DE53332C - Kraftmaschine mit Wechselstrom - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Kraftmaschine mit Wechselstrom.

Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet eine Kraftmaschine mit Wechselstrom, in welcher das treibende Kräftepaar unabhängig von der Drehgeschwindigkeit und lediglich eine Function der Stärken der Ströme ist, welche die festen und beweglichen Stromkreise durchfliefsen, und in welcher das scheinbare Wachsthum des Widerstandes, herrührend von den Erscheinungen der Selbstinduction, welche die Aenderungen in der Stärke des die Maschine speisenden Stromes begleiten, nicht weiter zu berücksichtigen ist.

Die Kraftmaschine ist aus folgenden drei Theilen zusammengesetzt:
. i. einem Anker, welcher demjenigen der gebräuchlichen Wechselstrommaschinen ähnlich ist und mit einem Wechselstrom gespeist wird;

2. einem Feldmagneten, gebildet von einem Gramme'schen, Pacinotti'schen oder Siemens'sehen, mit seinem Sammler und seinen Bürsten ausgerüsteten Ring, welcher gegenüber dem Anker gelegen ist oder denselben umgiebt. Die Bürsten dieses Ringes sind beweglich und lassen sich um die Achse des Sammlers drehen, wobei sie beständig auf dem letzteren schleifen. Durch diesen Ring wird ein gleichgerichteter Strom hindurchgeleitet, und zwar derart, dafs der Strom immer durch dieselben Bürsten ein- und durch die anderen Bürsten austritt. Der Strom erzeugt demgemäfs eine gewisse Anzahl von Polen in dem Ring, welche auf den Anker ebenso einwirken, wie die Feldmagnete der gewöhnlichen Wechselstrommaschine auf ihre eigenen Anker;

3. einer kleinen gewöhnlichen Wechselstrommaschine, deren Achse in der Verlängerung der Achse der grofsen Maschine liegt, aber von der letztgenannten Achse unabhängig ist, und welche den Zweck hat, die Bürsten des Feldmagneten der grofsen Maschine in Umdrehung zu versetzen. Der Feldmagnet dieser kleinen Maschine wird durch den gleichgerichteten Strom, welcher durch den Stromkreis des Feldmagneten der grofsen Maschine hindurchgeht, erregt. Der Anker der kleinen Maschine wird von demselben Wechselstrom .durchflossen, welcher den Anker der grofsen Maschine durchläuft.

Unter diesen Bedingungen verschieben sich die Bürsten des Feldmagneten der grofsen Maschine und demzufolge die Pole dieses Magneten mit einer solchen Geschwindigkeit, dafs ein positiver Pol die Stelle eines negativen, und umgekehrt ein negativer Pol die Stelle eines positiven nach Verlauf einer Zeit eingenommen hat, welche gleich ist der Dauer eines Wechsels des in die Anker der beiden Maschinen gesendeten Stromes.

Die hierdurch erreichten Ergebnisse sind folgende:

1. Die auf die Achse der Anker wirkende Treibkraft ist unabhängig von der Drehgeschwindigkeit der Anker und lediglich eine Function der Stärke der Ströme, welche die beiden Stromkreise der Kraftmaschine durchlaufen.

2. Der Wechselstrom hat nur die Wirkungen der Selbstinduction der Anker und nicht diejenigen der Feldmagnete der Maschine zu überwinden.

Auf den beiliegenden Zeichnungen sind zwei Ausführungsformen der vorliegenden Maschine dargestellt.

Bei der einen Einrichtung wird als Feldmagnet ein Pacinotti'scher Ring / verwendet (Fig. i, obere Hälfte), dessen metallischer Kern aus einem Eisenband gebildet ist, welches auf sich selbst spiralförmig zusammengerollt und in radialer Richtung mit Einschnitten (Fig. 5) versehen ist. Die verschiedenen Windungen sind von einander durch einen beliebigen isolirenden Stoff, wie Papier, Guttapercha oder dergleichen, getrennt, um jede Erzeugung von Foucault'sehen Strömen zu vermeiden. Dieser Kern ist mit einer Reihe von Spulen b b b . . ., Fig. i, bedeckt, welche in die Einschnitte eingelegt sind.

Die Spulen sind unter sich und mit den auf einander folgenden Streifen eines Sammlers in bekannter Weise verbunden.

Wenn der Feldmagnet nur zwei Pole haben soll, so müssen die Berührungspunkte der Bürsten diametral gegenüber gelegen sein. Will man eine gröfsere Anzahl von Polen haben, so mufs man die Anzahl der Bürsten im Verhältnifs vermehren oder eine der zahlreichen Einrichtungen anwenden, welche erdacht worden sind, um mit zwei Bürsten allein die Anker der sogen, vielpoligen Gleichstrommaschinen zu bedienen.

Es empfiehlt sich, zwei gleiche derartige Feldmagnete // gegenüberstehend anzuordnen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist; die Spulen müssen dann so gewickelt und mit den Streifen eines und desselben Sammlers verbunden sein, dafs die in den beiden Feldmagneten entwickelten Pole immer einander gegenüber gelegen und je zwei gegenüberliegende Pole ungleichnamig sind.

Nimmt man z. B. an, dafs in jedem Feldmagneten sechs Folgepunkte entwickelt sind, so mufs der zwischen den beiden Feldmagneten angeordnete Anker K, welcher von einem Wechselstrom durchlaufen werden soll, sechs gleiche Spulen haben.

Der Anker wird passend in folgender Weise hergestellt (Fig. 1, untere Hälfte).

Der Kern des Ankers wird von einem Stern mit sechs Armen LL... gebildet, welcher auf die Achse der Maschine gekeilt ist. Die Spulen b¹ erhalten die Form eines V und werden in die Räume eingesetzt, welche zwischen den Armen L vorhanden sind; ihre Wangen greifen über die Arme, wodurch jeder Verschiebung der Spulen parallel zur Achse vorgebeugt wird. Der äufsere Umfang des Ankers wird mit Pechdraht, Neusilberdraht oder dergleichen umwunden, um zu verhindern, dafs die Spulen sich von der Achse entfernen können.

Es ist vortheilhaft, diese Spulen so dünn als möglich zu machen, um den Theil des Zwischenraumes, durch welchen die magnetischen, von den Feldmagneten der Maschine erzeugten Kraftlinien hindurchgehen, zu vermindern, da keine anderen Körper als Luft, Kupfer oder irgend eine andere nicht magnetische Masse in diesem Räume vorhanden sind.

Alle diese Spulen b¹ werden hinter einander geschaltet, jedoch dergestalt, dafs die Spulen, welche gleichzeitig Pole von dem einen Zeichen entwickeln, in dem einen Sinne, und die übrigen, welche Pole von dem anderen Zeichen entwickeln, in dem anderen Sinne gewickelt sind. Der Anfang des Drahtes der ersten Spule und das Ende des Drahtes der letzten Spule sind bezw. mit zwei isolirten Metallscheiben D und D¹, Fig. 2, verbunden, auf welchen die festen Bürsten FF¹ schleifen, die dazu dienen, den Wechselstrom einzuleiten.

Um die gegenseitige Geschwindigkeit der Pole und des Ankers stets gleich zu erhalten, ist folgende Einrichtung getroffen.

Die V-förmigen Spulen des Ankers sind ein wenig mehr nach der Achse des letzteren hin verlängert, als nothwendig sein würde, wenn sie nur die von den Feldmagneten ausgesendeten Kraftlinien zu durchschneiden hätten.

Die sechs der Achse des Ankers zugekehrten Enden dieser Spulen b\ Fig. 1, können als ein besonderer Anker betrachtet werden, welcher auf einen von sechs kleinen Elektromagneten EEE.. ., Fig. 2, gebildeten Feldmagneten einwirkt. Diese Elektromagnete E sind in regelmäfsiger Weise auf einem Kreisumfang vertheilt (s. die Projectionen der Elektromagnete, Fig. 1) und werden von einer gufseisernen Scheibe G getragen (Fig. 2).

Sie werden von dem gleichgerichteten Strom durchflossen, welcher durch die Bürsten ff¹ eingeleitet wird, die beständig auf zwei isolirten, auf der Welle xy befestigten Metallscheiben d und d¹ schleifen.

Dieser Strom erzeugt in den dem Anker zu-^ gekehrten verbreiterten Enden der Elektromagnete E Pole, welche auf einander folgend abwechselnd positiv und negativ sind, wie dies in Fig. ι angedeutet ist.

Die Welle xy, welche die Platte G trägt, ist in der Verlängerung der Welle des Ankers gelegen und kann um ihre Achse gedreht werden.

Die von den Elektromagneten E ausgesendeten Kraftlinien schliefsen sich, nachdem sie durch den Anker hindurchgegangen sind, in einem Eisenring i, Fig. 2, welcher an dem Anker befestigt ist.

Diese Elektromagnete E und der Anker bilden eine gewöhnliche Wechselstrommaschine, deren Feldmagnet beweglich ist. Wenn der letztere eine geringe Masse hat, so wird er von selbst in Gang kommen und seine Geschwindigkeit in Bezug auf den Anker, sei dieser in Ruhe oder in Bewegung, wird immer gleich derjenigen sein, welche der Erzeugung einer

Treibkraft von beständig derselben Richtung entspricht.

Wenn das Ingangkommen der Scheibe G im Augenblick, wo man den Wechselstrom in den Anker und den gleichgerichteten Strom in die Elektromagnete E sendet, schwierig von Statten geht, so genügt es zur Abhülfe dieses Uebelstandes, der Scheibe G mit der Hand vermittelst des zu diesem Zwecke vorgesehenen Handrades V einen Anstofs zu ertheilen. Der gleichgerichtete Strom begiebt sich, nachdem er die Elektromagnete E durchflossen hat, nach den Bürsten β β.

Die Spulen der ringförmigen Feldmagnete 1 sind mit den Lamellen des Sammlers C verbunden, und die Bürsten β β, welche in jedem Augenblick die richtige Vertheilung der Ströme in diesen Feldmagneten zu Wege bringen sollen, nehmen an der Bewegung der Welle xy Theil.

Hieraus folgt, dafs die Pole der ringförmigen Feldmagnete /, weil sie sich mit den Bürsten drehen, sich mit den Feldmagneten E verschieben werden.

Ihre Geschwindigkeit in Bezng auf den Anker wird also stets dieselbe bleiben.

Betrachtet man eine gewöhnliche Wechselstrommaschine, bei welcher der Feldmagnet feste Pole hat und mit einem gleichgerichteten Strom gespeist wird, so hängt die Richtung der Drehbewegung ihres Ankers nur von dem Phasenunterschied ab, welcher zwischen den Aenderungen des Wechselstromes und denjenigen des Coefficienten der gegenseitigen Induction des festen und des beweglichen Stromkreises vorhanden ist. Allemal, wenn dieser Unterschied der Phasen sich Um eine halbe Wellenlänge vergröfsert, wechselt die Richtung der Drehbewegung.

In dem vorliegenden Falle sind zwei ringförmige Feldmagnete vorhanden, welche gleichzeitig auf denselben Anker wirken, und man kann, indem die Stellung der Bürsten β β zum Stromsammler geändert wird, dem Unterschied der Phasen der Aenderungen der Coefficienten der gegenseitigen Induction des Ankers mit jedem der Feldmagnete einen beliebigen Werth geben.

Angenommen, der Anker habe die Geschwindigkeit erreicht, welche dem Synchronismus entspricht. Gemäfs dem Sinne, in welchem man die Bürsten sich drehen läfst, werden dann die in den Feldmagneten entwickelten Pole entweder fortdauernd in Bezug auf die Feldmagnete verschoben oder verschieben sich in dem Raum mit derselben Geschwindigkeit wie die Feldmagnete und sind alsdann fest in Bezug auf die Feldmagnete. Es ist daher von der gröfsten Wichtigkeit, die Bürsten sich in einem solchen Sinne drehen zu lassen, dafs diese Bedingung ■ erfüllt ist. Man vermeidet nämlich dadurch nicht nur jeden Verlust an Kraft in den Feldmagneten, welcher von den Erscheinungen der Selbstinduction und von der Wärmeentwickelung bei den auf einander folgenden Magnetisirungen und Entmagnetisirungen derselben Eisenmasse herrührt, sondern erzielt auch, dafs die Scheibe G und die Bürsten β β sich nicht mehr drehen, und wenn die Maschine dergestalt ausgeführt ist, dafs diese Geschwindigkeit genau gleich ihrer normalen Geschwindigkeit ist, so wird das ganze System überhaupt in Ruhe und nicht der Abnutzung unterworfen sein.

Um dieses zu erreichen, mufs der Anker bestrebt sein, sich in Bezug auf die Feldmagnete I und die Feldmagnete E in derselben Richtung zu drehen; dies tritt besonders dann ein, wenn die in den Feldmagneten / entwickelten Folgepunkte auf denselben Radien gelegen sind, wie die Pole der Feldmagnete E.

Dieser Bedingung ist genügt. War nun ferner das von dem Anker und den Feldmagneten E gebildete System sich selbst überlassen, so wird die Drehbewegung des Ankers immer derjenigen der Platte G entgegengesetzt gerichtet sein, und zwar vermöge der Gleichheit der Wirkung und der Gegenwirkung. Nun aber haben die von den Polen der Feldmagnete / entwickelten Kräfte immer dieselbe Richtung wie die von den Feldmagneten E entwickelten Kräfte. Folglich wird die Drehgeschwindigkeit des Ankers sich auf diejenige der Scheibe G beschränken.

Bei der zweiten Einrichtung (Fig. 3) ist der Feldmagnet I wieder von einem Pacinottischen Ring gebildet, bei welchem aber die Einschnitte parallel zur Achse der Maschine gerichtet sind. Der Eisenkern dieses Feldmagneten ist aus einer Reihe von Blechscheiben zusammengesetzt, welche auf einander gelegt und durch Papierbogen von einander isolirt sind. Sie sind mit einander durch Bolzen verbunden, welche von dem Metall der Scheiben durch Ebonithülsen isolirt sind, wie dies bei b° b° in Fig. 4 dargestellt ist.

Ein Theil des Feldmagneten ist in Fig. 3 im Schnitt, ein anderer Theil in derselben Figur in Ansicht dargestellt.

Die verschiedenen Spulen dieses Feldmagneten sind mit den auf einander folgenden Lamellen eines Sammlers C verbunden, und zwar in der Weise, wie sie für vielpolige Gleichstrommaschinen gebräuchlich ist, wo nur zwei Bürsten Verwendung finden.

Wie in dem ersten Falle schleifen zwei sich drehende Bürsten β β auf dem Sammler, welche in derselben Weise wie vorhin durch eine auf ihre Achse aufgekeilte und mit Elektromagneten E ausgerüstete Scheibe G in Bewegung gesetzt werden.

Ein gleichgerichteter Strom tritt in das System durch die feste Bürste/ und eine sich drehende Scheibe d ein, durchliefst dann die Elektromagnete E, begiebt sich hierauf durch eine der Bürsten β in die Spulen des ringförmigen Feldmagneten /, kommt von dort durch die andere Bürste β zurück und verläfst schliefslich durch die Scheibe d^l und die feste Bürste f^l das System.

Der Anker K dieser Maschine besteht aus aneinandergereihten Blechscheiben, welche von einander isolirt und mit einander durch isolirte Bolzen b* b^x, Fig. 4, verbunden sind. Diese Scheiben sind in der Mitte durchbohrt und werden von zwei Bronzeplatten P getragen, welche auf die Achse A B der Maschine aufgekeilt sind.

In der durch die Vereinigung dieser Scheiben erhaltenen Trommel sind parallel zur Erzeugenden der Trommel sechs Ausschnitte e gemacht. Diese Ausschnitte dienen zur Unterbringung von sechs gleichen rechteckigen Spulen, welche durch um die Trommel gelegte Ringe, Bänder oder Drähte daran verhindert sind, sich von der Achse zu entfernen.

Diese Spulen sind in Fig. 3 in Seitenansicht dargestellt; in Fig. 4 sind dieselben nicht angegeben, um diese Figur nicht undeutlich zu machen.

Sie sind hinter einander geschaltet, so dafs ein gleichgerichteter Strom, welcher sie durchfliefst, einen positiven Pol auf der äufseren Seite der ersten, dritten und fünften Spule und einen negativen Pol auf der zweiten, vierten und sechsten Spule erregt.

Der Anfang des Drahtes der ersten Spule geht bis zu einer Scheibe D, Fig. 4, das Ende des Drahtes der letzten Spule bis zu einer Scheibe D¹.

Auf diesen Scheiben schleifen zwei feste Bürsten F und F\ welche dazu dienen, den Wechselstrom in den Anker zu leiten.

Selbstverständlich kann die Anzahl der Ausschnitte e und diejenige der Spulen eine beliebige gerade Zahl sein. Sie mufs aber immer gleich der Anzahl der in einem beliebigen Augenblick in dem Feldmagneten / entwickelten Folgepunkte sein.

Bei dieser Einrichtung können die Elektromagnete E nicht mehr unmittelbar auf den Anker einwirken, deshalb ist gegenüber der Scheibe G eine gleiche Scheibe G¹ angeordnet, welche wie jene Elektromagnete E¹ trägt.

Diese Elektromagnete E¹ werden von demselben Wechselstrom durchflossen, welcher durch den Anker K hindurchgeht. Die Kräfte, welche sich zwischen ihnen und den Elektromagneten E entwickeln, werden folglich immer dieselbe Richtung haben, wie diejenigen, welche sich zwischen den letzteren und den verschiedenen Spulen des Ankers würden entwickeln können.

Die Scheibe G¹ ist auf die Achse AB der Maschine aufgekeilt.

Die Wirkungsweise dieser Maschine ist übereinstimmend mit derjenigen der zuerst beschriebenen Maschine.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Eine Wechselstromkraftmaschine, gekennzeichnet durch das Zusammenwirken eines Feldmagneten in Gestalt des G ram me-Ringes und eines Ankers von der bei Wechselstrommaschinen gebräuchlichen Art, von denen letzterer in Wechselstromleitung geschaltet ist, während ersterer in der Weise von Gleichstrom erregt wird, dafs die Pole sich den Stromphasen des Wechselstromes entsprechend verschieben, wobei die Verschiebung der Pole durch auf einem Stromsammler, dessen Lamellen mit den Spulen des Gr amme-Ringes passend verbunden sind, schleifende Bürsten bewirkt wird, welche von einer mit dem Wechselstromerzeuger synchron laufenden Kraftmaschine Drehung erhalten.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.