DE208260C

DE208260C -

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Publication number: DE208260C
Application number: DE1907208260D
Authority: DE
Filing date: 1907-09-04
Anticipated expiration: 1927-09-05

Description

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVr 208260 KLASSE 21 a. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 5. September 1907 ab.

Die vorliegende Erfindung soll dazu dienen, Wechselströme von hoher Frequenz insbesondere für die drahtlose Telegraphie oder für abgestimmte Zeichengebung zu erzeugen.

Wird in einem gewöhnlichen ein- oder mehrphasigen Induktionsmotor (I in Fig. i) der Rotor mit synchroner Geschwindigkeit entgegen der. Drehrichtung des rotierenden Feldes umgetrieben, so ist die Wechselzahl der im

ίο Rotor erzeugten Ströme doppelt so groß wie die Wechselzahl des Statorstromes. Diese bekannte Erscheinung hat ihre Ursache darin, daß das rotierende Feld gegen den »rückwärts« umlaufenden Rotor eine doppelt so große Geschwindigkeit hat, wie gegen den Stator (Fig. 1). Würden wir nun den im Rotor erzeugten Strom in den Stator eines zweiten Mehrphasen-Induktionsmotors (II in Fig. 1) schicken und den Rotor dieser Maschine ebenfalls »rückwärts«, d. h. entgegen der Drehrichtung des Feldes umlaufen lassen, so würde die Frequenz in dem zweiten Rotor noch höher werden als die im ersten. Sind die beiden Maschinen identisch und direkt gekuppelt, so ist, falls die Frequenz des Stromes in Stator I 1000 Perioden ist, die Frequenz im Rotor I und Stator II 2000 Perioden, die Frequenz im Rotor II 3000.

Durch mechanische und elektrische Kupplung mehrerer solcher Maschinen können Ströme von beliebig hoher Wechselzahl erzeugt werden.

Dieses eben skizzierte Verfahren, mittels

einer Kaskadenschaltung und eines von der Geschwindigkeit des Drehfeldes abweichend rotierenden Ankers die Frequenz umzuformen, wird als bekannt vorausgesetzt. Die Erzeugung von Hochfrequenzströmen, wie sie in der drahtlosen Telegraphie Verwendung finden, ist dagegen mit diesen bereits bekannten Mitteln nicht ohne weiteres möglich, weil eine große Zahl von Frequenzumformungen stattfinden müßte.

Die Anwendung dieses Verfahrens für die Zwecke der drahtlosen Telegraphie, wie auch ganz allgemein für die Zwecke der abgestimmten Zeichengebung, Auslösung von Fernschaltern usw. wird erst durch die im folgenden beschriebenen wesentlichen Vereinfachungen der Schaltung, wie auch der ganzen Anordnung ermöglicht, die den Gegenstand des vorliegenden Patentes bilden sollen. Zu diesem Zwecke wird der dem Rotor II entnommene Strom wieder in Stator I zurückgeführt (Fig. 2), sei es in eine besondere auf dem Stator befindliche Wickelung oder in die ursprüngliche, für den Strom von 1000 Perioden benutzte. Die letztere kann sehr wohl zwei Ströme von verschiedener Wechselzahl führen, und es können zwei rotierende Felder im Motor einander überlagern, ohne sich gegenseitig zu stören. Eine Schutzvorrichtung, z. B. eine Drosselspule (Fig. 2), ist natürlich vorzusehen, so daß der Strom von 3000 Perioden nur in geringem Grade in die ursprüngliche Stromquelle von 1000 Perioden und hauptsächlich in Stator I eindringt. Der Strom von 3000 Perioden erzeugt im Stator I ein sehr schnell umlaufendes Feld, das im Rotor I Ströme

von 4000 Perioden hervorbringt, die durch die Umformung von Stator II nach Rotor II in Ströme von 5000 Perioden verwandelt werden. Die letzteren fließen wieder in Stator I zurück und werden in Ströme von noch höherer Frequenz umgeformt, so daß theoretisch schließlich Ströme von unendlich großer Wechselzahl entstehen würden. Durch eine Zusammenstellung von Kondensatoren und Drosselspulen können die Ströme von verschiedener Frequenz in einzelnen Stromwegen ausfiltriert werden, indem man diese Abstimmungselemente so wählt, daß für alle in Frage kommenden Frequenzen Resonanz eintritt. Hierauf soll später noch näher eingegangen werden.

Macht man den primären Teil der zweiten Maschine zum rotierenden, so kann man die rotierenden Teile ohne Zuhilfenahme von Schleifringen und Bürsten miteinander verbinden. Dann können auch Käfigrotoren benutzt werden.

Die zweite Maschine kann ausgeschaltet werden und eine einzige Maschine Verwendung finden. Wir brauchen nur den Rotor derselben elektrisch mit dem Stator in Verbindung zu bringen, so daß die im Rotor erzeugten Ströme erhöhter Frequenz wieder in den Stator zurückfließen und sich von hier aus weiter umformen können (Fig. 3). Natürlich finden auch Ströme vom Netz ihren Weg in den Rotor, die dann auch in Hochfrequenzströme umgewandelt werden. Diese Ströme kann man entweder fließen lassen oder sie mittels Abstimmungselementen abdrosseln. Anstatt die Energie durch elektrische Ab-. leitung aus dem Rotor zu entnehmen und sie dem Stator wieder zuzuführen, und umgekehrt, kann diese Rückführung natürlich auch nach Umformung in einem Transformator erfolgen. Läßt man weiter diese Transformation in dem Motor selbst stattfinden, so ergibt sich ' der Vorteil, daß eine elektrische Verbindung (Stromleitung) zwischen Stator und Rotor nicht zu bestehen braucht. Dies wird erreicht bei der nachfolgenden Anordnung.

Der Induktionsmotor erhält einen Rotor mit einphasiger Wickelung. Der Stator wird, wenn Ströme höherer Frequenz erzeugt werden sollen, auch einphasig gewählt. Unter einer einphasigen Wickelung soll eine Wickelung verstanden sein, die nur einen einzigen Stromkreis oder mehrere elektrisch gleichwertige parallele Stromkreise bildet, so daß ein rotierendes Feld nur einphasige elektromotorische Kräfte in ihr erzeugen kann. Eine gewöhnliche Zweiphasenwickelung, bei der eine Phase unterbrochen wird, wird zu einer einphasigen. Auch kann die Einphasenwickelung als Resultante zweier Drehstromwickelungen angesehen werden (Fig. 2).

In unserem Fall kann die einphasige Rotorwickelung in sich geschlossen sein, wenn erforderlich unter Einschaltung einer Doppelspule oder eines Kondensators. Der Rotor möge mit synchroner Geschwindigkeit umlaufen. Schicken wir nun in die Statorwickelung (Fig. 4) einen Wechselstrom von 1000 Perioden, so wird ein Wechselfeld erzeugt, dessen induzierende Wirkung auf den Rotor aber wie bekannt, zwei Drehfeldern gleich zu achten ist, die mit gleicher (synchroner) Geschwindigkeit, aber in entgegengesetzter Richtung umlaufen. Wir wollen diese Felder mit I und II bezeichnen (Fig. 5) und annehmen, daß der Rotor in derselben Richtung und mit gleicher Geschwindigkeit umläuft wie Feld II. Dann ist die Relativgeschwindigkeit des Rotors gegen Feld II Null; Feld I aber rotiert mit der doppelten synchronen Geschwindigkeit gegen den Rotor und erzeugt in demselben einen Strom von doppelt so großer Frequenz wie die dem Stator zugeführte. Dieser Strom fließt in der einphasigen Rotorwickelung und ruft im Rotor ein Wechselfeld hervor, das wir uns wieder in zwei Drehfelder zerlegt denken können, eins derselben rotiert mit zweifacher Synchrongeschwirdigkeit in der der Rotationsrichtung des Rotors entgegengesetzten Richtung, hat also gegen den Stator eine synchrone Geschwindigkeit und erzeugt hiergegen elektromotorische Kräfte von derselben Frequenz wie die von dem Generator erzeugte.

Die zweite Drehfeldkomponente hat aber relativ zum Rotor zweifache Synchrongeschwindigkeit und rotiert in derselben Richtung wie dieser Maschinenteil, erlangt also relativ zum Stator dreifache Synchrongeschwindigkeit und erzeugt hier elektromotorische Kräfte von dreimal so großer Frequenz als die des ursprünglich in die Maschine geleiteten Stromes. Die E. M. K. dreifacher Frequenz erzeugen Ströme, die im Stator über den Generator hinweg oder über einen künstlich geschaffenen Nebenschluß (Fig. 6) — z. B. Drossel- : spule und Kondensator — kreisen. Dieser Strom dreifacher Frequenz formt sich wieder um, in- : dem er im Rotor einen Strom vierfacher Frequenz erzeugt, der wieder mit fünffacher Frequenz auf den Stator zurückwirkt.

Auf diese Weise würden also theoretisch durch selbsttätige Umformung Ströme von ■ unendlich hoher Frequenz erzeugt werden können.

Es ist durchaus nicht nötig, daß die Maschine synchron läuft. Bei einer anderen Geschwindigkeit ist das Frequenzumformungsverhältnis nicht notwendig eine ganze Zahl.

Bei dieser Art der Frequenzumformung, d. h. beim einphasigen Motor mit einphasigem Rotor, ist mechanischer Antrieb nicht erforderlich, da der Einphasenmotor von selbst in be-

Claims

kannter Weise zum synchronen oder nahezu synchronen Rotieren gebracht werden kann. Wird die Maschine durch äußere Kraft angetrieben, so kann der Wechselstromgenerator wegfallen und eine Gleichstromquelle (Wechselstrom von der Frequenz Null) zur Erregung in den Stator eingeschaltet werden. Als charakteristisch für den Erfindungsgedanken möge hervorgehoben werden, daß es ίο sich nicht um Erzeugung von Oberschwingungen handelt, wie sie wohl bei anderen Wechselstrommaschinen aus verschiedenen Ursachen als Nebenerscheinungen auftreten, sondern daß — abgesehen von den unvermeidlichen Verlusten — tatsächlich bei jeder Umformung annähernd die volle Energie niedriger Frequenz in solche der in der Stufenfolge nächsthöheren Frequenz. umgewandelt wird. Natürlich treten Ohmsche und Eisenverluste auf, die wie bei jeder anderen Maschine unvermeidlich sind, und die den Betrag der jedesmal übertragenen Energie vermindern. Besonders macht sich aber der induktive Spannungsabfall infolge der Selbstinduktion der Wickelungen (magnetische Streuung) bei der mehrfachen Umsetzung geltend, so daß die Ströme sehr hoher Frequenz schließlich sehr schwach werden. Diesem Übelstand kann durch Einfügen von Kondensatoren in Stator oder Rotor oder parallel zum Generator entgegengewirkt werden. Am wirkungsvollsten dürfte eine Zusammenstellung von Kondensatoren und Drosselspulen sein, die unter entsprechender Berücksichtigung der Selbstinduktion der Maschine selbst für die verschiedenen Frequenzen in Resonanz sind. Fig. 6 zeigt eine solche Anordnung. Parallel zum Generator und Umformungsmotor sind Gruppen von Drosselspulen und Kondensatoren geschaltet. Ist die Selbstinduktion der Maschine vernachlässigbar, so wird Gruppe 1 so bemessen, daß sie etwa für die dreifache Grundfrequenz Resonanz (induktiver und Kapazitätswiderstand = Null) zeigt, so daß der aus dem Motor herauskommende Strom von dieser Wechselzahl einen bequemen Weg über Gruppe 1 findet. In ähnlicher Weise würde Gruppe 2 auf Resonanz bei fünffacher, Gruppe 3 auf Resonanz bei siebenfacher Grundfrequenz abgeglichen werden. DieDrosselspule und Kondensatoren werden im allgemeinen nur sehr klein ausfallen, da gewöhnlich die Frequenz sehr hoch ist. Durch Hintereinanderschaltung oder partielle Parallelschaltung des Verbrauchsapparates, der mit Strom der betreffenden Frequenz gespeist werden -soll, mit der betreffenden Gruppe (Gruppe 5 in Fig. 6) kann man wahlweile der Maschine verschiedene Frequenzen entnehmen und sie somit für Fernschaltungen und ähnliche Zwecke benutzen. Der Verbrauchsapparat kann natürlich auch auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt werden. Die Kondensatoren und Drosselspulengruppen brauchen nicht alle parallel geschaltet zu wer- O5 den. Serienparallel-, Brückenschaltung tun dieselben Dienste. Sie können in den Rotorkreis an Stelle des Statorkreises eingefügt werden. In allen Fällen können natürlich Rotor und Stator ihre Rollen vertauschen, d. h. der umlaufende sowohl als der stillstehende Teil der Maschine kann zum primären oder sekundären werden. Bei Erzeugung von sehr hohen Frequenzen namentlich für drahtlose Telegraphie kann es notwendig werden, die Maschine eisenlos zu bauen. Die Wickelungen können dabei auf irgendein schwach magnetisches oder nicht magnetisches Material gewickelt bzw. in dieses eingebaut oder frei in der Luft gehalten sein. In diesem Falle können Stator und Rotorwickelurtg unter Umständen zu einer einzigen Drahtschleife oder einem einzigen Draht zusammenschrumpfen. ■ Paten τ-Ansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung von Hochfrequenzströmen, insbesondere für Zwecke der drahtlosen Telegraphie, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Rotorwickelung eines Generators erzeugten Ströme oder elektrischen Energiemengen zur weiteren Frequenzänderung wieder dem Stator zugeführt werden und bei jeder weiteren, beliebig oft zu wiederholenden Übertragung zwischen Stator und Rotor eine jedesmalige Frequenzsteigerung erfahren.

2. Schaltungsweise für das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator eine besondere Wickelung erhält, der der Rotorstrom zugeführt wird.

3. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Rotor entnommene Strom vor seiner Rückleitung zum Stator transformiert wird.

4. Schaltungsanordnung für das Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung von Abstimmungselementen, wie Kondensatoren und Drosselspulen, zum Zwecke der Aufhebung der Selbstinduktion für die Ströme verschiedener Frequenz sowie zum Zwecke der Frequenzfiltration.

5. Schaltung für das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß statt eines Aggregates die Rotoren und Statoren mehrerer Aggregate wechselweise und die letzte Rotorwickelung mit einer

Wickelung auf dem ersten Stator oder eines vorhergehenden Stators verbunden sind.

6. Ausführungsform der Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufenden Wickelungen der Rotoren ohne Benutzung von Schleifringen paarweise hintereinander geschaltet sind.

7. Anordnung für das Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Zurückführung der Rotorenergie nach dem Stator und umgekehrt zum Zwecke der Frequenzsteigerung anstatt durch elektrisch leitende Verbindung mittels magnetischer Verkettung dadurch erfolgt, daß eine einphasige in sich oder über Kondensatoren und Drosselspulen geschlossene Rotorwickelung Ströme in einer Statorwickelung induziert und umgekehrt.

8. Schaltungsanordnung für das Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelungen und Wirkungen der Statoren und Rotoren gegeneinander vertauscht sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.