DE262646C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

— Ja 262646;-KLASSE 21 d. GRUPPE

£r.«3ng. MAX DERI in BADEN B.WIEN.

Von dem Erfinder wurde ein Verfahren angegeben, welches bei rotierendem und auch bei ruhendem Anker ermöglicht, mit Hilfe von Einrichtungen, die von außen wirkend die Reaktanzspannung balancieren, den Strom unter den schwierigsten Verhältnissen funkenlos zu wenden. Dabei vollzieht sich die Stromwendung nach einer vorherbestimmten Kurve und bewirkt, daß die auftretenden Spannungen

ίο jede gewollte Kurvenform annehmen müssen. Eine auch für die Kommutierung günstige Kurvenform ist die sin²-Funktion oder eine dieser Funktion ähnliche sogenannte Wellenspannung, wie solche in dem Diagramm in Fig. ι durch die Linie e-e veranschaulicht ist. Diese Kurve ist symmetrisch derart geformt, daß zwei um eine halbe Welle I — J verschobene und gleichgerichtete Spannungen A und B sich theoretisch zu einer Gleichspannung zusammensetzen lassen (sin² α -)- cos²α = ι). Der Spannungskurve e-e entspricht die Stromkurve i-i. Die Gegenspannung zum Balancieren der Reaktanz gemäß dem Stromwendeverfahren des Erfinders muß selbstverständlich ebenfalls wellenförmig sein. Nach der Linie e-e' geformte Wechselspannungen kann man z. B. mit verhältnismäßig schmalen Magnetpolen und weiten Ankerspulen in Wechselstrommaschinen, also auch in der synchronen Hilfsmaschine der Kommutierung erzeugen; ferner durch Transformation von gewöhnlichen Wechselströmen, deren Kurve bei höherer Eisensättigung des Transformators am Scheitel abgeflacht wird, ähnlich der in Fig. 1 dargestellten Stromkurve i-i'. Die Gleichrichtung und Zusammensetzung

von zwei solchen um — verschobenen Spannungen ist nach dem erwähnten Verfahren möglich, welches gestattet, beliebige rotierende oder ruhende Stromkreise funkenlos zu unterbrechen oder kurzzuschließen. Nachdem man nun imstande ist, den Strom zwangläufig in solchem Verlauf zu wenden, daß eine regelmäßige Wellenspannung entsteht, dann die Wellenspannungen gleichzurichten und die zwei Phasen in Reihe zu schalten, so kann man gemäß der Erfindung mit den folgenden Mitteln Gleichstrom erzeugen und umformen.

Die für diesen Zweck grundlegende Anordnung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt und besteht aus zwei Gruppen A und B von je vier zu einem Schließungskreis vereinigten, d. h. in eine geschlossene Reihe geschalteten Spulen 1 bis 4 und 5 bis 8. Jeder der zwei Phasenstromkreise A und B ist mit einer Kommutierungseinrichtung, z. B. mit den Bürsten 9 bis 12 in solcher Weise verbunden, daß die Verbindungsleiter zwischen zwei Spulen je an eine Bürste in fortlaufender Reihe angeschlossen sind: die Verbindung 1-2 an die Bürste 10, die Verbindung 2-3 an die Bürste 11, die Verbindung 3-4 an die Bürste 12 und die Verbindung 4-1 an die Bürste 9. Die Stromwender 15 und 16, zwischen deren Stegpaare die für den Hauptstrom angezapften Hilfsvorrichtun-

gen 13 und 14 geschaltet sind, bewirken dann die Stromwendung in zwei und zwei Spulen abwechselnd, z. B. bei der dargestellten Stellung in den Spulen 2 und 4 und im folgenden Zeitintervall in den Spulen 1 und 3. Diejenigen Spulen, welche augenblicklich nicht gewendet werden, in der gezeichneten Stellung die Spulen 1 und 3, liefern z. B. infolge von Induktion periodische E. M. Ke., die zwischen

ίο den Anzapfungspunkten 13 und 14 als gleichgerichtete Wellenspannungen auftreten. Schaltet man die zwei Gruppen von Kommutierungseinrichtungen, die wegen der um einen viertel Umfang verschobenen Winkelstellung der Kontakte die zwei Phasen A und B vor-, stellen, hintereinander, so wie in Fig. 2 gezeigt ist, dann wird, wie die Summierung der beiden Diagramme A und B in Fig. 1 ergibt, zwischen den Endklemmen 17 und 18 Gleichspannung entstehen. Der Stromlauf ist bei dieser Schaltung gemäß der Darstellung Fig. 2 der folgende :

Von der Klemme 17 ausgehend, teilt sich der Strom in der Kommutierungseinrichtung A in zwei Zweige und fließt einerseits durch eine Hälfte des Leiters 13, durch Steg 16 und Bürste 10 zur Spule 1, passiert diese Spule, fließt dann durch Bürste 9 und Steg 15, dann durch eine Hälfte des Leiters 14; anderseits durch die andere Hälfte des Leiters 13, durch Lamelle 15 und Bürste 11 zur Spule 3, passiert diese Spule, fließt durch Bürste 12 und Steg 16, dann durch die andere Hälfte des Leiters 14, wonach sich beide Zweige vereinigen, um in der zweiten phasenverschobenen Kommutierungseinrichtung B folgenden Weg zu nehmen: Durch eine Hälfte des Leiters 13, durch Steg 16 und Bürste 10 zu der Spulenverbindung 6-5, und nachdem in der Verzweigung einerseits die Spulen 6 und 7 und anderseits die Spulen 5 und 8 passiert werden, fließt der Strom von der Spulenverbindung 7-8 durch Bürste 12 und Lamelle 16 durch eine Hälfte des Leiters 14 zur Klemme 18.

In Fig. 3 ist die Ausführung einer Gleichstrommaschine in einem zweipoligen Beispiel schematisch dargestellt. Diese Maschine gleicht einer Wechselstrommaschine mit ruhendem Anker, an den die Bürsten einer Kommutierungseinrichtung angeschlossen werden. Der Anker ist in acht Spulen geteilt, also scheinbar achtphasig bewickelt. Jedoch bilden vier und vier abwechselnd liegende Spulen die eigentlichen zwei Phasen der Wellenspannung, von welchen ebenso wie nach Fig. 2 gleichzeitig nur zwei Spulen dieselbe Funktion haben, nämlich entweder die Stromwendung oder die nützliche Induktion. Das induzierende Feld bilden die Hauptpole 18, die im gegebenen Fall im Nebenschluß erregt werden. Die vom Hauptstrom erregten Hilfspole 17 dienen nur für die Kommutierung und können auch in den Abmessungen von den Hauptpolen verschieden sein. In jeder Phase entfallen vier Ankerspulen auf zwei induzierende Pole; eine Poldistanz bedeutet demnach eine Doppelwelle oder eine ganze Periode der induzierten Spannung: folglich entspricht ein Achtel des Umfanges dem Phasenwinkel —. Die schraffierten

2

Spulen 1 bis 4 der Phase A (nach Fig. 3) sind miteinander und mit den Bürsten 9 bis 12 verbunden und durch diese an die Stromwender der Phase A angeschlossen. Die zur Phase B gehörigen Spulen 5 bis 8 sind bloß angedeutet; sie sind in gleicher Anordnung und in Verbindung mit einem zweiten (nicht dargestellten) Stromwender, der auf der Achse des erstgenannten Stromwenders sitzt, und dessen Kontakte um ein Achtel des Umfanges gegen den ersten verschoben sind. Bei der dargestellten Beziehung der Ankerspulen zu der Kommutierungseinrichtung werden die von den Hauptpolen 18 induzierten Spannungen der Spulen 1 und 3 an den Anzapfungspunkten 13 und 14 als Wellenspannung zum Vorschein kommen, und gleichzeitig werden die von den Hilfspolen 17 in den Spulen 2 und 4 induzierten sowie auch die in den Hilfsvorrichtungen 13 und 14 erzeugten Spannungen die g₀ Kommutierungsreaktanz der Ankerspulen 2 und 4 balancieren. Von diesen Kommutierungsbehelfen werden unter Umständen bloß zwei oder auch nur einer genügen, man wird demgemäß die Hilfspole 17 auch ganz entbehren können in Fällen, wo die Hilfsmaschine 13-14 allein oder mit Hilfe von Kondensatoren den Zweck zu erfüllen vermag.

Bei der Arbeitsweise der Maschine nach Fig. 3 wechseln die paarweise gleichachsigen Spulen (1-3, 2-4 usw.) periodisch ihre Funktion, indem jedes Spulenpaar bald Nutzspannung liefert, bald den Spannungsausgleich der Stromwendung bewirkt. Das gleiche geschieht auch in der zweiten Phase um eine viertel Periode früher oder später. Die Nutzspannungen beider Phasen addieren sich zu einer Gleichspannung, wenn man die Anzapfungen der Stromwender hintereinanderschaltet, wie durch die strichlierten Linienstücke der Verbindung von n₀ 13 bis 20 angedeutet ist, und die Enden des vereinigten Stromkreises an die Schleifringe 19 und 20 anschließt. Dabei werden alle Ankerwindungen abwechselnd, aber gleichmäßig beansprucht und verwertet.

Bei mehrpoligen Maschinen werden die Lamellen eines jeden Stromwenders entsprechend vermehrt und die gleichnamigen Teile der Kommutierung parallel geschaltet. Will man die Spulengruppen zur Erzielung höherer Span-

nung in Reihe schalten, dann muß man die Zahl der Stromwender und der Hilfsvorrichtungen vermehren und diese Einheiten, die in der Fig. 3 mit 9 bis 16 bezeichnet sind, ebenfalls hintereinanderschalten.

Die beschriebene Maschine kann folgerichtig auch als Gleichstrommotor und mit in zwei Stromkreisen angeordneten Ankerspulen und Stromwendern auch als Einankerumformer benutzt werden. Den Umformer kann man für einen besonderen Zweck, nämlich für die Umwandlung einer Charakteristik in eine andere (z. B. konstante Spannung in konstanten Strom, oder umgekehrt) auch in der Weise ausführen, daß man jedes der zwei Felder 17 und 18 durch einen, den primären oder den sekundären, Strom erregt und als Wendepol des betreffenden Stromkreises benutzt. Jedes Feld wird gleichzeitig; auf den anderen Stromkreis induzierend wirken und in diesem die Nutzspannung hervorbringen. Die Zone der Stromwendung und Stromabnahme wird in einem Stromkreis stets um einen viertel Umfang gegen den anderen Stromkreis verschoben sein.

Gleichwie man durch die Kurvenform der balancierenden Spannung den Verlauf der Stromwendung beeinflussen kann, ebenso ist es, wie eingangs bereits erwähnt, auch möglieh, durch bestimmte Form der Stromwendung Wellenspannungen hervorzubringen, und zwar nicht nur in demselben Stromkreise, sondern auch in einem mit jenem magnetisch verketteten sekundären Stromkreise. Auf diese Art kann man Wellenspannungen transformieren und auch ohne eigentlichen Dynamoanker und ohne Feldmagnete Gleichstrom umformen. Die Einrichtung für den letzteren Zweck wird an Hand der schematischen Darstellung nach Fig. 4, welche nur eine von den zwei Phasen umfaßt, in einem Beispiel erläutert. Die vier ruhenden Transformatoren 1 bis 4 sind primär (I) und sekundär (II) miteinander und mit den Bürsten 9 bis 12 verbunden. An die Stromwender 15 und 16 sind die Leiter 13 und 14 der Hilfsvorrichtung in solcher Anordnung gelegt, daß nicht beide Spulen eines Transformators gleichzeitig gewendet werden, sondern abwechselnd bald die primären 2 und 4 gleichzeitig mit den sekundären 1 und 3, bald die primären 1 und 3 gleichzeitig mit den sekundären 2 und 4. Eine gleiche Gruppe mit verschobenen Kontakten der Stromwender ist für die zweite Phase vorhanden, jedoch nicht dargestellt; dieselbe ist analog der Anordnung und Schaltung der Phasen A und B in Fig. 2, jedoch in zwei Stromkreisen, dem primären und sekundären, durchgeführt. Wenn man während der Drehung der Stromwender durch die Anzapfungen 13 und 14 des primären Stromkreises Gleichstrom sendet und durch die Hilfsspulen 13 und 14, unterstützt von den Kondensatoren 21, balancierende Wellenspannungen hervorbringt, dann vollzieht sich in einem Teile der Transformatorspulen die Stromwendung, und in dem. anderen Teile fließt der Gleichstrom ab. Infolge der Stromwendung in einem Teile der primären Spulen werden in den zugehörigen sekundären Spulen Wellenspannungen induziert, die sich in der Reihenschaltung beider Phasen zu einer Gleichspannung zusammensetzen, währenddem die Stromwendung in dem anderen Teile der sekundären Spulen vollzogen wird. Infolge dieser letzteren Stromwendung werden in dem zugehörigen, d. h. in dem anderen Teile der primären Spulen ebenfalls Wellenspannungen entstehen, welche sich zu einer der primären Spannung entgegengerichteten Gleichspannung zusammensetzen. Weil in beiden Stromkreisen die Spannungen als Folge der Stromwendung entstehen, werden die Spannungen von der Stromstärke des anderen Stromkreises abhängig sein, wogegen der in den Spulen fließende Gleichstrom auf die zugehörigen, in Wendung begriffenen Spulen des anderen Stromkreises, abgesehen von dem Einfluß höherer Eisensättigung, keine Rückwirkung ausüben. Der beschriebene Umformer wird infolge der gegenseitigen Abhängigkeit der Spannungen und Stromstärken eine gegebene Charakteristik des Gleichstromes in eine andere Charakteristik umwandeln, z. B. konstante Spannung in konstanten Strom, oder umgekehrt. Man wird die rotierenden Teile der Kommutierung beider Phasen und Stromkreise am besten auf einer gemeinsamen Welle anbringen, ebenso auch die zur Stromabnahme dienenden Schleifringe. Als Hilfsmaschine der Kommutierung 13-14 für diesen ruhenden Umformer eignet sich die mit Bezug auf Fig. 3 beschriebene Umformermaschine mit primären und sekundären Polen, indem die ruhenden und rotierenden Teile vertauscht und die Kommutierungseinrichtungen weggelassen werden.

Auch diesen ruhenden Umformer kann man analog den Mehrpolmaschinen mit mehreren Transformatorgruppen und mit vermehrter Lamellen- und Bürstenzahl in Parallelschaltung herstellen und kann die Transformatorspulen zur Erzielung höherer Spannungen auch in Reihe schalten, wenn für jede Teilspannung ein Doppelkollektor wie 15 und 16 und die Hilfsspulen 13 und 14 vorgesehen werden. Die Zahl der Schleifringe kann, nach durchgeführter innerer Verbindung der Teilspannungen und Phasen, auf zwei für jeden Stromkreis 19 und 20 beschränkt werden, sofern nicht für Regelungszwecke auch zwischenliegende Punkte der Stromkreise zugänglich sein sollen. Die.

Spulen 1-3 und 2-4 können gemeinsamen Kraftfluß haben, so daß für die Gesamtanordnung in jeder Phase nur zwei Transformatoren mit je zwei primären und zwei sekundären Spulen oder auch im ganzen zwei Zweiphasentransformatoren notwendig sind.

Claims (3)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Gleichstrommaschine mit zwei in Reihe wirksamen Phasen von sin²-Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß von vier Spulen, die zu einem geschlossenen Stromkreis vereinigt und mit vier Bürsten oder Stegen sowie mit Hilfsvorrichtungen verbunden sind, die Wechselspannungen von der Kommutierungsfrequenz führen, je zwei und zwei abwechselnd (1,3 und 2, 4) bald die Stromrichtung wechseln, bald Wellenspannungen hervorbringen, die bei Reihenschaltung zweier um eine halbe Welle phasenverschobener Gruppen von Spulen und Stromwendern sich zu einer Gleichspannung zusammensetzen.
2. 2. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei phasenverschobenen Spulengruppen von abwechselnd liegenden Ankerspulen einer achtphasig gewickelten Wechselstrommaschine gebildet werden, deren Hauptpole sowie unter Umständen zur Unterstützung der Kommutierung angebrachte Hilfspole in den Ankerspulen in zwei Phasen Wellenspannungen induzieren.
3. 3. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 zum Umformen von Gleichstrom, dadurch gekennzeichnet, daß zwei und zwei Spulen ruhender Transformatoren in jeder Phase sowohl zwischen den Spulenpaaren (1, 3 und 2, 4) als auch zwischen primärem und sekundärem Kreis abwechselnd in einem Stromkreis den Strom in solchem Verlauf wenden, daß die Reaktanzspannung Wellenform annimmt und in dem anderen Stromkreis wellenförmige Nutzspannungen entstehen, welch letztere sich in beiden Stromkreisen zu Gleichspannungen gewünschter Richtung zusammensetzen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.