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Wechselstromerzeuger der Gleichpoltype mit unbewickeltem Läufer Gegenstand
der Erfindung ist ein Wechselstromerzeuger, welcher unmittelbar unterbrochenen Wechselstrom
von verhältnismäßig hoher Stromfrequenz mit verhältnismäßig niedriger Unterbrechungsfrequenz
liefert.
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In Telephonanlagen wird zur Signalgebung häufig unterbrochener Strom
benutzt, der eine verhältnismäßig hohe Frequenz von beispielsweise 137 bis i ooo
Perioden hat und mit einer Frequenz von 2o bis 4o Perioden unterbrochen wird. Die
Unterbrechung des Stromes mit dieser niedrigen Frequenz erfolgte bisher durch mechanische
Unterbrecher; solche Unterbrecher sind aber schwierig zubauen und in Betrieb zu
erhalten. Gemäß der Erfindung wird der unterbrochene Wechselstrom ohne irgendwelchen
mechanischen Unterbrecher unmittelbar in der Maschine erzeugt. Hierzu dient ein
Wechselstromerzeuger der Gleichpolinduktortype mit zwei gegeneinander sich drehenden
Teilen, von denen der eine Gruppen von Zähnen und diese Zähne umgebenden Wechselstromwicklungen
besitzt, der andere dagegen Zähne und dazwischenliegende Zahnlücken, die sich nur
über einen Teil. des Umfanges erstrecken. Bei der Drehung des einen Teiles gegen
den anderen entsteht in den Wechselstromwicklungen der Ständerzähne eine Wechselstromspannung,
jedoch nur während eines Teiles jeder Umdrehung, dagegen keine Spannung während
des anderen Teiles jeder Umdrehung. Wechselstromerzeuger, bei denen nur ein Teil
des Umfanges des unbewickelten Läufers gezahnt ist, sind bereits bekannt.
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Die Zeichnung zeigt in Abb. i und z zwei Ausführungsbeispiele eines
gemäß der Erfindung gebauten Wechselstromerzeugers und in Abb. 3 die Spannungskurve
eines solchen Wechselstromerzeugers.
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Der in der Abb. i dargestellte Wechselstromerzeuger ist von der Induktortype.
Der Ständer i hat vier paarweise nahestehende Zähne 3 und 4, deren jeder für sich
von einer Wicklung 5 bzw. 6 umgeben ist. Der Läufer a hat Zähne 7 und dazwischen
Zahnlücken B. Diese Zähne und Zahnlücken sind in gleichmäßigen Abständen angeordnet,
eistrecken sich jedoch nur über einen Teil des Läuferumfanges. Der andere Teil des
Läufers ist glatt und zylindrisch ausgeführt. Die Zahnbreite ist im wesentlichen
gleich der Breite der Ständerzähne 3 und 4. Auf dem Ständer ist außerdem noch eine
Gleichstromfeldwicklung 9 untergebracht, die aus der Leitung =o gespeist wird. Diese
Feldwicklung 9 umfaßt zwei Spulen, deren jede je zwei der Zähne 3 bzw. 4 des Ständers
umgibt, und erzeugt einen magnetischen Kraftfluß, der die Zähne 3 und 4 und die
Zähne 7 durchsetzt. Bei dieser ersten Ausführungsform erstrecken, sich die Zähne
7 nur über eine Hälfte
des Läuferumfanges, so daß der in der Umfangsrichtung
gemessene Abstand zwischen den Polen 3 der einen Seite des Ständers und dem Pol
q. der anderen Seite des Ständers im wesentlichen gleich ist, dem ungezahnten Teil
des Läufers.
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Jede der Wicklungen 5 auf den Zähnen 3 der linken Seite der Abb. 1
ist als in einem unabhängigen Stromkreis liegend dargestellt. Bei der dieser Abbildung
zugrunde liegenden Stellung des Läufers geht der Kraftfluß vom Ständer 1 durch einen
der Zähne 3, durch den Luftspalt, durch einen der Zähne 7 des Läufers, durch letzteren
zu seinem ungezahnten Teil, wieder durch den Luftspalt und durch einen Zahn q. der
rechten Seite zurück zum Ständer. Wenn sich der Läufer so weit gedreht hat, daß
dem betreffenden Ständerzahn 3 eine Zahnlücke 8 gegenüberliegt, dann geht nur ein
geringer Kraftfluß durch diesen Pol. Daher ändert sich, während der gezahnte Läuferteil
unter diesem Zahn 3 vorbeistreicht, der ihn durchsetzende Kraftfluß von einem Maximum
zu einem Minimum und dann wieder zu einem Maximum usw. und erzeugt in der diesen
Zahn umgebenden Wechselstromwicklung 5 während einer halben Umdrehung einen Strom
von verhältnismäßig -hoher Frequenz. Die Frequenz ist gleich dem Doppelten der Zahnzahl,
multipliziert mit der Anzahl der Läuferumdrehungen. Dreht sich der Läufer beispielsweise
mit 1175 Umdrehungen- in der Minute; also 1g;6 Umdrehungen in der Sekunde, und ist
die Zahnzahl, bezogen auf den ganzen Umfang, 5" so ist die erzeugte Frequenz
19,6 X 51= rooo Perioden. Wenn der ungezahnte Teil des Läufers an dem herausgegriffenen
Zahn 3 vorbeistreicht, dann tritt während dieser Zeit keine Schwankung des ihn durchsetzenden
Kraftflusses auf und es wird daher auch keine Spannung in seiner Wicklung 5 erzeugt.
Der Strom von verhältnismäßig hoher Frequenz wird also während einer Hälfte jeder
Umdrehung unterbrochen. Dies gibt bei der angegebenen Umdrehungszahl 19,6 Perioden.
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Wenn die Wechselstromwicklungen zweier benachbarter Pole in Reihe
geschaltet sind, wie auf der rechten Seite der Abb. 1 dargestellt ist, dann ist
die in ihnen erzeugte Spannung doppelt so groß wie bei einer einzelnen Wicklung
der linken Seite; es wird aber eine abgestufte Tonunterbrechung bewirkt, die sich
auf ungefähr drei Läuferzähne am Ende jeder halben Umdrehung erstreckt. Die in diesem
Falle erzeugte Spannungswelle- ist- in- der Abb. 3 dargestellt. Diese Verteilungsweise
hat den Vorteil, daß die Spannungswelle weniger Harmonische aufweist als die in
einer einzelnen Wicklung erzeugte Spannungswelle. Wenn die Wicklungen der linken
und rechten Seite der Maschine in unabhängige Stromkreise geschaltet sind, erhält
jeder von diesen einen unterbrochenen Strom von verhältnismäßig hoher Stromfrequenz
mit verhältnismäßig niedriger Unterbrechungsfrequenz, und zwar # wird dem einen.
Stromkreis Hochfrequenzstrom geliefert, während der Strom im anderen Stromkreis
unterbrochen ist, und umgekehrt.
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Während der gezahnte Läuferteil vor einem Ständerzahn der einen Seite
des Ständers vorbeistreicht, soll der Kraftfluß, welcher den Polen der anderen Ständerseite
über den ungezahnten Läuferteil zufließt, nicht nennenswerten Schwankungen unterworfen
sein, da sonst in den Wicklungen der letzteren eine Spannung erzeugt und Geräusche
in einem voraussetzungsgemäß ruhigen Stromkreis hervorgerufen würden. Die dem gezahnten
Läuferteil gegenüberliegenden Ständerzähne sollen daher als Ganzes einen gleichbleibenden
Kraftfluß dem Läufer zuführen, d. h. der Kraftfluß, welcher in jedem Ständerzahn
sehr schnell schwankt, soll sich zu einem gleichbleibenden Wert ergänzen. Zu diesem
Zwecke soll die Ständerzahnteilung gleich einem ungeraden Vielfachen der halben
Läuferzahnteilung sein, also gleich l/., 3/2, 1/, usw. Zahnteilungen.
Bei der Abb. x ist die Ständerzahnteilung z. B. gleich a1/2 Läuferzahnteilungen,
das bedeutet, daß, wenn ein Läuferzahn genau -vor einem der Ständerzähne liegt und
der größte Kraftfluß durch ihn hindurchzieht, der benachbarte Ständerzahn einer
Zahnlücke des Läufers gegenüberliegt, so - daß - der kleinste Kraftfluß durch ihn
hindurchtritt.
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Wenn der Luftspalt unter den Zähnen der rechten und linken Seite der
Maschine verschieden groß ist, dann wird auch das Maximum und Minimum des die Ständerzähne
durchsetzenden Kraftflusses für beide Maschinenselten verschieden und daher auch
die in den Wechselstromwicklungen der beiden Maschinenseiten erzeugten Spannungen.
Um Gleichförmigkeit des Kraftflusses unter den Ständerzähnen beider Maschinenseiten
sicherzustellen, wird der Ständer 1 zweckmäßig in einem Gehäuserahmen 11 mit genügendem
Zwischenraum untergebracht, der mittels der Stellschrauben 1z -eine -Verstellung
des Ständers ohne Verbiegung oder Bruch seiner Bleche zuläßt.
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Wenn auf dem Ständer eine große Anzahl Zähne vorgesehen und nicht
alle diese Zähne mit Wicklungen versehen würden, dann würden in den mit Wicklungen
versehenen Zähnen infolge Vorüberganges des ungezahnten, geringen magnetischen Widerstand
aufweisenden Läuferteiles unter den leeren Zähnen Schwankungen des Kraftflusses
eintreten, die bei der n der Abb.1 dargestellten Bauart fehlen. Wenn daher die -Maschine
eine große Anzahl unabhängiger Stromkreise speisen soll, was
eine
große Anzahl von Ständerzähnen erfordert, dann empfiehlt es sich, den Durchmesser
des unggezahnten Läuferteiles kleiner zu wählen als den äußeren Durchmesser des
gezahnten Läuferteiles. Dieser Unterschied in den Durchmessern sollte genügend groß
sein, um denselben magnetischen Widerstand zu erzeugen wie den durchschnittlichen
magnetischen Widerstand des gezahnten Teiles. Auf diese Weise wird der gesamte Kraftfluß
im wesentlichen gleichbleibend. Wenn sechs unabhängige Stromkreise gewünscht werden,
dann ist es am besten, drei Stromkreise auf jeder Seite vorzusehen, und zwar einen
Stromkreis auf jedem von drei Zähnen oder einen Stromkreis auf jedem benachbarten
Paar von sechs Zähnen jeder Seite. In gleicher Weise könnten auch zwölf Stromkreise
vorgesehen sein, einer auf jedem von zwölf Ständerzähnen.
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Bei der in Abb. 2 dargestellten Ausführungsform ist der Läuferumfang
in vier gleiche Teile geteilt, zwei gegenüberliegende Teile sind mit Zähnen 7' und
Zahnlücken 8' versehen, die beiden anderen gegenüberliegenden Teile sind glatt.
Die aus den Leitungen to' gespeiste Gleichstromfeldwicklung 9' gibt beispielsweise
eine zweipolige Erregung. Die zwei Gruppen benachbarter Ständerzähne 4.' der rechten
Seite haben Wechselstromwicklungen 6', die in getrennten Kreisen liegen. Die Unterbrechungen
des Tonfrequenzstromes erfolgen zweimal während jeder Umdrehung. Bei 19,6 Läuferumdrehungen
in der Sekunde beträgt also die Unterbrechungsfrequenz 39,2 Perioden.
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Auf der linken Seite der Abb. 2 sind die Ständerzähne 3' der oberen
Gruppe mit Wicklungen 5' versehen, deren Windungszahl von derjenigen der Wicklungen
13 auf den unteren Ständerzähnen 3' abweicht, und die Wicklungen aller dieser Zähne
sind in Reihe geschaltet. In den Wicklungen der einen Gruppe dieser Zähne wird keine
Spannung erzeugt, wenn ein ungezahnter Läuferteil an ihnen vorbeistreicht, während
in der anderen Gruppe gleichzeitig eine Tonfrequenzspannung erzeugt wird. Da nun
beide Wicklungsgruppen= in Reihe geschaltet sind, so wird die Spannung, die denn
mit diesen Wicklungen verbundenen Stromkreis zugeführt wird, in ihrer Größe proportional
den Windungszahlen der bezüglichen Wicklungen schwanken. Wenn diese Ständerzähne
sämtlich gleiche Windungszahlen aufwiesen und in Reihe geschaltet wären, so würde
die dem Stromkreis zugeführte Spannung eine ununterbrochene Tonfrequenz sein, da
eine Gruppe aufhört, Spannung zu erzeugen, wenn die andere gerade mit der Spannungerzeugung
beginnt, und umgekehrt. Die Ständerzähne sind bei Abb: 2 schmal und im wesentlichen
ebenso breit wie die Läuferzähne, und der Zahnabstand ist der kleinstmögliche, indem
er gleich der halben Zahnteilung des Läufers ist. Dies gibt eine möglichst scharfe
Unterbrechung ohne Beeinträchtigung der Wellenform des gesamten von den Feldwicklungen
erzeugten Kraftflusses.