DE199563C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

199563 -. KLASSE 21 d. GRUPPE

HANS LIPPELT in LYNN, V. St. A. Kreisender Umformer.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 23. Januar 1904 ab. Längste Dauer: 10. September 1917.

Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden elektrische Umformer, welche den in den Patentschriften 188767 und 182386, Kl. 2id, für Gleichstrom-Dynamos und Motoren ausgewerteten Grundgedanken für die Umformung von elektrischen Strömen benutzen. Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Beschreibung soll deshalb zunächst die Bauart und Wirkungsweise der Maschinen nach jenen Patentschriften erklärt werden. Fig. ι stellt die Abwicklung einer solchen Gleichstrom-Dynamomaschine vor. A bedeutet: den Anker, welcher als feststehend zu denken ist. G bedeutet das kreisend zu denkende Feldmagnetsystem. Die Magnetpole desselben N S sind mit 1 bis 8 numeriert, und die Richtung des Erregerstroms ist in bekannter Weise durch Kreuze und " Punkte angegeben. Die Pole 1, 2, 3, 6, 7, 8, sind Hauptpole, welche mit gleicher PoI-360⁰

teilung τ =

oder einem Viel-

Anzahl der Pole
fachen davon angeordnet sind (wobei die Pole 4^a und 4* als ein Pol zu rechnen sind), und welche im Nebenschluß oder durch Hauptstrom zu erregen sind, je nachdem die Maschine eine Nebenschluß- oder Hauptstrommaschine ist. In ähnlicher Weise kann nach Bedarf Verbundwicklung· auf diesen Polen vorgesehen werden. 4^a, 4^, 5 sind Hilfspole, welche proportional zum Ankerstrom und zweckmäßigerweise durch ihn zu erregen sind. Dieselben sind mit ungleicher Polteilung am Magnetgestell angeordnet, und ihre magnetische Stärke ist so bemessen, daß sie die Rückwirkung des Ankers aufheben und die Kurve der induzierten elektromotorischen Kraft in bestimmter Weise regeln. Der Anker A, dessen Grundriß auch in Fig. 2 dargestellt ist, ist mit drei sogenannten Leiterelementen oder Ankerstromkreisen I₁, L₂, I₃ bewickelt. Die Anfänge der Leiterelemente sind durch den Index α und die Enden durch den Index e kenntlich gemacht. Die Art der Wicklung ist aus der Fig. 2 ersichtlich, sie ähnelt im allgemeinen einer offenen Mehrphasenwicklung, deren Wicklungsschritt gleich τ ist. Die Gesamtheit der Leiterelemente, nämlich I₁, /₂, /₃, soll künftig als die Ankerwicklung / bezeichnet werden. Vermittels des Magnetsystems werden in den Leitereiern en ten elektrische Wechselspannungen induziert, und die Induktion wird dabei so geleitet, daß stets in mindestens zwei Leiterelementen gleich große oder nahezu gleich große elektromotorische Kräfte herrschen. Die Stromrichtung ist in ihnen durch Kreuze und Punkte angegeben (Fig. 1). Vermittels eines Stromwenders werden solche gleich stark induzierten Leiterelemente zu einer Gruppe parallel geschaltet. Zu diesem 'Zweck sind

auf dem Stromwender Kontaktschienen vorgesehen b₊ Z>_ (Fig. 2). Diese sind in gleichen Winkelabständen voneinander und konzentrisch zur Welle angeordnet und auf ihr befestigt. Zwischen den Kontaktschienen sind geeignete (in der Fig. 2 nicht gezeichnete) isolierende Zwischenstücke angebracht. Das Ganze ist glatt abgedreht, damit Bürsten darauf schleifen können. Außer den Kontaktschienen sind noch zwei Schleifringer+ r_ auf der¹ Welle befestigt, und die. Kontaktschienen sind so mit letzteren verbunden, daß eine positive und eine negative Gruppe entsteht. Zueinander benachbarte Kontaktschienen erhalten dabei entgegengesetztes Vorzeichen. Auf den Schleifringen schleifen zwei Bürsten k+ k_, welche mit den elektrischen Polklemmen p₊ p— der Maschine in Verbindung stehen. Auf den Kontaktschienen hingegen schleifen Bürsten/, welche mit den Anfängen und Enden der Leiterelemente verbunden sind, wie aus der Figur ersichtlich ist. Fig. 2 zeigt den Fall, in welchem in Z₂ und Z₃ gleiche elektromotorische Kräfte herrschen. Die Anfange dieser beiden Leiterelemente schleifen gerade auf einer Kontaktschiene Z?_, während ihre Enden auf b₊ schleifen. Läuft nun der Stromwender (und mit ihm das Feldsystem) in Richtung des Pfeiles Fig. 1 und 2, so wird zunächst infolge schwächerer Induktion im Leiterelement Z₂ die Spannung sinken. Wenn ein gewisser unterer Grenzwert erreicht ist, erfolgt infolge der Bewegung des Stromwenders die Abschaltung dieses Leiter-

elementes von den Kontaktschienen b₊ b

In der gleichen Zeit ist im Leiterelement Z₁ die elektromotorische Kraft bis zum obengenannten Grenzwert gestiegen, und der Stromwender ist dabei so weit vorgeschritten, daß /, _a auf einer Kontaktschiene b₊ und Z_{1 e} auf einer Kontaktschiene Z?_ schleifen wird. Durch Vermittlung der Schleifringe r₊ r_ sind somit die Leiterelemente Z₁ und Z₈ parallel geschältet. Im weiteren Verlauf des Vorganges wird Z₃ abgeschaltet werden, während Z₂ zu Z₁ parallel geschaltet wird. Die Parallelschaltung geschieht in diesem Fall durch ein

anderes Paar Kontaktschienen Z?+ b Und

so geht das Wechselspiel fort. Durch geeignete Erregung des Feldmagnetsystems wird dafür Sorge getragen, daß die wechselnden Induktionswirkungen auf die Leiterelemente mit den wechselnden Schaltungen des Stromwenders im Einklang stehen, d. h., daß in Leiterelementen, die parallel geschaltet sind, gleiche oder nahezu gleiche elektromotorische Kräfte für die Dauer ihrer Parallelschaltung herrschen.

Die vorbeschriebene Maschine kann zur Erzeugung von elektrischem Strom benutzt werden, wenn sie durch eine Kraftquelle mechanisch angetrieben wird. Wird ihr hingegen elektrische Leistung zugeführt, so kann die Maschine als Elektromotor dienen und mechanische Leistung abgeben. Wird ein solcher Elektromotor mit einer obenbeschriebenen Dynamomaschine gekuppelt, so kann das Ganze als elektrischer Umformer benutzt werden.

Die vorliegende Erfindung bezweckt nun die Vereinigung des Motors und der Dynamo zu einer Maschine, d. h. zu einem Umformer. Erreicht wird dieses Ziel dadurch, daß nur ein Magnetgestell und nur ein Anker verwendet wird. Auf dem Anker sind jedoch zwei Wicklungen anzubringen, wovon die eine als Motorwicklung und die andere als Dynamowicklung wirken soll. Entsprechend sind natürlich auch zwei Stromwender vorzusehen. Die Vereinigung des Motors und der Dynamo zu einer Maschine hat den besonderen Vorteil, daß das Ganze bedeutend einfacher¹ in der Bauart wird, was gleichzeitig eine Verringerung der Herstellungs^ kosten mit sich bringt. Ein weiterer und sehr wesentlicher Vorteil besteht in der Erreichung eines höheren Wirkungsgrades. Da nur ein Magnetsystem und nur ein Ankerkern für beide Ankerwicklungen zur Verwendung kommt, wird die elektrische Arbeit zur Aufrechterhaltung der induzierenden Magnetfelder auf die Hälfte verringert, ebenso werden die Hysteresis- und Wirbelstromverluste auf den halben Betrag herabgesetzt. Eine solche Verringerung der Verluste ist besonders da von großer Bedeutung, wo die Umformer sehr lange oder ununterbrochen arbeiten müssen.

Die Fig. 5 und -6 zeigen die Abwicklung eines solchen Umformers. . Fig. 5 stellt einen Durchschnitt durch Anker A und Magnetsystem G vor, während in Fig. 6 der Grundriß des Ankers mit den beiden Stromwendern gezeigt ist. Auf dem Anker A sind die beiden voneinander isolierten Wicklungen L und Z vorgesehen. Die Wicklung L besteht aus den Leiterelementen L₁ L₂ L₃, die Wicklung Z besteht aus den Leiterelementen Z₁ Z₂ Z₃. Wie vorher sind die Anfänge derselben durch Index α und die Enden durch Index e kenntlieh gemacht. Die Leiterelemente Z₁ Z₂ Z₃ sind genau so gewickelt wie in Fig. 2. Die Leiterelemente L₁ L₂ L₃ sind nach ebendenselben Prinzipien gewickelt, und es sind sogar dafür dieselben Nuten im Anker benutzt worden, so daß beispielsweise das Leiterelement L₁ genau parallel zu dem Leiterelement Z₁ verläuft. Ähnliches gilt von den anderen Leiterelementen. Daß die Anfänge und Enden der Leiterelemente L₁ L₂ L₃ in anderen Nuten liegen als die Anfänge und Enden der Leiterelemente Z₁ Z₂ Z₃, ist ohne Belang. Die beiden

Stromwender sind aus Gründen der Zweckmäßigkeit auf entgegengesetzten Seiten des Ankers angebracht. Für den Stromwender, welcher die Wicklung L bedient, ist die Bedeutung der Buchstaben dieselbe wie für den Stromwender der Wicklung /. Nur sind für den Stromwender der Wicklung L große Bezugszeichen verwendet worden.

Das Magnetsystem G ist besonders in Fig. 5 gezeigt. Es ist kreisend zu denken, und mit ihm laufen die Kontaktschienen und Schleifringe der Stromwender. Die Stromrichtung in den Erregerwindungen der Magnete ist in bekannter Weise angegeben. Der Anker A ist feststehend. Das Magnetsystem besteht (wie in Fig. 1) aus den Hauptpolen 1, 2, 3, 6, 7, 8 mit gleicher Polteilung τ und den Hilfspolen 4^a, 4*, 5 mit ungleicher Polteilung. Bezüglich der Erregung der Hauptpole gilt dasselbe, was an Hand von Fig. 1 darüber gesagt worden ist. Auf den Hilfspolen sind dagegen zwei Wicklungen anzubringen, die eine für den Ankerstrom, welcher durch die Wicklung Z fließt, die andere für den Ankerstrom, welcher durch die Wicklung L fließt. Die magnetisierenden Wirkungen der beiden Wicklungen müssen zueinander entgegengesetzt sein, und die Größe des resultierenden Hilfsfeldes muß gleich der Summe der Ankerfelder gewählt werden. Dabei ist zu beachten, daß jedes Ankerfeld von zwei einander entgegenwirkenden Strömen erregt wird, wie aus nachstehendem hervorgeht.

Für den durch die Fig. 5 und 6 dargestellten Umformer ist angenommen worden, daß L die Motorwicklung ist, welche von außen mit Strom beschickt wird, während / die Dynamowicklung ist, aus welcher umgeformter elektrischer Strom entnommen wird.

Fig. 5 zeigt, daß die Stromrichtung in den beiden Ankerwicklungen L und Z entgegengesetzt ist. Infolgedessen sind auch ihre magnetisierenden Wirkungen auf den Anker entgegengesetzt, und die Stärke der Ankerfelder entspricht nur der Differenz der beiden Wirkungen. Dadurch erklärt sich, weshalb . -die Hilfspole 4", 4^b, 5 durch die beiden Ankerströme .in entgegengesetzter Richtung zu erregen sind. Siehe darüber auch die '50 eingangs erwähnten Patentschriften.

Bisher ist für die Zeichnung und Beschreibung vorausgesetzt worden, daß die Motorwicklung L und die Dynamowicklung / voneinander isoliert sind. Unter gewissen Umständen kann aber eine Trennung nicht erwünscht sein. Fig. 7 zeigt den Fall, wo die beiden Leiterelemente elektrisch verbunden sind. Es sind dort nur die Leiterelemente L₁ und Z₁ gezeigt. L₁ ist genau so gewickelt, wie vorher in Fig. 6 Und ist durch eine strichpunktierte Linie dargestellt, welche bei L_{1 a} anfängt und in einer Wellenlinie um den Umfang des Ankers A herumgeht und bei L_{1 e} aufhört." Das Leiterelement Z₁ beginnt auf der anderen Seite des Ankers bei I_{1 a}, verläuft zunächst auf einem ,induktionsfreien Wege (punktierte Linie) nach dem Punkt M nahe dem Anfang von L₁ und wird von da aus gebildet durch das LeiterelementX₁ bis zum· Punkt N nahe L_{1 e}. Am Punkte JV ist das Leiterelement· Z₁ noch nicht zu Ende, sondern erstreckt sich noch einmal in Form einer Wellenlinie (voll ausgezogene Linie Fig. 7) um den Anker A herum bis in die Nähe des Punktes N, von wo aus es auf einem induktionsfreien Wege (punktierteLinie) nach der anderen Seite des Ankers geführt wird, wo es bei Z_{1 e} endigt. Die anderen Leiterelemente L₂ L₃ usw. und Z₂ Z₃ usw. sind genau so zu wickeln und in den geeigneten Nuten auf dem Anker, unterzubringen. Eine solche Hinzufügung von induzierten Stäben, wie sie hier beschrieben worden ist, kann natürlich auch auf der anderen Seite des Leiterelementes L₁ oder auch auf beiden Seiten zugleich vorgenommen werden. Diese ' Schaltungsart wird künftig »Sparschaltunga genannt werden.

Die Schaltung für den in Fig. 6 dargestellten Fall, wo Motorwicklung und Dynamowicklung voneinander isoliert sind, wird sich diagrammatisch, wie in Fig. 3 gezeigt, darstellen. L bedeutet dabei die Motorwicklung, d. h. die Gesamtheit der Leiterelemente L₁ L.₂ L₃. Durch I wird die Dynamowicklung dargestellt, d. h. die Gesamtheit der Leiterelemente Z₁ Z₂ Z₃ usw. Behält man diese Art der Bezeichnung und Darstellung bei, so wird die Schaltung einer Maschine, welche nach Fig. 7 gebaut ist, durch Fig. 4 diagrammatisch dargestellt. Dabei sind Motorwicklung L und Dynamowicklung Z miteinander verbunden, und die Dynamowicklung Z wird durch einen Teil der Motorwicklung L gebildet. Diese Diagramme passen auch für den Fall, daß Z die Motorwicklung und L die Dynamowicklung ist. Sie passen auch, wenn L und Z nur als je ein Leiterelement angesehen werden. Selbstverständlich sind die Drahtquerschnitte der beiden Wicklungen den Stromstärken anzupassen. -

Für die Erklärung der Bauart und Wirkungsweise der Umformer ist nur eine Wicklungsart der eingangs erwähnten Patentschrift 188767, Kl. 21 d, benutzt worden. Die anderen Wicklungsarten, welche in jener Patentschrift beschrieben worden sind, können in ähnlicher Weise für die vorliegenden Umformer verwendet werden. Die Hauptmerkmale, jener anderen Wicklungen sind im wesentlichen dieselben wie die der obenbe-. schriebenen Wicklung, nämlich:

I. Der Wicklungsschritt ist für jedes Leitef-

element gleich τ = -. ~-₃ —=-:- oder einem

° Anzahl der Pole

"Vielfachen davon.

2. Jede Ankerwicklung ist aus mehreren solchen Leiterelementen zusammengesetzt, und

3. die periodische Schaltung derselben wird durch Stromwender bewirkt.

Ebenso sind auch die anderen in der Patentschrift 182386, Kl. 21 d, beschriebenen Feldmagnetsysteme für die vorliegenden Umformer verwendbar. Fig. 8 und 9 zeigen in A den Anker mit Motorwicklung L und Dynamowicklung /, wie oben beschrieben. G in Fig. 8 stellt ein solches achtpoliges Feldmagnetsystem vor, bei welchem die Pole N S mit ungleicher Polteilung aufgetragen sind. Um das anschaulich zu machen, sind die Mittellinien, welche sich für gleichbleibende Polteilung τ ergeben wurden, gezeigt. Die Pole selbst sind hingegen in Abständen τ + ε, τ -f- 2ε, τ -f- 3ε usw. angeordnet. Doch kann das Gesetz der Teilung auch anders gewählt werden, wenn sich dies zweckmäßig erweisen sollte. Um diese Pole sind zunächst die gewöhnlichen Erregerwindungen (Haupt- oder Nebenschlußwindungen oder beide) geführt.^ Sie sind entlang der Linie H sichtbar. Das erste Polpaar I, 2 und das letzte 7, 8 sind aber noch mit zusätzlichen Hilfswindungen W und n> versehen. Durch die Windungen»" ist der Strom geleitet, welcher durch die Dynamowicklung / des Ankers erzeugt wird (oder ein dazu proportionaler Strom), und zwar in solcher Richtung, daß er den Magnetismus der Pole 1, 2 schwächt und den der Pole 7, 8 verstärkt. Die Windungen W werden dagegen von dem Strome durchflössen, welcher in die Motorwicklung L des Ankers eingeleitet wird (oder ein dazu proportionaler Strom), und zwar so, daß er die Pole I, 2 verstärkt und 7, 8 schwächt. Die Amperewindungszahlen dieser Hilf s wicklungen sollen sich im allgemeinen so zueinander verhalten wie die Amperewindungszahlen, welche diese selben Ströme hervorbringen, wenn sie die Ankerwicklung L und / durchfließen. Wie ersichtlich, wirken die beiden Hilfserregungen auf den Polen 1, 2 und 7, 8 einander entgegen. Ihre verbleibende Differenz soll so groß sein, daß das resultierende Hilfsfeld die Rückwirkung des Ankers aufhebt. Selbstverständlich kann dieses Hilfsfeld auch erzeugt werden durch eine einzige Hilfswicklung auf den Polen 1, 2, 7, 8, in welcher der Strom so geregelt wird, daß das erzeugte Hilfsfeld ebenfalls bei allen Belastungen die Rückwirkung des Ankers aufhebt.

Es sei noch erwähnt, daß auch eine Kombination der an Hand von Fig. 5 und 8 beschriebenen Feldmagnetsystetne vorgenommen werden kann. Die charakteristischen Merkmale der für vorliegende Umformer zur Verwendung kommenden Feldmagnetsysteme sind also, um es nochmals zusammenzufassen, eine ungleichmäßige Polteilung und außerdem entweder ungleich große Pole oder ungleich bewickelte Pole oder sowohl ungleich große als auch ungleich bewickelte Pole.

Die Windungszahlen (bzw. Anzahl induzierter Stäbe) für die Leiterelemente der Motorwicklung L und der Dynamowicklung / hängen natürlich ganz von den Spannungs-Verhältnissen ab. Ist die Spannung an den Klemmen des Motors groß, so muß jedes Leiterelement aus vielen Windungen zusammengesetzt werden. Ist die Spannung an den Klemmen der Dynamo klein, so braucht jedes Leiterelement derselben nur aus wenigen Windungen zu bestehen. Die genauen Windungszahlen sind nach den allgemein bekannten Induktionsgesetzen zu berechnen.

Die obenbeschriebenen Umformer sind für die Umformung von Gleichstrom in Gleichstrom geeignet. Sie können jedoch auch zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom und umgekehrt dienen. Für diesen letzten Fall ist nur nötig, daß in der Wicklung, welche mit Wechselströmen arbeitet, der Stromwender weggelassen wird. Die Enden der Leiterelemente sind dann unmittelbar zu den Polklemmen zu führen. Da jede Wicklung aus mehreren Leiterelementen zusammengesetzt ist, können entsprechend mehrphasige Wechselströme zugeführt oder entnommen werden. Bei der Zuführung von Wechselströmen in die Maschine (Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom) muß natürlich auf Einhaltung der richtigen Periodenzahl und Kurvenform geachtet werden.

Bei den vorliegenden Umformern hat das. Magnetsystem eigentlich gar keine Leistung zu übertragen. Es kann deshalb körperlich leicht hergestellt werden, so daß nur kleine Reibungsverluste beim Umlauf zu erwarten . sind. Es kann aber in anderen Fällen sehr zweckmäßig sein, das Magnetsystem mit einer großen Schwungmasse zu verbinden. Das no hat den Vorteil, daß plötzliche Belastungsschwankungen keinen so nachteiligen Einfluß auf die Spannung haben können, weil dann die Schwungmasse als ein Regler wirken wird. Die Reibungsverluste der Welle können in diesem Falle durch Kugellager auf einen kleinen Betrag beschränkt werden.

Dadurch, daß die Ankerwicklungen des Umformers stillstehend angeordnet werden können, wird die Herstellung einer vorzügliehen Isolation sehr erleichtert, wodurch die Verwendung von hoher Spannung möglich

wird. Selbstverständlich kann auch der Anker als kreisender Teil und das Magnetsystem als feststehender Teil ausgebildet werden. In diesem Falle sind die Kontaktschienen b+ b— £+ JB_ feststehend anzuordnen, . und die Bürsten f und F müssen mit dem Anker kreisen. Die Schleifringe fallen bei dieser Ausführungsform weg. An ihre Stelle treten einfache Leitungen, welche die Kontaktschienen zu einer positiven und zu einer negativen Gruppe und mit den Polklemmen verbinden.

Claims (3)

1. Patent-An Sprüche:

   i. Ausführung der elektrischen Maschine nach D; R. P. 188767, Kl. 2id, als Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer mit ruhendem Feldmagneten und umlaufendem Anker oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß zwei voneinander isolierte, in der ebenda angegebenen Weise ausgeführte Ankerwicklungen auf einem gemeinsamen Ankerkern vorgesehen sind und ihre Enden über Bürsten mit je einem Stromwender in Verbindung stehen, der ebensoviele Kontaktschienen aufweist als Feldmagnetpole vorhanden sind.
2. 2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einander entsprechenden Leiterelemente der beiden Ankerwicklungen in Sparschaltung teilweise miteinander vereinigt sind.
3. 3. Umformer "nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Ankerwicklung statt an einen Stromwender an Schleifringe oder feste Polklemmen angeschlossen ist, zum· Zweck, die Umformung von Gleichstrom in ein- oder mehrphasigen Wechselstrom oder umgekehrt zu ermöglichen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.