DE268552C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 d. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 11. März 1913 ab.

Die .Erzeugung hoher Schwingungszahlen für drahtlose Telegraphie usw. mit Hilfe elektromagnetischer Maschinen zeigt die bekannten Schwierigkeiten, welche in der zii hohen Polzahl, verbunden mit übermäßiger Geschwindigkeit, liegen. Diese Schwierigkeit ist zum Teil durch die Erfindungen von Professor Gold Schmidt beseitigt worden. Eine, mindestens ebenso große Schwierigkeit liegt

^t0 jedoch darin, daß das Eisen ohne sehr weitgehende. Unterteilung einer derartig hohen Schwingungszahl nicht zu folgen vermag. Die Herabsetzung der Schwingungszahl im Eisen auf ein Viertel und noch weniger ist daher von wesentlicher Bedeutung.

Bei der Anordnung nach vorliegender Erfindung wird der induzierte Teil (Anker) nicht wie bei dem im allgemeinen verwendeten synchronen Wechselstromgenerator ausgebildet, d. h. nicht nach allen Seiten gleichmäßig, z. B. zylindrisch ohne ausgeprägte Pole, sondern mit ausgeprägten Polen, z. B. in der Weise, wie es der zweipoligen-Anordnung der Fig. I, A-I₁ entspricht.

Bei den üblichen synchronen elektromagnetischen Maschinen, bei welchen der induzierte Teil ohne ausgeprägte Pole als vollkommener Zylinder ausgebildet ist, ist es gleichgültig, ob das Eisen sich mit der Kupferwicklung mitdreht oder nicht, wenn nur die Wicklung selbst im Verhältnis zum Feld sich bewegt.

Bei der >Form des Eisenkörpers im induzierten Teil gemäß Fig. I, A-I, und der Art, nach welcher die induzierte Spule auf diesem Eisenkörper angeordnet ist, wird jedoch eine grundverschiedene Spannungswelle sich ergeben, je nachdem, ob der Eisenkörper, auf welchem die Spule sich befindet, an der Drehung der Spule teilnimmt oder nicht. Nach vorliegender Erfindung soll sich der Eisenkörper mitdrehen.

'Der sofort ins Auge springende wesentliche Unterschied bei dieser Art der Maschinen ist, daß innerhalb der Zeitdauer, während die Spule sich von einer induzierenden Polspitze zur anderen bewegt, eine Induktion nicht stattfindet, da die Kraftlinien mitrotieren. Nur im Augenblick, wo die Spule in die Polspitze ein- bzw. austritt, tritt eine Änderung der Kraftlinien innerhalb der Spule auf.

, Die Verhältnisse lassen sich in einfacher Weise durch Anwendung des Induktionsgesetzes der innerhalb der Spule sich ändernden Kraftlinien verfolgen. Die Stellungen des induzierten Teiles in Fig. 1, A-I, sollen als Grundlage der Betrachtungen dienen.

Was zunächst die Zahl der Ummagnetisierungen im Eisen anbelangt, so ist ersichtlich, daß sie dieselbe ist wie bei einer normalen Maschine, da das Eisen während einer Umdrehung zwei Ummagnetisierungen erfährt.

Bezüglich der in der Spule induzierten Spannung ergibt sich die Kurve der Fig. 3. In Stellung v4 (Fig. 1) wird die Spule von_ keinen Kraftlinien durchsetzt, und dies ist ein grundlegender Unterschied gegenüber der normalen Synchronmaschine, bei welcher die Ankerspule gerade in dieser Stellung von dem

größten Kraftfluß durchsetzt wird. Auf derri Wege von Stellung A nach B findet daher eine Zunahme der Kraftlinien innerhalb der Spule statt, derart, daß erst in B das Maximum der von Seite α in die Spule eintretenden Nordlinien erreicht ist (Stellung B in Fig. 2 und 3). .In Stellung C hat die Zahl der von der Seite a eintretenden Nordlinien auf Null abgenommen, was bei einer normalen Maschine erst in der Symmetriestellung D der Fall sein würde. Die Zahl der Kraftlinien bleibt in Stellung D ebenfalls noch Null, und zwar so lange, bis der Anker die nächste Polspitze bei Stellung E erreicht hat. Sobald er über die Polspitze hinauskommt, treten durch die Spule — immer von derselben Seite α aus betrachtet — mehr und mehr Südlinien hindurch, bis die Stellung F erreicht ist, bei welcher das Maximum an Südlinien die Spule durchsetzt. Hierauf Abnahme der Südlinien bis auf Null, so lange, bis die Eisenseite α bei G die rechte Spitze des Südpoles erreicht. Nach einer vollständigen halben Umdrehung ist dann der dem Anfangszustande genau entgegengesetzte Kraftlinienzustand erreicht. In Stellung H beginnt dann das entgegengesetzte Spiel.

Verfolgt man nun die Kurve der induzierten Spannung (Fig. 3), so ist erkennbar, daß in der Zeit von A-B eine halbe Schwingung, von B-C wieder eine halbe Schwingung sich ausgebildet hat. Während des Eintretens der Spule in den Polbereich hat sich demnach bereits eine volle Schwingung ausgebildet. Dasselbe findet beim Austreten aus dem Pol statt, und es zeigt sich, daß innerhalb einer halben Umdrehung, welche unter anderen Umständen nur eine Halbschwingung verursachen könnte, sich jetzt zwei ganze Schwingungen herausgebildet haben. Allgemein zeigt sich also, daß die Schwingungszahl bei gleicher Geschwindigkeit und gleicher Polzahl vervierfacht wird.

Es läßt sich natürlich einrichten, daß durch passende Vergrößerung des Polbogens am Umfang eine Pause zwischen den einzelnen Schwingungen nicht auftritt, d. h. die Strecke C-E auf Null zusammenschrumpft.

Wie dies geschehen kann, ist in den Fig. 12, 13 und 14 dargestellt. Hierbei werden in Fig. 12, A-H, die verschiedenen Ankerstellungen innerhalb einer halben Umdrehung gezeigt. Fig. 13 gibt die Änderung des Kraftflusses hierbei wieder, wobei gleichzeitig die Änderung der Kraftlinienzahl in der üblichen Weise nach einem Sinusgesetz angenommen wird.

Die Eigentümlichkeit der Kurve Fig. 3, daß zwei aufeinanderfolgende Schwingungen gewissermaßen um 180° gegeneinander verschoben sind, ist hierbei verschwunden, und an Stelle dessen tritt eine Halbwelle von doppelter Dauer, jedoch gleicher Amplitude auf. Durch , entsprechende Wahl des Polbogens kann die Amplitude dieser langen Schwingung auf Kosten der Zeitdauer erhöht werden, so daß ein entsprechender Ausgleich geschaffen werden kann und hierdurch die einzelnen Halbwellen sowohl m bezug auf Zeit als auch in bezug auf Amplituden einander möglichst angenähert werden.

Sollten trotzdem bei Benutzung der auf diese Weise erzeugten Schwingungen die Unterschiede in den einzelnen Halbwellen Schwierigkeiten bieten, so kann durch Erregung mit synchronem Wechselstrom die zweite und dritte Schwingung von E bis G und von G bis / der Fig. 3 im Vorzeichen umgekehrt werden, und man erhält alsdann vollkommen gleiche Halbwellen. Dies wäre in der Weise zu bewerkstelligen, daß im Moment, wo die Ankerstellung D (Fig. 1) erreicht ist, der Erregerstrom umgekehrt wird. Alsdann nehmen sämtliche Werte auf der Strecke D-G der.Fig. 2 das entgegengesetzte Vorzeichen an ' und damit auch die entsprechenden "Span- 8-5 nungswerte D-G der Fig. 3. In gleicher Weise werden die Werte G-I (Fig. 2 und 3) umgekehrt. Die Werte yon A-D sowohl als auch diejenigen über / hinaus bleiben in Fig. 2 und 3 unverändert. '9°

Während somit in der Anordnung Fig. 12 bis 14 die synchrone Schwingungszahl verdreifacht wird, wird sie in Fig. 1 bis 3 bei Wechselstromerregung vervierfacht werden. Im letzteren Falle ist dann allerdings auch die Schwingungszahl im Eisen verdoppelt. Legt man daher Wert darauf, die Zahl der Ummagnetisierungen im Eisen im Verhältnis zur erzeugten Schwingungszahl möglichst klein zu halten, so würde die Anordnung Fig. 12 bis 14 den Vorzug verdienen. Außerdem bedeutet eine Erregung mit Wechselstrom eine nicht unerhebliche Verteuerung der Maschine. Immerhin würde hierdurch nur die Hälfte der Periodenzahl im Eisen erforderlich werden. Auch die Blechdicke könnte im Verhältnis doppelt so groß gewählt werden.

Allerdings geht hierdurch eine Halbwelle verloren, so daß in Fig. 3 innerhalb der Zeitdauer einer synchronen Halbschwingung nicht zwei volle Schwingungen erzeugt werden, sondern nur ιV₂- Die Schwingungszahl wird in diesem Falle also nicht vervierfacht, sondern nur verdreifacht. Ähnlich hätte sie in Fig. 6 versechsfacht werden können, wenn nicht die beiden Halbwellen über B-C und über C-D in eine Halbwelle von größerer Zeitdauer zusammengezogen worden wären.

Es ist natürlich Sache der gegebenen Aufgabe, ob es vorzuziehen ist, die Halbwelle hin- iao zuzufügen oder die Schwingungen möglichst regelmäßig zu gestalten.

Legt man Wert darauf, Gleichstromerregung beizubehalten, so läßt sich die zwischen C und E fehlende positive Halbwelle dadurch erzeugen, daß die Pole etwa in der Art wie Fig. 4 zeigt, gespalten werden. Bei entsprechender Wahl der Eisenbedeckung des Ankers würde alsdann eine Kraftlinenwelle nach Fig. 5 und dementsprechend eine Spannungswelle nach Fig. 6 sich ergeben, wobei Fig. 5 und 6 der Zeitdauer einer, synchronen Schwingung entsprechen wurden. Es entfallen also auf eine Halbwelle 2V₂ volle Schwingungen, also auf eine synchrone Schwingung deren fünf. Allerdings wird hierbei wieder die im Eisen auftretende Schwingungszahl verdoppelt, nur daß beim Übergang zwischen zwei Spaltpolen der Kraftlinienwechsel nicht zwischen — N und -\- N, sondern nur zwischen N und Null stattfindet. Im gleichen Sinne, wie schon bei der Kurve Fig. 2 ausgeführt, ist also das Eisen nur der iV₂fachen Ummagnetisierungszahl ausgesetzt, wohingegen die Spannungswelle die 5fache Schwingungszahl erhält.

Natürlich kann man das Unterteilen der Pole noch weiter treiben und bei entsprechender Eisenbedeckung des Ankers auch noch eine weitere Erhöhung der Schwingungszahl erreichen, ohne die Zahl der. eigentlichen Hauptpole noch weiter vergrößern zu müssen und ohne die im Eisen vorkommende Schwingungszahl zu erhöhen.

Wesentlich für die Erzeugung der gewünschten Schwingungszahl ist die richtige Anordnung der Spule als Durchmesserwicklung, d. h. mit der Spannweite einer vollen oder nahezu vollen synchronen Polteilung. Bei Nichtbeobachtung dieser Bedingung ergeben . sich Spannungswellen gänzlich verschiedener Art. Es würde z. B. eine Bewicklung des Ankers nach Fig. 7 nur die normale synchrone Schwingungszahl ergebend Von der Lage ausgehend, welche um 90⁰ gegen die gezeichnete verschoben ist, würde die Kraftlinienzahl innerhalb der beiden angedeuteten Spulen von Berührung der einen Polspitze aus so lange zunehmen, bis der gesamte Anker unter dem Pol sich befindet, würde dann, je nach der Breite des Ankerpolbogens, im Verhältnis zum Haupt polbogen eine Zeitlang konstant bleiben, um beim Verlassen der anderen Polspitze wieder abzunehmen. Man würde also die ausgezogene Kraftlinienkurve der Fig. 8 erhalten, deren Zeitdauer einer vollen Schwingung entspricht und welche die ausgezogene Spannungswelle nach Fig. 9 ergibt, die zeigt, daß innerhalb einer vollen Schwingung ebenfalls nur eine synchrone Schwingung erzeugt werden kann, wenn nicht die Pole gespalten werden. Spaltet man diese, so erhält man die gestrichelten Kurven der Fig. 8 und 9, und die Wechselzahl wird 3V₂ fach so groß wie die synchrone, während die Wechselzahl im Eisen nur verdoppelt wird. Demgegenüber ergibt aber die Durchmesserwicklung (Fig. 1), wie gezeigt, die vierfache Wechselzahl, ohne die Wechselzahl im Eisen gegenüber der synchronen zu erhöhen.

Hieraus geht hervor, daß es wesentlich ist, die induzierten Windungen am Umfang derart anzubringen, daß die zur Windungsfläche senkrechte Mittelachse gegen die Mittelachse der ausgeprägten Pole des Ankers um eine halbe synchrone Polteilung verschoben ist, wobei es gleichgültig ist, ob diese Windungen in Nuten gewickelt werden oder an der Oberfläche des Eisens. Natürlich läßt sich statt reiner Durchmesserwicklung auch in der üblichen Weise verkürzter Schritt verwenden. Dies sind jedoch nur konstruktive Maßnahmen, welche das eigentliche AVesen der Erfindung nicht berühren. Selbstverständlich kann entweder Anker oder Feld beweglich gemacht werden, da es ja nur auf relative Bewegung ankommt.

Alle vorstehenden Überlegungen können auch auf Wechselstrommaschinen nach der Gleichpoltype Anwendung finden.

Zur Vermeidung von allzu großen Kraftlinienschwankungen in den Erregerpolen wird die Verwendung einer Art Dämpferwicklung von Vorteil sein, eventuell auch die Verwendung eines zweiten, zweckmäßig zum ersten Kern senkrecht angebrachten Eisenvorsprunges, etwa nach Fig. 10, welcher, wie leicht einzusehen, dazu dient, die Kraftlinienzahl in den Polen konstant zu halten. Irgendeines der sonstigen bekannten Mittel, welches demselben Zweck der Konstanthaltung der Kraftlinienzahl dient, wie z. B. Einschaltung von Selbstinduktion im Erregerkreis, kann natürlich zur Erreichung des Zweckes der Erfindung ebenfalls angewandt werden.

Sollte es sich herausstellen, daß die Aussparungen im Anker nach Fig. 10 weniger wirksam werden, so können auch zwei getrennte, aufeinander senkrecht stehende Kerne nebeneinander auf derselben Achse angeordnet werden, welche in der Achsenrichtung beide von den Erregerpolen bedeckt sind, so daß in dem Moment, wo der eine Kern aus dem Feld heraustritt, der andere in das Feld -hineingelangt, entsprechend Fig. II. Eine hierdurch hervorgerufene mangelnde Ausbalancierung kann schließlich auch dadurch beseitigt werden, daß die beiden Hilfskerne halbiert und zu beiden Seiten des Hauptkernes angebracht werden. Natürlich ist es möglich, auch die Hilfskerne mit Wicklungen zu versehen, von welchen dann Ströme gleicher Frequenz, jedoch in der Phase verschoben, abgenommen werden können. Auch können mehr

als zwei bewickelte oder unbewickelte Anker nebeneinander auf der Achse angebracht werden, die um entsprechende Winkel gegeneinander verschoben sind.

Claims (6)

Patent-Ansprüche:

1. Elektromagnetische Maschine beliebiger Polzahl zur Erzeugung von Wechselstrom mit Wechselz'ahlen, die ein Vielfaches der synchronen Wechselzahl sind, und welche im wesentlichen wie eine normale Synchronmaschine wechselpolig oder gleichpolig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ■—' infolge Ausbildung des Eisens des induzierten Teiles (Ankers) mit ausgeprägten Polen — der die Ankerspulen durchsetzende Kraftfluß sowohl in derjenigen Ankerstellung, bei welcher in normalen Synchronmaschinen die Spulen von der höchsten Kraftlinienzahl durchsetzt werden (Stellung A, Fig. 1 und 2), d. h. in der neutralen Zone, praktisch Null wird, als auch in der dazu elektrisch senkrechten Stellung (D der Fig. 1 und 2), woselbst auch bei normalen Synchronmaschinen die Spule von der geringsten Kraftlinienzahl durchsetzt wird, während gleichzeitig die Spannweite der Windungen des induzierten Teiles möglichst eine volle oder nahezu volle synchrone Polteilung umfaßt und dabei die zur Windungsfläche senkrechte Mittelachse gegen die Mittelachse der ausgeprägten Pole des Ankers um eine halbe synchrone Polteilung verschoben ist, wodurch die Wechselzah! je nach dem Verhältnis der Eisenbedeckung des Ankers zur Eisenbedeckung des Feldes verdreifacht bzw. vervierfacht werden kann, ohne die Ummagnetisierungszahl im Eisen gegenüber der bei synchroner Wechselzahl zu erhöhen.

2. Elektromagnetische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wechselpolmaschinen die Erregerpole in zwei oder mehrere Teile gespalten sind bzw. entsprechende Aussparungen erhalten, um noch weitere Schwingungen im induzierten Teil hinzuzufügen.
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3. Elektromagnetische Maschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Kraftlinienschwankungen innerhalb der Erregerpole außer den wirksamen Vorsprüngen weitere Vorsprünge im induzierten Teil so angeordnet werden, daß, wenn der eine Vorsprung aus dem Feld heraustritt, ein anderer Vorsprung in das Feld eintritt, und umgekehrt. ·

4. Elektromagnetische Maschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch die unwirksamen Vorsprünge mit Windungen versehen werden, um von ihnen Wechselströme verschiedener Phase entnehmen zu können.

5. Elektromagnetische Maschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der Kraftlinienschwankungen in den Erregerpolen weitere bewickelte oder unbewickelte Anker in entsprechendem AVinkel zu dem ersten Anker neben diesem auf derselben Achse und unter den achsial verlängerten Erregerpolen angeordnet werden, zu dem Zwecke, um der Grundbedingung ungleichen magnetischen Widerstandes am Umfang des induzierten Teiles streng Genüge leisten zu können.

6. Elektromagnetische Maschine nach Anspruch 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerpole mit Wechselstrom von zweckmäßig synchroner oder einem Vielfachen der synchronen Schwingungszahl erregt werden, zum Zwecke, die Schwingungszahl im induzierten Teil noch weiter zu erhöhen bzw. die Richtung einzelner Schwingungen zu ändern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.