DE33007C - Methode, um Galvano - Elektrizität auf eine niedrigere oder höhere Spannung zu bringen und die hierzu bestgeeigneten Wechselströme herzustellen - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21: Elektrische Apparate.

LOUIS BOLLMANN in WIEN.

Patentirt im Deutschen Reiche vom l. April 1884 ab.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die sogen, secundären Generatoren und hat den Zweck, den durch den primären, zumeist hochgespannten Strom inducirten Nutzströmen . die dem jeweiligen Zwecke angemessene Spannung zu ertheilen.

Da die von Wechselstrommaschinen gelieferten Ströme einerseits einen günstigen Betrieb secundä'rer Generatoren nicht gestatten und andererseits sowohl bedeutende Energieverluste als auch (wegen der nothwendigen grofsen Leiterquerschnitte) kostspielige Leitungsanlagen bedingen, so zieht der Erfinder es vor, den primären Strom als continuirlichen Strom bis zum secundären Generator zu leiten und ihn dort in der dem Zwecke bestentsprechenden Weise in einen Wechselstrom umzuwandeln.

Der secundäre Generator, den der Erfinder zur Ausführung der vorliegenden Erfindung benutzt, ist folgendermafsen construirt:

Ein Eisenkern A¹, Fig. 2 und 3, trägt die primären Spulen C und secundären Spulen B und ist durch an seinen Enden befestigte eiserne Querstücke G¹ Gⁿ mit zwei anderen parallel zu ihm angeordneten Eisencylindern AU A^m verbunden. Die Kerne A¹A¹¹A¹" bilden demnach mit den Querstücken G¹ Gⁿ einen geschlossenen dreischenkligen Magneten. Die Eisencylinder A^u A^UI tragen Spulen D, welche mit den secundären Spulen B leitend verbunden sind. Ob man die Spulen D der beiden Kerne A^u A^m hinter oder neben einander schaltet, hängt von den jeweiligen Umständen ab; ebenso ist die Verbindung des äufseren Stromkreises, in welchem der inducirte Nutzstrom die gewünschte Arbeit leistet, mit den Spulen D und B von den jeweiligen Umständen abhängig. Handelt es sich nämlich darum, Nutzströme von geringer Spannung zu erzielen, so ist der äufsere Stromkreis parallel zu den Spulen -D geschaltet; wünscht man dagegen Nutzströme von hoher Spannung, so sind der äufsere Stromkreis, die Spulen D und die Spulen B sämmtlich hinter einander geschaltet.

Wird nun der primäre Strom, der ursprünglich in der Richtung 1 durch die Spulen C flofs, unterbrochen oder umgekehrt, so entsteht in den Spulen B ein Strom von der Richtung 2 (s. Fig. ia), in welcher der einfacheren Darstellung der Wirkungsweise wegen nur der Kern Af und der Kern Aⁿ schematisch dargestellt wurde.

Ist die Unterbrechung oder Umkehrung des Stromes 1 in den Spulen C sehr rasch vor sich gegangen, so würde der entstehende Strom 2 eine bedeutende Spannung haben; da er aber auf den Kern A¹ magnetisirend einwirkt, so wird seine Spannung etwas vermindert, dagegen nimmt seine Dauer zu. Durch die magnetisirende Einwirkung des Stromes 2 in den Windungen B wird aber die Veränderung des magnetischen Zustandes des Kernes A¹ verzögert. Derjenige Antheil des Stromes 2, der durch Umkehrung oder Unterbrechung des primären Stromes 1· entsteht, geht zum gröfseren Theil durch die Windungen D und nur zum kleineren Theil durch den äufseren Stromkreis, da die Windungen D einen geringeren Widerstand aufweisen als die äufsere Schliefsung.
. Dieser durch die Windungen D gehende Antheil des Stromes 2 wirkt magnetisirend auf

den Kern A^u, und zwar in der Weise, dafs er derjenigen magnetischen Veränderung, welche die Umkehrung oder Unterbrechung des Stromes ι im Kern A¹ hervorbringt und die sich von A¹ nach A¹¹ fortpflanzt, entgegenwirkt; analog wirkt der Strom 2 in den Windungen B auf den Kern A¹. Dies hat zur Folge, dafs die Veränderung des magnetischen Zustandes der Kerne so lange verzögert wird, bis der am stärksten gespannte Antheil des Stromes 2 verlaufen ist, der jedoch nur zum geringen Theil durch die äulsere Schliefsung geht. Nachher erst, und zwar ausschliefslich durch Veränderung des magnetischen Zustandes der Kerne werden in den Windungen B und D Ströme inducirt, die durch befiederte Pfeile angedeutet sind, welche nach dem gegebenen Schema in den äufseren Stromkreis als Nutzströme eintreten.

Wird der Strom 1 abermals hergestellt, so finden genau dieselben Erscheinungen in derselben Aufeinanderfolge statt, nur dafs die Richtungen der Ströme umgekehrt werden.

Es ergiebt sich hieraus, dafs man mit Hülfe des vorliegenden secundären Generators Nutzströme von geringer Spannung und wechselnder Richtung erzeugen kann, indem die hochgespannten Theile des inducirten Stromes nur zum geringen Theil durch die Nutzleitung gesendet werden, während der gröfste Theil der von ihnen repräsentirten Energie durch Vermittelung der Eisenkerne des Generators in niedriggespannte Ströme umgewandelt wird, die vereint mit den niedriggespannten Antheilen des reinen secundären Stromes aus den Spulen B durch die Nutzleitung gehen.

Handelt es sich darum, die Spannung der inducirten Ströme höher zu machen als die des primären Stromes, so verfährt man in genau derselben Weise wie vorhin, nur stellt man die Spulen B und D in der in Fig. 1 b schematisch dargestellten Weise zusammen. Es gehen daher in diesem Falle auch' die hochgespannten Antheile des inducirten Stromes durch die Nutzleitung, nur werden sie dadurch, dafs sie auf die Kerne A' und Aⁿ magnetisirend einwirken, etwas geschwächt, so dafs sie die grofse Neigung zur Funkenbildung verlieren.

In diesem Falle sind die in den Spulen -B und D inducirten Ströme (durch befiederte Pfeile angedeutet) beständig einander gleichgerichtet, und dieses ist der einzige Unterschied zwischen den beiden Anordnungen. Hat man mehrere Inductoren einer dieser beiden Arten zur Verfügung, so kann man sie genau so wie die gewöhnlichen galvanischen Elemente oder Dynamomaschinen nach Belieben und, dem jeweiligen Zwecke entsprechend, unter einander verbinden.

Soll der Nutzstrom seine Richtung nicht verändern , so schaltet man in die Nutzleitung einen Commutator von bekannter Construction ein, der in einer nachfolgend zu beschreiben-Weise bethätigt wird.

Man kann eine beliebige Anzahl Magnete Aⁿ A^m anwenden und dieselben im Kreise um den Magneten A¹ stellen; auch können die Magnete in jeder beliebigen Weise mit einander verbunden sein. Es können sich ferner die Windungen B auch aufserhalb oder theils aufserhalb, theils innerhalb der Windungen C befinden.

Als inducirender Strom kann ein intermittirender gleichgerichteter statt eines Wechselstromes benutzt werden.

Um die zum ökonomischen Betriebe der vorliegenden Secundärgeneratoren bestgeeigneten Wechselströme hervorzubringen, benutzt man den in Fig. 4 dargestellten Commutator. Derselbe besteht aus einem zweiarmigen Hebel F, an dessen Enden die isolirten Contactstücke f¹ fⁿ angebracht sind. Der Hebel schwingt um seinen Mittelpunkt, so dafs die Contactstücke f^lfⁿ an dessen Enden zwischen den Contactstücken H¹ H" bezw. H^m H^IV spielen.

Die Contactstücke f^!f^H- haben, wie aus der Zeichnung ersichtlich, eine derartige Gestalt, dafs sie während des Ueberganges des Hebels aus einer extremen Lage in die andere durch eine kurze Zeit beide Contactstücke H¹ Hⁿ bezw. H^m H^IV berühren. Die Drähte 6 und 9 führen den Strom vom Commutator zum Secundärgenerator und die Drähte ι ο bis 11 und 5 führen den continuirlichen Strom von der Stromquelle zum Commutator. Es ergiebt sich aus der Zeichnung, dafs bei der Schwingung des Hebels F der Commutator den Primärstrom wechselt; würde man aber zwei einander diagonal gegenüberliegende Contactstücke H (etwa H^u und Hⁿⁱ) isoliren, so würde der primäre Strom durch die Schwin- - gungen des Hebels F blos abwechselnd geschlossen und unterbrochen.

Die Oscillationen des Hebels F können in verschiedener Weise hervorgebracht werden; in Fig. 5 ist eine der vorteilhaftesten dargestellt.

Es trägt nämlich der Hebel F einen Arm/™, an dessen Ende eine Rolle oder ein Zapfen sitzt, der in die Führungsnuth einer auf einer Welle M aufgekeilten Scheibe f^IV eingreift. Die Welle M wird in später zu erläuternder Weise gedreht und hierdurch der Hebel F in Schwingungen versetzt.

Man kann auf diese Weise den Stromwechsel oder die Stromunterbrechungen mit der gewünschten Plötzlichkeit eintreten lassen.

In einer Centralstation, wo mehrere Secundärgeneratoren der vorbeschriebenen Art vereinigt sind, kann man für sämmtliche Generatoren einen einzigen Commutator aufstellen.

Handelt es sich darum, auf die vorstehend beschriebene Weise aus einem Strom von hoher Spannung einen solchen von geringer Spannung zu erzeugen, so werden am Commutator bei den Stromwechseln sehr starke Funken auftreten; um dieselben wenigstens zum Theil zu paralysiren, combinirt man den Commutator mit einem System von Magneten in der Weise, dafs der primäre Strom durch die Spulen der sä'mmtlichen oder einzelner Magnete hindurchgehen mufs und ordnet den Commutator so an, dafs der primäre Strom gerade dann umgeschaltet wird, wenn die Magnete des oben erwähnten Systems sich infolge ihrer magnetischen Erregung gegen einander bewegen und die beweglichen Magnete die intensivsten Theile des magnetischen Feldes der feststehenden Magneten durchschreiten.

Nach dem Gesetze von Lenz und Jacobi wird hierdurch in den vom Primärstrom durchflossenen Spulen eine elektromotorische Gegenkraft geweckt; diese vermindert die Spannungsdifferenz an den wechselnden Contactstellen so ausgiebig, dafs die Funkenbildung, wenn nicht ganz aufgehoben, so doch bedeutend vermindert wird.

Eine derartige Anordnung der Magneten und des Commutators kann in verschiedener Weise bewerkstelligt werden ; in Fig. 5 und 6 ist eine Art derselben in Vorderansicht bezw. Seitenansicht dargestellt.

Auf der Welle M sitzen die Contactringe N¹N" N'"N^IV, auf welchen Federn oder Bürsten schleifen, die von Bürstenhaltern O¹ QIi QiU Qiv getragen werden; überdies sitzt auf dieser Welle die Führungsscheibe f^IV mit Nuth, in welche die Rolle oder der Zapfen am Ende des Armes f^UI des Commutatorhebels F eingreift, und endlich sitzen auf dieser Welle die Elektromagnete L¹ Lⁿ.

Der primäre Strom kommt durch den Draht 1 von der Stromquelle, tritt durch den Bürstenträger O¹ und den Contactring N¹ in den Draht 2, umkreist die Windungen auf den Magneten JJ und geht durch den Draht 3 zum Contactring Nⁿ. Bei der in Fig. 5 dargestellten Lage des Commutatorarmes geht der Strom dann durch den Draht 4 zum Contact H^IV und durch den Armf^!I und Draht 6 zu den Umwickelungen des Hufeisenmagneten K¹¹ und von da aus durch den Draht 7 zum Inductor, von wo aus er durch den Draht 8 zu den Umwickelungen des Magneten K¹ fliefst, um durch den Draht 9, den Arm f, den Contact H¹ und den Draht ι ο zum Bürstenträger O^UI zu gehen. Vom Contactring N^IU aus geht der Strom durch den Draht 12 zu den Umwickelungen des Magneten JJ¹ und durch den Draht 13, den Contactring N^IV, die Bürste O^IV und den Draht 14 zurück zur Stromquelle. Bei diesem Stromverlaufe haben die Magnete die durch die Buchstaben η und s angedeuteten Polaritäten, und es findet eine Anziehung der Pole der Magneten K und L, Fig. 6, statt. Dreht sich die Achse M mit den Magneten L im Sinne des Pfeiles in Fig. 6, so wechselt der Contäcthebel F die Contacte, wie ein Blick auf Fig. 5 zeigt, und hierdurch wird der Strom in dem Inductor und in den Magneten K¹ K^u umgekehrt; die Umkehrung trägt gleichfalls zur Verminderung der Spannungsdifferenzen an den Contactstellen bei und somit auch zur Verminderung der Funkenbildung. Die Magnete K¹ und Kⁿ verändern ihre Polarität, und an Stelle der Anziehung zwischen den Polen derselben und der Magneten L tritt nunmehr die Abstofsung, da die Magnete L, wie ersichtlich, dem Stromwechsel nicht ausgesetzt sind. Die Welle M wird daher von den Magneten L und K in Drehung versetzt und bedarf keines besonderen Motors. Ein willkürlich veränderlicher mechanischer Widerstand kann angewendet werden, um die Drehungsgeschwindigkeit der Welle M und somit die Zahl der Stromwechsel zweckmäfsig zu reguliren; ebenso ist die Scheibe f^IV stellbar, um den Moment des Stromwechsels in genaue Uebereinstimmung mit der Bewegung der Magneten zu setzen.

Um die inductive Wechselwirkung der Magneten K und L auf einen kleinen Raum und daher auch auf eine kurze Zeit zu concentriren, ist es vorzuziehen, denselben die in Fig. 5 und 6 gezeichnete Gestalt zu geben, d. h. sie in der Richtung parallel zur Achse M zu verbreitern, aber in der dazu senkrechten Richtung schmal zu machen.

In Fig. 7 und 8 ist ein Commutator für mehrere Inductoren dargestellt.

Der Wechsel der Stromrichtung findet in den einzelnen Inductoren nicht gleichzeitig, sondern auf einander folgend statt. Die Schaltungsweise ist aus der Figur deutlich zu entnehmen.

Der primäre Strom tritt durch den Draht 1 ein und geht bei der gezeichneten Stellung des ersten Commutators F¹ in den Draht 3, geht durch den ersten Inductor zum Draht 4 und über fⁿ und H^IV durch den Draht 6, umkreist den Hufeisenmagneten K¹ und fliefst durch den Draht 7 zum zweiten Commutator F¹¹, wo er in ähnlicher Weise durch die Drähte 3— und 4— zum zweiten Inductor und von da durch Draht 6— um den Magneten K¹¹ und durch den Draht 7— zum dritten Commutator F³ und durch den dritten Inductor und den dritten Magneten K^UI geführt wird, worauf er endlich durch den Draht 7= zur Stromquelle zurückgeht.

Wie ersichtlich, findet in den Magneten K keine Umschaltung des Stromes statt; die zur Verminderung der Funkenbildung erforderliche elektromotorische Gegenkraft wird hier durch

Claims (2)

1. die Anziehung der Magneten K und L (die letzteren sind als permanente Magnete dargestellt) hervorgebracht. Sind die Magnetpole an einander vorübergegangen, so trachtet die fortdauernde Anziehung der Magneten K und L, die Bewegung der Magneten L aufzuhalten; deshalb mufs man die Welle M durch eine ä'ufsere Kraft in Bewegung setzen.

   Der Stromwechsel in jedem Inductor findet statt, wenn die Pole der Magneten L an jenen des dem Inductor zugehörigen Magneten K vorübergehen.

   In Fig. 9, in welcher die Zeichen dieselbe Bedeutung haben wie in Fig. 7 und 8, wird der primäre Strom vom Commutator zunächst unterbrochen und dann erst umgeschaltet. Die Unterbrechung rindet dann statt, wenn durch Annäherung der Pole der Magneten K und L die Spannungsdifferenzen vermindert worden sind, und die Umkehrung desselben findet statt, wenn durch die gegenseitige Entfernung der Pole der Magneten K und L an den Contacten f Spannungen entstanden sind, welche mit jenen gleichbezeichnet sind, die an jenen Contacten H herrschen, mit welchen die Contacte f in Berührung treten sollen.

   Man kann die Funkenbildung auch noch dadurch weiter vermindern, dafs man die Contacte f, Fig. 5 und 7, etwas breiter macht, so dafs der Contact zwischen f¹ und H^u z. B. nicht eher unterbrochen wird, als bis der Contact zwischen f¹ und H¹ hergestellt worden ist.

   Es findet demnach auch in diesem Falle im Inductor der Uebergang von einer Stromrichtung zur anderen durch ο statt, wenn auch sehr viel rascher als bei den von Wechselstrommaschinen gelieferten Strömen.

   Statt der rotirenden Magneten L kann man auch oscillirende Magnete anwenden oder auch stillstehende, mit einem beweglichen Polschuh /, Fig. 12 und 13, versehene, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen und ohne dafs die Wirkungsweise derselben hierdurch verändert würde.

   Statt des in Fig. 5, 6, 7, 8 und 9 angewendeten oscillirenden Commutators kann man auch einen rotirenden, Fig. ι ο und 11, anwenden. Derselbe besteht aus den zwei in einander greifenden, auf der Welle M sitzenden Ringen H¹ H^ll\ auf den vollen Theilen dieser Ringe schleifen die Bürsten P¹ Pⁿ , durch welche der Primärstrom zu- und abgeleitet wird, auf dem mittleren Theil des Commutators und somit abwechselnd in Berührung mit dem einen und mit dem anderen der beiden Ringe H schleifen die Bürsten f¹f^H, welche den Strom zum Inductor führen.

   Statt der vorstehend beschriebenen Magneten K und L könnte man, wenn dies gewünscht wird, auch Solenoide oder gleichwerthige Vorrichtungen anwenden.

   Die Erfindung bedingt die Combination des beschriebenen Commutators mit dem Inductor, denn letzterer kann nur durch von jenem geschaltete Ströme zweckmäfsig functioniren.

   Die von Wechselstrommaschinen gelieferten Ströme sind wegen der rasch auf einander erfolgenden Stromwechsel zum Betrieb von Secundä'rgeneratoren überhaupt wenig geeignet.

   Ebenso sind die Magnete K und L unbedingt nothwendig, um die zum Betrieb der Secundärgeneratoren erforderlichen Umschaltungen in der Praxis durchführen zu können.

   Wünscht man einen continuirlichen Nutzstrom statt eines wechselnden aus den Inductoren abzuleiten, so braucht man nur einen entsprechenden Commutator in die Leitung des Nutzstromes einzuschalten, der zweckmäfsig von der mehrfach erwähnten Welle M betrieben wird.

   Pa te ν τ-Ansprüche:

   ι . Ein Inductionsapparat zur Erzeugung secundärer Ströme von niederer oder höherer Spannung als der Primärstrom, bestehend aus unter einander magnetisch verbundenen Eisenkernen A¹ A^u Aⁱⁿ, deren ersterer von einer primären Wickelung C und einer innerhalb oder aufserhalb der letzteren angeordneten secundären Wickelung B umgeben ist, während die Kerne A¹¹A¹¹¹ mit Spulen D versehen sind, die derartig mit der Wickelung B in Verbindung stehen, dafs der bei Unterbrechung oder Umkehrung des Primärstromes der Wickelung C in der Wickelung B entstehende Inductionsstrom beim Durchströmen der Spulen D durch Erregung von Magnetismus in den Kernen A¹¹ A^nl geschwächt oder durch die inducirende Wirkung des.aus diesen Kernen verschwindenden Magnetismus verstärkt wird.
2. 2. Zur Erzeugung der zum Betriebe des in Anspruch 1. gekennzeichneten Inductionsapparates best geeigneten Wechsel- oder Unterbrechungsströme die Anwendung eines Commutators, wie solcher in Fig. 4 dargestellt ist, in Verbindung mit einem oder mehreren Sätzen von Magneten L und K, von denen die einen in Bezug auf die anderen sich bewegen, wodurch in den diese Magnete umgebenden Spulen Ströme inducirt werden, welche dem in diesen Spulen circulirenden Primärstrome entgegengesetzt gerichtet sind und denselben derartig schwächen, dafs an den Contactstellen des Commutators die Spannungen reducirt und ein Entstehen zerstörender Funken vermieden wird.