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Selbsttätiger elektromagnetischer Kohlensäulenregler, insbesondere
für elektrische Zugbeleuchtungsanlagen Die Erfindung bezieht sich auf Kohlensäulenregler,
wie sie insbesondere für Zugbeleuchtungsanlagen verwendet werden.
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Bei einem Regler dieser Art muß die elektromagnetische Betätigungskraft,
die Reaktion der Kohlensäule und die Kraft der üblichen federnden oder sonstwie
arbeitenden Belastungsmittel über den Betriebsbereich des Reglers ausgeglichen sein.
Wenn die Reaktionder Säule im Vergleich zu den anderen beiden Kräften verhältnismäßig
klein ist, kann sie praktisch vernachlässigt werden, so daß der Ausgleich sich nur
auf die elektromagnetische Betätigungskraft und die entgegengesetzt wirkende Belastungskraft
der Feder o. dgl. zu beschränken braucht, mit anderen Worten, :daß die Drehmoinent-We@gcharakteristik
der elektromagnetischen Bet , ät;lu - ii-svorrichtun- b e, durch eine entsprechende
Charakteristik des entgegengesetzt wirkenden Federsystenis oder anderer Belastungsmittel
zum Ausgleich gebracht werden inuß.
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Es erscheint verständlich, daß ein solcher Ausgleich nur schwer zu
erreichen ist, wenn die Charakteristik des elektromagnetischen Systems :durch eine
erheblich gekrümmte Kurve dargestellt wird, denn dann wird es entweder überhaupt
nicht oder nur mit komplizierten Federsystemen möglich sein, einen Ausgleich zu
erreichen. Kompliziert dürfen aber solche Kohlensäulenregler nicht sein.
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Demzufolge ,ist es .der Hauptgedanke der Erfindung, die Charakteristik
des elektromagnetischen Systems, :d. h. die Drehmoment-Winkelwegcharakteristik des
Ankers so zu gestalten, daß eine geradlinig verlaufende Steigung eintritt, wenn
der Anker in die Polschuhe hineingezogen wird, so daß dann ein einfaches Federsystem
ebenfalls mit geradliniger Charakteristik benutzt werden kann, tun den Ausgleich
herbeizuführen.
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Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein selbsttätiger elektromagnetischer
Kohlen-s iiulenregler, bei welchem der Säulendruck durch einen uribewickelten
Anker geändert wird, der sich zwischen gegenüberliegenden Polflächen des Elektromagnetsysterns
verdreht und durch die Polflächen entgegen der Kraft eines Federsystems angezogen
wird, wobei die Ankerendflächen so profiliert sind, daß bei völligem Anzug ges Ankers
die Luftspalte, von den voreilenden Kanten des Ankers aus gerechnet, sich verjüngen,
gemäß der Erfindung so ausgeführt, daß bei Anwendung eines Federsystems mit geradliniger
Drehmoment-Winkelwegcharakteristik der Anker :des Elektromagnetsystems im wesentlichen
konzentrisch zur Drehachse profilierte und in der Vollanzugstellung des Ankers außerhalb
der polaren Begrenzung verbleibende
Endflächenteile besitzt, die
zusammen rnit den unter die Polflächen tretenden Flächenteilen des Ankers so geformt
sind, daß .die Charakteristik des Elektromagnetsystems mit derjenigen des Federsystems
ausgeglichen ist. Auf diese Weise wird es möglich, für, das elektromagnetische System
eine lineare Charakteristik zu erhalten und so durch ein Federsystem mit ebenfalls
linearer Drehmoment-Wegcharakteristik den vollständigen Ausgleich wenigstens über
den Arbeitsbereich des Reglers zu erhalten.
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Es ist zwar an sich bekannt, daß durch besondere Formgebung der Endflächen
des unbewickelten Ankers eines selbsttätigen Reglers die Charakteristik des Systems
geändert werden kann, und es ist auch schon der Vorschlag gemacht worden, die Enden
des Ankers so zu gestalten, daß sich verjüngende Luftspalte zwischen ihnen und den
Polschuhen entstehen, jedoch kann erst dann eine für die Eigenart eines Kohlensäulenreglers
brauchbare lineare Charakteristik erhalten werden, wenn der Anker nach den oben
gegebenen Regeln der Erfindung gestaltet wird, und zwar aus der Erkenntnis heraus,
d.aß sich erst dann der richtige Ausgleich mit einfachen Mitteln erreichen läßt.
Daraus ergibt sich eine sehr einfache Bauart des Kohlensäulenreglers.
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Als Federsystem kann in der besonderen Ausbildung der Erfindung zweckmäßig
eine einzige Feder verwendet «=erden, die auf den Anker mit gleichbleibendem Hebelarm
einwirkt, was in an sich bekannter Weise etwa dadurch erreicht werden kann, daß
mit dem Anker eine Scheibe verbunden ist, die sich mit dem Anker dreht und an deren
Umfang das Verbindungsmittel zur Feder derart angreift, daß, es bei der Anzugbewegung
des Ankers auf den Umfang aufgerollt, bei der Rückbewegung des Ankers abgerollt
wird. Der Hebelarm bleibt also stets der gleiche, und es ändert sich nur die Länge
der Feder und damit ihre Spannung.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele dargestellt, und zwar
zeigt Abb. i eine rückwärtige Ansicht eines insbesondere zur Regelung von Dynamomaschinen
in Zugbeleuchtungsanlagen verwendbaren Kohlensäulenreglers, Abb. 2 einen senkrechten
Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Abb. i, Abb. 3 eine Vorderansicht des Ankers,
Abb.4 eine ähnliche Ansicht einer anders ausgeführten Ankerform, Abb.4a eine ähnliche
Ansicht wie in Abb. 4, mit abgeändertem Ankerprofil, Abb. 5 eine Ansicht eines insbesondere
zur Regelung der Lampenspannung - in Zugbeleuchtungsanlagen verwendbaren Kohlensäulenreglers,
Abb.6 einen senkrechten Schnitt durch den Regler nach Abb. @.
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Bei der Vorrichtung nach den Abb. i bis 3 sind die verschiedenen Bestandteile
des Reg-,kers auf einen Rahmen i untergebracht. Der I-isenmagnetkern 2, der angenähert
eine umgekehrte -Form zeigt und die Erregerwicklung 3 oder mehrere solche Wicklungen
auf dem Jochteil trägt, wird durch eine nach vorn weisende Verlängerung 4. des Rahmens
i unterstützt. Kugellager 5 innerhalb des Hauptrahmens i und der nach vorn weisenden
Verlängerung 4. unterstützen eine Spindel 6, -die als Anker einen Eisenanker 7 zwischen
gegenüberliegenden Polflächen 8 des Magnetkerns z trägt. Die Polflächen des Magnetkerns
2 sind konkav bei im wesentlichen zylindrischem Profil (Abb. i) ausgeführt und verlaufen
konzentrisch zu der Drehachse io des Ankers. Die konvexen Endflächen des Ankers
7 (Abb. 3 und .4) sind so geformt, daß sie eine vorher z. B. durch Versuch oder
auf andere Weise bestimmte geradlinige steigende Drehmoment-Wegcharakteristik ergeben.
Die größeren führenden Teile ii sind so geformt, daß sie einen verjüngten Luftspalt
ergeben, wenn der Anker in der angezogenen Stellung ist (Abb. i). Die ablaufenden
Teile 13 sind unterschiedlich profiliert, um eine vorbestimmte Streuwirkung hervorzurufen.
Die Profilierung derartiger ablaufender Teile übt, wie sich herausgestellt hat,
einen wichtigen Einfluß auf die erzielte Charakteristik aus. Indem .dargestellten
besonderen Falle sind die Teile r i nach Kreisbögen entstanden, die von Mittelpunkten
12 geschlagen sind, welche exzentrisch zu der Drehachse io liegen. Die Teile 13
sind dagegen nach Kreisbögen mit der Drehachse io als Mittelpunkt entstanden. Jeder
Mittelpunkt 12 liegt auf der Seite der Achse io, die dem von dem Mittelpunkt herrührenden
Flächenteil i i benachbart ist. Ferner liegt der Mittelpunkt 12 :des Flächenteils
i i, wie dargestellt, etwas seitlich der Längsachse des Ankers, und zwar auf der
Seite, die von dem Flächenteil i i entfernt liegt. Infolgedessen werden in .dem
Falle, wo der Anker sich in angezogener Stellung befindet, die Luftspalte zwischen
den Polflächen und den Teilen i i der Endflächen des Ankers sich von den Führungskanten
14 zu den Ablaufkanten des Ankers hin verjüngen. Bei einer derartigen Profilierung
weist der Magnet eine im wesentlichen geradlinig steigende Charakteristik auf. Geradlinige
Charakteristik kann auch durch abgewandelte Profilierung der Flächenteile 11, 13
erzielt werden.
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In Äbb. 4.a ist eine Anzahl von verschiedenen Profilen der Flächenteile
11, 13 in gestrichelten Linien angedeutet, und es besteht
durch
Kombinationen derartiger Profile die Möglichkeit, verschiedene geradlinige Charakteristiken
zu erhalten. Die übrige Gestalt des Ankerkörpers kann den verschiedensten Anforderungen
entsprechend geändert werden. In .den Abb. i und 3 ist der Anker, der im Schnitt
einen rechteckigen Querschnitt aufweist, von der Mitte nach den Enden hin etwas
verjüngt, und es sind Winkelstücke 15 an den Einführungskanten des Ankers ausgebildet.
Gemäß Abb. q. zeigt der Anker die Gestalt eines langgestreckten Prismas.
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Ein hervorragender Ansatz der Spindel 6 an der Rückseite des Rahmens
i trägt eine Scheibe 16 und eine Kurbel 17. Letztere ist durch einen Kurbelzapfen
18 mit einer Stoßstange i9 verbunden, die eine Druckplatte 2o trägt. Die Säule 21
aus dünnen Kohlenscheiben ist zwischen der Platte 20 und einer oberen Platte 22
angeordnet, wobei letztere einen nach oben weisenden Ansatz 23 trägt, der durch
einen Zapfen 24. mit einem Lagerarm 25 verbunden ist. Dieser Lagerarm sitzt auf
dein oberen Teil des Rahmens i und ist durch eine mit genutetem Kopf 27 ausgestattete
Schraube 26 senkrecht einstellbar. Der genutete Kopf 27 steht in Eingriff mit dem
gegabelten Ende des Lagerarmes 25 und wird durch eine Schraube 28, die durch einen
Schlitz 29 des Lagerarmes hindurchgreift, in seiner Stellung gesichert. Isolierte
Zapfen 30, die von der Platte 22 nach unten hängen und eine Platte 31 mit einer
Lochung zum freien Durchtritt der Stange i9 tragen, bilden einen Käfig, in dem die
Kohlensäule unter geringem Spiel geführt ist. Eine senkrecht angeordnete schraubenförmige
Spannungsfeder 32 ist zwischen einem Metallband 33 und einer einstellbaren Befestigungseinrichtung
35 vorgesehen. Das- Metallband 33 ist dabei um einen Teil des Umfanges der Scheibe
16 geführt und mit der Scheibe 3:I verankert, während die Befestigungsvorrichtung
35 in ihren Aufbau mit dem -der Befestigungsvorrichtung 25, 26, 27 für die Säule
übereinstimmt. Die Scheibe 16 trägt auch einen Kurbelzapfen 36, der mit einem Dämpfungstopf
37 verbunden ist, ein Gegengewicht 38 und einen Anschlag 39, dessen Bewegung durch
zwei einstellbare Schraubenanschläge 4.o begrenzt ist.
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Da die Feder 32 entsprechend der Ankerbewegung ausgedehnt wird, weist
das dargestellte einfache Federsystem eine im wesentlichen geradlinig ansteigende
Drehmoment-Wegcharakteristik auf, mit der die Charakteristik des Magneten innerhalb
der Grenzen des weiten Bereiches der Ankerbewegung übereinstimmen muß, welche durch
die Anschläge .4o zugelassen wird. Die einstellbaren Befestigungsmittel
26 bis 29 und 35 ermöglichen die Einstellung des anfänglichen Druckes
und ,der Spannung in bezug auf die Kohlensäule und die Feder. Die Betriebsweise
eines derartigen Reglers ist als bekannt vorauszusetzen und braucht deswegen nur
kurz angedeutet zu werden.
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Bei wachsender Erregung der Magnetwicklung oder Wicklungen 3, die
beispielsweise parallel zu der zu regelnden Dynamomaschine angeschlossen -ist, zeigt
der Anker 7 das Bestreben, aus seiner Anfangsstellung (die Stellung -der Einführungskanten
gemäß der strichpunktierten Linie in Abb. i ) in die Endstellung (ebenfalls in Abb.
i gezeichnet) gezogen zu werden, wobei dieser Bewegung durch die Feder 32 Widerstand
entgegengesetzt wird. Die Ankerbewegung, die durch die Kurbel i9 und die Platte
20 übertragen wird, führt zu einer Druckminderung in bezug auf die Kohlensäule 21.
Das sich daraus ergebende Anwachsen des elektrischen Widerstandes der Kohlensäule
wird für Regelungszwecke ausgenutzt, indem beispielsweise die Kohlensäule mit den
Feldwicklungen der zu regelnden Dynamomaschine in Reihe geschaltet wird. Der Dämpfungstopf
37 wirkt jeglichem Bestreben entgegen, das zu einer stoßenden oder fortschnellenden
Bewegung des Reglers führen könnte, Was das Magnetsystem und die Federanordnung
anbelangt, so ist der Lampenspannungsregler gemäß Ab:b.5 und 6 im wesentlichen in
Übereinstimmung mit dein soeben beschriebenen Regler. Dagegen sind die Anordnung
der Kohlensäulen und die Mittel zu deren Bewegung verschieden. Im Ausführungsbeispiel
nach Abb. 5 und 6 sind die Kohlensäulen 41, von denen mehrere z. B. zwei oder drei
zur Führung des Lampenstromes vorgesehen sind, oberhalb des Magnetsystemes auf einer
besonderen Plattform .I2 am Rahmen i untergebracht. An Stelle der Stoßstange i9
gemäß den Abb. i und 2 ist eine Stoßstange 4.3 vorgesehen, die mit einem Wipphebel
44, um welchen die Säulen 41 gruppiert sind, verbunden ist. Die weitere Stoßstange
4.5 umfaßt eine Längseinstellvorrichtung, welche die Form einer Drehhülse 46 aufweist,
,die zwecks feinerer Einstellung, als sie eine gewöhnliche Drehhülse ermöglicht,
an beiden Enden mit Gewinde gleicher Gangrichtung, aber von verschiedener Steigung
ausgestattet ist. Eine derartige Vorrichtung liefert eine sehr feine Einstellung,
da die Wirkung der beiden Gewinde unterschiedlich ist. Beispielsweise ergibt sich
bei einer Umdrehung der Vorrichtung als Längsverstellung nur der Unterschied zwischen
.den Steigungen der _ beiden Gewinde. Die Stoßstange 4.5 wirkt auf die Kohlensäulen
41 durch einen Ausgleichsstern 47
oder einen Balken, wenn nur zwei
Säulen vorhanden sind, ein, der einen teilweise kugeligen Einsatz 4.F besitzt. In
diesen Einsatz greift ein zum Teil kugelig ausgebildeter Kopf 4.9 der Stange 45
ein. Die Kohlensäulen erfahren während des Betriebes einen beträchtlichen Temperaturanstieg
mit daraus folgender Ausdehnung, die, sofern für keinen Ausgleich gesorgt ist, die
Genauigkeit des Reglers ernstlich gefährden kann.
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Eine Ausgleichvorrichtung für diesen Zweck enthält einen Ring 5o aus
einem Baustoff, der sieh mit ansteigender Temperatur ausdehnt. Ferner ist eine Anzahl
von Speichen 5 i aus einem Baustoff .angeordnet, der einen verhältnismäßig niedrigen
oder vernachlässsgbaren Wärme.ausdehnungskoeffizienten besitzt, beispielsweise Weichstahl
oder einer der die genannten Eigenschaften aufweisenden bekannten Legierungen. Schließlich
ist eine Nahe 52 vorhanden, und die Speichen sind unter einem Neigungswinkel zur
Ringebene angeordnet. Diese Vorrichtung ist zwischen jede Kohlensäule und den Ausgleichsstern
47 geschaltet. Der Ring 5o, der aus einem Material von guter Leitfähigkeit und nicht
zu großer Wärmekapazität, beispielsweise aus Aluminium, besteht, damit er sich schnell
den Temperaturänderungen in der Säule anpassen kann, befindet sich auf :der Säule
unter Zwischenschaltung .des üblichen Kontaktstückes und der Isolationsscheibe oder
Unterlage. Die Nabe 52 erstreckt sich nach oben und ist bei 53 mit dem Tragstern
47 schwenkbar verbunden. Die Nabenverlängerung ist durch einen diametralen Schlitz
geteilt, während rechtwinklig zu dem Schlitz Lochungen für den Drehzapfen 53 angebracht
sind. Die Wirkungsweise dieser Ausgleichsvorrichtung ist folgende.
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Der Ring 5o folgt ,dem Temperaturanstieg der Kohlensäulen 41 und dehnt
sich im Durchmesser aus. Die Speichen 51 dehnen sich andererseits wenig oder überhaupt
nicht aus, so daß deren Neigung abnimmt. Das aber hat eine Abnahme des Abstandes
innerhalb der Vorrichtung zwischen der Nabe 52 und dem Ring 5o zur Folge. Die Größe
des Ringes und die anfängliche Neigung der Speichen ist so bemessen, daß die Verlängerung
des Abstandes innerhalb .der Ausgleichsvorrichtung die Zunahme der Kohlensäulenlänge
im wesentlichen innerhalb eines genügenden Bereiches der Temperaturänderung ausgleicht.
Damit die Neigung der Speichen 51 sich leicht ändern kann, können diese aus verhältnismäßig
nachgiebigem Draht ausgebildet sein, wenn eine genügende Anzahl von Speichen vorgesehen
wird, um auf die Säule einen Höchstdruck auszuüben.
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Die Betriebsweise eines derartigen Lampenspannungsreglers kann als
bekannt vorausgesetzt und braucht deshalb im einzelnen nicht beschrieben -zu werden.
Die meist übliche Anordnung ist die, daß die Magnetwicklung 3 der Lampenspannung
unterworfen wird, während die Kohlensäulen 41 einen mit der Lampenbelastung in Reihe
geschalteten Widerstand darstellen. Die verschiedenen Säulen sind zueinander parallel
geschaltet. Hat die Lampenspannung das Bestreben zu steigen, so bewirkt der Regler
eine Entlastung des auf den Säulen lastenden Druckes und somit eine Zunahme des
Widerstandes der Säulen. Mithin wird die Spannung an den Lampen selbsttätig konstant
erhalten. Die ursprüngliche Einstellung des Reglers wird durch die Einstellvorrichtung
35 und 4.6 vorgenommen.