DE221791C - - Google Patents

Description

LICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- Λ! 221791.-KLASSE 21 d. GRUPPE

Schwebungsphasen.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 1. Juli 1908 ab.

Den Gegenstand vorliegender Erfindung bildet eine neue Anordnung zur Erzeugung von Schwebeströmen mit aufeinanderfolgenden Schwebungsphasen, bei welcher beispielsweise ein Anker mit mehreren aneinandergereihten, in gemeinsamen magnetischen Flüssen liegenden und in parallel zur Maschinenachse . verlaufenden Nuten oder Kanälen des Eisenkörpers untergebrachten Spulen nach Art derjenigen bei den bekannten Mehrphasenstrommaschinen vorgesehen ist, welcher im einphasigen Wechselfelde bewegt wird.

Zur Erläuterung sei zunächst folgendes ausgeführt :

Unter »einfachem Schwebestrom« wird ein periodisch und stetig in seiner Intensität veränderlicher Wechselstrom bezeichnet (Fig. 2). Das allmähliche Anschwellen, stetige Abfallen und Wiederanschwellen der Schwingungsamplitüden eines solchen Wechselstromes erinnert an das An- und Abschwellen von Tönen, was in der Akustik als Tonschwebungen bezeichnet wird, und es rechtfertigt sich daher die Bezeichnung : Schwebestrom (Stromschwebungen).

Kommen mehrere solche schwebende Wechselströme von unter sich gleicher Wechselzahl und gleicher Schwebezahl in Betracht, wobei aber ihre An- und Abschwellungen nicht gleichzeitig, sondern nacheinander erfolgen, so soll dies als »mehrphasiger Schwebestrom« oder gemeinhin »Schwebeströme« bezeichnet werden (im Gegensatz zu »einfacher Schwebestrom«).

An sich sind solche Ströme nicht neu, sie treten bereits auf bei der in der Patentschrift 93364 beschriebenen Anordnung zum Umformen des Wechselstromes und damit verbundenen Antriebe von Motoren. Zwar kommen an- und absteigende Wechselströme auch in der Patentschrift 110510 vor, doch sind dort absichtlich und für einen ganz bestimmten Zweck stromlose Zwischenräume in den Verj lauf der Kurve eingefügt, wodurch die Stetigkeit der zweiten Zeitfunktion wegfällt und diese besondere Art von Strömen nicht zu den Schwebeströmen zu rechnen ist.

Der in der Patentschrift 93364 beschriebene Schwebestromerzeuger (Umformer) besteht im wesentlichen aus mehreren längs der Maschinenachse angeordneten und so zusammengebauten einzelnen Erzeugern für je einen einfachen Schwebestrom, so daß die achsiale Länge der Maschine von der Anzahl der phasenverschiedenen Einzelschwebeströme abhängig ist. Durch diese Bauart wird bedingt, daß mehrere einzelne magnetische Kreisläufe für jeden Magnetpol (Gruppe) vorhanden sind, was bedeutende Kupfer- und Eisenmassen (Verluste) für gegebene Leistung erforderlich macht. Insbesondere muß dort (vgl. Fig. 6 bis 8 der Patentschrift) die Herstellung, Unterbringung und Schaltung der eingebetteten halbmondförmigen Spulen verhältnismäßig schwierig sein. Die etwas einfachere Art nach dortiger Fig. 2 eignet sich aber wiederum nur für sehr geringe Spannungswerte, da die ganze elektromotorische Kraft (oder große Teile derselben) nur in je einem kupfernen Halbringe induziert werden und somit bereits für mäßige Spannungen entweder sehr große Durchmesser der Maschine oder eine sehr große Anzahl der einzelnen,

längs der Achse hintereinander liegenden Ringleiter erforderlich werden. Bei den im folgenden beschriebenen Schwebestrommaschinen sind diese Nachteile behoben und einige neue nütz-S liehe Eigenschaften, wie z. B. der Selbstantrieb, ermöglicht.

Zur bequemeren Ableitung der hier zu beschreibenden Art von Schwebestromerzeugern sei zunächst auf eine elementare Anordnung

ίο der Herstellung eines Einzelschwebestromes hingewiesen (Fig. i). M ist ein drehbarer Elektromagnet, dessen Wicklung durch Vermittlung von Schleifkontakten von einer einphasigen Wechselstromquelle erregt wird. Diesem Magnet gegenüber befindet sich die Spule S, in welcher durch das Wechselfeld von M ein Wechselstrom induziert wird. Die Stärke des so induzierten Wechselstromes hängt offenbar unter sonst gleichen Umständen von der relativen Stellung von M zu S ab. In der in Fig. 1 gezeichneten Stellung ist das Maximum der Induktion ein klein wenig überschritten. Verdreht man den Magneten M noch weiter, so nimmt der Wechselstrom in 5 ab und wird schließlich Null, wenn die magnetischen Achsen von M und S senkrecht zueinander stehen. Wird der mit Wechselstrom erregte Magnet regelmäßig und stetig gedreht, so wird der in S induzierte Wechselstrom ebenfalls regelmäßig an- und abschwellen, mithin einen Einzelschwebestrom, wie in Fig. 2 gezeichnet, ergeben. Je nach der minutlichen Umdrehungs-■ zahl von M wird auch die minutliche Anzahl der auftretenden Stromschwebungen größer und kleiner. Diese letzte Zahl (»Schwebungszahl«) ist aber gänzlich unabhängig von der eigentlichen Wechselzahl des Stromes. Nach Fig. 2 ist die Wechselzahl vielfach höher als die Schwebungszahl. Wird die Schwebungszahl durch immer rascheres Drehen des Magneten M (Fig. 1) so hoch getrieben, daß sie über die Wechselzahl hinausgeht, so wird die zeichnerische Darstellung des Stromverlaufes schwierig, da oft »scheinbar« unregelmäßige und jedenfalls verwickelte Kurven entstehen. Man wird also zur Erleichterung des Verständnisses und der Darstellung gut tun, sich zunächst die Schwebungszahl so niedrig zu denken, daß innerhalb einer Schwebung mehrere Wechsel stattfinden (Fig. 2). Hierdurch soll aber weder der theoretische Begriff des Schwebestromes, noch seine praktische Verwendung und auch nicht die Tragweite dieses Patentes auf dieses besondere Verhältnis beschränkt werden; jeder Strom, welcher durch Herabsetzung der Geschwindigkeit des Erzeugers, also durch rein zahlenmäßige Änderung seiner zweiten periodischen Zeitfunktion (Schwebungszahl) die ungefähre Form der Fig. 2 erhält, ist ein Schwebestrom.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte einfachste Erzeuger läßt sich, wie in folgendem erklärt wird, weiter ausbilden. Zunächst kann die Anzahl der induzierten Spulen zwecks besserer Feldausnutzung erhöht werden. Man wird dabei zweckmäßig die Spulen gegenseitig versetzen nach Art, wie dies bei bekannten Mehrphasenmaschinen üblich ist. Hierdurch entstehen Einzelströme, die in ihren Schwebungsphasen gegenseitig verschoben sind. Solch ein Schwebestromerzeuger ist z. B. in Fig. 3 dargestellt, und es ist dessen Wirkungsweise durch Vergleich mit der Fig. 1 wohl so einleuchtend, daß eine weitere Erklärung unnötig erscheint. .

Eine ähnliche Ausführung wie Fig. 3 zeigt Fig. 4. Diese Ausführung ist nur äußerlich etwas anders ausgebildet, ist jedoch in ihrer Wirkungsweise mit der Einrichtung nach Fig. 3 identisch.

Gemäß der Erfindung ist nun der Anker mit einer fortlaufenden Wicklung versehen, wobei dieser Wicklung einphasiger Wechselstrom über einen Kommutator zugeführt wird. Hierbei werden die Schwebeströme in gewünschter Anzahl von Schwebungsphasen aus derselben Ankerwicklung abgezweigt oder aus einer besonderen Wicklung dieses Ankers abgeleitet. Die Anordnung der Wicklungen, welche am zweckmäßigsten in Nuten oder Kanälen des Eisenkörpers gebettet werden, hat wie bei gewöhnlichen Mehrphasenmaschinen den Zweck, den magnetischen Widerstand zu verringern und die Solidität zu erhöhen. Naturgemäß können bei mehrpoliger Anordnung die meisten der bekannten Ankerwicklungen benutzt werden. Auch können die Einzelschwebeströme miteinander durch gemeinsame Rückleitungen oder bei passenden Abständen der Schwebungsphasen sogar durch Verkettung, wie bei Drehstrom, verbunden werden. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung kann darauf verzichtet werden, die Theorie derartiger Schwebestromerzeuger und Schwebestrommotoren wie auch die Vorgänge bei der Verbindung derartiger Maschinen mit den zugehörigen Motoren zu entwickeln. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß, wenn Schwebestrommaschinen mit Motoren belastet sind, die Menge der Wechselstromerregung des Erzeugers ungefähr um den Betrag des von den Motoren verbrauchten wattlosen Stromes zu steigern ist, während der Wattstrom von der auf die Welle des Erzeugers übertragenen mechanischen Energie geleitet wird. Es findet hier also eine zweifache Um-Setzung statt und nicht nur eine einfache Transformierung des dem Magneten zugeführten Wechselstromes.

Die Fig. 5 bis 10 zeigen Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes. Steht z. B. nicht Einphasenstrom und mechanische Energie zur Verfügung, sondern nur Einphasenstrom, so

lassen sich auch ohne Verwendung mechanischer Energie Schwebeströme erzeugen. Beispielsweise ließe sich diese Aufgabe natürlich durch die Verbindung eines Schwebestromerzeugers mit einem Einphasenmotor lösen. Jedoch gibt es gemäß der Erfindung vorteilhaftere Lösungen. Fig. 5 stellt beispielsweise einen ringförmigen, lamellierten Eisenkörper oder Anker E dar, welcher eine fortlaufende Wicklung W, in

ίο diesem Falle . eine Gr amme wicklung, trägt. Diese Wicklung ist an den Kommutator C angeschlossen. Im Hohlraum dieses Kommutators ist auf der Welle drehbar das Bürstenpaar B¹, B² angeordnet. Diesen Bürsten wird unter Vermittlung von Schleifkontakten einphasiger Wechselstrom zugeführt. Dieser Strom fließt in die Ringwicklung und erzeugt dort Pole (Wechselpole), deren Kraftlinien durch einen passenden Rückschluß aus Eisen oder einfach durch den Luftraum geleitet werden können. Die Lage der Pole der Wicklung hängt von der jeweiligen Stellung der Bürsten ab; bei Drehung der letzteren dreht sich auch die Richtung des magnetischen Feldes. Dieses kreisende Feld ist vermöge der Erregung durch Wechselstrom ein Wechselfeld und wirkt genau so, als wenn' ein mit Wechselstrom erregter Magnet gedreht würde, also wie derjenige in den Fig. 1, 3 und 4. Dieses kreisende Wechselfeld kann ähnlich wie dort zur Herstellung von Schwebestrom verwendet werden. Hierzu können entweder be-■ sondere Spulen auf den Ring R aufgewickelt werden (beispielsweise in Fig. 6 punktiert angedeutet), oder es kann die Wicklung W selbst an beliebig vielen Stellen angezapft werden (Fig. 7). In letzterem Falle ist die Ankerwicklung zugleich die erregende und die induzierte. Da die Drehung der Bürsten nur eine geringe Kraft erfordert, die in keinem Verhältnisse zur Leistung der Maschine steht, so genügt hierzu ein nur ganz kleiner Hilfsmotor; es wird also fast die gesamte Energie der Schwebeströme gewissermaßen unmittelbar aus dem zugeführten Wechselstrom erzeugt (umgeformt).

Diese soeben beschriebene Maschine kann auch selbstverständlich in der Weise ausgeführt werden, daß die den Wechselstrom zuführenden Bürsten B¹ und Z?² stillstehen und dafür der Kommutator C nebst dem gewickelten Anker gedreht wird; nur werden die aus letzterem entnommenen Schwebeströme nicht mehr unmittelbar, sondern erst durch Vermittlung von Schleifkontakten abgeleitet werden müssen (Fig. 8). Auf letzter Figur ist der »Anker« beispielsweise nicht mit Ring-, sondern mit Trommelwicklung versehen, und die Schleifringe sind der Deutlichkeit wegen als konzentrisch zum Kommutator abgebildet (in Wirklichkeit werden sie meistens zweckmäßig auf der dem Kommutator entgegengesetzten Ankerseite angebracht). Trotzdem die Verwendung der größeren Anzahl von Schleifringen an sich als Nachteil aufgefaßt werden kann, besitzt die zuletzt beschriebene Bauart doch verschiedene Vorzüge, z. B. daß die Bedienung und Verstellung der stillstehenden Bürsten verhältnismäßig einfach ist.

In den Fig. 6 und 7 ist der magnetische Rückschluß für die durch die Wicklung erzeugten kreisenden Pole beispielsweise dadurch erreicht, daß die Zahnnuten der Wicklung auf dem äußeren Umfange des Ankers durch einen eisernen Ring E¹ magnetisch geschlossen sind. In. Fig. 6 insbesondere ist dieser Ring nacbträglich als besonderer Ring aufgesetzt, während er nach Fig. 7 als fugenlos mit dem Ringe E verbundener Rückschluß E¹ abgebildet ist. Diese beiden Anordnungen sind aber wegen der dadurch bedingten stärkeren Funkenbildung am Kommutator nicht sehr günstig (hohe Selbstinduktion der durch die Bürsten kurzgeschlossenen Windungen).. Die Anordnung des Rückschlusses in gewisser kleiner Entfernung ist in dieser Hinsicht bedeutend besser und ist in Fig. 8 gezeichnet. Man kann in diesem letzteren Falle trotz des umlaufenden Ankers den Rückschluß feststehend anordnen, weil er nicht mit dem Anker zwecklos mitzulaufen braucht.

Da bei umlaufendem Anker dessen Pole räumlich stillstehen, so braucht der Rückschluß auch nicht gleichmäßig den Ankerumfang zu umfassen, er kann vorstehende Polkerne erhalten, wie in Fig. 9 beispielsweise dargestellt ist. Diese Polkerne können gegebenenfalls bewickelt sein und dann so mit Einphasenstrom erregt werden, daß die Aufgabe der Felderregung entweder diesem Gehäuse und dem Anker zufällt, oder daß letzterer überhaupt davon entlastet ist. ■ ' ■

Die Maschine zur Erzeugung von Schwebe- ■ strom aus Einphasenstrom ist gemäß Fig. 9 der äußeren Form der bekannten Einankerumformer (Gleichstrom-Mehrphasenstrom) beinahe gleich. Man kann nun noch einen Schritt weiter gehen und, falls die äußeren Wechselpole so stark sind, daß vom Anker aus keine Wechselfelderregung mehr zu erfolgen hat, die Erregerstrombürsten B¹, B² abheben und an deren Stelle die Bürsten B³, Bⁱ zwischen den Polen anlegen. Durch den mittels'dieser Bürsten eingeführten Wechselstrom erhält der Anker ein Drehmoment, weil die Bürstenlinie einen Winkel von etwa 90 ° mit dem Feldflusse bildet, welches ihn befähigt, nun von selbst ohne Zufuhr fremder mechanischer Kraft in Drehung zu kommen. Die früher festgestellte große Ähnlichkeit zwischen den neuen Schwebestromerzeugern und den bekannten Mehrphasenstrommaschinen erstreckt sich also nun. auch auf die Umformermaschinen. Der wesentliche Unterschied zwischen den Maschinen für diese

zwei Stromarten besteht darin, daß dort, wo bei Drehstromerzeugern und Umformern Gleichstrom benötigt wird (Erregung), hier einphasiger Wechselstrom genommen wird, wodurch als Endprodukt statt mehrphasigen Wechselstromes ein Schwebestrombündel mit verschobenen Schwebungsphasen erzielt wird.

Bei der zuletzt beschriebenen Umformermaschine für Schwebestromgewinnung aus Einphasenstrom wurde die Erregung des magnetischen Feldes durch einen den Feldwindungen zugeführten Wechselstrom bewirkt. Man kann aber sowohl die Drehung des Ankers ohne Zuhilfenahme eines besonderen Motors wie auch gleichzeitig die Bildung eines zweckentsprechenden Feldes auch noch auf mehrere andere Arten erzielen. So kann z. B. die Aufgabe der Feldbildung im wesentlichen wieder den Ankerwindungen aufgebürdet werden (ähnlich wie in Fig. 8), während zur Erzielung des Drehmomentes auf dem Gehäuse (magnetischer Rückschluß) eine kurzgeschlossene Wicklung K schräg zur Bürstenlinie angebracht \vird (Fig. 10). Da hier das Eisen des Gehäuses den Anker gleichmäßig umgibt, so kann einfach durch Verdrehen der Bürstenbrille die Pollinie beliebig verschoben werden und so der Winkel der kurzgeschlossenen Wicklung zur magnetischen Achse des Ankers entsprechend den gewünschten Drehgeschwindigkeiten und Drehmomenten usw. verändert werden.

Statt dieser Bürstenverstellung kann zu gleichem Zwecke auch eine zweite Kurzschlußwicklung in einem Winkel zur ersten (z. B. unter 90 °) angebracht sein, so daß durch relativ »kürzeres« Schließen der einen oder anderen Gehäusewicklung die Kurzschlußachse verschoben wird. Wird das Gehäuse ebenfalls mit einer fortlaufenden Wicklung versehen, so kann diese durch passende Wahl oder Verschiebung der Punkte, an welche die Kurzschlußverbindung angelegt wird, eine bequeme Regelung der Lage der Kurzschlußlinie in bezug auf die Bürstenlinie gestatten.

Die Reihe der verschiedenen Ausführungsarten der Schwebestromerzeuger bzw. Umformer könnte so noch recht weit entwickelt werden, besonders wenn man noch Mehrpoligkeit einführt und von den zwei Hauptbestandteilen der Maschine (Gehäuse und Anker) bald den einen außen und den anderen innen, bald umgekehrt anordnet, bald den einen, bald den andern oder gar beide beweglich macht oder beide unbeweglich läßt und die Felddrehung etwa durch Bürstendrehung erzielt usw. Auch verursacht die Wahl des einen oder des anderen Wicklungstypes (Ring,. Trommel usw.) oft bedeutende bauliche Änderungen.

Claims (2)

Patent-Ansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung von Schwebeströmen mit aufeinanderfolgenden Schwebungsphasen, bei welcher ein Anker mit mehreren aneinandergereihten, in gemeinsamen magnetischen Flüssen liegenden und in parallel zur Maschinenachse verlaufenden Nuten oder Kanälen des Eisenkörpers untergebrachten Spulen nach Art derjenigen bei bekannten Mehrphasenstrommaschinen vorgesehen ist, welcher im einphasigen Wechselfelde bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker mit fortlaufender Wicklung versehen ist, welcher einphasiger Wechselstrom über einen Kommutator zugeführt wird, wobei die Schwebeströme in gewünschter Anzahl von Schwebungsphasen entweder aus derselben Ankerwicklung abgezweigt oder aus einer besonderen Wicklung dieses Ankers abgeleitet werden.

2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Bürstenlinie auf dem Kommutator (Stromzuführungslinie des Ankers) in bezug auf die Achse des Magnetkörpers einen von Null verschiedenen Winkel bildet, wodurch die Maschine nicht nur ihren eigenen Antrieb erhält, sondern auch in bezug auf die Anzahl der erzeugten Stromschwebungen, sei es durch Änderung des Bürstenwinkels oder auch durch Änderung der relativen Stärke der beiden im Winkel liegenden magnetischen Achsen (Anker und Feld) geregelt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.