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Elektromagnetisches System mit mindestens zwei zur Stromaufnahme eingerichteten
Wicklungen Die Erfiiiclutlg bezieht sich auf ein elektromagnetisches System mit
mindestens zwei zur Stromaufnahme eingerichteten Wicklungen, insbesondere in Form
eines Strom- oder Spannungswandlers, aber auch für sonstige Zwecke, bei denen bisher
Spulen bzw. Wicklungen aus elektrisch gut leitendem Metall mit I?isenkern verwendet
wurden, wie Drosselspulen, Vb'echselstrommaschinen. Wirl>elstroml>remsen, elektreniagiietische
Heizsysteme u. a: m.
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Der Zweck der Erfindung ist, die gut leitenden Wicklungsmetalle, wie
Kupfer, Aluminium oder Zink, weitgehend oder ganz beim Aufbau zu ersparen. Dieses
"Ziel wird dadurch erreicht, daß im einfachsten Falle hei dein elektromagnetischen
System gemäß der Erfindung mindestens eine der Wicklungen, vorzugsweise alle, ans
FisVn oder einem sonstigen ferromagnetischen Werkstoff bestehen und mindestens zwei
der Wicklungen derart ineinandergreifen, daß jede der ineinander@greifenden Wicklungen
sowohl von ihrem eigenen Strom als auch von mindestens einer bzw. der anderen Wicklung(en)
magnetisiert wird.
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Der Leitungswiderstand von Eisen in der für magnetische Zwecke geeigneten,
d. h. möglichst unlegierten Form von Weicheisen ist etwa sechsmal so hoch wie der
von Kupfer. Man hat es daher bisher für technisch untragbar gehalten, eine Kupferwicklung
durch eine elektrisch gleichwertige Eisenwicklung zu ersetzen, deren Gewicht mindestens
fünfmal schwerer ausfällt, deren Abmessungen z. B. bei einem Tranformator unzulässig
groß würden und deren ,1bkühlungsverhältnisse gleichfalls außerordentlich
ungünstig
ausfallen würden, wenn man im übrigen an dem grundsätzlichen Aufbau der bekannten
elektromagnetischen Systeme nichts ändern würde. Insbesondere würde dann auch der
übliche Eisenkern für den magnetischen Fluß wesentlich länger als bei einer gleichwertigen
Kupferwicklung.
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Diese Mißstände werden nun gemäß der Erfindung auf ein durchaus tragbares
Maß dadurch zurückgeführt, <iaß der Eisenkern der einen zweier einander zugeordneter
Wicklungen durch die zweite Wicklung selbst gebildet wird und die erste Wicklung
wiederum den Eisenkern für die zweite ersetzt.
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In der genannten einfachsten Form des elektromagnetischen Systems,
die aber praktisch für übliche Trans formatorenzweckeweniger geeignet ist, könnte
die Sekundärwicklung aus Eisen oder ferromagnetischem Material konzentrisch zur
Primärwicklung, z. B. um diese herumgewickelt werden, wobei beide einen gemeinsamen,
verketteten magnetischen Fluß haben. Bei Verwendung von mehr als zwei Wicklungen
könnte eine oder mehrere auch aus Kupfei-oder sonstigem gut leitendem Metall bestehen,
wenn keine vollständige Einsparung dieser Wicklungsmetalle gewünscht wird. In diesem
Falle kann sogar bei Verwendung von nur zwei Wicklungen für besondere Zwecke eine
aus gut leitendem Metall bestehen, wenngleich dies weniger zu den Zielen der Erfindung
gehört. Bei der bevorzugten Ausführung eines elektromagnetischen Systems gemäß der
Erfindung als Drosselspule greifen die Wicklungen aus Eisen oder ferromagnetischem
Material wie Kettenglieder ineinander. Die genannten Prinzipien der Erfindung lassen
sich besonders -günstig auf einen elektrischen Strom- oder Spannungswandler in der
Form anwenden, daß mindestens zwei Wicklungspaare aus Eisen oder ferromagnetischem
Material paarweise wie Kettenglieder ineinandergreifen, wobei je eine Wicklung eines
Paares zusammen mit einer Wicklung des anderen Paares eine Primärwicklung und die
übrigbleibenden Wicklungen zusammen die bzw. je eine Sekundärwicklung bilden. Jedes
der Spulenpaare erzeugt im anderen Spulenpaar ein Magnetfeld; die primärseitig bzw.
sekundärseitig zusammengehörigen Wicklungen können in Reihe oder parallel geschaltet
sein.
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Die magnetischen Kraftlinien, welche in der Wicklung verlaufen, müssen
als geschlossene. Linien senkrecht zu den Windungen den isolierenden Zwischenraum
durchsetzen. Für diesen Übertritt steht ihnen aber die ganze Länge einer Windung
zur Verfügung, so daß die für den Übertritt aufzuwendenden Amperewindungen gering
sind. Rechnung und Messung zeigen übereinstimmend, daß der zu diesem Zweck erforderliche
Mehraufwand an Arnperewindungen praktisch vernachlässigt werden kann.
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Bei einer praktischen Ausführung des Erfindungsgedankens als Einphasen-Transformator
für etwa aoo Watt Leistung für ein Gleichrichteraggregat zeigt es sich, daß bei
gleicher Leistung und gleichem Wirkungsgrad das Gewicht sich nur um etwa 25 % und
die linearen Abmessungen sich nur etwa 8 % I gegenüber einem Transformator normaler
Bauart erhöhen.
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Günstig gestalten sich gemäß der Erfindung auch die Abkühlungsverhältnisse:
Während bei normalen Kupferwicklungen und Eisenkern der überwiegende Teil der Wärme
als Stromwärme in der Wicklung auftritt und im Kern nur die Ummagnetisierungswärme,
ist beim Erfindungsgegenstand die Wärmeentwicklung gleichmäßig auf die gesamte Metallmasse
der Wicklungen oder Wicklungspaare verteilt. Für den Wärmeübergang nach außen steht
daher an sich schon, pro Grad des Temperaturgefälles gerechnet, eine relativ größere
Oberfläche zur Verfügung, die durch die Vergrößerung der linearen Abmessungen noch
weiter vergrößert wird. Die verschlechterte Wärmeleitung im Innern des Systems wird
daher durchaus ausgeglichen durch den verbesserten Wärmeübergang an seiner Oberfläche,
der für die Abkühlung von größerer Bedeutung ist.
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Für größere Leistungen von Einphasen-Transformatoren werden zweckmäßig
mindestens drei Wicklungspaare kreuzförmig so angeordnet, daß zwei oder mehr Wicklungspaare
um eine oder mehrere konzentrische Wicklungen herumgewickelt sind, die dabei der
ersteren Träger bzw. Träger ihrer Wickelkerne bilden. Zum Wickeln eines derartigen
Systems kann gemäß der Erfindung ein mehrteiliger, antreibbarer, auf eine fertige
ringförmige Wicklung oder mehrere lagerbarer Spulenkörper, mit der Ringform angepaßter,
vorzugsweise doppeltreppenförmiger Wickelfläche verwendet werden, der zweckmäßig
nach dem Wickeln der in den Ringkörper eingreifenden Wicklung(en) wieder entfernbar
ist.
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Bei Anwendung des Erfindungsgedankens auf einen Transformator für
drei Phasen werden zweckmäßig drei Wicklungspaare, jeweils aus mindestens einem
Primärteil und mindestens einem Sekundärteil bestehend, vorgesehen, die kettengliedartig
in je zwei Glieder eines vorzugsweise (im Schnitt) dreieckartigen Wicklungsverbandes
eingreifen, wobei jedes Glied dieses Verbandes aus mindestens je einer Primär- und
einer Sekundärwicklung besteht. Das Wickeln eines solchen Transformators kann mit
einer entsprechend angepaßten Wickelvorrichtung, im vorstehenden beschrieben, leicht
maschinell durchgeführt werden.
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Der Erfindungsgedanke ist naturgemäß entsprechend auf die Herstellung
von Transformatoren mit mehr als drei Phasen anwendbar, wenn man nicht vorzieht,
für jede Pliase eines -Nfehrphasen-Transformators einen Einpliasen-Transformator
der eingangs geschilderten Art zu verwenden.
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Ein weiteres großes Anwendungsgebiet des Erfindungsgedankens erstreckt
sich auf elektromagnetische Wechselstrommaschinen. Dabei können die vorzugsweise
kettengliedartig ineinandergreifenden Wicklungen bzw. Wicklungspaare unterbrochene
Wicklungsringe mit Polen bzw. Polschuhen an den Unterbrechungsstellen bilden und
an diesen Stellen Polräder (Dauermagnete oder fremderregte Anker) aufnehmen, die
zusammen den Rotor einer Wechselstrommaschine bilden. Ersetzt man bei dieser Anordnung
die Polräder durch beweglich,
z. B. drehbar, gelagerte Metallschreiben,
so hat man eine nach dem Erfindungsprinzip aufgebaute Wirbelstrombremse.
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Verwendet man statt isolierten Eisendrahtes für die Wicklungen dünnes
Eisenband und für die Isolierung Lack, dünnes Papier o. dgl., wie es insbesondere
bei kleineren Spannungen und größeren Leistungen empfehlenswert ist, so gestaltet
sich nicht nur der mechanische Aufbau und das Wickeln besonders einfach, sondern
ergeben sich auch weitere Vorteile für die Wärmeabfuhr dadurch, daß die Wärmeleitung
bis an die Oberfläche als metallische Leitung praktisch widerstandslos vor sich
geht und auch der Wärmeübergang an der Oberfläche, an den Stirnseiten der Eisenbänder,
nicht durch Isoliermaterial behindert wird. Für größere Stromstärken kann man das
Eisenband der Dicke nach in Lamellen von möglichst nicht mehr als 1/1o mm Stärke
aufspalten, um die Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste einzuschränken.
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In der Zeichnung sind drei Ausführungsformen der Erfindung und eine
zugehörige Wickelvorrichtung schematisch und beispielsweise dargestellt, und zwar
zeigt Fig. i in Draufsicht, teilweise im Schnitt, eine Ausführung als Drosselspule,
Fig. 2 schaubildlich eine Ausführung als Transformator mit zwei Spulenpaaren, Fig.
3 in Seitenansicht und Fig.4 in um 9o° gedrehter Seitenansicht, teilweise im Schnitt,
eine Ausführung mit kreuzförmiger Anordnung dreier zusammengesetzter Spulensysteme
als Einphasen-Transformator, Fig. 5 in Draufsicht, teilweise im Schnitt, und Fig.
6 im Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 5 eine Ausführung als Dreiphasen-Transformator
und Fig.7 schaubildlich das Schema einerAusführung als Wechselstrommaschine oder
Wirbelstrombremse. Nach Fig. i wird eine Drosselspule durch zwei wie Kettenglieder
ineinandergreifende Wicklungen i und 2 gebildet, von denen jede aus isoliertem Eisenband
der vollen Breite der Wicklung und etwa 1/1o mm Dicke gewickelt ist. Die Wicklung
i erzeugt ein Magnetfeld in der Wicklung 2, und die Wicklung 2 erzeugt ein Magnetfeld
in der Wicklung i. Die Wicklungen können in Reihe oder parallel geschaltet sein
und Strom führen.
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Bei der Ausführung nach Fig.2 greifen zwei Wicklungspaare 3, 4 und
13, 14 paarweise wie Kettenglieder ineinander. Die Wicklung 3 des einen Paares bildet
zusammen mit der Wicklung 13 des anderen Paares die Primärwicklung und die Wicklung
4 des ersten Paares zusammen mit der Wicklung 14 des zweiten Paares die Sekundärwicklung
eines Eisentransformators.
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Die Wicklungen 3 und 13 können miteinander parallel oder in Reihe
geschaltet sein, ebenso die Wicklungen ,1 und 14.
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Fig. 3 und 4 zeigen eine kreuzförmige Anordnung von fünf ringförmigen
Spulen, die als Ganzes mit 5, 6, 7, 8 und 9 bezeichnet sind und von denen die Spulen
5, 6 und 7 jeweils wieder aus mehreren Wicklungen zusammengesetzt sind. Die Wicklungen
io, i i und 12 gehören zusammen mit den Wicklungen 15, 16, 17 zu der Spule 5, in
Reihen- oder Parallelschaltung. Ferner gehören zu diesem Spulensystem, z. B. als
Primärsystem, die Spulen 18, i9 und 2o der Spule 5 in Reihen- oder Parallelschaltung.
Ebenso gehören zusammen die Wicklungen 21, 22, 23, 24, 25, 26 der Spule 6 mit den
Wicklungen 27, 28, 29, 30, 31, 32 der Spule 7, in Reihen-oder Parallelschaltung,
und zu diesem System, z. B. Sekundärsystem, gehören ferner die Spulen 8 und 9 in
Reihen- oder Parallelschaltung.
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Das Wickeln der Spulensysteme geht so vor sich, daß zunächst die Spule
5 mit einer gewöhnlichen bekannten Wickelvorrichtung gewickelt wird. Auf diesen
Ringkörper 5 wird ein vierteiliger Spulenkörper 33 aufgeschraubt, wobei die Lagerung
des Spulenkörpers von außerhalb mittels Rollen 38 erfolgen kann. Der Spulenkörper
33 besteht aus einem vierteiligen Kasten, dessen Stirnwandungen mit Zahnkränzen
34 für den Antrieb durch Ritzel 35 von einer außerhalb an einem Schwenkarm 36 gelagerten
Antriebswelle 37 aus erfolgen kann. Mit Hilfe dieses Spulenkörpers werden nun nacheinander
die Spulen 6 und 7 um die Spule 5 herumgewickelt. Zuvor schon können in gleicher
Weise mittels eines entsprechenden vierteiligen Spulenkörpets auch die Spulen 8
und 9 um die Spule 5 herumgewickelt werden. Nach Beendigung des Wickelns einer dieser
eingreifenden Spulen werden die Spulenkörper auseinandergeschraubt und entfernt.
Die Wickelfläche der Spulenkörper ist dem Ringprofil der Spule 5 treppenförmig angepaßt.
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Fig.5und6 zeigen dieAnwendungdesErfindungsgedankens auf einen Dreiphasen-Transformator.
41, 42 und 43 sind Wicklungspaare mit einem Dreiphasensystem. Jedes Wicklungspaar
besteht je aus einem Primärteil und einem Sekundärteil, z. B. das Wicklungspaar
41 aus den Spulen 43 und 44 und das Wicklungspaar 42 aus den Spulen 45 und 46.
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47,48 und 49 sind die Wicklungspaare des anderen Dreiphasensystems,
die entsprechend aus je zwei Spulen zusammengesetzt sind. Bei beiden Systemen sind
die Spulen 41, 42, 43, 47, 48, 49 in Fig. 5 bzw. 47 in Fig. 6 der Übersichtlichkeit
halber nur in Umrissen mit gestrichelten Linien angedeutet. Wie in Fig. 5 ersichtlich,
bilden die Spulen 50 und 51 des Wicklungspaares 47 mit den Spulen des Wicklungspaares
48 und den Spulen 54, 55 des Wicklungspaares 49 im Schnitt einen Dreieckverband,
in dessen Eckpunkten je vier Spulen aneinanderstoßen und sich zu einem runden Außenquerschnitt
ergänzen. Die Schaltung der Wicklungspaare entspricht der Fig.2.
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In Fig.7 ist schematisch die Anwendung des Erfindungsgedankens auf
eine Wechselstrommaschine dargestellt. In I und II sind dabei die zwei kettengliedartig
ineinandergreifenden Wicklungspaare bezeichnet, die aus Weicheisen gewickelte magnetische
Systeme bilden. Das System I besteht aus mehreren gegeneinander isolierten Wicklungsteilen
56, 57 ... usw., das System II aus ebenso gegeneinander isolierten Teilen
58, 59 ... usw., von denen der Einfachheit halber jeweils nur zwei gezeichnet
sind.
Die Teile sind durch Leiter 6o bzw. 61 ... usw. aus nichtmagnetischem Material elektrisch
hintereinander, d. h. zu einer Wicklung geschaltet. Die Leiter sind der Übersichtlichkeit
halber nur mit gestrichelten Linien angedeutet.
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Das System I bildet an seiner Unterbrechungsstelle bei 62 und 63 Polschuhe,
das System 1I bei 64 und 65. Zwischen diesen Polschuhen liegen Polräder 66 und 67,
die auf einer gemeinsamen Welle 68 gelagert und mit ihren Polen um 9o° zueinander
versetzt sind. Sie können, wie gezeichnet, aus Dauermagneten bestehen oder mit einer
nicht gezeichneten Gleichstromwicklung erregt werden.
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Beim Drehen der Polräder wird der magnetische Fluß in den Systemen
I, I1 periodisch geändert. Dabei induziert der Wechselfluß des Systems I eine Wechselspannung
zwischen den Wicklungsenden 69 und 7o des Systems 1I, ebenso der Wechselfluß 1I
eine Wechselspannung zwischen den Wicklungsenden 71 und 72 des Systems I. Die Wicklungsenden
69, 70, 71 und 72 können parallel oder in Reihe geschaltet werden. ' Wird dem auf
diese Weise gebildeten Generator beim Drehen der Polräder ein Wirkstrom entnommen,
so erzeugt dieser in den magnetischen Systemen I und 1I einen zusätzlichen Fluß
und damit magnetische Kräfte solcher Art, daß bei der Drehung der Polräder die dem
Wirkstrom entsprechende Arbeit geleistet werden muß.
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Speist man die Wicklungsenden bzw. Klemmen 69, 70, 71, 72 mit Wechselstrom,
so gibt die beschriebene Maschine als Synchronmotor mechanische Arbeit ab.
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Ersetzt man die Polräder 66 und 67 durch Vollkreisscheiben aus Eisen
oder einem anderen guten elektrischen Leiter, so stellt das beschriebene System
bei Speisung der Systeme I und 1I mit Wechsel- oder Drehstrom eine Wirbelstrombremse
dar.
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Bei entsprechend abgeänderter Gestaltung der Polschuhe und der beweglichen
Lagerung der Anker kann die Wirbelstrombremse auch für lineare Bewegung ausgebildet
werden. Ferner kann das Prinzip der Erfindung in der vorstehend geschilderten Weise
auch auf andere Stromarten und Ankertypen entsprechend angewendet werden, z. B.
auf Kollektormaschinen.
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Wegen seiner guten Wärmeabgabeeigenschaften eignet sich das Erfindungsprinzip,
wie ersichtlich, auch für den Aufbau von Heizeinrichtungen für Raumheiz- oder industrielle
bzw. metallurgische Zwecke.
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Der Erfindungsgedanke ist grundsätzlich statt mit Eisen auch mit allen
sonstigen ferromagnetischen Stoffen und ferromagnetischen Legierungen, die elektrische
Leiter sind, durchführbar. Die Ausführung mit Eisen oder Legierungen mit hohem Eisenanteil
ist am vorteilhaftesten.