolig gewickelt sein. Bei den bekannten Kommutatoren, welche zur Gleichrichtung von Wechselstrom dienen, entspricht zum Unterschiede von dieser Einrichtung die Breite der Segmente einer halben Periode des zugeführten Wechselstromes.

Die auf dem Kommutator schleifenden zusammengehörigen Bürsten B₁ C₁ und B₂ C₂ sind um die Breite eines ganzen Segmentes verschoben. Wenn demnach die Bürste B₂ auf der Mitte des ersten Segmentes aufliegt, so soll C₂ auf der Mitte des zweiten Segmentes aufliegen. Anstatt auf diesem Segmente könnte C₂ auch auf der Mitte des vierten Segmentes aufliegen, welches ebenfalls mit dem Ring R₂ verbunden ist. Nimmt man an, daß der Kommutator sich in der Pfeilrichtung unter den Bürsten bewegt, und daß in dem betrachteten, in der Figur dargestellten Augenblick der Ring R^ positiv, der Ring i?₂ negativ elektrisch sei, so wird, wie in der Fig. 16 in der ausgezogenen Kurve S₂ C₂ dargestellt ist, in den an die Bürsten B₂ C₂ angeschlossenen Stromkreis während der Drehung des Kommutators um die halbe Breite eines Segmentes zunächst eine positive Halbwelle des zugeführten Einphasenstromes gelangen. Nach dieser Zeit wechseln die Bürsten die Segmente, so daß !Commutation erfolgt; dann findet während einer ganzen Periode des zugeführten Einphasenstromes keine !Commutation statt, hierauf erfolgt wieder Kommutation usw. Das 8b Ergebnis ist, daß der von den Bürsten B₂ C₂ abgegebene Strom eine Kurvenform hat, die sich aus je zwei gleichgerichteten Halbwellen, denen zwei entgegengesetzt gerichtete Halbwellen folgen, zusammensetzt. Die Bürsten müssen so eingestellt werden, daß die Segmente gewechselt werden, wenn der zugeführte Wechselstrom den Nullwert hat. Bei Anwendung von Doppelbürsten erlangt der vom Kommutator abgenommene Strom die durch die punktierten Kurven dargestellte Form. Der erzeugte Strom verhält sich wie ein Wechselstrom von der halben Periodenzahl im Vergleich mit dem zugeführten Strome.

Bringt man auf dem Kommutator ein zweites Bürstenpaar B₁ C₁ an, welches im Vergleich mit B₂ C₂ um die halbe Breite eines Segmentes oder um eine ungerade Anzahl von Segmentbreiten verschoben ist, so wird vom Bürstenpaare B₁ C₁ ein Strom von gleicher Art abgenommen werden können, wie vom Bürstenpaare B₂ C₂. Die abgenommenen Ströme sind aber, da die Bürsten um eine halbe Segmentbreite gegeneinander verschoben sind und da dieser Entfernung eine Halbperiode des zu- *°5 geführten Einphasenstrqmes entspricht, um diesen Betrag in ihrer Phase verschoben und verhalten sich daher in bezug aufeinander wie Ströme, welche einen Phasenunterschied von ¹Z₄, Periode, d. i. 90⁰, haben. In der Fig. 16 no ist der von den Bürsten .B₁ C₁ abgegebene Strom durch die obere Kurve B₁ C₁ dargestellt.-Der Strom beginnt, weil zu Anfang der betrachteten Zeit die Bürsten B₁, C₁ auf denselben Segmenten aufliegen wie die Bürsten-i ¹S B₂ C₂, ebenfalls mit einer positiven Halbwelle, doch findet erst nach Ablauf einer ganzen Periode des zugeführten Einphasenstromes die Kommutation statt.

Verbindet man die Bürsten B₁ C₁ und B₂ C_%

mit den Wicklungen eines Zweiphaseninduktionsmotors, so kann dieser mit Belastung angehen und arbeitet gerade so, als ob er von einem Zweiphasengenerator Strom erhielte. Natürlich könnte auch ein Stromkreis für sich allein als Nutzstromkreis verwendet werden. Der in Fig. io dargestellte Kommutator muß nicht notwendig vier Segmente haben; es wären zwei Segmente ausreichend und könnte in diesem Falle der den Kommutator drehende kleine Motor vierpolig sein.

Zum Zwecke der Erzielung eines vollkommen funkenlosen Ganges kann bei dem in der Fig. io und ebenso bei dem in der Fig. 11 dargestellten Kommutator die Einrichtung der Doppelbürsten und der Isolierung vorteilhaft so getroffen werden, wie in der Patentschrift 144577 beschrieben ist, wobei die Segmente des Kommutators nicht durch einen einfachen, isolierten Streifen, sondern durch einen Isolator getrennt sind, welcher nach Art der bei elektrischen Bahnen in die Oberleitung eingeschalteten sogenannten Streckenisolatoren aus mehreren leitenden, durch isolierende Zwischenstücke getrennten schmalen Lamellen besteht.

Der in der Fig. 11 dargestellte Kommutator, welcher zur Umwandlung von Einphasenstrom in Wechselstrom von dreifach kleinerer Periodenzahl dient, ist mit drei Bürstenpaaren versehen, um Dreiphasenstrom von 120⁰ Phasenunterschied abgeben zu können, doch könnte auch ein Strom allein alsNutzstrom dienen. Der Kommutator besteht aus zwei symmetrisch angeordneten Hälften, wobei jede Hälfte aus breiteren und schmäleren Lamellen besteht. Bei synchronem Lauf des den Kommutator drehenden kleinen Motors sollen die breiten Lamellen während der Dauer einer ganzen Periode des zugeführten Einphasenstromes bei den Bürsten vorübergehen, die schmalen Lamellen während der Dauer einer halben Periode. Der den Kommutator drehende Motor müßte daher, wenn er direkt den Antrieb bewirkt, sechspolig gewickelt sein. Die Lamellen jeder Kommutatorhälfte sind abwechselnd mit den beiden Schleifringen verbunden, was durch die den Verbiudungsleitungen beigefügten Buchstaben r_t r₂ angedeutet ist. Die nebeneinander liegenden Lamellen der beiden Kommutatorhälften sind mit entgegengesetzten Schleifringen verbunden. Je zwei zusammengehörige Bürsten B C schleifen auf den beiden Kommutatorhälften und sind symmetrisch angeordnet.

Durch die beschriebene Anordnung wird erreicht, daß der von einem Bürstenpaar abgenommene Strom, wie in der Fig. 18 dargestellt ist, aus je drei, gleichgerichteten Hälbwellen besteht, auf welche drei entgegengesetzt gerichtete Hälbwellen folgen. Durch die schmalen Lamellen wird nämlich erreicht, daß in gewöhnlicher bekannter Art eine Kommutation und daher ein Gleichrichten des Stromes erfolgt, während infolge der breiten Lamellen die Kommutation einmal unterbleibt. Betrachtet man z. B. das Bürstenpaar S₃ C₃, welches gerade auf der Mitte der breiten Segmente aufliegt, und nimmt man an, daß der Kommutator in der Pfeilrichtung umläuft, und daß in dem in der Figur dargestellten x\ugenblick der Ring R₁ gerade positiv, der Ring R₂ gerade negativ elektrisch ist, so wird, wie in Fig. 18 dargestellt ist, zunächst eine positive Halbwelle in den äußeren Kreis gelangen. Nach Ablauf einer halben Periode des zugeführten Stromes kommt das Bürstenpaar auf die untersten schmalen Segmente; es findet Kommutation statt, und daher gelangt wieder eine positive Halbwelle in den äußeren Kreis. Nach Ablauf dieser erreicht das Bürstenpaar die obersten breiten Segmente; es findet wieder Kommutation statt, so daß eine dritte positive Halbwelle in den äußeren Kreis gelangt. Da während des Passierens der breiten Segmente keine Kommutation des Stromes stattfindet, so folgen nun auf die drei positiven Halbwellen drei negative Plalbwellen. Der abgenommene Strom verhält sich im Vergleich mit dem zugeführten Strom wie ein Strom von dreifach kleinerer Periodenzahl.

Die Bürstenpaare B₂ C₂ und B₁ C₁ sind nach der Figur ebenso angeordnet wie die Bürsten B₃ C₃; nur sind die Bürsten B₂ C₂ gegenüber den Bürsten B_s C₃ um den Abstand einer breiten Lamelle verschoben, und ebenso sind die Bürsten B₁ C₁ gegen B₂ C₂ um den Abstand einer breiten Lamelle verschoben. Alle Bürsten wechseln nur die Lamellen im Augenblick der Stromlosigkeit des zugeführten Einphasenstromes. Die vom Bürstenpaar B₂ C₂ und B₁C₁ abgenommenen Ströme sind von gleicher Art wie der von den Bürsten B₃ C₃ abgenommene Strom.

Da einer Bürstenverschiebung um den Abstand einer breiten Lamelle ein Phasenunterschied entspricht, welcher gleich ist einer Periode des zugeführten Einphasenstromes, und da die vom Kommutator abgenommenen Ströme eine dreifach größere Periodendauer haben als der zugeführte Einphasenstrom, so verhalten sich die von den drei Bürstenpaaren abgenommenen Ströme genau wie drei in der Phase um je 120⁰ verschobene Wechselströme. Diese Ströme können daher zum Betriebe eines Dreiphasenstrommotors, Umformers oder Transformators benutzt werden.

Es ist nun leicht ersichtlich, wie der Kommutator beschaffen sein müßte, um aus dem zugeführten Einphasenstrom einen Strom von

η fach kleinerer Periodenzahl zu erhalten. In den äußeren Kreis müßten η gleichgerichtete Halbwellen gelangen, auf welche η entgegengesetzt gerichtete Halbwellen folgen. Da gleichgerichtete Halbwellen in bekannter Art durch !Commutation bei Anwendung von Kommutatorsegmenten . entstehen, die einer Halbperiode des zugeführten Stromes entsprechen, so müßte der Kommutator so ausgeführt sein,

ίο daß nach η gleichgerichteten Halbwellen die !Commutation einmal unterbleibt, was durch Anordnung eines Segmentes von doppelter Breite, das einer ganzen Periode des zugeführten Stromes entspricht, erreicht wird. Der Kommutator könnte daher genau so beschaffen sein, wie in der Fig·. 11 dargestellt ist, nur daß statt je eines schmalen Segmentes mehrere aufeinanderfolgende schmale Segmente anzuordnen wären. Wenn 11 eine gerade Zahl ist, braucht man den Kommutator nicht in zwei Hälften zu teilen.

Bei den in den Fig. 10 und 11 dargestellten Ausführungsformen des Kommutators setzt sich der von den Bürsten des Kommutators abgenommene Strom aus unmittelbar aufeinander folgenden Halbwellen des zugeführten Stromes zusammen. Der Kommutator kann nun so abgeändert werden, daß diese Halbwellen teilweise unterdrückt werden, so daß

z. B. im Falle der Abnahme von Zweiphasenstrom oder Dreiphasenstrom stets nur in einen äußeren Kreis Strom entsendet wird. Die Fig". 6, 7 und 8 stellen Ausführungsformen eines derartigen Kommutators dar, wenn der zugeführte Einphasenstrom in einen Strom von zweifach kleinerer Periodenzahl umgewandelt werden soll. In den Figuren ist stets die Abnahme von Zweiphasenstrom dargestellt, obwohl auch Einphasenstrom allein abgenommen werden kann. Die abgenommenen Ströme haben die in Fig. 15 dargestellte Form; die ausgezogenen und punktierten Kurven haben die gleiche Bedeutung wie in den Fig. 16 und 18. Die Fig. 9 und 17 beziehen sich in gleicher Weise auf die Umwandlung von Einphasenstrom in Dreiphasenstrom von dreifach kleinerer Periodenzahl.

Der in Fig. 6 dargestellte Kommutator enthält vier gleich breite Segmente, welche durch ebenso breite, nichtleitende Streifen voneinander getrennt sind. Beim synchronen Lauf des den Kommutator antreibenden Motors soll jedes Segment in der Dauer einer Halbperiode des zugeführten Einphasenstromes bei den Bürsten vorübergehen. Das erste und dritte Segment ist mit dem Ringe R₁ und dadurch mit der Zuleitung Z₁, das zweite und vierte Segment mit dem Ringe R₂ und Z₂ verbunden.

Der den Kommutator treibende Motor wäre im Falle direkter Kupplung achtpolig zu wählen. Es würde auch genügen, den Kommutator nur mit den ersten zwei Segmenten zu versehen und den antreibenden Motor vierpolig zu wählen. Zwei zusammengehörige Bürsten liegen symmetrisch auf zwei Segmenten auf, welche mit den Ringen R₁R₂ verbunden sind, haben also z. B. den doppelten Abstand einer Segmentbreite. In den an die Bürsten S₁ C₁ angeschlossenen Kreis fließt bei synchronem Lauf des Kommutators zunächst eine positive Halbwelle des zugeführten Einpha.senstromes, dann besteht Stromlosigkeit während einer Halbperiode des zugeführten Stromes, dann gelangt eine negative Halbwelle in den äußeren Kreis, dann besteht wieder während einer Flalbperiode Stromlosigkeit usf. Der erhaltene, in Fig. 15 durch die Kurve B₁C₁ dargestellte Strom verhält sich im Vergleich mit dem zugeführten Strom wie ein Strom von der halben Periodenzahl.

Falls, wie gezeichnet, vom Kommutator Zweiphasenstrom abgenommen werden soll, sind noch zwei Bürsten B₂ C₂ anzuordnen, welche ebenso wie die Bürsten B₁ C₁ angeordnet, aber gegenüber diesen um die Breite eines . Segmentes verschoben sind (vergl. Fig. 6). Dieser Verschiebung entspricht ein Phasenunterschied von einer halben Periode des zugeführten Stromes und daher ein Phasenunterschied von 90⁰ der abgenommenen Ströme. Der von den Bürsten B₂ C₂ abgenommene Strom ist in der Fig. 15 durch die Kurve B₂ C₂ dargestellt. Die Bürsten sind so einzustellen, daß sie die Segmente verlassen, wenn der zugeführte Emphasenstrom den Nullwert hat.

Der in Fig. 7 dargestellte Kommutator ist von dem in Fig. 6 gezeichneten nur insofern verschieden, als er in zwei Hälften zerlegt ist. Die beiden Hälften sind genau so beschaffen wie der Kommutator in Fig. 6. Die zusammengehörigen Bürsten schleifen auf den beiden Kommutatorhälften. Um die Figur zu vereinfachen, sind die Verbindungen T₁ zwischen den Segmenten der rechten Hälfte des Kommutators und dem Ringe R₁ nicht vollständig gezeichnet. Aus der Figur ersieht man leicht, daß bei dieser Ausführungsform des Kommutators die Ströme, welche von den Schleif- ringen durch die Leitungen T₁ r₂ zu den Segmenten der beiden Kommutatorhälften fließen, nie die Richtung wechseln.

Es ist daher möglich/in die Leitungen i\r₂ elektrolytisch^ Zellen einzuschalten, welche den ¹¹S Strom nur in einer Richtung durchlassen, z. B. Kohlealuminiumzellen. Diese Einrichtung bietet den Vorteil, daß man. die Segmente breiter wählen kann als gemäß den Fig. 6 und 7, und daß daher, eine genaue Bürsten-

Claims (4)

einstellung nicht erforderlich ist, weil auch bei größerer Segmentbreite doch nur eine Halbwelle des zugeführten Stromes in den äußeren Kreis gelangen kann. Die entsprechende Einrichtung ist in Fig. 8 dargestellt. Die Zuleitung Z2 ist mit einem Schleifringe Z2, die Zuleitung Z1 mit zwei Ringen R1 und R\ unter Zwischenschaltung von elektrolytischen Zellen G G' verbunden, wobei G nur Strom in ίο der Richtung von Z1 zu R1 und G' nur Strom in der Richtung von R\ zu Z1 durchläßt. Der vom Kommutator abgenommene Strom ist genau so beschaffen wie bei dem Kommutator gemäß der Fig. 6. Der in Fig. 9 dargestellte Kommutator besitzt ebenso wie der in Fig. 11 dargestellte Segmente, welche in zwei Hälften geteilt sind. Die Segmentbreite entspricht einer Halbperiode des zugeführten Einphasenstromes. Bei jeder Hälfte sind gemäß der Figur die Segmente durch nichtleitende Schichten von doppelter Breite getrennt. Die Segmente links sind mit dem Schleifringe R1, die rechts mit dem Ringe R2 verbunden. Die zusammengehörigen Bürsten liegen symmetrisch auf zwei Segmenthälften auf. Betrachtet man den von den Bürsten B1C1 an einen äußeren Kreis abgegebenen Strom, so ersieht man, daß bei der gewählten beispielsweisen Ausführung des Kommutators zunächst eine positive Halbwelle in den äußeren Kreis gelangt, dann besteht Stromlosigkeit während der Dauer einer Periode des zugeführten Stromes, dann folgt eine negative Halbwelle, dann wieder Stromlosigkeit während der Dauer einer Periode des zugeführten Stromes usf., wie in Fig. 17 dargestellt ist. Der erhaltene Strom verhält sich im Vergleich mit dem zugeführten wit ein Strom von dreifach kleinerer Periodenzahl. Auf dem Kommutator schleifen gemäß Fig. 9 noch Bürsten B2 C2, welche gegenüber den Bürsten B1 C1 um die Breite eines Segmentes verschoben sind; in gleicher Weise sind die Bürsten ΒΆ C3 gegen B2 C2 um die Breite eines Segmentes verschoben. Die von den Bürsten B2 C„ und B3 C3 abgenommenen Ströme sind von gleicher Art wie der von den Bürsten B1 C1 abgenommene Strom, doch bestellen zwischen den Strömen, da einer Segmentbreite ein Phasenunterschied von einer halben Periode des zugeführten Stromes entspricht, Phasenunterschiede von einem Sechstel der Periode der erzeugten Ströme, el. i. Phasenunterschiede von je 6o°. Drei Ströme von 6o° Phasenunterschied sind drei Strömen von 120° Phasenunterschied vollkommen gleichwertig. Wenn man bei dem Kommutator nach Fig. 9 die Bürsten B2 C2 gegen B1 C1 um die doppelte Segmentbreite verstellt und ebenso B3 C3 gegen B2C2, so erhält man unmittelbar Ströme von 1200 Phasenunterschied. Die Ausführung des Kommutators muß nicht genau dieselbe sein, wie in den Figuren dargestellt ist. Das wesentliche Merkmal des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß ein einphasiger Wechselstrom nur unter Anwendung eines Kommutators und ohne Anwendung einer Umformerdynamo in einphasigen oder mehrphasigen Strom von niedrigerer Periodenzahl umgewandelt wird, wobei die vom Kommutator abgenommenen Ströme aus Halbwellen des zugeführten ' einphasigen Stromes bestehen und wobei die auf dem Kommutator schleifenden Bürsten die Segmente nur wechseln, wenn der zugeführte Strom den Nullwert hat. Paten τ-Ansprüche:

1. Verfahren zur Umformung von einphasigem Wechselstrom in Strom von geringerer Periodenzahl, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines von einem synchron laufenden kleinen Motor gedrehten Kommutators von den aufeinander folgenden Halbwellen des zugeführten Wechselstromes eine oder mehrere umgerichtet und dem Verbrauchsstromkreise in derselben Richtung zugeführt werden, worauf während der Dauer einer gleichen Anzahl von Halbperioden des zugeführten Stromes in den äußeren Stromkreis nur Strom von entgegengesetzter Richtung entsendet wird, wobei die Kommutation des zugeführten Stromes nur im Augenblicke der Stromlosigkeit erfolgt.

2. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den gleichgerichteten Stroniwellen der einen wie der anderen Richtung je eine Anzahl unterdrückt wird, wobei während der Dauer einer Anzahl von Halbperioden des zugeführten Stromes die Richtung des abgegebenen Stromes nicht wechselt und während der Dauer der folgenden gleichen Anzahl von Halbperioden die entgegengesetzte ist, zum Zwecke, einen intermittierenden Strom (Fig. 15 und 17) zu erhalten.

3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kommutator . zwei oder drei Bürstensätze gegeneinander verschoben angeordnet werden, um einen Abstand, welcher einer halben Periode des zugeführten Stromes entspricht, zum Zwecke, zwei oder drei Ströme von der halben oder dreimal kleinerer Periodenzahl zu entnehmen, welche sich wie Ströme von

90° oder 120⁰ Phasen unterschied verhalten.

4. Vorrichtung zur Ausführung" des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Abnahme von Zweiphasenstrom für jede Phase ein besonderer Kommutator angeordnet ist und in die eine der Zuleitungen für den Einphasenstrom (Z₁) elektrolytische Zellen eingeschaltet werden, so daß die Segmente des geteilten Kommutators nur Ströme bestimmter Richtung erhalten.

Hierzu 1 ,Blatt Zeichnungen.