DE2836437A1 - Regelbarer magnetischer kreis - Google Patents

Description

BE 18'682

Max Breitmeier, Hüttikon ZH

Regelbarer magnetischer Kreis

Die vorliegende Erfindung betrifft einen regelbaren magnetischen Kreis.

Zum Regeln von elektrischen Leistungen, Strömen oder Spannungen werden Regel- oder Stelltransformatoren eingesetzt, wobei die Regelung durch Verändern des Uebersetzungsverhältnisses zwischen Primär- und Sekundärwindungszahl erfolgt.

Ein solcher Transformator kann ein Windungs-Stelltransformator sein, der nach dem Prinzip der veränderlichen Primär- oder Sekundärwindungszahl arbeitet. Dabei erfolgt die Stromabnahme über

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Gleit- oder Rollenkontakte, die teilweise über besondere Umschaltmechanismen betätigt werden, sodass eine Aenderung der Uebersetzung während des Betriebes möglich ist.

Ferner sind sogenannte Induktions-Stelltransformatoren bekannt, die mit unveränderlichen Windungszahlen arbeiten. Die Spannungseinstellung erfolgt hier durch Verändern der induktiven (magnetischen) Verkettung beider Wicklungen. Dabei wird die räumliche Lage der Wicklungen während des Betriebes gegenseitig verändert. Der Hauptvorteil dieses Systems besteht darin, dass im Leitungszug keine bewegten Kontakte angeordnet sind. Diese Eigenschaft machen diese besonders für grosse Ströme geeignet.

Analog lassen sich auch regelbare Drosseln bauen, indem die Windungszahl einer Drossel und damit deren wirksame Amperwindungszahl zur Magnetisierung durch Zu- und Abschalten von Windungen verändert wird, oder dass, bei unveränderlichen Windungszahlen, auf bekannte Art und Weise der Widerstand des magnetischen Kreises, z.B. durch Veränderung des Luftspaltes und damit der erforderlichen Amperwxndungszahl·, verändert wird.

In jedem Falle ist es aber wichtig, dass die Regelung unter Last erfolgen kann. Während beim Prinzip der veränderbaren Windungs-

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zahlen ein Umschalten bzw. Regeln unter Last, speziell bei grossen Strömen, schwierig oder in der Praxis sogar unnmöglich wird, kann die magnetische Verkettung nur mit relativ grossem mechanischem Aufwand verändert werden. Arbeitet man, wie z.B. bei magnetischen Drosseln, mit veränderlichem Luftspalt, treten über diesen magnetische Streufelder auf, welche bezüglich ihrer Umgebung unzulässig grosse Werte annehmen können und damit zusätzliche Massnahmen und Aufwendungen zu deren Abschirmung erfordern.

Allgemein können ferner Stelltransformatoren mit getrennten Primär- und Sekundärwicklungen oder in Sparschaltung (Autotransformator) gebaut werden. In beiden Fällen kann ein Teil der Regelwicklung als Festwicklung gebaut werden, also der Regelbereich auf einen bestimmten Bereich begrenzt werden. Dies alles gilt sowohl bei einphasiger wie auch bei dreiphasiger Ausführung der Regeltransformatoren.

Gewöhnlich werden Stelltransformatoren kleinerer Leistung als Ringstelltransformatoren ausgeführt, während diese für grössere Leistungen als sogenannte Säulen-Stelltransformatoren gebaut werden. Da die Ströme durch die beweglichen Kontakte für die Stromabnahme begrenzt sind, werden bei grösseren Leistungen

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mehrere Säulen parallel geschaltet. Um Ausgleichströme zwischen den Säulen auf ein Minimum zu begrenzen, werden an Symmetrie und Genauigkeit der Kontaktführung grosse Anforderungen gestellt, was den Bau solcher Mehrsäulen-Stelltransformatoren sehr erschwert.

Die vorliegende Erfindung befasst sich nun mit der Schaffung einer völlig neuartigen Konzeption eines regelbaren magnetischen Kreises, der sich für den Bau sowohl einer Drossel als auch eines Transformators eignet. Dieser Kreis lässt sich dabei weder eindeutig dem Prinzip der veränderlichen Windungszahlen noch dem Prinzip der veränderlichen magnetischen Kreise zuordnen, soll aber unter Ausnützung deren Vorteile alle deren Nachteile vermeiden.

Der vorliegende regelbare magnetische Kreis zeichnet sich erfindungsgemäss aus durch eine wechselweise von einem Spulenkörper auf einen anderen hinüberwickelbare Spulenwicklung, deren Anfang bzw. Ende fest mit_einem der je auf einem Schenkel eines Kerns drehbar aufsitzenden Spulenkörper verbunden ist, derart, dass mit der Bildung von zwei Teilspulen einander entgegengesetzte magnetische Teilflüsse erzeugbar sind, aus denen ein resultierender Nutzfluss entsteht.

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Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine regelbare Eisendrossel in schaubildlicher Darstellung.

Fig. 2 in Seitenansicht und im Teilschnitt einen Regeltransformator.
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Fig. J eine Ausführungsvariante eines Regeltransformators in schematischer Ansicht.

Fig. 4* Antriebsmittel, in schaubildlicher Darstellung, zur Verwendung an den Anordnungen gemäss den Fig. 1 und 2

und

Fig.S in schaubildlicher Darstellung eine Vorrichtung zur Stromabnahme für die Anordnungen gemäss den Fig. 1 und 2 ο

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Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung, welche eine regelbare Eisendrossel ohne Luftspalt zeigt, sind auf jedem Schenkel 2a und 2b eines Kernes 1 ein vorzugsweise runder Spulenkörper 3a bzw. 3b so angebracht, dass diese um die Schenkelachsen drehbar sind. Auf dem einen Spulenkörper 3a ist eine Wicklung 4 aus einem elektrischen Leiter, beispielsweise einem Kupferband, aufgewickelt, wobei deren Anfang auf diesem Spulenkörper 3a fixiert, deren Ende hingegen auf gleiche Weise auf dem anderen Spulenkörper 3b an der Stelle 10 befestigt ist, wie die Darstellung deutlich erkennen lässt.

Sowohl der Anfang als auch das Ende dieser Wicklung ist je mit einem aufgetrennten Schleifring 5a bzw. 5b über Bürsten 6a und 6b verbunden. Von den Bürsten führen dann feste Verbindungen zu Anschlussklemmen 7. Im dargestellten Zustand, bei dem sich alle Windungen auf dem Schenkel 2a befinden, ist die Induktivität der Drossel bezüglich des fliessenden Stromes ein Maximum.

Wird nun bei gleichbleibendem Strom ein Teil der Windungen, jedoch maximal die Hälfte auf den benachbarten Schenkel 2b hinübergewickelt, so wird beim angedeuteten Wicklungssinn der beiden Teilspulen im Schenkel 2b ein magnetischer Fluss erzeugt, welcher demjenigen im Schenkel 2a entgegenwirkt. Damit ist der nach Aus-

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- J.Ό -

sen wirksame magnetische Fluss nur noch gleich der Differenz der beiden, durch die Teilwicklungen hervorgerufenen Teilflüsse, wobei die Beziehung gilt: Δ ψ = φ ? ~ ψ ?L· Entsprechend richten sich auch die beiden Induktivitäten der beiden Teilspulen 3a und 3b gegeneinander, sodass an den Anschlussklemmen 7 nur die resultierende Induktivität in Erscheinung tritt. Da die Induktivität der Spule 3b derjenigen der Spule 3a entgegenwirkt, um 180° elektrisch verschoben ist, wirkt sie elektrsich kapazitiv.

Sind beide Teilspulen 3a und 3b gleichgross, so heben sich die beiden magnetischen Teilflüsse gegenseitig auf, gleich wie die entsprechenden Induktivitäten, sodass die resultierende Induktivität zu Null wird. Dabei wird der Leitwert der Drossel, abgesehen vom ohmschen Widerstand, unendlich, was dem Resonanz fall im induktiv-kapazitiven Kreis entsprechen würde.

Wickelt man sie Spule weiter im gleichen Sinne auf den Schenkel 2b, so wächst die Induktivität der Spule 3b weiter, während diejenige der Spule auf dem Schenkel 2a entsprechend abnimmt. Damit wächst auch die resultierende Induktivität wieder, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen bzw. umgekehrter Phasenlage.

Da aber gleichzeitig auch die

resultierende Windungszahl Δ W = W^ - W.^ ihren Wickelsinn geändert hat, werden die elektrischen Wirkungen in den Teilspulen ebeialls vertauscht, wodurch die Gesamtwirkung der Anordnung wieder dieselbe bleibt.

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Die Anordnung gemäss Fig. 2 stellt einen Regeltransformator dar, mit wieder dem Kern 1, auf dessen beide Schenkel 2a und 2b um je die Hälfte 8a bzw. 8b einer Primärspule auf vorzugsweise runden Spulenkörpern 9a und 9b fest angeordnet sind. Die Primärteilspulen 8a und 8b sind so geschciltet, dass diese im Leerlauf den entsprechenden magnetischen Fluss Φο gemeinsam durch den Kern treiben. Auf dem Schenkel 2a ist über der Primärteilspule 8a eine Sekundärwicklung 3a auf einem um die Schenkelachse drehbaren ersten Spulenkörper aufgewickelt, wobei deren Anfang auf diesem Spulenkörper festgemacht und über die Bürsten 6a mit dem Schleifring 5a verbunden ist. Das Ende dieser Sekundärwicklung ist, wie vorbeschrieben, auf einem zweiten Spulenkörper befestigt, der um die Schenkelachse des Schenkels 2b drehbar gelagert ist. Das betreffende Spulenende ist wieder über Bürsten 6b mit dem betreffenden Schleifring 5b verbunden. Von den Schleifringen 5a und 5b führen feste Verbindungen zu den Anschlussklemmen 7 für die Sekundärteilwicklung.

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Wird nun durch eine mechanische Einrichtung, z.B. einem Zahnradgetriebe 20, dessen Antrieb von Hand erfolgen kann, die Sekundärwicklung im angedeuteten Wickelsinn auf den benachbarten Schenkel 2b hinübergewickelt, so wirken die in den beiden Sekundärteilspulen induzierten Spannungen einander entgegen, d.h. die Spannung in der Sekundärwicklung kann in Stufen, welche der gewählten Windungsspannung entsprachen, verändert werden. An den Klemmen 7 kann die vektorielle Summe der beiden in den Sekundärteilspulen induzierten Spannungen abgegriffen werden.

Ist die Sekundärwicklung je zur Hälfte auf die beiden Schenkel 2a und 2b verteilt, so herrscht an den Anschlussklemmen die Spannung Null, weil sich die, in den beiden Sekundärteilspulen induzierten Spannungen gegenseitig aufheben. Wird die Spule weiter im gleichen Sinne umgewickelt, so ändert sich die Phasenlage der Sekundärspannung an den Klemmen 7 um 180 und die Spannung nimmt proportional zur umgespulten Windungszahl wieder zu, bis sie wieder ihr Maximum erreicht hat, wenn sich die ganze Wicklung auf dem Schenkel 2b befindet.

Die Wicklungen der vorbeschriebenen Anordnungen können aus jeder Art Leitermaterial mit beliebiger Querschnittsform bestehen, doch wird aus praktischen Gründen ein sehr flexibler Leiter vorgezo-

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gen. Ganz speziell eihnet sich hierzu die Band- oder Folienwicklung in Kupfer oder Aluminium mit einer zweckmässigen Isolation. Diese kann fest mit dem Leiterwerkstoff verbunden sein (kaschiert oder lackiert) oder separat als Lagenisolation, wie bei der Bandwicklung allgemein üblich, mitgewickelt werden.

Je nach Anordnung und Ausführung der Regulierwicklungen müssen spezielle Vorkehrungen getroffen werden, um zu verhindern, dass die Wicklungen beim Umwickeln bzw. Hinüberwickeln lose werden und verrutschen.

Werden z.B. runde Leiter verwendet und lediglich auf einer Lage gewickelt, wie dies bei einer Ausführungsvariante in Fig. J₃ angedeutet ist, dann bleiben die Wickeldurchmesser erhalten und es muss lediglich für genügenden Zug im Leiter gesorgt werden, eine Massnahme, für welche verschiedene Lösungsmöglichkeiten üblich sind.

Besteht die Regulierwicklung hingegen aus Bändern, wie bei den Anordnungen gemäss den Fig. 1 und 2 so ändern sich beim Umwickeln auch die jeweiligen Durchmesser der Teilspulen. Die Spannvorrichtung hat demnach auch die unterschiedlichen Drehzahlen während des Umwickelprozesses auszugleichen. Dies kann z.B. mit einer

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Biegefeder, welche zwischen die Zahnräder geschaltet ist geschehen.

Wie aus der Darstellung gemäss Fig. 4 entnommen werden kann, werden die Zahnräder 11 und 12 von einer, auf einen Mittelwert vorgespannten Biegefeder 13 so angetrieben, dass das Band 14 gespannt wird. Aendern sich nun die Durchmesser der beiden Teilspulen, so ändern sich auch die relativen Drehzahlen der Teilspulen im gleichen Verhältnis, wodurch die beiden vorgesehenen Uebertragungs-Zahnräder 15a und 15b ebenfalls mit unterschiedlicher Drehzahl drehen. Die hierbei entstehende Wegdifferenz am Teilkreis der Räder 15a und 15b muss als Federweg von der Biegefeder aufgenommc"¹ werden, wobei die Federcharakteristik so zu gestalten ist, dass der Bandzug zwischen zwei zulässigen Extremwerten variieren kann. Die Antriebseinrichtung ist also in diesem Falle als Differentialgetriebe mit Spannvorrichtung zu gestalten. Gleiche Effekte lassen sich auch mit anderen mechanischen Mitteln, wie beispielsweise Bremsen, erreichen.

Bei den Windungsstelltransformatoren wird beim Uebergang von der einen zur nächsten Windung entweder ein Windungs-Kurzschluss erzeugt, welcher durch passende Kohlebürsten und kleine Windungsspannung begrenzt werden kann, oder es wird beim Schalten von

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Windung zu Windung ein Unterbruch vorgesehen. Unterbrüche können aber in den wenigsten Fällen, keines Falls jedoch beim Schalten unter Last, akzeptiert werden.

Da bei den üblichen Windungs-Stelltransformatoren das Kontaktstück entlang der Wicklung wandert und somit jede Windung im Regelbereich einmal kurzgeschlossen wird, können die Kurzschlussströme dieser Windungen nur über die gewählte Windungsspannung und mit geeigneten Kontaktmaterialien begrenzt werden. Zudem besteht die Gefahr, dass bei unvorhergesehenen Betriebszuständen, z.B. externem Kurzschluss, die Kontaktflächen beschädigt werden oder verschweissen. Dies kann zur Beeinträchtigung der Betriebssicherheit oder zur Zerstörung des Regeltransformators führen.

Bei den vorbeschriebenen Anordnungen erfolgt hingegen die Stromabnahme nicht an den einzelnen Windungen, sondern an den genannten separaten Schleifringen 5a und 5b. Dies hat wesentliche Vorteile. So können etwa die Schleifringe und Kontaktbürsten unabhängig vom Spulenmaterial aus speziellen, verschleissfesten Kontaktwerkstoffen hergestellt und nach Bedarf auch oberflächenbehandelt werden.

Wird ferner, wie der Darstellung gemäss Fig. S entnommen werden

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kann, der Schleifring 5 fest mit dem Wicklungsanfang bzw.- ende 100 verbunden und der Schleifring an einer Stelle soweit aufgetrennt, dass die Trennstelle 16 breiter als eine Bürstenkontaktfläche 19 ist, so muss die Trennstelle zur unterbrechungsfreien Regelung mit einer Doppelbürste und einer Induktivität mit einem Mittelabgriff 18 überbrückt werden. Da somit in jeder Bürstenhälfte, unabhängig von deren Position, ausgenommen eine Bürste steht direkt auf der Trennstelle, der halbe Laststrom fliesst, wird dessen Wirkung in der Induktivität aufgehoben, also der Laststrom durch die Ueberbrückungsinduktivität 17 nicht beeinflusst. Der Kurzschlussstrom dagegen, welcher im Schleifring 5 im Moment der Trennstellenüberbrückung entsteht, magnetisiert den Eisenkern der Ueberbrückungsdrossel 17 und wird dadurch auf eine bestimmte, induktivitätsabhängige Grosse begrenzt.

Obwohl die vorbeschriebenen Anordnungen einphasig dargestellt sind, sind diese selbstverständlich auch in mehrphasiger Ausbildung möglich.

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Leerseife

Claims (1)

Patentansprüche Regelbarer magnetischer Kreis, gekennzeichnet durch eine wechselweise von einem Spulenkörper auf einen anderen hinüberwickelbare Spulenwicklung, deren Anfang bzw. Ende fest mit einem der je auf einem Schenkel eines Kerns drehbar aufsitzenden Spulenkörper ver bunden ist, derart, dass mit der Bildung von zwei Teilspulen einander entgegengesetzte magnetische Teilflüsse erzeugbar aus denen ein resultierender Nutzfluss entsteht. 2. Magnetischer Kreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklung aus einem bandförmigen Leiter gebildet ist. 3. Magnetischer Kreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklung aus einem flexiblen Leiter gebildet ist. 4. Magnetischer Kreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnahme von jeder Teilspule über einen Schleifring erfolgt, der mit dem Anfang bzw. Ende der Spulenwicklung verbunden ist. 5. Magnetischer Kreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schleifring mindestens eine Trennstelle aufweist. 9098 1 0/0763 2836A37 Magnetischer Kreis nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Hinüberwickeln durch den Uebergang von der Windungszahl η zur Windungszahl η + 1 am Schleifring entstehende Kurzschlusswindung mit einer Serieinduktivität verbunden ist, deren magnetischer Kreis durch den Kurzschlussstrom magnetisierbar ist, um eine Gegenspannung in der Grosse der Windungsspannung zur Begrenzung des Kurzschlussstromes zu erzeugen. 7. Magnetischer Kreis nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Drossel biLdet. 8. Magnetischer Kreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der resultierende Nutzfluss zur Aenderung einer Induktivität dient. - Magnetsicher Kreis nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Transformator bildet. 10. Magnetischer Kreis nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, dass die drehbaren Spulenkörper je eine Teilwicklung einer Primärwicklung umgeben. 90981 0/0763 - X- 11. Magnetischer Kreis nach den Ansprüchen 1, 7 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die drehbaren Spulenkörper über eine Antriebseinrichtung in Antriebsverbindung stehen.

1.9.1977 Für Max Breitmeier

Pe/lj der Vertreter:

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