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KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

.- JVr 295533 -KLASSE 21 d. GRUPPE .- JVr 295533 - CLASS 21 d. GROUP

RUDOLF MELLER in WIEN.RUDOLF MELLER in VIENNA.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 5. Januar 1915 ab.Patented in the German Empire on January 5, 1915.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, um Gleichströme in feldmagnetloseri Doppelringinduktoren lediglich mit Hilfe eines Gleichstromdrehfeldes in Gleichströme abweichender Spannung oder Wechselströme umzuformen. In solchen Doppelringinduktoren wurden bereits die durch die stromdurchflossenen Wicklungen entstehenden Ankerfelder zur Umformung benutzt, doch mangels richtiger Erkenntnis der Wirkungsweise eines solchen Ankerdrehfeldes haben sich die bisherigen Ausführungen dieser Art nicht bewährt.The invention relates to a device for generating direct currents in field magnetless double ring inductors only with the help of a direct current rotating field in direct currents deviating To transform voltage or alternating currents. In such double ring inductors, the current-carrying Armature fields arising from windings are used for reshaping, but due to a lack of correct knowledge The previous explanations have shown how such an armature rotating field works not proven of this type.

So brachte man nach Fig. 1 auf zwei glatten unterteilten, konzentrischen Eisenringen e, f die Primär- und Sekundärwicklungen m, η als Ringwicklungen unter und versah sie mit je einem Kollektor g, k. Hier sind also die beiden Eisenringe durch den Wicklungsraum getrennt. Der gestrichelte, durch Pfeile angedeutete magnetische Kraftfluß muß diesen großen Luftspalt I zweimal übersetzen. Außerdem waren die Sekundärbürsten c, d gegen die Primärbürsten a, b um 90 ° versetzt. In der in Fig. 1 gezeichneten Ruhestellung treten die Pole in der primären Bürstenzone auf. Nun glaubte man, daß bei Drehung der Bürsten a, b auch die Pole ihre relative Läge zu den Bürsten beibehalten würden, und daß demnach die sekundären Bürsten c, d wie beim Grammeschen Ring in den' neutralen Zonen, das ist um 90 ° versetzt gegen a, b, aufliegen müßten.Thus, according to FIG. 1, the primary and secondary windings m, η were accommodated as ring windings on two smooth, divided, concentric iron rings e, f , and each was provided with a collector g, k. So here the two iron rings are separated by the winding space. The dashed magnetic flux indicated by arrows must translate this large air gap I twice. In addition, the secondary brushes c, d were offset from the primary brushes a, b by 90 °. In the rest position shown in FIG. 1, the poles occur in the primary brush zone. It was now believed that if the brushes a, b were rotated, the poles would also maintain their relative position to the brushes, and that accordingly the secondary brushes c, d, as in Gramme's ring, in the 'neutral zones, that is offset by 90 ° from a, b, should be on top.

Tatsächlich entsteht aber durch die Kommutierung aus dem Gleichstrom in der Wicklung ein Wechselstrom, welcher die bekannten Wechselstromgesetze befolgt.In fact, however, the commutation results from the direct current in the winding an alternating current that obeys the known alternating current laws.

So ergab ein praktischer Versuch an einem Doppelringinduktor mit nur einer Wicklung und zugehörigem Kollektor (Fig. 2), welchem an zwei diametralen Stellen A, B in üblicher Weise Gleichstrom zugeführt wurde, daß der Induktor nur bei Stillstand Gleichstrom entsprechend seinem inneren Ohmschen Widerstand aufnahm, während bei Drehung des Induktors (im Sinne des Pfeiles v) die aufgenommene Stromstärke bei gleichbleibender Spannung mit zunehmender Drehgeschwindigkeit sehr stark abnahm. Der umlaufende Induktor wirkte also wie eine Drosselspule bei Wechselstrom. A practical test on a double ring inductor with only one winding and associated collector (Fig. 2), to which direct current was supplied in the usual way at two diametrical points A, B, showed that the inductor only consumed direct current according to its internal ohmic resistance when it was at a standstill. while when the inductor rotated (in the direction of the arrow v) the current intensity consumed decreased very sharply with increasing rotation speed while the voltage remained the same. The rotating inductor thus acted like a choke coil for alternating current.

In Erkenntnis dieser Tatsache ist das Wechselstromdrosselspulendiagramm auch auf umlaufende, in Eisen gebettete Gleichstromwicklungen mit üblicher Stromzuführung durch einen Kollektor anwendbar. So bedeutet in Fig. 3 ο ■ ι den Spannungsvektor, o· 2 die Richtung des nacheilenden Stromvektors (wenn der Zeitvektor sich im Uhrzeigersinn bewegt, nach Prof. Dr. Pichelmayer »Dynamobau«), φ die analoge Phasenverschiebung bei Wechselstrom,Recognizing this fact is the AC choke coil diagram also on rotating direct current windings embedded in iron with the usual power supply a collector applicable. Thus, in FIG. 3, ο ■ ι denotes the voltage vector, o · 2 denotes the direction of the lagging current vector (if the time vector moves clockwise, after Prof. Dr. Pichelmayer »Dynamobau«), φ the analog phase shift for alternating current,

i2 die in der Wicklung selbstinduzierte Spannung. Es sei ferner:i2 is the self-induced voltage in the winding. Let it also be:

W der Ohmsche Wicklungswiderstand,
/,„ der magnetisierende Drosselstrom,
c\d die Perioden- oder Ummagnetisierungszahl, abhängig von der Drehzahl, W is the ohmic winding resistance,
/, "The magnetizing inductor current,
c \ d is the period or reversal number, depending on the speed,

L der Selbstinduktionskoeffizient der Wicklung; dann ist: L is the self-induction coefficient of the winding; then:

ο-1 = Δ die Netzspannung,ο-1 = Δ the mains voltage,

ίο ETi = J_1n · W die Resistanzspannung,
Ta == co LJ_m die Reaktanzspannung.
Der Strom J_m eilt daher der Spannung Δ zeitlich um φ· nach. Da aber der Strom das Drehfeld erzeugt, so eilt auch dieses seiner früheren Ruhelage bei zweipoliger Anordnung örtlich um den Winkel φ nach; daher werden die neutralen Zonen bei Drehung den Bürstenzonen um den Winkel ! = 90° — φ voreilen. Wird diese Betrachtung von Fig. 3 auf Fig. 2 übertragen, so ist die Achse * die Polzone und die Achse y die magnetisch neutrale Zone bei einer bestimmten Drehgeschwindigkeit. Die tatsächliche Kommutierung des Stromes findet erst in der #-Achse statt, während die der Spannung in der Bürstenzone verbleibt.ίο ETi = J _1n W is the resistance voltage,
Ta == co LJ _{m is} the reactance voltage.
The current J _m therefore lags the voltage Δ in time by φ ·. However, since the current generates the rotating field, this also lags behind its previous position of rest in the case of a two-pole arrangement locally by the angle φ; therefore the neutral zones become the brush zones by the angle! = 90 ° - φ lead. If this consideration is transferred from FIG. 3 to FIG. 2, the axis * is the pole zone and the axis y is the magnetically neutral zone at a certain rotational speed. The actual commutation of the current only takes place in the # axis, while that of the voltage remains in the brush zone.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 fällt wegen des großen Luftspaltes der Wert L immer klein gegen W aus; es gilt das Diagramm Fig. 4; φ bleibt klein, während ξ nahezu 90 ° erreicht. Um eine möglichst gute Wirkung zu erzielen, müssen daher tatsächlich die Sekundärbürsten c, d den primären Bürsten a, b gegenüber um den Winkel ξ, das ist um nahezu 90 °, versetzt werden. Dabei fällt die primäre Bürstenzone nahezu in das Feldmaximum, was eine gute Kommutierung bei größeren Spannungen unmöglich macht. Auch ist der Magnetisierungsstrom unverhältnismäßig groß gegenüber dem Nutzstrom, was einen sehr schlechten Wirkungsgrad bedingt.In the arrangement according to FIG. 1, because of the large air gap, the value L is always small compared to W ; the diagram in FIG. 4 applies; φ remains small, while ξ almost reaches 90 °. In order to achieve the best possible effect, the secondary brushes c, d must therefore actually be offset from the primary brushes a, b by the angle ξ, that is to say by almost 90 °. The primary brush zone almost falls into the field maximum, which makes good commutation impossible with higher voltages. The magnetizing current is also disproportionately large compared to the useful current, which results in a very poor degree of efficiency.

Es wurde auch vorgeschlagen, um möglichst . kleine Streuung zu bekommen, Primär- und Sekundärwicklungen in Löchern (Fig. 5) unterzubringen derart, daß der magnetische Kraftfluß nur in Eisen verlief. Bei dieser Anordnung wird zwar der Magnetisierungsstrom sehr klein, doch sind die neutralen Zonen sehr schmal, das Feld steigt vor und nach der neutralen Zone wegen des kurzen Kraftlinienweges sehr steil an. Für sekundäre Entlastung gilt das Doppelspulendiagramm Fig. 6. Die sekundären Bürsten c, d (Fig. 5) liegen zweckmäßig nahezu in denselben Zonen auf wie die primären Bürsten a, b. In Fig. 7 ist die FeIdkurve r in der Nähe einer neutralen Zone wiedergegeben mit der primären Bürstenzone a und der sekundären Bürstenzone c.It was also suggested to be possible. To get small scatter, to accommodate primary and secondary windings in holes (Fig. 5) in such a way that the magnetic flux was only in iron. With this arrangement, the magnetizing current is very small, but the neutral zones are very narrow, and the field rises very steeply before and after the neutral zone because of the short path of the lines of force. The double coil diagram in FIG. 6 applies to secondary relief. The secondary brushes c, d (FIG. 5) are expediently almost in the same zones as the primary brushes a, b. 7 shows the field curve r in the vicinity of a neutral zone with the primary brush zone a and the secondary brush zone c.

α und c sind nach Fig. 6 um den Winkel ξ versetzt. Man erkennt aus Fig. 7, daß die ablaufende Bürstenkante von α bereits in einem Felde von der Stärke p läuft, welche einen beträchtlichen Kurzschlußstrom unter der Bürste erzeugen kann; mithin ist besonders bei größeren Polteilungen starkes Bürstenfeuer zu erwarten. Dieselbe Erscheinung tritt auch bei einem Wechselstromdrehfeld auf, das benutzt wird, um den neutralen Zonen sekundär Gleichstrom abzunehmen. Wohl läßt sich die Sekundärbürste auf die verzerrte, neutrale Zone einstellen, doch läuft dann nur die Mitte der Bürste im neutralen Feld, die auflaufende wie die ablaufende Kante stehen jedoch schon im Drehfeld (in Fig. 7 c in einem Felde von. der Stärke s), da dieses wegen des geringen magnetischen Widerstandes in den neutralen Zonen zu steil ansteigt. Durch Anwendung von sehr schmalen Stegen ζ (Fig. 8) zwischen den Induktorringen wird das steile Ansteigen des Feldes nur noch vergrößert, da in der neutralen Zone sich niemals hohe Sättigungen einstellen können, daher der magnetische Widerstand dort trotzdem sehr klein bleibt, während anderseits durch diese Maßnahme die Feldwelle im Maximum sehr stark gedrückt erscheint. Ein funkenfreies Arbeiten wird also auch auf diese Weise nicht erzielt. According to FIG. 6, α and c are offset by the angle ξ. It can be seen from FIG. 7 that the trailing brush edge of α is already running in a field of thickness p , which can generate a considerable short-circuit current under the brush; therefore, strong brush fire is to be expected especially with larger pole pitches. The same phenomenon also occurs with an alternating current rotating field, which is used to take secondary direct current from the neutral zones. Well, the secondary brush on the distorted, neutral zone can be set, but then only the center runs the brush in a neutral field, but the accrual as the trailing edge are already in rotation (in FIG. 7 c in a field of. The thickness s ), as this increases too steeply due to the low magnetic resistance in the neutral zones. By using very narrow webs ζ (Fig. 8) between the inductor rings, the steep rise in the field is only increased, since high saturations can never occur in the neutral zone, so the magnetic resistance remains very small there, while on the other hand through this measure the field wave appears very strongly depressed at the maximum. Spark-free work is therefore not achieved in this way either.

Bei dem Umformer nach der Erfindung ist daher grundsätzlich zwischen den beiden induktorringen noch ein kleiner Luftspalt I eingeschaltet (Fig. 9). Der magnetische Widerstand dieses Luftspaltes kommt gerade in den neutralen Zonen zur Geltung, während er auf das Feldmaximum nur geringen Einfluß hat im Gegensatz zur Wirkung von schmalen Stegen. Fig. 10 zeigt die nun auftretende Feldkurve r ähnlich der Fig. 7. Das Drehfeld in den neutralen Zonen steigt langsam an, die primären Bürsten a, b sind nahe der neutralen Zone, daher erfolgt die Kommutierung funkenfrei. Man wird den Luftspalt nur so groß wählen, daß der Magnetisierungsstrom ungefähr den halben normalen Nutzstrom nicht übersteigt. Man darf ihn jedoch auch nicht zu klein wählen, da sonst, wie vorhin gezeigt, Kollektorfeuer auftritt.In the converter according to the invention, therefore, a small air gap I is always switched on between the two inductor rings (FIG. 9). The magnetic resistance of this air gap is particularly evident in the neutral zones, while it has only a slight influence on the field maximum in contrast to the effect of narrow webs. FIG. 10 shows the field curve r now occurring, similar to FIG. 7. The rotating field in the neutral zones increases slowly, the primary brushes a, b are close to the neutral zone, so the commutation is spark-free. The air gap will only be chosen so large that the magnetizing current does not exceed approximately half the normal useful current. However, you should not choose it too small, otherwise, as shown earlier, a collector fire will occur.

Fig. 11 veranschaulicht die allgemeine Anordnung des neuen Umformers, e und f sind die beiden durch den Luftspalt I getrennten Ringinduktoren; die Primärwicklung m ist mit dem Kollektor g, die Sekundärwicklung« mit dem Kollektor k verbunden. Beide Wicklungen sind in durch Zwischenzähne ζ gesonderten, vorteilhaft gegen den Luftspalt offenen Nuten beider Ringinduktoren angeordnet, so daß der primäre und sekundäre Teil des Umformers leicht zugänglich sind und auswechselbar hergestellt werden können. Die Primärbürsten a, b wie die Sekundärbürsten c, d liegen grundsätzlich in denselben Wicklungszonen auf. Die Sekundärbürsten c, d können lediglich zum Zwecke besserer Kommutierung j um einen kleinen Winkel ξ gegenüber den Pri-Fig. 11 illustrates the general arrangement of the new converter, e and f are the two ring inductors separated by the air gap I; the primary winding m is connected to the collector g, the secondary winding to the collector k . Both windings are arranged in grooves of both ring inductors which are separated by intermediate teeth ζ and which are advantageously open towards the air gap, so that the primary and secondary parts of the converter are easily accessible and can be produced interchangeably. The primary brushes a, b and the secondary brushes c, d are basically in the same winding zones. The secondary brushes c, d can only for the purpose of better commutation j by a small angle ξ with respect to the pri-

märbürsten gegen die Drehrichtung des Induktors verschoben werden. % gibt ähnlich wie in Fig. 2 und 5 die Lage der Feldmaxima wieder. Das zugehörige Drosselspulendiagramm fällt nach Fig. 6 aus. Daraus erkennt man, daß dieser Umformer bei sekundärer Entlastung primär wie eine kräftige Drosselspule wirkt. Schaltet man in den primären Kreis des Drehfeldumformers ohne sekundäre Belastung (also ohne Sekundärwicklung) einen Verbraucher in Reihe, so erhält dieser nur eine um die Drosselspannung verminderte Nutzspannung. Die Schaltung ist z. B. in Fig. 12 schematisch dargestellt, a, b sind die primären Umformerbürsten, e der mit irgendeiner Gleichstromwicklung und einem Kollektor versehene innere, primäre Induktorring, f der äußere Induktorring ohne Sekundärwicklung, I der beide Ringe trennende Luftspalt. V möge eine Gleichstrombogenlampe als Verbraucher darstellen, welche mit der Gleichstromwicklung in Reihe geschaltet- ist; Δ sei die Netzspannung, Ad die Drosselspannung. Man ist auf diese Weise imstande, auch Gleichstrom wie Wechselstrom zu drosseln, während früher die überschüssige Spannung in einem Widerstand vernichtet werden mußte. Diese Vorrichtung ist daher besonders geeignet zum Anlassen von Gleichstrommotoren, Betrieb vonmärsten be shifted against the direction of rotation of the inductor. As in FIGS. 2 and 5, % shows the position of the field maxima. The associated choke coil diagram is not according to FIG. 6. From this it can be seen that this converter acts primarily like a powerful choke coil in the event of secondary relief. If a consumer is connected in series in the primary circuit of the rotating field converter without secondary load (i.e. without secondary winding), it only receives a useful voltage reduced by the inductor voltage. The circuit is z. B. shown schematically in Fig. 12, a, b are the primary converter brushes, e the inner, primary inductor ring provided with any DC winding and a collector, f the outer inductor ring without secondary winding, I the air gap separating the two rings. V may represent a direct current arc lamp as a consumer, which is connected in series with the direct current winding; Δ is the line voltage, Ad the choke voltage. In this way it is possible to throttle direct current as well as alternating current, whereas in the past the excess voltage had to be destroyed in a resistor. This device is therefore particularly suitable for starting DC motors, operating

•30 Scheinwerfern u. dgl. Die Drosselwirkung dieser Vorrichtung ist regelbar bei konstanter Geschwindigkeit durch mechanische Änderung der Luftspaltgröße I oder bei konstanter Luftspaltgröße durch Änderung der Drehgeschwindigkeit. • 30 spotlights and the like. The throttling effect of this device can be regulated at a constant speed by changing the air gap size I mechanically or at a constant air gap size by changing the rotational speed.

Die Drehung des Umformers kann mechanisch oder durch einen Hilfselektromotor bewirkt werden, der nur die unvermeidliche Reibungsarbeit zu leisten hat. Selbstverständlich kann man den Induktor auch ruhend anordnen und die Bürsten in Drehung versetzen. Dann muß aber der Strom von den kreisenden Bürsten mittels weiterer Schleifkontakte nach außen geführt werden.The rotation of the converter can be effected mechanically or by an auxiliary electric motor who only has to do the inevitable friction work. Of course you can also arrange the inductor at rest and set the brushes in rotation. But then the current has to be drawn from the rotating brushes by means of additional sliding contacts be led to the outside.

Läuft der neue Umformer nach Fig. 11 ohne Belastung, also als Gleichstromdrosselspule, funkenfrei, so hat der praktische Versuch gezeigt, daß bei sekundärer Belastung keine weitere Neigung zum Feuern mehr auftritt, derIf the new converter according to Fig. 11 runs without load, i.e. as a direct current choke coil, spark-free, the practical test has shown that with secondary loading no further Tendency to fire occurs more that

Umformer also dann vollkommen zuverlässig arbeitet.The converter then works completely reliably.

Das hier angewendete Gleichstromdrehfeld besitzt also im allgemeinen dieselben Eigenschaften wie das bekannte Wechselstromdrehfeld. The DC rotating field used here generally has the same properties like the well-known alternating current rotating field.

Die Wicklungen können selbstverständlich auch mehrpolig sein. Der primäre und der sekundäre Gleichstrombürstensatz müssen dann der Mehrpoligkeit entsprechend angepaßt sein.The windings can of course also be multi-pole. The primary and the secondary DC brush sets must then be adapted to the multipolarity accordingly.

Man kann auch zum Zweck der Wechselstromabnahme an geeigneten Punkten der Wicklungen Wechselstromanzapfungen mit Außenführungen, wenn nötig über Schleifkontakte, vorsehen. It is also possible to take the alternating current at suitable points on the windings Provide alternating current taps with external guides, if necessary via sliding contacts.

Am Wesen der Erfindung ändert sich nichts, wenn man den Luftspalt anderswo als in Fig. 11 zwischen den beiden Eisenringen anordnet. Z. B. kann der eine Eisenring ungenutet bleiben, während der andere Eisenring die ganzen Wicklungen aufnimmt. Wesentlich ist nur, daß die primären und sekundären Bürstenzonen in den Wicklungen zusammenfallen. Nothing changes in the essence of the invention if the air gap is used elsewhere than in Fig. 11 is arranged between the two iron rings. For example, one iron ring can be unslotted stay while the other iron ring takes up all the windings. Essential is just that the primary and secondary brush zones in the windings coincide.

Beide Eisenringe e und f können fest miteinander verbunden sein, wie z. B. in Fig. 11. In diesem Falle gestaltet man den Luftspalt Z zweckmäßig allseitig gleich groß und möglichst klein.Both iron rings e and f can be firmly connected, such as. B. in Fig. 11. In this case, the air gap Z is expediently made the same size on all sides and as small as possible.

Bei Anordnung der Primär- und Sekundärgleichstromwicklungen in Nuten bloß eines Ringes kann der zweite wicklungsfreie Ring auch beweglich gegenüber ersterem und mit den Gleichstrombürsten fest verbunden sein, wie Fig. 13 andeutet. Der Kleinheit des Luftspaltes sind hier jedoch durch die Betriebssicherheit engere Grenzen gesetzt, da bei zu, kleinem Spielraum zwischen dem kreisenden und dem ruhenden Ringe leicht ein schädliches Streifen beider Teile eintreten kann. Die Form des Luftspaltes kann hier beliebig sein, etwa wie Fig. 13 zeigt, wo er in den Bürstenzonen absichtlich erweitert ist, um das Feld noch flacher ansteigend zu machen.If the primary and secondary DC windings are arranged in slots, only one The second winding-free ring can also move relative to and with the first ring be firmly connected to the DC brushes, as Fig. 13 indicates. The smallness of the air gap However, there are narrower limits due to operational safety, since a small clearance between the circling and the stationary ring can easily be harmful Stripes of both parts can occur. The shape of the air gap can be arbitrary here as shown in Fig. 13, where it is intentionally expanded in the brush zones to include the To make the field even flatter.

Die Anordnung kann auch umgekehrt getroffen sein. Es kann der äußere Ring mit Nuten versehen und der innere mit den Bürsten fest verbunden werden.The arrangement can also be made the other way round. It can be the outer ring with Grooves are provided and the inner one is firmly connected to the brushes.

Für den mit den Bürsten fest verbundenen Eisenring entfallen die Eisenverluste, so daß er auch massiv sein kann. Welcher von den beiden Eisenringen umläuft, ist für die Wirkungsweise gleichgültig.There are no iron losses for the iron ring firmly connected to the brushes, so that it can also be massive. Which of the two iron rings revolves is for the mode of action indifferent.

Der einfacheren Darstellung wegen ist in ' allen Figuren angenommen, daß die Kollektorzonen, in denen die Gleichstrombürsten aufliegen, sich mit den denselben Bürsten entsprechenden Wicklungszonen decken, beziehungsweise, daß die Achsen beider Zonen gleiche Richtung haben. Es ist bekannt, daß bei der praktischen Ausführung von Kollek- no torankern dies nicht der Fall ist, wie es auch bei der praktischen Ausführung des Erfindungsgegenstandes nicht der Fall zu sein braucht. Doch ist mit obiger Annahme in der Darstellung die Zusammengehörigkeit der einzelnen j Wicklungselemente mit den ihnen entsprechenden Bürsten klarer zum Ausdruck gebracht.For the sake of simplicity, it is assumed in 'all figures that the collector zones, in which the DC brushes rest, correspond to the same brushes Cover winding zones, or that the axes of both zones have the same direction. It is known that in the practical implementation of collector anchors this is not the case, as it is need not be the case in the practical implementation of the subject matter of the invention. But with the above assumption in the representation is the togetherness of the individual j winding elements with their corresponding brushes expressed more clearly.

Claims

Patent Claims:

i. With a primary and a secondary winding and two associated current

reversing provided direct current - direct current rotary field converter, whose magnetic circuit consists of two concentrically surrounding, appropriately ring-shaped Consists of iron bodies, characterized in that, when arranged, one separating them Only two sets of primary and secondary brushes corresponding to the two windings are present in the air gap lie in almost the same zones.

2. Converter according to claim i, characterized in that the primary and secondary windings lie either together in grooves of one iron body or separately in grooves in both iron bodies, and that the grooves are too open after the air gap.

3. Use of the DC rotary field converter according to claim 1 and 2 as DC choke coil, characterized in that the secondary circuit remains open or is omitted entirely.

1 sheet of drawings,