DE434418C - Wechselstromgleichrichter - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 29. SEPTEMBER 1926

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21g GRUPPE 15 lM

(H 96525

Dr. Paul Hoyer in fflerseburg a. S.

Wechselstromgleichrichter. Patentiert im Deutschen Reiche vom 16. März 1924 ab.

Läßt man einen permanenten Magneten und einen durch Wechselstrom betriebenen Elektromagneten, von denen der eine fest, der andere beweglich ist, aufeinanderwirken, so gerät der bewegliche Körper, der als Vibrator bezeichnet werde, in schwingende Bewegung. Die Schwingungen des bewegten Körpers stimmen dabei mit denjenigen des Wechselstroms überein, wenn der Vibrator keine Eigenperiode besitzt. Einem als elastisch schwingenden Stab, Feder, Zunge ο. dgl. ausgebildeten Vibrator durch feste Abmessung von Elastjzität, Masse und Größenverhältnissen von vornherein eine den Bedürfnissen der Praxis ge-

nügende Übereinstimmung seiner Eigenperiode mit derjenigen des Wechselstroms zu geben, dürfte kaum ausführbar sein. Läßt man nun den Wechselstrom in bekannter Weise durch eine durch den Vibrator betätigte Kontaktstelle gehen, so kann man bewirken, daß die eine Phase des Wechselstroms abgefangen und als Gleichstrom in die Verbrauchsleitung geschickt, die andere unterdrückt wird, oder daß auch durch geeignet angeordnete Kontakte beide Wechselstromphasen abgefangen und gleichsinnig in die Verbrauchsleitung geschickt werden. Derartige Vorrichtungen zum Gleichrichten von Wechselstrom, in denen ein ohne Eigenperiode schwingender Vibrator oder »Anker« verwendet wird und die Schwingungen daher im wesentlichen durch die Feldkraft des Wechselstroms bewirkt werden, sind vielfach bekannt geworden, nur kann bei den meisten dieser Vorrichtungen die erzeugte Bewegung nur fälschlich als schwingende Bewegung bezeichnet und daher auch nur unvollkommener Synchronismus der Stromabnahmezeiten mit den Wechselstromphasen erzielt werden, was dann Funkenbildung an den Kontakten, Abnutzung dieser und Energieverlust zur Folge hat. Denn bei diesen Vorrichtungen ruht der Vibrator (ganz oder teilweise) während des größten Teiles der Dauer einer »Schwingung«, seine Bewegung stellt sich als eine auf einen engen Raum zwischen festen Anschlagstellen beschränkte Bewegung dar, die aus ruckweisen einzelnen, durch längere Ruhepausen voneinander getrennten Bewegungen zusammengesetzt ist, deren Zeiten klein im Verhältnis 2u den Ruhepausen sein müssen, damit möglichst geringe Abweichung der Augenblicke des Stromschließens und Öffnens von denen der Stromwechsel erzielt wird. Eine derartige Aufeinanderfolge von Bewegungen aber kann man nicht mehr als Schwingungen bezeichnen, denn bei solchen ist nur im Augenblick der Bewegungsumkehr Ruhe vorhanden. Da ferner bei diesen Vorrichtungen die Augenblicke des Schließens und Öffnens des Stromes in die Augenblicke des Zustandswechsels zwischen Ruhe und Bewegung verlegt werden, diese Zustands wechsel aber infolge der Trägheit des Körpers stets Kraftwirkung verlangen, so stellt sich die Trägheit, mag nun die bewegende Kraft allein vom Magnetfeld oder unter Mitwirkung von Federkraft ausgeübt werden, der Erzielung eines Synchronismus der Augenblicke des Schließens und Öffnens des Stromes mit denen der Stromwechsel hindernd in den Weg.

Bei vorliegender Erfindung wird durch besondere elastische Federn und Hemmungen der ^Vibrator stets in mit dem Wechselstrom synchron gleichmäßig andauernde harmonische Schwingungen versetzt, und das Schließen und Öffnen des Stroms findet in der Gleichgewichtslage des Vibrators statt. Da diese vom Vibrator nur infolge seiner Tragheit auf Grund der erlangten Höchstgeschwindigkeit überschritten wird, also in den Augenblicken, in denen die Feldkraft des Wechsel-' Stroms gleich Null ist, so fallen die Augen- ; blicke des Stromwechsels mit denen des Schließens und Öffnens des Stromes zusammen, und die Trägheit erweist sich hierbei nicht als störendes, sondern als nutzbringendes Moment. Da außerdem die Bewegung des Vibrators auch während des Aussetzens der Feldkraft andauert, so bedarf es auch keiner Schaltung der Magnetspule im Nebenschluß, wie sie sich bei bekannten Bauarten als notwendig erweist. Beim Verfolg dieses Weges bietet sich nun aber eine Schwierigkeit dar, die bisher unbeachtet geblieben ist, und die daher rührt, daß eine auf einen Punkt oder ein System von außen wirkende periodische Kraft im allgemeinen nicht nur eine schwingende Bewegung, sondern eine aus 8g einer solchen und einer fortschreitenden Bewegung zusammengesetzte Bewegung hervorruft.

Man darf daher nicht ohne weiteres· mit unverändert bleibender Gleichgewichtslage rechnen, sondern es muß durch geeignete Vorrichtungen für eine ruhende, von Schwankungen freie Gleichgewichtslage gesorgt werden. Dies geschieht in der vorliegenden Erfindung dadurch, daß die Feldkraft des Wechselstroms mit einem mechanischen Kraftsystem gekoppelt wird, das für sich allein dem Vibrator, wenn er etwa durch einen Anstoß (den natürlich beim Arbeiten des Apparats die Feldkraft bewirkt) in Bewegung gesetzt wird, eine von fortschreitender Bewegung freie und diese verhindernde, stark gedämpfte schwingende Bewegung erteilt. Dieses Kraftsystem besteht in einer Kombination von elastischer Feder- und Stoßkraft. Beide bzw. ihre Träger werden gemeinsam als »Hemmungen« bezeichnet. Von diesen ist die erstere, die Federkraft, leicht, auch während des Arbeitens des Apparates, regulierbar. Dadurch kann beim Zusammenwirken von Feldkraft und mechanischem Kraftsystem eine Abweichung der Periode der Bewegung von derjenigen des Wechselstroms verhindert und eine gleichmäßig andauernde schwingende Bewegung des Vibrators und ruhende Gleichgewichtslage erzielt werden.

Abb. ι veranschaulicht schematisch, von oben gesehen, eine derartige Einrichtung. Es bezeichnet w die Wechselstromquelle, e-m den um ό in horizontaler Ebene, also ohne Eigenperiode, drehbaren Elektromagneten mit der Spule sp, deren eines Ende an den einen Pol-

draht der Wechselstromquelle, und deren anderes Ende an die Verlängerung ν von e-m gelegt ist. k ist eine Kontaktstelle auf v, gebildet von ν und der Spitze der elastischen Stromabnahmefeder /, die durch die Schraube a verstellbar ist. An / ist der andere Poldraht von w gelegt, der als Verbrauchsleitung l-l gedacht werden kann, n-s ist der permanente Magnet, // eine zwischen η und e befindliche

ίο elastische Stoßhemmung, fh eine zweite Hemmung, die von einer durch die Schraube b regulierbaren elastischen Feder gebildet wird. Durch die Federn ///. und /, hauptsächlich aber durch fh, nur wenig durch die schwächere Feder/, wird e gegen h gedruckt, und dieser Druck wird, während der Apparat in den Wechselstromkreis eingeschaltet ist, durch Anziehen oder Nachlassen von fh mittels der Schraube b so geregelt, daß bei gleichzeitig richtiger Einstellung von / mittels der Schraube α der Apparat funkenlos arbeitet. Ist diese Druckregulierung und Einstellung, die nur beim erstenmal einige Mühe kostet, erreicht, so fällt die Periode der Bewegung mit derjenigen des Wechselstroms zusammen, und das Schließen und Öffnen des Stromes findet in der Gleichgewichtslage des Vibrators e-m statt. Stromschluß ist vorhanden, während e, aus der Gleichgewichtslage kommend, sich von ti entfernt und wieder in die Gleichgewichtslage zurückkehrt, also während einer Wechselstromphase, wobei die Spitze von / zuerst zurückgedrückt wird und dann ν zurückdrücken hilft. Infolge der erlangten Geschwindigkeit überschreitet e die Gleichgewichtslage, ν löst sich von der Spitze der Feder/, so daß Stromunterbrechung eintritt, h wird zusammengedrückt, und der dadurch ausgelöste elastische Rückstoß, den h auf e ausübt, führt e wieder in die Gleichgewichtslage zurück und darüber hinaus, so daß wieder Stromschluß eintritt usf. Die Stoßhemmung h braucht nicht für sich regulierbar, nur so elastisch zu sein, daß die Dauer des von ihr auszuübenden Stoßes durch den auf sie ausgeübten Druck sich genügend verändern läßt, und daß sie e einen ausreichenden Ausschlag gewährt, um eine sichere Stromunterbrechung zu gewährleisten. Daher darf /; nicht zu starr sein; eine nicht zu harte Gummischeibe hat sich als besonders geeignet erwiesen. Es könnte angenommen werden, daß während des Stromschlusses, bei dem e sich auf der η abgewandten Seite der Gleichgewichtslage befindet, zwischen e und η Abstoßung herrschen müßte. Eine Untersuchung der Polarität von e-m ergibt indes, daß beim Arbeiten des Apparates m stets eine kräftige gleichnamige Magnetisierung mit Ji₁ e eine ungleichnamige aufweist. Es herrscht also bei Stromschluß Anziehung zwischen e und ti, und die magnetische Feldkraft wirkt zugleich mit der Federkraft nach der Gleichgewichtslage hin. In der nächsten Schwingungshälfte während der Stromunterbrechung herrscht zwischen e und η Anziehung infolge der magnetischen Influenz, die aber nur gering ist, so daß die Stoßwirkung von h überwiegt und die resultierende Kraft wieder nach der Gleichgewichtslage hin gerichtet ist, in der die Geschwindigkeit ihren Höchstwert erreicht. Die Bewegung des Vibrators besitzt also die wesentlichen Merkmale einer harmonisch schwingenden Bewegung, so daß man sie auch als gleichmäßig andauernde, harmonisch schwingende Bewegung bezeichnen, kann.

Abb. ι stellt den Fall der Abnahme einer einzelnen Wechselstromphase dar. Es können aber auch beide Phasen abgenommen werden, nur sind hierzu nicht eine, sondern, wie bekannt, vier Kontaktstellen erforderlich, die durch eine ähnliche Schaltung, wie die in Abb. 3 angegebene, so miteinander zu verbinden sind, daß die eine Wechselstromphase über die Elektromagnetspule^ die andere in gleicher Richtung direkt in die Verbrauchsleitung gelangt.

Das Prinzip harmonischer Vibratorschwingungen gestattet auch die Verwendung schwacher Feldkräfte, wenn nur die elastisehen Hemmungen diesen angepaßt werden. Man kann daher auch eine einfache Spule als Vibrator verwenden, sogar einen einfachen linearen Leiter, den man quer zu den Kraftlinien des permanenten Magneten schwingen läßt und daher zweckmäßig zwischen die Pole eines Hufeisenmagneten bringt. Dadurch wird der elektrische Widerstand des Apparats auf ein Minimum reduziert. Abb. 2 stellt schematisch eine solche Einrichtung mit linearem Leiter dar. l-o ist der lineare Leiter, ein steifer Blechstreifen, der in vertikaler Ebene um ο drehbar ist und durch die Spiralfeder fh in horizontaler Lage im Gleichgewicht gehalten wird, so daß die mit ihm verbundene elastische Stoßhemmung h mit sanftem, durch die Schraube α zu regelnden Druck ihrer Unterlage α aufliegt, k ist die mit elastischer Kontaktfeder arbeitende Kontaktstelle, verstellbar durch die Schraubet. Der Kontaktfeder liegt der eine, etwa als Verbrauchsleitung zu denkende Zuleitungsdraht der Wechselstromquelle w an, während der andere an 0 gelegt ist. Die der Übersichtlichkeit halber in der Abbildung fortgelassenen Pole des fest liegenden Hufeisenmagneten liegen senkrecht über und unter der Zeichenebene, so daß die Kraftlinien die Zeichenebene senkrecht schneiden und l-o zwischen den Polen senkrecht zu den Kraftlinien schwingen kann. c-d-e-f ist das Grundbrett, auf dem der Apparat angebracht ist, und c-d stellt gleichzeitig

ein Querbrett dar, das zum Aufstellen des Apparates dient, wenn er nicht mittels der öseng-z an die Wand gehängt wird. Auch hier ist die Stromrichtung stets dadurch bestimmt, daß die Feldkraft des Wechselstroms nach der Gleichgewichtslage hin gerichtet ist. Verlaufen also die magnetischen Kraftlinien etwa von hinten nach vorn, so fließt der Strom in l-o von links nach rechts.

ίο Es wurde oben erwähnt, daß in Abb. ι zwischen e und n, wenn der Apparat arbeitet, stets magnetische Anziehung herrscht. Daraus folgt, daß sich der permanente Magnet n-s in Abb. ι auch durch einen unmagnetischen weichen Eisenstab ersetzen läßt. Bei Ersatz von n-s durch einen unmagnetischen Eisenstab liefert die Einrichtung ebenso sicher Gleichstrom wie vorher, nur kann man nicht von vorn herein, wie bei Anwendung eines permanenten Magneten, der Stromrichtung sicher sein, da diese jetzt davon abhängt, wie beini Einsetzen des Stromes die Pole auf dem immagnetischen Eisenstab sich ausbilden. Hat der Apparat aber erst längere Zeit gearbeitet, so bestimmt meist bei neuem Anlassen der nemanente Magnetismus das Einstellen auf die frühere Stromrichtung. Ebenso wie endlich permanenter Magnet und Elektromagnet ihre Ronen als fester und beweglicher Körper vertauschen können, gilt dies natürlich auch beim Ersatz des permanenten Magneten durch einen weichen, Eisenstab.

Abb. 3 stellt eine Einrichtung mit festliegendem Elektromagneten dar, die auch ohne permanenten Magneten arbeitet und außerdem zur Abnahme beider Wechselstromphasen als Gleichstrom dient. Es bezeichnet in Abb. 3 e-tn den in der Abbildung· vorn liegenden festen Elektromagneten, der auf den um 0-0 in horizontaler Ebene drehbaren Vibrator r-t mittels der am Vibrator befindlichen Ankerplatte ρ wirkt, die aus weichem Eisen bestehen kann und von den Polen des Elektromagneten durch die elastischen Stoßhemmungen h-h getrennt ist, während die schwingende Bewegung des Vibrators durch die Federhemmungen/, fh mittels der Schrauben\a, b geregelt werden kann. Die Pole der Wechselstromquelle w sind durch — punktiert gezeichnete — Zuleitungsdrähte mit den vier Kontaktfedem X^ y, z, u derart verbunden, daß der eine Pol direkt mit der vorderen unteren Federn und über die Elektromagnetwicklung mit der oberen hinteren Feder z, der andere direkt mit der oberen vorderen Feder y und unteren hinteren Feder« verbunden ist. Die Federn x, y, z, U dienen also der Stromzuführung, während die Stromabnahme des Gleichstroms für die Verbrauchsleitung l-l durch die zwischen den Spitzen von y und ζ, χ und u befindlichen Blechstreifenv-v und w-w erfolgt, die voneinander isoliert dem Ende t des Vibrators fest aufsitzen. Die Kontaktfedern sind durch die Schrauben c, d, g, i verstellbar. Durch diese Anordnung werden beide Wechselstromphasen als Gleichstrom in die Verbrauchsleitung l-l geschickt, nur eine der beiden Phasen aber geht durch die Elektromagnetwicklung, die andere gelangt, ohne durch die Wicldung geschwächt zu werden, nach l-l. Sowohl die beiden vorderen als auch die beiden hinteren Kontaktstellen wirken, da sie hintereinandergeschaltet sind, wie je ein Kontakt. Die beiden hinteren Kontaktstellen haben die Funktion des Kontakts in Abb. 1, sie schicken bei jeder Kontaktgabe eine Phase durch die Elektromagnetwicklung und durch l-l. Werden die vorderen Kontaktstellen durch Zurückdrehen der Schrauben c, d unterbrochen, so fließt nur diese Phase durch l-l.

Claims (3)

1. Patent-Ansprüche :

   i. Wechselstromgleichrichter, bei welchem ein permanenter Magnet und ein Elektromagnet, von denen der eine ohne Eigenschwingungen um eine Achse drehbar gelagert ist, sowie eine elastische Kontaktfeder derart zusammenwirken, daß der Elektromagnet bei jeder Kontaktgabe von einer Wechselstromphase durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß an geeigneten Stellen im Wege des drehbaren Magneten elastische Federn und Hemmungen derart angeordnet sind, daß infolge Zusammenwirkens der von diesen herrührenden elastischen Kräfte mit den magnetischen Kräften eine mit dem Wechselstrom synchron gleichmäßig andauernde harmonische Schwingung des beweglichen Magneten erzeugt wird.
2. 2. Wechselstromgleichrichter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des Elektromagneten eine einfache Drahtspule oder ein linearer Leiter mit dem permanenten Magneten und den elastischen Federn und Hemmungen zusammenwirkt.
3. 3. Wechselstromgleichrichter nach An- no spruch i, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des permanenten Magneten ein Weicheisenstab zur Einwirkung auf den Elektromagneten dient.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.