DE698458C - - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
11. NOVEMBER 1940

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Klasse 2id² gruppe

A 85560 VIIId]2id²

2>r.-3ttg» Ernst Lehr in Augsburg

ist als Erfinder genannt worden.

Askania-Werke Akt.-Ges. in Berlin-Friedenau Hochfrequenzgenerator der Gleichpolbauart

Patentiert im Deutschen Reiche vom 22. Januar 1938 ab Patenterteilung bekanntgemacht am 10. Oktober 1940

Die Erfindung bezieht sich auf die Ausbildung eines Hochfrequenzgenerators der Gleichpolbauart mit gezahntem, bewickeltem Ständer und unbewickeltem, gezahntem Läufer. Bei Drehung des Läufers wird bekanntlich der magnetische Widerstand des Luftspaltes und damit die Stärke des diesen durchsetzenden Erregerflusses gleichbleibender Richtung periodisch geändert. Diese periodischen Flußänderungen rufen in den Ständerwicklungen im gleichen Takt nach Größe und Richtung wechselnde elektromotrische Kräfte hervor.

Die Erfindung bezweckt nun die Schaffung eines Hochfrequenzgenerators, dem eine' von Störfrequenzen möglichst freie Hochfrequenzspannung konstanter · Amplitude entnommen werden kann. Dies ist beispielsweise bei der Speisung von Meßstellen von Bedeutung, an denen Veränderungen der Meßgröße, wie ao Längenänderungen, Verschiebungen, Schwingungen, Verdrehungen o. dgl., entsprechende Änderungen der Amplitude des Meßstromes nach sich ziehen, deren Messung bzw. Aufzeichnung eine Bestimmung der Meßgröße gestattet. Die Änderung des hochfrequenten Meßstromes kann z. B. auf dem Wege über Luftspaltänderungen eines hochfrequenterregten elektromagnetischen Kreises, ζ. B. von Drosseln oder Transformatoren, oder auf dem Wege über Änderungen einer mit Hochfrequenz gespeisten Kapazität erfolgen. Da bei solchen Messungen jede Veränderung der Amplitude des: Meßstromes einer Änderung der-Meßgröße in gleichem Maß entsprechen soll, so ist klar, daß Änderungen der Größe

der in der Maschine erzeugten elektromotorischen Kraft höchst unerwünscht sind, da diese eine Änderung der Meßgröße vortäuschen,., können. In dem Generator dürfen also keine Frequenzen erzeugt werden, die niedriger^ liegen als die Trägerfrequenz und insbeson-'" dere keine solchen, die in den Frequenzbereich der zu messenden Schwingungen fallen. Für derartige Messungen werden außerordentlich ίο hohe Anforderungen an die Konstanz der erzeugten elektromotorischen Kräfte sowie an die Freiheit von störenden Nebenschwingungen gestellt, wie sie sonst bei Maschinen zur elektrischen Krafterzeugung nicht üblich '5 sind. So dürfen die Amplituden der Störfrequenzen höchstens Bruchteile eines Tausendstels der erzeugten Spannung betragen, wenn mit einer, einigermaßen verläßlichen Auswertung der Meßwerte gerechnet werden soll.

Für die Ausbildung der Maschine ist es von größter Bedeutung, ob der gezahnte Läufer genau zentrisch gelagert ist oder nicht. Bei nicht genau zentrischer Lagerung des Läufers, die sich nie ganz vermeiden läßt, wird der magnetische Widerstand des Luftspältes für jede Stelle des inneren Ständerumfangs während einer Umdrehung des Läufers von einem Größtwert allmählich bis auf einen Kleinstwert ab- und darauf wieder bis auf den Größtwert zunehmen. .- Als Folge davon schwankt in demselben Maß die Amplitude der in einer Wicklung des Standers erzeugten hochfrequenten Schwingung, d. h. die hochfrequente Schwingung ist mit einer niederfrequenten Schwingung von gleicher Periodenzahl wie die Umlauf zahl des Läufers moduliert.

Es ist von zweipoligen Mehrphasenmaschinen der eingangs erwähnten Bauart her bekannt, die beiden zur gleichen Phase gehörigen, durch dasselbe Erregerfeld magnetisierten gezahnten Ständerpole diametral zu dem gezahnten Läufer anzuordnen und die zugehörigen Wicklungen hintereinanderzuschalten. Bei einer derartigen Anordnung sind infolge der Gleichphasigkeit der beiden Stäaderpole Jn bezug auf den gezahnten Läufer auch die: in. deren Wicklungen indu-5« zierten hochfrequenten elektromotorischen Kräfte in Phase und können daher denselben Stromkreis speisen. Da bei Zunahme des Laftspaltes linier dem. einen-der -beiden zu einer Phase gehörigen bewickelten, gezahnten 5.5 Ständerpole der Luftspalt unter dem anderen, diametral angeordneten gezähnten Ständerpol in entsprechendem Maße .abnimmt, so wird die Amplitude der hochfrequenten Schwingung in: der. einen Wicklung kleiner, während diejenige dejr in der Wanderen Wicklung .erzeugten hochfrequenten Schwingung größer wird. Die Amplituden der in den Wicklungen erzeugten, der Hochfrequenz überlagerten Niederfrequenz sind daher einander entgegengesetzt. Da sich aber auch bei noch so ; genauer konstruktiver Ausbildung der Maschine, z. B. durch geringe maßliche und werkstoffliche Unterschiede, eine völlige Amplitudengleichheit der überlagerten niederfrequenten Schwingungen nicht erzielen läßt, so ist auf diesem Wege eine Kompensation der niederfrequenten Überlagerung nicht in dem Maße erreichbar, wie es für die Speisung von Meßstellen erwünscht ist.

Erfindungsgemäß liegt-jeder der beiden diametral und gleichphasig zum Läufer angeordneten gezahnten Ständerpole in je einem für sich in der Stärke regelbaren magnetischen Erregerkreis. Die Amplituden der Überlagerungsschwingungen in beiden zum ⁸» Läufer diametralen Ständerwicklungen lassen sich nunmehr durch Änderung eines der beiden zugehörigen Erregerfelder oder beider in ihrer . Stärke, z. B. durch Verändern der Größe der Magnetisierungsströme, auf das gewünschte Maß in Übereinstimmung brin- gen. Bei Hintereinander- oder Parallelschaltung beider diametral zum Läufer liegender Ständerwiddungen beben sich dann die auf gleiche Stärke gebrachten, einander entgegengesetzten niederfrequenten elektromotorischen Kräfte auf, so daß eine Modulation der Hochfrequenz durch den niederfrequenten, durch das Vorhandensein einer Unwucht hervorgerufenen Störstrom praktisch nahezu vermieden ist. Eine zweckmäßige Anordnung ergibt sich dadurch, daß jeder Erregerkreis über je einen zweiten bewickelten, gezahnten Ständerpol geschlossen wird und beide gezahnten Ständerpole jedes Erregerkreises gleichphasig zum Läufer und diametral zu je einem Ständerpol des anderen Erregerkreises angeordnet werden. Das bedeutet eine Vermehrung der Meßkreise, da die Wicklungen je zweier diametral -zueinander angeordneter, ¹⁰S verschiedenen Erregerkreisen angehöriger Ständefpole zu: einem Paar zusammengeschaltet werden können und zur Stromversorgung je eines, getrennten Meßkreises dienen können. LrAbb. ί ist eine solche Anordnung als Ausführuhgsbeispiel schematisch dargestellt.

L ist der Läufer des Stromerzeugers, der an seinem Umfang gleichmäßig gezahnt ist. Die Maschine besitzt zwei vollständig voneinander getrennte, gleichartige Erregerkreise, bestehend aus den Eisenjochen J₁ und Js, die von je einer Erregerspule M₁, M₂ magnetisiert werden. Die Kraftlinien der Erregerspule M₁ treten, aus dem Joch J₁ durch den mit einer WiCkIuHgW₁ versehenen ge- 1*0 zahnten . Ständerpol P₁. in den Läufer L und aus diesem über den mit einer -Wicklung%

versehenen gezahnten Ständerpol p₃ in das Joch Z₁ zurück. In gleicher Weise besitzt das Joch J₂. zwei gezahnte Ständerpole p₂ und ps, welche Wicklungen w_z, ζυ_ί tragen, s Hier wird ein entsprechender Kraftlinienweg .gebildet, wie die eingezeichneten Kraftlinien es verdeutlichen. ■ '

Jeder der vier Ständerpole besitzt Zähne S₁ bzw. S₂, ζ_Ά, z_b und zwar in dem dargestellten Ausführungsbeispiel je zwei, deren ' Zahnteilung gleich der Zahnteilung des Läufers L ist. Die Ständerpoie p\, p₂ sind diametral zum gezahnten Läufer L angeordnet, ebenso die Ständerpole p_z, />₄. Die' Zähne sämtlicher Ständerpole sind gleichphasig zu den Zähnen des Läufers angeordnet, d. h. sie haben die gleiche Lage zu den Zähnen des Läufers. Stehen z. B-. die Zähne ^₁ des Ständerpoles p_t den Zähnen xr/ des Läufers genau gegenüber, so trifft dies auch hinsichtlich der Lage der Zähne S₂, ζ_Ά, S₁ der übrigen Ständerpole p₂, p_Sx und ^₄ zu den Zähnen Z₂', Sg, Si des Läufers zu. Dadurch, daß die Zähne der beiden Ständerpole p_u p_A bzw. p.₂,

«5 Pi jedes Erregerkreises gleichphasig zum Läufer angeordnet sind, wird insbesondere erreicht, daß die magnetischen Widerstände der beiden in jedem Erregerkreis liegenden Luftspalte in ihrer Größe immer angenähert gleich sind/ so daß die mögliche Änderung des magnetischen Gesamtwiderstandes- der Luftspalte ein Maximum wird. _: Da auch, die Zahne zweier diametral zum Läufer angeordneter Ständerpole P₁, p₂ bzw. p$, ^₄ gleichmäßig zum Läufer angeordnet sind, so können, infolge Gleichphasigkeit der in den entsprechenden Wicklungen bei in Drehung versetztem Läufer induzierten elektromotorischen Kräfte, diese hintereinandergeschaltet werden.

Jedes Erregerfeld ist in seiner Stärke un- · abhängig regelbar. Die Erregerfeldstärken werden so lange geändert, bis die in den Wicklungen je zweier diametraler Ständerpole er-■ 45 zeugten, einander entgegengesetzten niederfreuenten elektromotorischen Kräfte einander gerade aufheben. Die zu'einem Paar zusammengeschalteten Wicklungen je zweier diametral zueinander angeordneter, verschiedenen Erregerkreisen angehöriger Ständerpole können je einen getrennten Meßkreis mit Strom versorgen. Da die in beiden Wicklungspaaren induzierten elektromotorischen Kräfte in Phase liegen, so können auch beide Wicklungspaare zur Stromversorgung desselben Meßkreises herangezogen werden.

Die vorbes'chriebene Kompensation des Unwuchtstromes wird auch erreicht, wenn das eine Paar diametraler' Ständerpole, iinbe-

fio wickelt'bleibt; auch könnte die Zähnung; dieses Polpaares fortfallen,.

- Damit die bei Drehung des gezahnten Läufers erzeugten periodischen Schwankungen des magnetischen- "Flusses der Gleichfelderregung' keine das Erregerfeld beeinflussende -Induktion; hervorrufen können/ wird von einem an" sich bekannten Mittel Gebrauch gemacht. Man hat bereits-bei Wechselstromerzeugern der eingangs erwähnten Bauart das magnetische Erregerfeld durch Anwendung von "zum gezahnten Läufer versetzten Ständerzahnpolen derart unterteilt, daß bei ange-^v triebenem Läufer der Luftspalt von zeitlich gegeneinander phasenverschobenen, magnetischen Teilflüssea von mit der gleichen Periodenzahl wechselnder Stärke durchsetzt wird, die sich zu einem konstanten Wert addieren. In weiterer Ausbildung des Erfindungsgeg-enstandes werden zur ,Vermeidung einer Induktion in der Gleichfelderregung bei n-i acher Unterteilung des magnetischen Kraftflusses jedes in der Stärke für sich re- gelbaren Erregerfeldes eine, w-fache Anzahl von diametral und gleichphasig zu deni gezahnten Läufer" angeordneten gezahnten Ständerpolpaaren mit von jeweils verschiedenen Erregerkreisen magnetisierten Polen" und paarweise zusammengeschalteten Wicklungen vorgesehen, während die von den. magnetischen Teilflüssen durchsetzten Zähne der einzelnen Ständerpolpaare gegeneinander um

— der Läuferzahnteilung versetzt sind. Eine

derartige Ausführungsform ist schematisch in Abb. 2 bei einer Maschine mit zwei für sich in der Stärke regelbaren gleichartigen Erregerkreisen dargestellt.

Der von der Erregerspule M₁ ausgehende magnetische Kraftfluß tritt-aus dem JoChJ₁ über zwei gezahnte StänderpoleP₁, p₂ in den ion Läufer jL ein und aus diesem über.zwei weitere gezahnte Ständerpole ^₃, £₄ wieder in das JoChJ₁. Die Zähneder von je einem magnetischen Teilfluß durchsetzten Ständerpole p_u p₂ sind gegeneinander um ¹J₂ Läuferzahntei- iof, lung versetzt. ■ Dasselbe trifft auf. die Zähne der zugehörigen beiden anderen Ständerpole p₄, p_a zu. Die Zähne derjenigen Ständerpoie,-welche den gleichen magnetischen- Teilfluß führen, das sind die Pole ^₁, ^₃ bzw. die no Pole/7₂, /?₄, sind gleichphasig zum Läufer angeordnet, so daß wieder die mögliche Änderung dqs magnetischen Gesamtwiderstandes ' der von jedem Teilfluß durchsetzten Luftspalte ein Maximum wird. Bei angetriebenem Läufer werden daher magnetische Teilflüsse von mit der gleichen Periodenzahl wechselnder Stärke erzeugt, deren periodische Schwankungen gegeneinander zeitlich' um i8o° phasenverschoben, sind. Diese Teilflüsse addieren sich daher zu einem Fluß konstanten Wertes, der .die Erregerspule durchsetzt.

Eine das Erregerfeld beeinflussende Induktion ist daher vermieden.

In gleicher Weise tritt «der von der Erregerspule M₂ ausgehende magnetische Kraftfluß aus dem Joch J₂ über zwei gezahnte Ständerpole p₅, p_a in den Läufer L ein und aus diesem über zwei weitere gezahnte Ständerpole p₇, p₈ wieder in das Joch/₂ zurück. Die Anordnung dieser Ständerpole entspricht derjenigen der Ständerpole P₁ bis p±. Dabei ist die Anordnung wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel so getroffen, daß je zwei von jeweils verschiedenen Erregerkreisen magnetisierte Ständerpole einander diametral gegenüberstehen und zugleich gleichphasig zum Läufer angeordnet sind. Die Anordnung der Ständerpole p₅ bis p_s ist daher der Anordnung der PoIe^₁ bis pi spiegelbildlich gleich. Die Wicklungen jeweils zweier diametral gegenüberliegender ' Pole sind elektrisch hintereinandergeschaltet, so daß vier Meßkreise gespeist werden können. Infolge der Gleichphasigkeit der Ständerpole P₁, p₅ und p_z, p₇ können die Wicklungen dieser Polpaare auch in Hintereinanderschaltung einen einzigen Meßkreis mit Strom versorgen. Dasselbe trifft für die ebenfalls zum Läufer gleichphasigen Ständerpole p₂, p_e und pi, P₈ zu.

An Stelle einer Unterteilung jedes Erregerflusses in zwei Teilflüsse, deren Schwankungen zeitlich um· 180 ° gegeneinander versetzt sind, kann die Unterteilung auch z. B. in drei Teilflüsse vorgenommen werden, deren Schwankungen dann um 120 ° zeitlich gegeneinander phasenverschoben sind. Es sind dann bei Verwendung zweier für sich regelbarer Erregerkreise an Stelle von acht Ständerpolen, entsprechend Abb, 2, deren zwölf erforderlich, von denen jeweils drei Ständerpole' von den sich zu einem konstanten Wert ergänzenden Teilflüssen durchsetzt sind. Die Zähne solcher drei Ständerpole sind dann gegeneinander um ¹^ Läuferzahnteilung versetzt. Durch Zusammenschaltung je zweier diametral zueinander angeordneter Ständerpole können maximal sechs Meßkreise. mit Strom versorgt werden, während bei Zusammenschaltung aller gleichphasiger Ständerpole Strom für drei Meßkreise gewonnen werden kann.

Die Maschine kann natürlich auch eine Anzahl von Gruppen jeweils zweier in ihrer Stärke unabhängig voneinander regelbarer Erregericreise und eine dementsprechende Anzahl gleichphasig und diametral zum Läufer angeordneter Ständerpolpaare mit von jeweils verschiedenen Erregerkreisen magnetisierten Polen und paarweise zusammengeschalteten Wicklungen" besitzen. Eine solche Ausführungsform zeigt Abb. 3.

Hier sind vier unabhängig voneinander regelbare Erregerkreise i, 2, 3, 4 vorgesehen, von denen jeder zwei Ständerpole p, p magnetisiert. Die Erregerwicklungen M, M je zweier Erregerkreise sind diametral zum Läufer L angeordnet, ebenso zwei der von diesem magnetisieren Ständerpole p. Die Tüttae. sämtlicher Ständerpole sind gleichphasig zum Läufer angeordnet. Es ist also der Einfachheit der Darstellung halber eine der Abb. 1 entsprechende Anordnung der Ständerpole gewählt. Die Wicklungen je zweier gegenüberliegender Ständerpole sind elektrisch zusammengeschaltet. Mit dieser An-Ordnung könnten also vier Meßkreise gespeist werden gegenüber zwei Meßkreisen der Abb. 1. Eine andere Art, um bei gedrängter Bauweise die Zahl der Meßkreise zu erhöhen, ist in Abb. 4 dargestellt. Diese Abbildung zeigt die Zusammenfassung zweier nach den vorhergehenden Ausführungsbeispielen hergestellter Ständer- und Läufersysteme zu einer Maschineneinheit. Die beiden Ständer S₁, S₂, von denen jeder, getrennt vom anderen Joch, Erregerwicklungen und gezahnte Ständerpole trägt sowie die beiden gezahnten Läufer L₁, L₂ -sind in Richtung der Generatorwelle O hintereinander angeordnet, wobei beide Läufer von der Generatorwelle O getragen werden. Beide Läufer und Ständer sind von einem gemeinsamen Maschinengehäuse H umschlossen. Die Maschine stellt also einen Doppelgenerator dar, wobei jeder Einzelgenerator zur Stromentnahme für eine bestimmte Zahl von Meßkreisen geeignet ist. Je nachdem, ob die Erregung beider Generatoren oder nur eines der beiden eingeschaltet ist, kann beiden Generatoren unabhängig voneinander oder nur einem einzigen Strom entnommen werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Hochfrequenzgenerator der ■Gleichpolbauart mit ünbewickeltem, gezahntem Läufer und einem Ständer mit einer Anzahl von Gruppen aus je zwei diametral und gleichphasig zu dem Läufer angeordneten gezahnten Ständerpolen, deren Wicklungen elektrisch zusammengeschaltet sind, insbesondere zur Erzeugung von Meßströmen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ständerpol einer Gruppe in je einem für sich in der Stärke regelbaren magnetischen Erregerkreis liegt.
2. 2. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Erregerkreis über je einen zweiten bewickelten, gezahnten Ständerpol geschlossen ist und beide gezahnten Standerpole jedes Erregerkreises gleichphasig zum Läufer und diametral zu je einem

   Ständerpol des anderen Erregerkreises angeordnet sind.
3. 3. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch ι oder 2, bei dem das magnetische Erregerfeld durch Anwendung von zum gezahnten Läufer versetzten Ständerzahnpolen derart unterteilt ist, daß bei angetriebenem Läufer der Luftspalt von zeitlich gegeneinander phasenverschobenen, magnetischen Teilflüssen von mit der gleichen Periodenzahl wechselnder Stärke durchsetzt wird, die sich zu einem konstanten Wert addieren, dadurch gekennzeichnet, daß bei κ-facher Unterteilung des magnetischen Kraftflusses jedes in der Stärke für sich regelbaren Erregerfeldes eine w-fache Anzahl von Gruppen aus je zwei diametral und gleichphasig zu dem gezahnten Läufer angeordneten gezahnten Ständerpolen vorgesehen sind, während die von den magnetischen Teilflüssen durchsetzten Zähne der einzelnen Ständerpolgruppen gegeneinander um — der Läuferzahnteilung versetzt sind. -
4. 4. Aus einer Anzahl von nach den Ansprüchen ι bis 3 ausgebildeten, axial hintereinander angeordneten und zu einer Maschineneinheit zusammengebauten Teilgeneratoren bestehender Hochfrequenzgenerator mit für alle Läufer gemeinsamer Welle.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen