DE220551C

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Publication number: DE220551C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVI 220551 -KLASSE 2\d. GRUPPE

MAX DfiRI in WIEN.

Gleichstrom - Gleichstrom - Umformer.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 22. Dezember 1908 ab.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, um Gleichströme rücksichtlich ihrer Charakteristik, Spannung oder Stromstärke durch bloße Wirkung und Rückwirkung von Induktion umzuwandeln. In diesen Vorrichtungen werden keine Feldmagnete benutzt, wie bei den bekannten Umformern, sondern nur der in Ankerstromkreisen verkettete Kraftfluß zur Wirksamkeit gebracht, ähnlich wie bei Wechselstromtransformatoren.

Zum Umformen von Gleichstrom in Gleichstrom anderer Spannung hat man Einankerinduktoren auch ohne Feldmagnete benutzt, welche mit zwei Wicklungen und Stromwendern versehen wurden, wovon einer dazu diente, um den erregenden Gleichstrom zuzuführen, der andere, um den sekundären Gleichstrom zu entnehmen. Die zwei Bürstenpaare' wurden unter einem gewöhnlich sehr stumpfen Winkel gegeneinander gestellt, damit das resultierende Feld möglichst rechtwinklig zu beiden Bürstenachsen liege. In dieser Weise wurde beabsichtigt, eine gleichbleibende Spannung in eine andere umzuwandeln.

Der Umformer nach vorliegender Erfindung besteht grundsätzlich aus einem Anker gewöhnlicher Art mit bloß einer Wicklung und einem Stromwender, abgesehen von dem besonderen Falle, wenn behufs zweifacher Umformung zwei Anker konstruktiv zusammengezogen werden, wie später gezeigt werden soll. Die primären und sekundären Bürsten werden rechtwinklig zueinander gestellt, damit die auf die Bürstenachse bezogenen Komponenten des resultierenden Kraftflusses, jede auf den Stromkreis, welchen die anderen Bürsten bestimmen, induzierend wirken. Entweder der primäre oder der sekundäre Strom wird bei der Umformung konstant gehalten, daher wird die betreffende Feldkomponente ebenfalls konstant bleiben und eine konstante Spannung induzieren.

Durch diesen Einankerumformer kann man folglich konstante Stromstärke in konstante Spannung und umgekehrt verwandeln.

Im folgenden wird mit Bezug auf beiliegende Zeichnung die Wirkungsweise und die Ausführung von Gleichstrom - Umformern der neuen Art an einigen Beispielen der zweipoligen Anordnung erläutert.

Fig. ι zeigt die Grundform mit einem Ständer S, dessen Eisen mit gleichmäßigem, geringem Luftabstand den Anker A umgibt. Aussparungen oder Unterbrechungen im Ständereisen, die lediglich aus Kommutierungsrücksichten notwendig sein können, sind in der

Darstellung nicht beachtet. A ist ein gewöhnlicher Gleichstromanker mit dem Stromwender K. Die Bürsten ι und ι bilden den primären Stromkreis und die Bürsten 2 und 2, die zu ersteren rechtwinklig gestellt sind, den sekundären Stromkreis in der gemeinsamen Ankerwicklung.

Leitet man durch jedes Bürstenpaar einen Strom von beliebiger Richtung und Stärke, so werden die magnetischen Achsen der resultierenden Amperewindungen und folglich auch der verketteten Kraftflüsse im Anker eine bestimmte Lage zwischen den Bürstenachsen 1 und 2 einnehmen. Das Drehmoment wird Null sein, weil die Achse der Amperewindungen mit der Achse der Kraftflüsse zusammenfällt, sofern man in den beiden Querrichtungen gleiche magnetische Widerstände voraussetzen kann. Das Drehmoment bleibt auch dann Null, wenn der Anker gedreht wird und die Ströme infolge der Drehung sich ändern, was grundsätzlich verschieden ist von der Wirkung einer Dynamomaschine auch in dem Falle, wenn letztere vom Anker aus erregt wird. .

Während der Ankerdrehung werden nämlich in den Stromkreisen 1 und 2 durch das Gesamtfeld elektromotorische Kräfte induziert, die rücksichtlich der Stromrichtung in einem Kreise positiv, im anderen negativ sind. Die Energiewerte, welche in den beiden umlaufenden Ankerstromkreisen infolge der Induktion entstehen, sind immer gleich und entgegengesetzt, gleichviel ob die Energie in äußeren Schließungskreisen verbraucht wird oder in der Ankerwicklung geschlossen bleibt, d. h. bloß zur Erregung eines Ankerfeldes dient.

Wird z. B. durch die Primärbürsten der Fig. ι Strom geleitet und dessen Stärke konstant erhalten, so wird bei einer gewissen Drehzahl im sekundären Kreise eine E. M. K. entstehen, die unabhängig von der Stromstärke in diesem Kreise konstant bleibt. Solange der sekundäre Kreis offen ist, hat der primäre Strom nur den Ohmschen Widerstand zu überwinden; schließt man aber den sekundären Kreis, so wird der entnommene Nutzstrom durch den erregten Kraftfluß rückwirkend im Primärkreise eine E. M. K. hervorrufen, die mit dem Nutzstrom zu- und abnimmt. Vorausgesetzt, daß der Primärstrom konstant ist, wird also eine Energie gleichbleibender Stromstärke und veränderlicher Spannung in eine andere gleichbleibender Spannung und veränderlicher Stromstärke umgewandelt. Vertauscht man die primäre mit der sekundären Energie, dann ist die Umformung der Charakteristiken umgekehrt.

Wenn, wie in Fig. 2 dargestellt, eine Vorrichtung mit den beschriebenen zwei Ankerkreisen und eine zweite gleiche Vorrichtung, z. B. auf gemeinsamer Welle, montiert und hintereinander geschaltet, d. h. die Bürsten 3 am Stromwender K₁ mit den Bürsten 3 am Stromwender K₂ verbunden sind, dann ist es klar, daß die Umwandlung der Charakteristiken sich in der zweiten Vorrichtung umgekehrt vollzieht wie in der ersten. Es wird dann die primäre Energie (1) konstanter Stromstärke oder konstanter Spannung in letzter Linie in eine andere (2) ebenfalls konstanter Stromstärke bzw. Spannung \^erwandelt. Der über beide Anker geschlossene Stromkreis (3) bewirkt durch das in ihm erregte regelnde Hilfsfeld, daß die veränderlichen Spannungen bzw. Ströme im primären und sekundären Kreise einander proportional bleiben.

Anstatt zwei getrennte Umformer zu benutzen, kann man die zwei Ständer und auch die zwei Anker miteinander vereinigen. In letzterem Falle entsteht ein Anker mit zwei Wicklungen und zwei Stromwendern, wie Fig. 3, welche die gleichen Bezeichnungen wie Fig. 2 aufweist, andeutet. Hier ist eine weitere Vereinfachung dadurch bewirkt, daß nicht ein Bürstenpaar des einen Stromwenders mit einem des anderen Stromwenders verbunden ist, sondern bloß die Querbürsten an einem der beiden Stromwender, z. B. K„, kurzgeschlossen sind. Die Bürsten dieses Hilfsstromkreises sind mit 3 bezeichnet. In dieser Anordnung ist die Wirkungsweise, abgesehen von der Drehung, ganz ähnlich wie bei einem Wechselstromtransformator. . ·

Mittel, mit welchen die elektromotorischen Kräfte beeinflußt werden können, sind entweder die Veränderung der Drehzahl oder die Veränderung des Winkels zwischen den Bürstenachsen, oder auch die Veränderung des Kraftflusses dadurch, daß Gegenwindungen am Ständer angebracht und in veränderlicher Zahl mit dem gleichachsigen Ankerstromkreise in Reihe geschaltet werden.

Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen dieses Gleichstromwandlers hat der Ständer nur die Aufgabe, die im Anker entstandenen. Kraftflüsse zu schließen. Es ist daher möglich, den Eisenzylinder, als welcher sich der Ständer darstellt, mit dem Ankereisen zu vereinigen. Die Windungen kommen dann in Löchern, Schlitzen o. dgl. zu liegen und sind ringsherum von Eisen umgeben, welches durchweg unterteilt hergestellt wird. Fig. 4 zeigt eine solche Ausführungsform des Umformers ohne Luftspalt, wobei .S durch A ersetzt ist.

In allen Fällen kann man auch den Anker oder die Wicklungen mit ihrer Eisenhülle und mit den Stromwendern ruhen lassen und hingegen die Bürsten in Drehung versetzen. Dann muß man aber diejenigen Bürsten,

Avelche Ströme von.außen zuführen oder nach außen abführen, mit Schleifkontakten versehen.

Die Drehung des Ankers oder der Bürsten kann ein beliebiger Motor mit geringer Kraft bewirken, da ja nur die Reibungswiderstände zu überwinden sind. Man kann hierzu auch die vorhandenen Ströme benutzen, entweder irr einem besonderen Elektromotor oder in

ίο einer Kombination des Gleichstromwandlers mit einem Elektromotor von verhältnismäßig geringer Leistung (s. Fig. 5), so daß am Ständer ein schwaches Feld durch Windungen W mit der magnetischen Achse 2, 2 bzw. 3, 3 in Fig. 3 erzeugt wird, welches durch den primären Strom erregt und, wenn erwünscht, durch den sekundären Strom bzw', durch den Hilfsstrom geregelt wird. Man kann in jedem Falle die Drehzahl des Motors unverändert erhalten oder in einer vorher bestimmten Weise veränderlich machen.

Bei derartigen Anordnungen zur Umwandlung von Gleichströmen ist es unter Umständen notwendig, wirksame Mittel anzuwenden, um die Funkenbildung am Stromwender zu verhüten. Ein solches Mittel ist bekanntlich die Herstellung eines Wendefeldes durch magnetomotorische Kräfte, die den Ankeramperewindungen entgegengerichtet und mit ihnen proportional sind. Um dabei die für die Transformatorwirkung unerläßliche, gegen- - seitige Induktion hervorzubringen, müssen die wirksamen Kraftflüsse in beiden Querrichtungen entgegengesetzt gerichtet sein wie die Ankerfelder.

Den Zweck, die Umformerfelder, welche die gegenseitige Induktion des primären und sekundären Stromkreises bewirken, gleichzeitig auch als Wendefelder zu benutzen, erreicht man daher, wenn man sowohl in der lotrechten als auch in der wagerechten Achsenlinie am Ständer Magnetwicklungen mit wesentlich größeren Windungszahlen als die der Ankerwicklung anbringt und jede mit dem gleichachsigen Ankerstromkreis entgegengerichtet in Reihe schaltet. Indem man die Verhältnisse sowohl in bezug auf die Reaktanz der Kommutierung als auch auf die Induktion des Ankers zweckmäßig wählt, kann man den Bedingungen beider Funktionen erfolgreich genügen.

Sind in dem Umformer drei Ankerstromkreise vorhanden, wie in Fig. 3, dann müssen auch am Ständer drei Magnetspulen angebracht werden, von denen zwei gleichachsig in

55. der einen Achsenlinie und die dritte in der Querachse angeordnet sind. Hierbei sind die ersten zwei Spulen mit den bezüglichen Ankerstromkreisen in Reihe zu schalten, während die in der Querachse liegenden mit dem betreffenden Ankerstromkreise in , Reihe kurzgeschlossen werden. Die Pole können in diesem Falle nicht wie bei den vorbeschriebenen Anordnungen über die ganze Polteilung ausgebreitet sein, sondern müssen zur Aufnahme der Wicklung geeignet und folglich mehr oder weniger ausgeprägt, sein.

In Fig. 6 ist die zweipolige Wicklungsanordnung und Schaltung für jedes der beiden Felder schematisch dargestellt, wobei wie früher 5 die Feldmagnete oder Ständer, A den Anker, K den Stromwender, 1 und 2 die Achsen des primären und sekundären Feldes sowie auch die betreffenden Stromkreise bezeichnen. W₁ und W₂ sind die Magnetwicklungen in dem primären und sekundären Stromkreise.

In Fig. 7 ist als Beispiel eine Einrichtung dargestellt, bei welcher am Ständer gemäß der Anordnung nach Fig. 5 überdies noch eine Magnetspule W₀- in der Achse 2 angebracht und in den Stromkreis 1 eingeschaltet wird, um ein schwaches Feld mit Primärstrom zu erregen und ein Drehmoment zur Drehung des Ankers hervorzubringen. Dieses Drehmoment kann beeinflußt werden,' um die Drehzahl zu regeln, wenn das Verhältnis der Amperewindungen der Magnet- und Ankerwicklung im primären und sekundären Stromkreise ungleich gemacht wird, so daß der Sekundärstrom die magnetomotorische Kraft der Spule W₀ verstärkt oder schwächt.

Durch Verschieben der Bürsten aus der Mittellage rücksichtlich des Feldes kann man gleichfalls die zur Ankerdrehung notwendigen Drehmomente hervorbringen und regeln.

Claims

Patent-Ansprüche:

ι . Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer, bestehend aus einem gewöhnlichen Stromwenderanker mit einer Wicklung und zwei den primären und sekundären Stromkreis festlegenden Bürstensätzen, die um eine halbe Polteilung gegeneinander verschoben sind, gekennzeichnet durch einen derartigen Aufbau des in der Regel unbewickelten Ständers, daß der magnetische Widerstand in den beiden Bürstenachsenrichtungen möglichst klein ist, so daß die beiden Ankerstromkreise während der Drehung des Ankers eine wirksame, gegenseitige Induktion aufeinander ausüben können und dadurch gegenseitig elektromotorische Kräfte und Gegenkräfte hervorrufen, zum Zwecke,, eine Gleichstromenergie in eine andere Gleichstromenergie umzuwandeln.
2. Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer als Kombination von zwei in Reihe geschalteten Vorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Anker mit zwei Wicklungen und zwei Stromwendern zwei Bürstensätze in einer

Achse und ein dritter Bürstensatz in der Querachse angebracht sind, wobei letzterer in sich geschlossen ist und einen Erregerstromkreis bzw. ein Erregerfeld schafft, das auf den durch die gleichachsigen Bürsten festgelegten primären und sekundären Ankerstromkreis in gleichem Maße induzierend wirkt.
3. Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ständer ebenso viele Magnetwicklungen angebracht sind, wie die Zahl der Ankerstromkreise beträgt, wobei die Magnetwicklungen mit den gleichachsigen Ankerstromkreisen entgegengerichtet in Reihe geschaltet sind, derart, daß die den Anker induzierenden Umformerfelder ihrer Richtung uiid Größe nach mit den zur Verhütung der Funken nötigen Wendefeldern übereinstimmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.