DE278412C - - Google Patents

Description

KATSkfttTCHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 278412 KLASSE 21 d. GRUPPE

FRIED. KRUPP AKT.-GES. in ESSEN, Ruhr.

erfolgende Bewegung mit großer Energieentwicklung.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 3. Januar !913 ab.

Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen zur Umwandlung einer mit geringer Energieentwicklung erfolgenden Bewegung von periodisch veränderlicher Geschwindigkeit in eine nach einem gleichartigen Gesetze erfolgende Bewegung mit großer Energieentwicklung und bezweckt, eine möglichst vollkommene Übereinstimmung der Gesetze zu erreichen, nach denen sich die beiden Bewegungen vollziehen.

Dieser Zweck wird der Erfindung gemäß dadurch erreicht, daß eine Spannungsquelle, die eine durch die Bewegung mit geringer Energieentwicklung erzeugte veränderliche Spannung von gleicher Periode liefert, in der Erregerwicklung eines möglichst remanenzlosen Steuergenerators von geringer magnetischer Sättigung, an dem ein zur Erzeugung der Bewegung mit großer Energieentwicklung dienender fremderregter Elektromotor von der Bauart eines Gleichstrommotors in Leonardschaltung angeschlossen ist, einen periodisch veränderlichen Erregerstrom erzeugt, dessen Phase der Phase der Geschwindigkeit der mit geringer Energieentwicklung erfolgenden Bewegung voreilt. Die Erregung des Steuergenerators kann hierbei nötigenfalls zwecks Verstärkung der Wirkung unter Benutzung einer oder mehrerer besonderer Erregermaschinen erfolgen.

Die umzuwandelnde Bewegung kann sowohl in einer stets im gleichen Sinne mit periodisch veränderlicher Geschwindigkeit erfolgenden Bewegung als auch in einer hin 40

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und her gehenden Schwingungsbewegung bestehen.

Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht, und zwar ist in beiden Fällen angenommen, daß die umzuwandelnde Bewegung in einer annähernd sinusförmig verlaufenden hin und her gehenden Schwingungsbewegung besteht.

Es zeigt Fig. ι eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform,

Fig. 2 ein die Wirkungsweise dieser Ausführungsform veranschaulichendes Vektordiagramm und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform.

Es soll zunächst die erste Ausführungsform beschrieben werden.

Die umzuwandelnde Bewegung mit geringer Energieentwicklung besteht in der Bewegung eines Pendels A, das seinen Antrieb z. B. von einem (nicht dargestellten) Uhrwerke erhält. Mit: dem Pendel A ist der Anker a¹ eines Induktors starr verbunden, dessen Magnetgestell mit Erregerwicklungen N versehen ist, die von einem Gleichstromnetze P gespeist werden. Der Anker a¹ trägt auf seinem symmetrisch zur Längsachse des Pendels A liegenden mittleren Teil eine als Spule ausgebildete Hauptwicklung M, deren Enden an je einen Schleifring angeschlossen und durch Vermittlung von Bürsten mit den Hauptklemmen m¹ und w² des Induktors verbunden sind. Ferner ist auf dem Anker a¹ eine Hilfswicklung Q

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angeordnet, die aus zwei zu beiden Seiten der Hauptwicklung M liegenden hintereinander geschalteten Spulen besteht und durch Vermittlung von Schleifringen und Bürsten mit Klemmen q¹ und q² des Induktors verbunden ist. An die Hauptklemmen m¹ und m² des Induktors a¹ N ist durch Leitungen K und K¹ die Feldwicklung / einer Erregermaschine angeschlossen, deren Anker H auf derselben

ίο Welle wie der Anker D des Steuergenerators sitzt. Die Erregermaschine H J ist in an sich bekannter Weise möglichst remanenzlos gemacht und besitzt so geringe magnetische Sättigung, daß ihre Feldstärke der Erreger Stromstärke proportional angenommen und daher der Selbstinduktionskoeffizient der Erregerwicklung / als konstant betrachtet werden kann. Die Klemmen h¹ und h² der Erregermaschine H J stehen einerseits durch Leitungen R und R¹ mit den Klemmen q^x und q² des Induktors und anderseits durch Leitungen G und G¹ mit der Erregerwicklung E des Steuergenerators DE in Verbindung. Außer der Erregerwicklung E besitzt der Steuergenerator noch eine Verbundwicklung F, die in einer von den beiden Leitungen C und C¹ liegt. Durch letztere ist der fremderregte Motor B, der zur Erzeugung der Bewegung mit großer Energieentwicklung dient, mit den Klemmen d¹ und d^% des Steuergenerators in Leonardschaltung verbunden. Der Steuergenerator D E ist ebenso wie die Erregermaschine H J möglichst remanenzlos gemacht und besitzt ebenso wie diese so geringe magnetische Sättigung, daß seine Feldstärke der Erregerstromstärke proportional angenommen und daher der Selbstinduktionskoeffizient der Erregerwicklungen E und F als konstant betrachtet werden kann. In die Leitung K¹ ist noch die Sekundärwicklung 5 eines Transformators, dessen in Reihe mit einem verhältnismäßig großen induktionslosen Vorschaltwiderstande T¹ liegende Primärwicklung T an die Klemmen d¹ und d² des Ankers.D des Steuergenerators angeschlossen ist, derart eingeschaltet, daß die sekundäre elektromotorische Kraft der Stromstärke in dem Stromkreise MKJ K¹ S entgegenwirkt. Auch die magnetische Sättigung des Transformators ist verhältnismäßig klein gewählt, so daß die Feldstärke in jedem Augenblicke nahezu der resultierenden Amperewindungszahl der Primär- und Sekundärwicklung proportional ist. Beim Betriebe der Anordnung wird durch die Schwingungen des Pendels A in der Hauptwicklung M des Induktorankers a¹ eine Wechselspannung induziert, die in jedem Augenblicke der Winkelgeschwindigkeit des Pendels proportional ist und deren Phase mit der Phase der Winkelgeschwindigkeit des Pendels übereinstimmt. Es entsteht daher in dem Stromkreise M K J K¹ S ein Wechselstrom, der infolge der geringen magnetischen Sättigung der Erregermaschine H J und des Transformators 5 T nach einem Gesetze verläuft, das, abgesehen von der Phasenverschiebung, mit dem Gesetze der. Winkelgeschwindigkeit des Pendels übereinstimmt. Dieser Wechselstrom erzeugt beim Durchfließen der Erregerwicklung / der Erregermaschine HJ in deren Anker eine Wechselspannung, die erheblich größer ist als die in der Hauptwicklung M des Induktors erzeugte Spannung. Es entsteht daher in dem Stromkreise GEG¹ ein verstärkter Wechselstrom, der seinerseits beim Durchfließen der Erregerwicklung E des Steuergenerators in dessen Anker D eine Wechselspannung erzeugt, die wiederum erheblich größer ist als die im Anker der Erregermaschine H J erzeugte Spannung. Unter der Wirkung der Wechselspannung des Steuergenerators entsteht in dem Stromkreise CFBC¹ ein nochmals verstärkter Wechselstrom, der dem Motoranker B eine -Bewegung von beträchtlicher Energie zu erteilen vermag, und zwar muß sich dieser abwechselnd in dem einen und dem anderen Sinne drehen, so daß dem schwingbar gelagerten Gegenstande, zu dessen Antrieb der Motor dient, eine Schwingungsbewegung er- _go teilt wird. Das Gesetz dieser Schwingungsbewegung stimmt, wie leicht einzusehen ist, infolge der geringen magnetischen Sättigung des Steuergenerators D E und der Erregermaschine H J, abgesehen von. der Phase, mit dem Gesetze des Wechselstromes in dem Stromkreise M K J K¹ S über ein. Die Phase der Winkelgeschwindigkeit des Motors B bleibt infolge der Massenträgheit hinter der Phase der Klemmenspannung des Steuergenerators D E zurück. Da nun die Phase dieser Klemmenspannung nahezu mit der Phase des Wechselstromes in dem Stromkreise GEG¹ übereinstimmen muß und die Phase dieses Wechselstromes infolge der Selbstinduktion der Hauptfeldwicklung E hinter der Phase der elektromotorischen Kraft der Erregermaschine H J und des mit dieser in gleicher Phase verlaufenden Wechselstromes des Stromkreises M KJ K¹ S zurückbleibt, so muß die Phase der Winkelgeschwindigkeit des Motors erst recht hinter der des letztgenannten Wechselstromes zurückbleiben. Soll nun die Phase der Winkelgeschwindigkeit des Motors B mit der Phase der Winkelgeschwindig- keit des Pendels A übereinstimmen, wie es erforderlich ist, damit das Gesetz der durch den Motor erzeugten Schwingungsbewegung mit dem Gesetze übereinstimmt, nach dem die Schwingungsbewegung des Pendels erfolgt, so muß der Wechselstrom des Stromkreises MKJ K¹ S der mit der Winkelgeschwindig-

keit des Pendels A in gleicher Phase verlaufenden, in der Hauptwicklung M des Induktors erzeugten elektromotorischen Kraft um ebensoviel voreilen, als die Phase der Winkelgeschwindigkeit des Motors B der Phase des Wechselstromes nacheilt. Dies läßt sich nun mittels des Transformators 5 T erzielen. Die primäre Stromstärke des Transformators, eilt der Klemmenspannung des Steuergenerators D E, die zugleich die Klemmenspannung des primären Stromkreises bildet, nach, und zwar ist der Nacheilungswinkel mit Rücksicht auf den hohen Wert des Vorschaltwiderstandes T¹ ziemlich klein. Die Klemmenspannung des Steuergenerators D E eilt wiederum, wie sich aus dem oben Gesagten ergibt, dem Wechselstrome des Stromkreises MKJ K¹ S nach. Es wird daher erst recht die. primäre Stromstärke diesem Strome nacheilen. In dem aus Fig. 2 ersichtlichen Vektordiagramme, in dem die Winkel im Sinne der durch den Pfeil χ bezeichneten Uhrzeigerbewegung gezählt sind, wird daher, wenn man durch die Strecke Va den Vektor des Wechselstromes des Stromkreises M K J K¹ S darstellt, der Vektor der primären Stromstärke etwa mit der Strecke Vb zusammenfallen.

Die primäre elektromotorische Kraft des Transformators ist naturgemäß wesentlich größer als die sekundäre, und es muß daher auch die primäre Windungszahl wesentlich größer sein als die sekundäre. Da naturgemäß auch die primäre Stromstärke erheblich größer als die sekundäre ist, so muß erst recht auch die primäre Amperewindungszahl wesentlich größer sein als die sekundäre. Man wird daher mit großer Annäherung annehmen können, daß die Phase der Feldstärke des Transformators mit der Phase der primären Amperewindungszahl oder Stromstärke über-, einstimmt. Die sekundäre elektromotorische Kraft, die mit E_s bezeichnet werden soll, eilt der Feldstärke und daher annähernd auch der primären Stromstärke um 90 ° nach. Der Vektor von E_s wird daher im Vektordia-. gramme etwa mit der ganzen Strecke Vc zusammenfallen, die mit J]> einen Winkel von 90 ° bildet. Bezeichnet man die durch die Schwingungen des Pendels A in der Hauptwicklung M des Induktors erzeugte elektromotorische Kraft mit E_1n, die Selbstinduktion der Wicklung / mit e_s, die Stromstärke im Stromkreise M K J K¹ S mit i und den 0hmschen Widerstand mit w, so ist mit Rücksieht darauf, daß die elektromotorischen Kräfte E_1n und E_s gegeneinander geschaltet sind, für jeden Augenblick

oder

E,,,+ e_s — E_s = iw E_n, — iw + E_s — e_s.

In dem Vektordiagramme, in dem die Größen E_1n, E_s, e-s und i als Höchstwerte oder auch als effektive Werte aufzufassen sind, sei der Vektor der Selbstinduktion e_s, die dem Vektor Va der Stromstärke i um 90° nacheilt, durch die Strecke Vd (1 Va) dargestellt. Trägt man nun entsprechend der letzten Gleichung in Richtung des Vektors Va eine Strecke Ve = iw, ferner vom Endpunkte e dieser Strecke aus in Richtung von Vc eine Strecke Jf = E_s und schließlich von f aus in entgegengesetzter Richtung von Jd eine Strecke Jg = e_s ab, so stellt die Strecke Vg den Vektor von E_1n dar. Wie das Vektordiagramm zeigt, eilt die durch den Vektor Va dargestellte Stromstärke i der durch den Vektor Vg dargestellten elektromotorischen Kraft E_1n und mithin auch der in gleicher Phase mit dieser verlaufenden Winkelgeschwindigkeit des Pendels A um einen Winkel φ vor. Durch passende Wahl der Verhältnisse läßt es sich nun leicht erreichen, daß der Winkel φ gerade so groß wird wie der Winkel, um den die Phase der Winkelgeschwindigkeit des Motors B der Phase der Stromstärke i nacheilt, so daß die Winkelgeschwindigkeit des Motors die gleiche Phase wie die des Pendels A erhält und daher das Gesetz der durch den Motor erzeugten Schwingungsbewegung auch der Phase nach mit dem _go Gesetze der Schwingungsbewegung des Pendels übereinstimmt.

Da der durch die Schwingungsbewegung des Pendelst in dem Stromkreise M K J K¹ erzeugte Wechselstrom an den Klemmen h¹ und h² der Erregermaschine eine Spannung erzeugt, deren absoluter Wert sehr angenähert die gleiche Phase wie der Wechselstrom hat, und diese Spannung die in der Hilfswicklung Q induzierte Spannung bei weitem übersteigt, so muß auch der absolute Wert der in dem Stromkreise Q Rh¹Ii² R¹ wirksamen resultierenden Spannung angenähert die gleiche Phase wie der Wechselstrom in dem Stromkreise MKJ K¹ haben. Da nun der Stromkreis Q R h¹ h² R¹ praktisch induktionslos ist, so muß der in diesem fließende Wechselstrom die gleiche Phase wie die erwähnte resultierende Spannung haben, sein absoluter Wert muß daher angenähert ebenfalls die gleiche Phase wie der Wechselstrom in dem Stromkreise M K J K^x besitzen. Je nach der Art des Anschlusses der Leitungen R und R¹ an die Klemmen h¹ und h² muß daher in dem Stromkreise Q R h¹ h² R¹ der Wechselstrom annähernd entweder stets im gleichen oder stets im entgegengesetzten Sinne wie der Strom in dem Stromkreise MKJK¹ fließen. Ist der Anschluß in solcher Art hergestellt, daß der Wechselstrom in dem Stromkreise Q R h¹ h² R¹ stets im entgegengesetzten Sinne wie der Wechselstrom in dem Stromkreise MKJK¹

verläuft, so kann er bei passend gewählter Windungszahl der Wicklung Q auf den Induktoranker a¹ ein Moment ausüben, welches das Moment, das von dem die Wicklung M durchfließenden Strome ausgeübt wird, annähernd aufhebt. Sind die Verhältnisse, wie hier vorausgesetzt wird, in der angegebenen Weise gewählt, so wird die Schwingungsbewegung des Pendels A durch die Induktionswirkung praktisch nicht beeinflußt, was den Vorteil gewährt, daß auch bei sehr geringer Energieentwicklung der umzuwandelnden Bewegung das Gesetz der durch den Motor B erzeugten Schwingungsbewegung sehr genau mit dem der erstgenannten Bewegung in Übereinstimmung gebracht werden kann.

Ohne daß an dem Wesen der Erfindung etwas geändert würde, könnte entweder die Primärwicklung T auch an die Klemmen h¹ und A² der Erregermaschine H angeschlossen oder die Sekundärwicklung S auch in Reihe mit der Wicklung E in den Stromkreis GEG¹ eingeschaltet sein. Selbstverständlich könnten auch zwischen den Induktor a¹ N und den Steuergenerator außer der Erregermaschine H noch weitere Erregermaschinen eingeschaltet sein, von denen jede durch die vorausgehende erregt wird.

Die in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten nur dadurch, daß zum Phasenausgleiche an Stelle des Transformators eine der Feldwicklung E des Steuergenerators D E parallel geschaltete Drosselspule U in Verbindung mit einem verhältnismäßig großen induktionslosen Widerstände U¹ benutzt ist, welcher der die Drosselspule und die Feldwicklung enthaltenden Stromverzweigung vorgeschaltet ist.
Die Klemmenspannung der Erregermaschine Ti verläuft nahezu in gleicher Phase mit dem Wechselstrome . in der Wicklung /. Dieser bleibt infolge der Selbstinduktion, der Wicklung / hinter der in der Ankerwicklung M. des Induktors erzeugten elektromotorischen Kraft zurück, deren Phase mit der der Winkelgeschwindigkeit des Pendels A übereinstimmt. Die Phase der Klemmenspannung der Erregermaschine H bleibt also hinter der Phase der Winkelgeschwindigkeit des Pendels A zurück. Durch passende Wahl der Widerstände der Drosselspule U und des Vorschaltwiderstandes U¹ läßt es sich nun leicht erreichen, daß die Phase des Wechselstromes in der Wicklung E nicht nur der Phase der Klemmenspannung der Erregermaschine H, sondern auch der Phase der Winkelgeschwindigkeit des Pendels A voreilt. Die Phase der Winkelgeschwindigkeit des Motors B eilt, namentlich infolge der Massenträgheit, der Phase der Klemmenspannung des Steuergenerators D E und der nahezu mit dieser übereinstimmenden Phase des Wechselstromes in der Feldwicklung E nach. Wird nun der Winkel, um den die Phase dieses Wechselstromes der Phase der Winkelgeschwindigkeit des Pendels A voreilt, so bemessen, daß er gleich dem Winkel ist, um den die Phase der Winkelgeschwindigkeit des Motors B hinter der Phase des Wechselstromes zurückbleibt, so verläuft die durch den Motor B erzeugte Schwingungsbewegung in gleicher Phase mit der Schwingungsbewegung des Pendels A, beide Schwingungsbewegungen stimmen also hinsichtlich ihrer Bewegungsgesetze vollständig überein.

Claims (4)

Patent-An Sprüche:

1. Anordnung zur Umwandlung einer mit geringer Energieentwicklung erfolgenden Bewegung von periodisch veränderlicher Geschwindigkeit in eine nach einem gleichartigen Gesetze erfolgende Bewegung mit großer Energieentwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsquelle (a¹ N oder H J), die eine durch die Bewegung mit geringer Energieentwicklung erzeugte veränderliche Spannung von gleicher Periode liefert, in der Erregerwicklung (E) eines möglichst remanenzlosen Steuergenerators (D E) von geringer magnetischer Sättigung, an dem ein zur Erzeugung der Bewegung mit großer Energieentwicklung dienender fremderregter Elektromotor (B) von der Bauart eines Gleichstrommotors in Leonardschaltung angeschlossen ist, einen periodisch veränderlichen Erregerstrom erzeugt, dessen Phase der Phase der Geschwindigkeit der mit geringer Energieentwicklung erfolgenden Bewegung voreilt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Induktor (a¹ N), der seinen Antrieb durch die mit geringer Energieentwicklung erfolgende Bewegung erhält und in seiner Wirkung nötigenfalls durch Einschaltung einer oder mehrerer Erregermaschinen (z. B. H) verstärkt werden kann, zwei Ankerwicklungen (M und Q) besitzt, von denen die eine (M) in Reihe mit einer Feldwicklung (/) eines der zu erregenden Generatoren (H, DE) liegt und die andere (Q) in solcher Weise an die Klemmen (A¹, W) des durch den Strom der ersten Wicklung (M) erregten Generators (H) angeschlossen ist, daß die in den beiden Ankerwicklungen (M und Q) auftretenden Ströme stets annähernd entgegengesetzte Phasen haben.

3. Anordnung nach Anspruch 1 mit einem zur Erregung des Steuergenerators dienenden, nötigenfalls in seiner Wirkung durch Einschaltung einer oder mehrerer

Erregermaschinen verstärkten Induktor, dadurch gekennzeichnet, daß in einen der Erregerstromkreise (z. B. den KveisMKJK¹ des Generators H) die Sekundärwicklung (S) eines Transformators derart eingeschaltet ist, daß die sekundäre elektromotorische Kraft dem Erregerstrome (im Kreise MKJ K¹) entgegenwirkt, während die primäre Wicklung (T) unter Vorschaltung eines induktionslosen Widerstandes (T¹) an die Klemmen (d¹ d²) eines der zu erregenden Generatoren (z. B. D E) angeschlossen ist, zum Zwecke, die periodisch veränderliche Bewegung geringer Energie und die periodisch veränderliche Bewegung großer Energie hinsichtlich ihrer Phasen möglichst in Übereinstimmung zu bringen.

4. Anordnung nach Anspruch 1 mit einem zur Erregung des Steuergenerators dienenden, nötigenfalls in seiner Wirkung durch Einschaltung einer oder mehrerer Erregermaschinen verstärkten Induktor, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drosselspule (U) parallel zu einer Feldwicklung (E) eines der Generatoren (D E) geschaltet, und der die Drosselspule (U) und die Feldwicklung (E) enthaltenden Stromkreisverzweigung ein induktionsloser Widerstand (U¹) vorgeschaltet ist, zum Zwecke, die periodisch veränderliche Bewegung geringer Energie und die periodisch veränderliche Bewegung großer Energie hinsichtlich ihrer Phasen möglichst in Übereinstimmung zu bringen.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.