DE40414C - Neuerungen an Inductions-Apparaten, um elektrische Ströme zu transformiren - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT?

in BUDAPEST.

Diese Erfindung hat den Zweck, verbesserte Formen von Inductionsspulen oder Transformatoren herzustellen, welche dazu dienen, die Spannung und Intensität von elektrischen Wechselströmen zu transformiren.

In den bisher zu diesem Zweck hergestellten und verwendeten Inductionsspulen kreisen die magnetischen Kraftlinien in einem zum Theil aus,Eisen, zum gröfseren Theile aber aus Luft gebildeten Kreise. Dieses letztere ist aber zu vermeiden, da die Luft dem magnetischen Strom einen mehrere hundert Mal gröfseren Widerstand entgegensetzt, als wie ein gleiches Volumen Eisen.

Die durch einen ganz aus Eisen gebildeten Kreis zu erzielenden Vortheile wurden schon von Faraday angedeutet und für telegraphische Zwecke später von mehreren Constructeuren benutzt. Wir realisiren dieses Princip in mehreren verschiedenen Formen von Transformatoren, welche bestimmt sind, mit einem möglichst geringen Verlust in der Transformation, die Spannung und Stromstärke einer bestimmten, durch einen Wechselstrom fortgeführten Menge elektrischer Energie zu verändern.

Alle in folgendem beschriebenen Apparate bestehen aus einer Eisenmasse, welche zur Verhütung von schädlichen Foucault - Strömen entsprechend untertheilt ist, und aus zwei Spulen oder Spulensystemen, oder Rollen aus isolirtem Kupferdraht, welche zwei Stromkreise vorstellen. Zu einer dieser Spulen leiten wir den primären, inducirenden Wechselstrom. Dieser Strom erregt das Eisen magnetisch in rascher Aufeinanderfolge in entgegengesetzten Richtungen. Dadurch wird in der zweiten Spule des Transformators ein secundärer, inducirter Wechselstrom erzeugt. Dieser secundäre Strom wird dann in geeigneter Weise verwendet. Das Eisen in dem Apparat dient nur als Medium zum Fortleiten der magnetischen Kraftlinien und nicht etwa als Leiter für einen elektrischen Strom.

Es ist eine allgemeine Eigenschaft aller nachstehend näher beschriebenen Formen von Transformatoren, dafs jede einzelne Windung, sowohl der primären als auch der secundären Spule eines Apparates, eine und dieselbe elektromotorische Kraft besitzt, weil nämlich in diesen Apparaten alle Windungen die gleiche Zahl von magnetischen Kraftlinien umschliefsen, indem keine der Kraftlinien das Eisen verläfst. Infolge dessen ist es gleichgültig, in welcher Weise die primären und secundären Windungen in dem ihnen zugewiesenen Raum vertheilt sind.

Die Transformatoren erster Art bestehen aus einem Eisenkern, welcher eine in sich geschlossene Figur, einen Ring, ein Oval oder dergleichen bildet und zur -Verhütung der Foucault-Ströme entsprechend untertheilt ist. Der Eisenkern ist mit isolirtem Kupferdraht umwickelt, in ähnlicher Art, wie es bei Gramme-Ringen üblich ist. Die Kupferdrähte sind in zwei getrennten Stromkreisen verbunden, von denen der eine der primäre, der andere der secundäre ist. Ein wesentliches

Merkmal ist die Verbindung aller Primärspulen oder Windungen in solcher Art, dafs der Strom in allen diesen "Windungen gleichzeitig in derselben Richtung um den Eisenkern circulirt, dadurch verursachend, dafs die magnetischen Kraftlinien in gleicher Richtung im Eisenkern ringsherum laufen, so dafs keine freien magnetischen Pole erzeugt werden. Es giebt allerdings schon ältere Inductionsspulen, welche keine freien magnetischen Pole haben. Doch sind diese Apparate zur fortdauernden Transformirung von elektrischen Wechselströmen nicht geeignet. Es bildet nämlich bei denselben der Eisenkern nicht eigentlich eine geschlossene Figur, sondern es werden zwei oder mehrere Inductionsspulen mit getrennten Kernen so zusammengefügt, dafs sie zusammen eine geschlossene Figur vorstellen, deren Eisenkern aber aus mehreren Stücken, zum Theil sogar aus massiven, besteht, in keinem der angeführten Fälle aber continuirlich und in seinem ganzen Umfange homogen ist, wie die vorliegenden. Es besteht also in allen diesen Apparaten eine ununterbrochene Verbindung des magnetischen Kreises nicht, sondern es findet nur eine mehr oder weniger innige Berührung statt, welche aber keinesfalls einen so vollkommen magnetischen Schlufs geben kann, 'als werin der Kern thatsächlich in sich homogen geschlossen wäre. Der Schlufs des magnetischen Kreises eines Inductionsapparates durch massive Stücke widerspricht den Gesetzen der Oekonömie des Transformators. Im Falle aber das Schlufsstück nicht massiv, sondern, wie es sich zur Vermeidung der Foucault-Ströme für nothwendig ergiebt, 'ebenfalls aus einem Drahtbündel hergestellt ist, oder sind die Enden zweier aus Drähten gebildeten Kerne mit einander in Berührung gesetzt, so dürfte es sicher unmöglich sein, den Zusammenstofs so herzustellen, dafs jedes Drahtende mit dem correspondirenden Drähtende des Gegenpoles in eine so innige Berührung kommt, als wenn keine Unterbrechung 'stattfinden würde. Es werden immer die magnetischen Kraftlinien, wenn auch eine kleine Strecke, durch Luft gehen müssen und damit jener grofse Uebelstand des aufserordentlich gesteigerten Widerstandes erzielt .werden.

Um nun die aus diesen älteren Anordnungen ■sich ergebenden Uebelstände zu vermeiden, werden die Eisenkerne der Transformatoren in solcher Art hergestellt, dafs der ganze in sich ^"geschlossene Kern gleichsam ein Stück bildet, welches in seinem ganzen Umfange gleichartig gebildet ist, so dafs ein an einer beliebigen Stelle quer durch den Eisenkern geführter Schnitt immer nahezu dieselbe Anzahl Elemente (Drähte oder Bleche) des Kernes schneidet, und wobei das Eisen so vertheilt ist, dafs es in der" Richtung der Kraftlinien continuirlich ist, in der dazu senkrechten aber untertheilt ist.

Der Eisenkern wird aus dünnem Eisendraht hergestellt, indem letzterer auf eine geeignete Form gewickelt wird, bis der Raum, welcher für den Eisenkern bestimmt ist, ausgefüllt ist, Fig. i. Der Eisenkern ist entweder umsponnen oder lackirt, oder auch blank, oder durch eine Oxydschicht gedeckt, in welch letzteren Fällen die auf einander folgenden Lagen Eisendraht durch Papier, Leinwand, Shirting, Seide oder andere ähnliche Materialien von einander isolirt sein können. Auf diese Weise wird sowohl die Continuität dem Umfange nach, als auch die Untertheilung senkrecht zu den Kraftlinien und auch die Gleichartigkeit aller senkrecht zu den Kraftlinien geführten Schnitte erreicht.

Der Kern kann ferner aus schmalen, flachen Eisenbändern hergestellt werden, indem diese ähnlich wie der Draht aufgewickelt wird, und zwar entweder hochkantig, wodurch ein Element wie in Fig. 2 entsteht, oder aber flach, wie in Fig. 3 gezeigt. Aus mehreren solchen Elementen kann man dann einen Kern aufbauen, aus den in Fig. 2 dargestellten durch Ineinanderstecken, während man die in Fig. 3 veranschaulichten Elemente neben einander stellt.' Diese Elemente können von einander wieder durch Papier oder Gewebe isolirt werden. Die Eisenbänder können entweder umsponnen oder lackirt sein, oder sie werden durch ein gleichzeitig mitgewickeltes Band von Papier oder Gewebe isolirt. Man kann auch so breite Bänder anwenden, dafs ein einziges Stück zur Herstellung des Kernes genügt, und kann ein solches Band durch Längsschlitze etc. noch gegen die Bildung von Foucault - Strömen schützen, Fig. 4. Wird der Kern aus ringförmigen Blechscheiben gebildet, welche in die entsprechende Form geschnitten sind, so werden .diese in genügender Zahl über einander gelegt. Diese Scheiben körinen lackirt sein oder durch Scheiben aus Papier oder Gewebe von 'einander isolirt werden. Ein solcher Blechring ist 'in Fig. 5 dargestellt. Bei gröfseren Kernen kann zur leichteren Herstellung ein jedes der Bleche aus zwei öder mehreren Theilen bestehen, nur mufs bei der Uebereinänderschichtung derselben darauf geachtet werden, dafs die Fugen zu einander versetzt angeordnet werden (Fig. 6), so dafs ein 'wohlgefügtes Ganzes entsteht und in irgend einer Ebene senkrecht zu den Kraftlinien nur eine möglichst geringe Verminderung der Continuität des Eisens stattfindet.

Es widerstreitet nach Ansicht der Erfinder dem von ihnen aufgestellten Princip der Homogenität und der Continuirlichkeit der magnetischen Leitung durchaus nicht, wenn der Draht (oder die Eisenbänder) nicht in seiner ganzen Länge

aus . einem Stück besteht, weil für gröfsere Transformatoren so grofse Drahtlängen nicht zu bekommen sind, und weil die wenigen Stöfse, die durch eine solche Zusammenfügung der Länge nach sich ergeben, einen mefsbaren Einflufs nicht mehr äufsern. Dasselbe ist der Fall bei den oben geschilderten. Zusammenfügungen von Blechringen aus je zwei oder mehreren Theilen, jedoch ist hierbei der Nachtheil schon auffallender, weil ein verhältnifsmäfsig gröfserer Verlust in der Homogenität eines Gesammtquerschnittes entsteht. Natürlich können auch zwei oder mehrere der hier beschriebenen Methoden zur Herstellung eines Kernes combinirt werden, so dafs derselbe theils aus Draht, theils aus Eisenband und auch zum Theil aus Blechscheiben bestehen kann. Das leitende Princip bleibt stets die möglichste Continuität des Eisens in der Richtung der Kraftlinien und die Unterteilung senkrecht zu diesen, sowie die Gleichartigkeit des Kernes seinem ganzen Umfange nach.

Bei diesen Transformatoren kann die ganze oder nahezu die ganze Oberfläche des Kernes (Eisenringes oder Ovals) mit Kupferdrähten bedeckt sein. Die primären und die .secundären Windungen sind entweder in getrennten Lagen vertheilt, oder sie bilden am Kern abwechselnde Spulen in Sectorenform. Diese letztere Anordnung ist in Fig. 7 und 8 veranschaulicht, wo P die primären und S die secundären Spulen bedeuten.

Die folgenden Constructionen beruhen auf denselben Principien wie die obigen Construe-' tionen, sind aber gewissermafsen die Umkehrung der früheren Anordnung. Sie basiren nämlich auf dem Grundgedanken, dais die inducirenden und inducirten Kupferdrähte womöglich in ihrer ganzen Länge mit solchen Eisenmassen dicht umhüllt werden, welche den magnetischen Kraftlinien geschlossene Bahnen bieten, die Bahnen für die Foucault-Ströme aber ganz abschneiden. Es sind mehrfach Spulen hergestellt worden, bei denen sich das Eisen aufserhalb der Kupferdrahtbewickelung befand, indem man z. B. Eisendrähte parallel mit den Kupferdrahtwiridungen aufwickelte, um den erregten Eisenquerschnitt zu vermehren, oder solche Spulen, die einen Eisenkern besitzen und überdies auch von aufseh mit Eisen-. stäben oder einem eisernen Mantel umgeben sind, wie z. B. der . bekannte Nickles'sche Elektromagnet; diese können mit continuirlichen Strömen vorzügliche Elektromagnete bilden, aber als Inductionsapparate für die Transformation von Wechselströmen -können sie gar nicht verwendet werden. Selbst ^ wenn ein Nikles'scher Glockenmagnet mit einem entsprechenden Anker geschlossen wird, so dafs die magnetischen Kraftlinien keine Unterbrechung mehr haben, so wäre diese Armatur dennoch ganz untauglich, um Wechselströme auszuhalten, und noch viel weniger, um sie zu transformiren. Die Foucault-Ströme, welche sich in dem Eisen frei entwickeln können, würden den gröfsten Theil der elektrischen Energie aufzehren und den Apparat nach kurzem Gebrauch schon sehr erhitzen.

Erfinder verwenden zu diesem Zwecke isolirte Eisendrähte oder Eisenbleche in senkrechten Ebenen zu den Kupferdrähten, weil in diesen Ebenen die magnetischen Kraftlinien circuliren, und weil dadurch die parallel mit den Kupferdrähten im Eisen auftretenden Foucault - Ströme in ihrer Entwickelung gehindert sind.

Eine solche Anordnung ist in Fig. 9 dargestellt. Der ringförmige Kern des Inductors wird aus isolirten Kupferdrähten gebildet, so dafs zwei oder mehrere Spiralen aus isolirtem Kupferdraht mit verhältnifsmäfsig geringerHöhe, aber grofsem Durchmesser zu einem Ring vereinigt sind. Diesen Ring umwickelt man möglichst dicht mit isolirten Eisendrähten, so dafs in der Mitte des Ringes nur ein kleiner Raum unausgefüllt bleibt. Die Verbindung der Eisendrähte unter einander ist gleichgültig, nur sollen sie möglichst dünn und von einander so isolirt sein, dafs in der Richtung parallel zu den Kupferdrähten in dem Eisen keine Foucault-Ströme auftreten können.

In die Primärspirale des Kupferdrahtringes tritt der primäre Wechselstrom ein und erzeugt in der Eisenhülle des Inductors fortwährend wechselnde magnetische Kraftlinien, welche, mit den Eisendrähten in sich selbst geschlossen, leicht verlaufen und in der secundären Spirale des Kupferdrahtringes ebenfalls wechselnde Ströme wachrufen. Diese letzteren Ströme werden nutzbar gemacht.

Weil die elektromotorische Kraft bezw. elektromotorische Gegenkraft in jeder einzelnen Windung der Spiralen bei dieser Anwendung vollkommen gleich ist, so wird selbstverständlich durch die Wahl von mehr oder weniger Windungen in jeder Spirale sehr leicht diejenige Transformation . der Ströme bewerkstelligt, welche gewünscht wird. Es wird ganz einfach das Verhältnifs der Windungszahlen beider Spiralen auch das Umsetzungsverhältnifs des Apparates sein. Sind z. B. zehn Mal so viel Windungen in der primären Spule wie in der secundären Spirale,, so wird die elektromotorische Kraft dieser letzteren auch zehn Mal geringer sein als die elektromotorische Kraft, welche in der primären Spirale aufgewendet wird. Die Stromstärken in beiden Spiralen werden sich natürlich annähernd umgekehrt verhalten.

In Fig. ι ο und 11, sowie auch in Fig. 12 sind Modifikationen von solchen Inductoren

Claims (3)

dargestellt, in welchen die Kupferdrahtwindungen rings herum mit Eisen eingehüllt sind. Hier werden statt der Eisendrähte auch vortheilhaft Eisenbleche angewendet. Es ist nicht nothwendig, diese Bleche spiralförmig fortlaufend mit einander zu verbinden, sondern man legt dieselben wie die Lamellen einer galvanischen Trockenbatterie (Volta-Säule) über einander und fügt zwischen je zwei Bleche isolirende Blätter aas irgend einem trockenen Isolationsmaterial. In der Mitte der Säule wird ein Loch ausgespart, indem sowohl die Bleche, wie auch die isolirenden Blätter entsprechend durchlocht werden. In dieses Loch, welches die ganze Säule durchdringt, führt man die isolirten Kupferdrähte ein und verbindet dieselben dann entsprechend zu zwei oder mehreren Spiralen. Um solche Inductionsspiralen herzustellen, sind zwei oder mehrere solcher Säulen zu einem Inductor zusammengefügt dargestellt. Natürlich kann man die Anzahl dieser Säulen oder Eisendrahtspulen auch beliebig gröfser machen. Die Construction solcher Inductionsapparate kann auch, wie in Fig. 13 (Grundrifs) und in Fig. 14 (Aufrifs) dargestellt, ausgeführt werden. Es sind hier beliebig geformte Eisenbleche anwendbar, welche in grofser Zahl über einander aufgebaut werden, aber so, dafs je zwei Bleche durch eine isolirende Lamelle getrennt sind. Diese Säule wird mehrfach durch die ganze Höhe durchlöchert, am besten so, dafs die Bleche und Isolationsscheiben vor der Zusammenfügung ausgestanzt werden. In diesen Löchern sind die Kupferdrähte hin- und hergeführt, so dafs, wie die Figur zeigt, in zwei parallelen Nachbarschenkeln des Drahtes, d. h. in zwei anstofsenden Durchdringungen der Säule, der elektrische Strom entgegengesetzt verlaufen soll. Die Inductionswirkung einer solchen eisernen Säule, welche vom primären Strom mehrfach durchflossen wird, auf die secundären Windungen ist eine solche, dafs die inducirten Ströme in allen Schenkeln gleichzeitig und gleichwertig sich zu einem Strom von hoher elektromotoricher Kraft vereinigen. Wenn die Eisenbleche, welche zu Inductionssäulen zusammengesetzt werden, die Kupferdrähte nicht, wie oben erklärt wurde, rings herum einschliefsen, sondern wenn diese Bleche an einzelnen Stellen aufgeschlitzt werden, um die Kupferdrähte statt von oben durch das Loch leichter von der Seite durch Schlitze in die Mitte der Säulen einzuführen, so wird der geschlossene Verlauf der Kraftlinien zwar ein wenig gehindert, aber es ist ein solcher Schlitz mitunter zweckmäfsig, damit die Ausführung des Apparates durch continuirliche Aufwickelung der Kupferdrähte erleichtert werde. Nur soll in solchen Fällen der Schlitz längs der Säule möglichst schmal sein und soll womöglich nach Fertigstellung der Kupferspiralen wieder mit isolirten Eisenblechen ausgefüllt werden. Pate ν t-An sp rüche:

1. Bei ringförmigen oder vieleckigen, in sich selbst geschlossenen Inductionsapparaten mit aufsen liegendem Eisen und innen liegenden Inductionsdrähten die Herstellung des Eisenmantels in der Weise, dafs um den inneren, in sich geschlossenen Kern von Inductionsdrähten isolirter Eisendraht senkrecht oder nahezu senkrecht zu der Ringebene herumgewickelt wird, wie in Fig. 9 dargestellt ist, zum Zweck, die Foucaultschen Ströme möglichst zu vermeiden und gleichzeitig in der Magnetisirungsrichtung eine möglichst continuirliche Eisenmasse zu bieten.

2. Zu demselben Zweck die gegenseitige Anordnung des Eisens und der Inductionsdrähte in der Weise, dafs die Eisenmasse aus auf einander gelegten isolirten Eisenblechen oder aus zwei oder mehreren Spulen von isolirtem Eisendraht gebildet werden, während die. Inductionsdrähte senkrecht zu diesen Blechen oder in Richtung der Achse der Spulen aus Eisendraht geführt werden, wie in Fig. 10, 11 und 12 dargestellt.

3. Als eine weitere Ausbildung der im vorigen Anspruch angegebenen Einrichtung die in Fig. 13 und 14 dargestellten Inductionsapparate, bestehend aus vielen über einander gelegten Eisenblechen mit vielfachen Durchbrechungen, durch welche die Inductionsdrähte neben einander mit hin- und hergehenden Windungen senkrecht zu den Blechen geführt sind.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.