DE66232C - Herstellung magnetischer Drehfelder durch Spulen, deren zwei Stromkreisen angehörende Wickelungen in wechselndem Zahlenverhältnifs zu einander stehen - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAM

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21: Elektrische Apparate.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 29. September 1891 ab.

Vorliegende Erfindung hat den Zweck, durch eine eigenartige Anordnung der Spulen, welche von zwei Strömen verschiedener Phase durchflossen werden, möglichst gleichförmige magnetische Drehfelder für elektrische Maschinen und Umwandler zu erzeugen.

Für die Erregung dieser Spulen sind zwei Ströme mit verschiedenen Phasen nöthig, wovon der eine Strom unmittelbar erzeugt werden kann und der andere durch Umformung oder auf andere bekannte Weise gegen den ersteren in der Phase verschoben werden kann, oder es können von vornherein zwei in der Phase verschobene Ströme erzeugt werden.

Angenommen, es steht ein Strom, welcher dem Sinusgesetz folgt, zur Verfügung. Derselbe kann dann bekanntlich durch die Gleichung y' = a ■ sin α ausgedrückt werden; Curve 1, Fig. 2, stellt diese Gleichung dar. Wird nun dieser Strom durch einen Umwandler geleitet, so entsteht in der secundären Wickelung, wie bekannt, ein Strom, der annähernd y" = b · sin (α + go) sein wird; derselbe ist durch Curve 3, Fig. 2, dargestellt. Es soll nun, um mit Hülfe dieser beiden Ströme ein gleichförmiges Drehfeld zu erzeugen, eine Erregerspule gebildet werden, deren Magnetisirungsphase gegen die von einer von einem Strom y' = a · sin α durchflossenen Spule erzeugten Phase um einen Winkel φ verschoben ist. Dies kann dadurch geschehen, dafs die betreffende Spule aus zwei getrennten Stromkreisen gebildet wird, von denen der von einem Strom y' = α -sin α und der andere von einem Strofny" = b · sin (α + go) gespeist wird. Die magnetisirende Wirkung der neuen Spule wird sich nun der Wirkung desjenigen Stromes am meisten nähern, bei welchem das Product aus Stromstärke und Windungszahl am gröfsten ist; denn die Wirkung einer oder mehrerer von Strömen durchflossener, in einander, auf einander oder neben einander gewickelter Drahtspiralen ist bekanntlich gleich der algebraischen Summe der Amperewindungen, welche die Magnetisirung bewirken. Also in diesem Falle wäre, wenn die Windungszahl für den Strom y' = a · sin α mit w' und die Windungszahl für den zweiten Strom y" = b ■ sin (α + go) mit w" bezeichnet würde, die Wirkung der neuen Spule gleich n>'y' + n>" y" oder w' · a ■ sin α + w" ■ b ■ sin (α + go); jetzt ist aber bekanntlich die Summe von zwei Sinuslinien immer wieder eine Sinuslinie. Man kann daher diese Gleichung = C . sin (α + φ) setzen, wobei C eine Constante und φ den Winkel der Phasenverschiebung der neuen Spule gegenüber der Spule, welche vom Strom y' = a ■ sin α durchflossen wird, bedeutet. Es handelt sich nun darum, zu bestimmen, wie viele Windungen mit jedem Draht gemacht werden sollen, damit die Phasenverschiebung und die Stärke der Magnetisirung der neuen Spule die erwünschte wird. Dieses läfst sich rechnerisch aus der Gleichung:

C-sin(α-(-φ)= &>' a-sin α -\- n>" ■ b ■ sin (α + 90) bestimmen. Setzen wir z. B. φ = 30° und

nehmen die Constanten a, b und C als bekannt an, so ergiebt sich:

und n> =

Wenn bei der Rechnung ein negatives Zeichen für die Anzahl Windungen herauskommt, so bedeutet dies, dafs die Wirkungen der Ströme nicht addirt werden dürfen, sondern subtrahirt werden müssen, was durch entgegengesetzte Wickelungsrichtung . erzielt wird. Es läfst sich auf diese Weise mit Hülfe zweier Wechselströme jede beliebige magnetisirende Spule herstellen, nicht nur in Bezug auf Stärke, sondern auch in Bezug auf Phasenverschiebung, welch letztere von ο bis 360⁰ wechseln kann.

Solche Spulen, welche gegen einander verschobene Magnetisirungsphasen erzeugen, können bei Umwandlern, welche Ströme mit verschobenen Phasen erzeugen, oder auch als in sich geschlossene Wickelung zur Erzeugung des Drehfeldes bei sogenannten Drehstromtreibmaschinen oder bei Wechselstrommaschinen angewendet werden.

Sollen Umwandler hergestellt werden, welche Strom mit verschobenen Phasen erzeugen, so braucht man nur die nach obigen Angaben hergestellten und vereinigten Spulen in den Primärstromkreis zu schalten und eine selbstständige Wickelung als Secundärwickelung anzubringen. Die einzelnen Umwandler werden dann der Phasenverschiebung der Primärwicke-. lung entsprechend Ströme mit gegen einander verschobenen Phasen abgeben.

Will man die Spulen zur Erzeugung von Drehfeldern benutzen, so hat man nur dieselben ihrer Phasenverschiebung entsprechend hinter einander anzuordnen, wobei auch mit Vortheil Spulen, welche nur von einem der beiden zur Verfugung stehenden Ströme erregt werden, zur Verwendung kommen. Die einzelnen Spulen, welche von Strömen mit gleichen Phasen durchflossen werden, können entweder hinter einander, wie in Fig. 1 angenommen ist, oder parallel geschaltet werden. Fig. ι stellt schematisch eine derartige Anordnung dar, wobei angenommen ist, dafs der Hauptstrom durch den Leiter A B, durch die Primärwickelung des Umwandlers CDd, sowie auch unmittelbar durch eine Gruppe der Spulen, welche das Drehfeld erzeugen, fliefst; die zweite Gruppe dieser Spulen wird von der Secundärwickelung des Umwandlers gespeist. Es sind acht Spulen angenommen, wovon die Spulen 1 und 5 von dem Hauptstrom, 3 und 7 von dem Secundärstrom erregt werden. Das Feld soll ein zweipoliges sein. Die Spulen 2, 4, 6 und 8 werden nach der Methode der vorliegenden Erfindung hergestellt, und zwar sei die Bedingung die, dafs die Magnetisirungsphase der Spule 2 in der Mitte zwischen den Magnetisirungsphasen der Spulen 1 und 3, die der Spule 4 zwischen 3 und 5, die der Spule 6 zwischen 5 und 7 und die der Spule 8 zwischen 7 und ι zu liegen kommt. Da das Feld zweipolig ist, werden, die Pole in einer Entfernung von 4 Spulen von einander liegen, also werden die Spulen 1 und 5, 2 und 6, 3 und 7, 4 und 8 entgegengesetzte Pole besitzen. Die Spulen 1 und 5 erhalten nun, da sie mit demselben Strom erregt werden, entgegengesetzte Pole, sobald ihre Wickelungsrichtung einander entgegengesetzt ist, ebenso die Spulen 3 und 7. Die Spulen ι und 3 haben ca. 90° Phasenverschiebung gegen einander, da dieselben mit zwei Strömen, welche 90° Phasenverschiebung haben, erregt werden. Dasselbe gilt für 3 und 5, sowie für 5 und 7. Die zwischenliegenden Spulen 2, 4, 6 und 8 sollen somit gegen die vorhergehende Spule eine Phasenverschiebung von 45 ° nach vorwärts und 45⁰ nach rückwärs gegen die nachfolgende Spule bekommen. Würden wir die Windungszahl mit jedem Draht in der Spule 2 gleich der Windungszahl der Spulen 1 und 3 machen, so wird die Bedingung der Phasenverschiebung hierdurch erfüllt, sobald der secundäre und der primäre Strom gleich ist, was durch die Anordnung des Umformers erzielt werden kann. Aber die magnetisirende Wirkung der Spule 2 würde gröfser werden als diejenige der Spulen 1,3,5 ^un<^ 7- Dies wäre aber für ein Drehfeld von Nachtheil, und läfst sich dadurch vermeiden, dafs die Windungszahl der beiden Drähte in demselben Verhältnifs vermindert wird, wie die Magnetisirung zu grofs war. In Fig. 2 ist dies durch Curven dargestellt, und zwar bedeutet die Curve .1 die magnetisirende Wirkung durch den Primärstrom, die Curve 3 diejenige durch den Secundärstrom, und die Curve 2 ^l die Summe beider, falls dieselben mit derselben Windungszahl in einander gewickelt sind. Vermindert man die Windungszahl in demselben Verhältnifs, wie die Curve 2¹ höher ist als die Curve ι, so entsteht die Curve 2, welche die Magnetisirung durch die entsprechend gewickelte Doppelspule darstellt. Dieselbe ist gleich hoch wie die Curven 1 und 3 und hat die gewünschte Phasenverschiebung von 45⁰ gegen 1. Die Spule 4 wird nun in derselben Weise hergestellt wie die Spule 2, nur mufs dieselbe eine Phasenverschiebung von 45 ° gegen die Spule 3 bekommen, was dadurch erreicht wird, dafs die beiden Wickelungen der Spule gegen einander wirken. Dies wäre aus den Curven i, 3 und 4¹ ersichtlich; denn wird Curve von 3 subtrahirt, so entsteht die Curve 4¹ und durch Verringerung der Windungszahl entsteht die Curve 4. Die Spule 6 entsteht dadurch, dafs ihre Schaltung oder Wickelung der Spule 2 entgegengesetzt gemacht wird; auf gleiche

Weise entsteht Spule 8 aus Spule 4. Die entsprechenden Curven sind in Fig. 3 enthalten, wo die Magnetisirung der Spulen 1 bis 8 durch die Curven 1 bis 8 ersichtlich ist. Will man zwischen den Spulen 1 und 3, 3 und 5, 5 und 7, 7 und 1 jedesmal mehr als eine Spule einlegen, so ist das Verfahren dasselbe, wie im Anfang beschrieben. Will man die Spulenzahl für jeden Pol erhöhen, so kann man z. B. zwischen die beiden um' 90⁰ verschobenen Ströme zwei Spulen setzen, deren magnetisirenden'Wirkungen gegen einander, sowie gegen die beiden ursprünglichen Spulen 30⁰ beträgt; sollen drei Spulen zwischengeschaltet werden, so müssen deren Magnetisirungsphasen um 22,5° gegen einander, sowie auch 22,5° gegen die magnetisirende Wirkung der beiden ursprünglichen Spulen verschoben sein.

Die Fig. 4 stellt einen Ring dar, welcher mit einer zweipoligen achtspuligen Wickelung versehen ist; wird dieselbe mit Strom erregt und mit innen oder aufsen angebrachtem Anker versehen, welcher eine gleiche, aber in sich kurz geschlossene Wickelung haben kann, so würde eine Maschine entstehen. Die Wickelung kann in eine Trommelwickelung übergehen, sobald zwei Spulen, welche um einen Polabstartd von einander entfernt liegen, zu einer Spule verwandelt werden, genau wie bei Gleichstrommaschinen. Wird der in Fig. 4 dargestellte Ring mit erregenden Magneten aufsen oder innen versehen, so würde eine Zweiphasenwechselstrommaschine entstehen und die beiden Ströme können mittelst eines Umwandlers, wie in Fig. 1 , zu einem Strom zusammengesetzt werden.

Wird die Wickelung in sich kurz geschlossen, so entsteht der Anker einer Drehstromtreibmaschine.

Wird der Ring in Fig. 4 mit einer secundären Wickelung versehen, welche mit Abzweigungen wie die Abzweigungen nach dem Stromwender eines Gleichstromankers versehen ist, und die primäre Wickelung mit Wechselstrom so erregt, dafs ein Drehfeld entsteht, so werden in der secundären Wickelung Wechselströme inducirt, welche von den Abzweigungen abgenommen werden können. Die Ströme können auch mit Hülfe eines Stromwenders in Gleichstrom verwandelt .werden.

Die Fig. 5 und 6 stellen Schnitte der Spulen eines Drehfeldes dar und zeigen, wie die einzelnen Wickelungen angeordnet sein können. Wird die Spulenzahl grofs, so werden die Zickzacklinien a-b und b-c in Curven übergehen, so dafs es nicht viele getrennte, sondern nur wenige in einander greifende Spulen wären. Ist die Wickelungshöhe klein, so z. B. eine Lage, so würden eine oder mehrere Windungen von einer Spule mit den Windungen der anderen Spule abwechseln. Es war bis jetzt angenommen, dafs die zwei Ströme go° Phasenverschiebung haben; dies ist jedoch, nicht nothwendig, und wird in der Praxis selten vorkommen, wenn der zweite Strom nicht auf andere Weise als durch Umwandelung erzeugt' wird. Die thatsächliche Phasenverschiebung läfst sich jedoch leicht bestimmen und kann dann die Wickelung dementsprechend gemacht werden.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Verfahren zur Herstellung möglichst gleichförmiger magnetischer Drehfelder durch von zwei Wechselströmen mit verschobener Phase gespeiste Spulen, deren Magnetisirungsphasen in gleichmäfsiger Folge dadurch gegen einander verschoben sind, dafs das Verhältnifs der von dem einen oder dem anderen Wechselstrom durchflossenen erregenden Windungen von der einen Spule zur anderen sich stetig ändert, während die Summe beider Windungen jeder Spule so bemessen ist, dafs die magnetisirende Wirkung an allen Stellen annähernd gleich grofs wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.