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Umwandler von Gleich- in Wechselstrom für Spielzeugzwecke auf mechanischem
Wege mittels eines drehbaren zylindrischen Isolierkörpers Die Erfindung betrifft
einen Umwandler von Gleichstrom in Wechselstrom auf mechanischem Wege für- Spielzeugzwecke,
der als Zusatzgerät für den Betrieb von elektrischen Spielzeugeisenbahnen und von
kleinen Motoren für Spielzeugmodelle und Lehrmittel dient. In der Großtechnik ist
es bereits bekannt, den Umwandler von der einen, in die andere Stromart als drehbaren
zylindrischen Isolierkörper auszubilden, auf dessen Schleifringen und Metallsegmenten
je ein Satz Kohlen für die Zuführung des Gleichstroms und die Abnahme des Wechselstroms
schleifen. Diese bekannten Vorrichtungen, die mit rotierenden Unterbrechern arbeiten,
dienen entweder zur Erzeugung elektrischen Lichtes oder hochgespannten Gleichstroms.
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Bei der Erfindung handelt es sich jedoch darum, in einfacher und billiger
Weise das Problem zu lösen, den Betrieb einer elektrischen Spielzeugeisenbahn, die
mit Wechselstrommotor arbeitet, zu ermöglichen, wenn nur Gleichstrom vom Netz zur
Verfügung steht. Bekanntlich werden zur Umwandlung von Netzgleichstrom in Wechselstrom
für den Betrieb von elektrischen Spielzeugeisenbahnen Motorgeneratoren mit nachgeschalteten
Transformatoren verwendet. Diese Motorgeneratoren kosten erheblich mehr als die
ganze Spielzeugeisenbahn, so daß die Spielzeugindustrie ein sehr großes Interesse
daran hat, elektrische Spielzeugeisenbahnen, die mit Wechselstrommotor ausgestattet
sind, auf billigstem Wege an Gleichstromnetze von iio oder 22o Volt anschließen
zu können. Es gibt wohl Apparate, die den Anschluß von elektrisch zu betreibenden
Spielzeugmodellen oder Eisenbahnen mit offenen Polen an Gleichstromnetze ermöglichen.
Diese Apparate schließen aber die Gefahr des Erdschlusses nicht aus, da sie mit
geerdeten Steckdosen oder parallel geschalteten Widerständen arbeiten. Es besteht
sonach immer eine gewisse Gefahr, wenn die Erdung an der Steckdose nicht vorgenommen
wird oder aber die parallel geschalteten Widerstände verletzt werden.
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Der Umwandler nach der Erfindung bedient sich im Gegensatz hierzu
ebenfalls eines Transformators zur Umformung des erzeugten Wechselstromes von iio
oder 22o Volt auf die vom V. D. E. vorgeschriebene Spannung von 18 Volt. Der Betrieb
ist somit den derzeitigen Vorschriften des V. D. E. entsprechend unbedingt erdschlußfrei
und außerdem völlig gefahrlos. An Stelle des bisherigen Motorgenerators tritt der
Umwandler nach der Erfindung, der sich durch Einfachheit und Billigkeit auszeichnet.
Der damit erzeugte Wechselstrom verläuft bei Leerlauf ungefähr trapezförmig, bei
Belastung ungefähr sinusförmig. Der positive und negative Kurvenzweig
weisen
auf der Nullinie eine geringe Unterbrechung auf, die aber, wie Versuche ergeben
haben, praktisch keine Rolle spielt. Durch diese Versuche ist auch festgestellt
worden, daß vollkommen zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich des Wirkungsgrades,
der Betriebssicherheit und der Preisgestaltung durch den neuen Umwandler erzielt
werden. Nach der Erfindung ist der Umwandler derart ausgebildet, daß die in sich
geschlossenen Schleifringe des drehbaren zylindrischen Isolierkörpers für die Gleichstromkohlen
mit Metallsegmenten von doppelzungenförmiger Gestalt mit schlanken Spitzen verbunden
sind und daß der Abstand zwischen den Spitzen ewas größer als der Durchmesser der
Abnahmekohlen ist. Die doppelzungenförmige Gestaltung des Metallsegments mit schlanken
Spitzen ergibt einen völlig hinreichenden, veränderlichen Spannungsverlauf des erzeugten
Wechselstroms. Nach der Erfindung können natürlich auch zwei Gruppen von Metallsegmenten
hintereinander oder nebeneinander mit den geschlossenen Schleifringen geschaltet
sein.
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In der Zeichnung zeigen: die Abb. z, 2 und 3 eine Ausführungsform
des Umwandlers in Vorderansicht, Draufsicht und im Querscbnitt für 3000 Umdrehungen
pro Minute, die Abb.4 den ungefähr sinusförmigen Spannungsverlauf mit seinen Unterbrechungen
an der Nullachse, die Abb. 5 eine schematische Darstellung eines abgewickelten Umwandlers
für i 50o Umdrehungen pro Minute, die Abb.6 eine schematische Darstellung eines
abgewickelten Umwandlers für größere Stromstärken mitparallel geschalteten Schleifzungen
und die Abb.7 eine schematische Darstellung eines abgewickelten Umwandlers für die
Erzeugung von Drehstrom.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. z und 2 sitzen auf einem um
eine Achse z drehbaren zylindrischen Isolierkörper 2 zwei metallene Schleifringe
3 und 4, denen mittels der Kohlenbürsten (Gleichstromkohlen) 5 und 6 Gleichstrom
zugeführt wird. Zwischen diesen beiden Schleifringen 3 und 4' sind metallene, doppelzungenförmige
Segmente 7 und 8 vorgesehen, deren Mittelteil 9 ein Stück weit gleich breit verläuft.
Das eine Zungensegment 7 ist durch einen Draht zo o. dgl. leitend mit dem Schleifring
3, das andere Segment 8 durch einen Draht zr mit dem Schleifring 4 verbunden. Über
den Zungenseghnenten sind zwei Kohlenbürsten r2 und 13 (Wechselstromkohlen) angeordnet,
die den erzeugten Wechselstrom abnehmen. Der zwischen zwei benachbarten Zungenenden
der Segmente befindliche Zwischenraum ist ein klein wenig größer als der Durchmesser
der Abnahmekohlen gehalten.
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Der Wechselstrom wird in folgender Weise erzeugt: Wenn die Kohle r2
(Abb. 2) von der Spitze der Metallzunge 7 berührt wird, so ist zunächst der Ohmsche
Widerstand infolge des sehr geringen Materialquerschnittes sehr hoch und dementsprechend
die Spannung sehr gering. Nach Maßgabe der Verbreiterung der Metallzunge 7 nimmt
der Widerstand ab und die Spannung zu. Die Form der Zunge ist so gewählt, daß der
Spannungsverlauf ungefähr der Sinuslinie entspricht. In der Mitte des Zungensegments
herrscht der geringste Widerstand und der Höchstwert an Spannung, wobei der Durchmesser
der Kohle ungefähr der Länge des parallel begrenzten Mittelstücks 9 entspricht.
Mit der Verminderung des Querschnitts tritt dann wieder Spannungsabfall bis fast
zum Nullpunkt ein. An der zwischen den beiden Zungenspitzen liegenden Stelle ist
die Wechselstromkohle einen Augenblick ohne jegliche Verbindung, um einen Kurzschluß
zu vermeiden. Dies prägt sich in der kurzen Unterbrechung u der beiden Kurvenzweige
(Abb.4) aus, ist aber praktisch belanglos, wie Versuche ergeben haben.
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In derselben Weise, wie durch das mit dem Plusschleifring 3 verbundeneZungensegment7
die positiven Spannungen erzielt wurden, werden bei der weiteren Drehung des Isolierkörpers
2 nunmehr durch das mit dem Minusschleifring 3 verbundene Zungensegment 8 die negativen
Spannungen erzeugt. Um einen funkenfreien Lauf zu erzielen, ist zwischen die Wechselstromkohlen
12, 13 ein Kondensator 14 geschaltet.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 5 sind auf dem Isolierkörper 2 vier
Zungensegmente angeordnet, von denen das erste und dritte mit dem Plusschleifring,
das zweite und vierte mit dem Minusschleifring verbunden sind, so daß die Drehzahl
nur z 500 statt 3000 zu betragen braucht.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 6 sind ebenfalls vier Zungensegmente
vorgesehen, von denen je zwei parallel geschaltet sind. Dementsprechend sind auch
zwei parallel geschaltete Kohlenpaare vorgesehen.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 7 sind zwei Gruppen von je drei
um z20° zueinander versetzte Zungensegmente angeordnet, von denen die eine Gruppe
mit dem Plusschleifring, die andere finit dem Minüsschleifring verbunden ist, so
daß der Gleichstrom in dreiphasigen Wechselstrom umgeformt wird.