DE93912C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

KLASSE 74: Signalwesen.

Während die vollkommen synchrone Uebertragung willkürlicher Bewegungen auf geringe Entfernungen durch mechanische Mittel, wie Transmissionen und dergl., genügend leicht und sicher erfolgt, stöfst die genau synchrone Uebertragung auf gröfsere Entfernungen auf bedeutende Schwierigkeiten. Mittelst elektrischer Vorrichtungen ist es zwar schon gelungen, auf grofse Entfernungen Bewegungen synchron zu übertragen, doch konnten auf diese Weise nur verhä'ltnifsmäfsig geringe Kraftwirkungen übertragen werden.

Im Folgenden ist eine Uebertragungsart beschrieben, bei der sich mit verhältnifsmäfsig einfachen Mitteln auf beliebige Entfernungen beliebig kleine und ebenso beliebig grofse Kraftwirkungen genau synchron übertragen lassen.

Es sei (Fig. 1) A₁ B₁ eine feste stehende Spule bezw. ein Spulenpaar, A_% B₂ ein bewegliches Spulenpaar. Wird das Spulenpaar A₁ B₁ durch Wechselstrom gespeist, so wird in dem Spulenpaar A₂ B.₂ eine elektromotorische Kraft inducirt, die von dem Winkel ψ, den die beiden Spulenpaare miteinander bilden, abhängt. Werden beide Spulenpaare mit Wechselstrom von gleicher Periodenzahl gespeist, so entsteht ein Drehmoment, infolge dessen die beiden Spulenpaare sich gegenseitig anziehen oder abstofsen. Dieses Drehmoment hängt von den Stromstärken in den beiden Spulenpaaren, der Phasenverschiebung der beiden Ströme gegen einander und von dem Winkel ψ ab, den die beiden Spulenpaare räumlich mit einander bilden.

Es seien zwei derartige Apparate, etwa wie in Fig. 2 dargestellt ist, in der Weise verbunden, dafs die festen Spulenpaare A₁B₁ und A₃B₃ hinter einander, die Spulenpaare A₂B₂ und A₄ -B₄ gegen einander geschaltet sind. Die festen Spulenpaare A₁ B₁ und A₃ B₃ und ebenso die beweglichen Spulenpaare A₂ B₂ und A₄ B₄ mögen der Einfachheit und Uebersichtlichkeit wegen als von gleicher Dimension und gleicher Wickelung angenommen werden. Werden nun die festen Spulenpaare A₁ B₁, A₃ B₃ mit Wechselstrom gespeist, so werden in dem Spulenpaar A₂ B₂ und A₄ B₄ elektromotorische Kräfte ßj und e₂ inducirt. Diese elektromotorischen Kräfte sind gleich, wenn beide Spulenpaare gleiche relative Lage haben, sie haben verschiedene Werthe, wenn die festen und die beweglichen Spulenpaare verschiedene Winkel, etwa ψ_χ und ψ₂ mit einander bilden. Es entsteht demnach zwischen diesen Spulen ein Ausgleichstrom, der, mit Berücksichtigung der Phasenverschiebung, der Differenz e_t-e.₂ proportional ist. Infolge dieses Ausgleichstromes tritt ein Drehstrom auf, infolge dessen die beweglichen Spulen sich so zu richten . suchen, dafs sie - gleiche relative Lage zu den festen Spulen erhalten, dafs also Ut₁ = ψ₂ wird. Ist dieser Zustand erreicht, so verschwindet der Strom in den Verbindungsleitungen und somit das Drehmoment, und die Spulen bleiben in Ruhe.

Es wird daher durch die beschriebene Anordnung erreicht, dafs die Spulen sich stets in gleiche relative Lage zu einander einstellen. Wird das eine Spulenpaar, etwa A₂B₂, um

einen kleinen Winkel gedreht, so mufs demnach das Spulenpaar A₄ B₄ um den gleichen Winkel in der gleichen Richtung folgen. Es wird somit die Bewegung des einen Apparates, etwa mit dem Spulenpaar A₂ B₀ auf den anderen Apparat mit dem Spulenpaar A₄ B₄ übertragen, und zwar sind die Kräfte, die in beiden Apparaten auftreten, genau gleich grofs.

Anstatt die Spulenpaare A₁ B₁ und A₃ B₃ hinter einander zu schalten, können sie auch parallel geschaltet werden, ohne dafs die Wirkungsweise geändert wird. Ebenso können feste und bewegliche Spulen mit einander vertauscht werden.

Werden in einem Spulenpaar, etwa in A₄ B₄, zwei Leitungen vertauscht, so ändert sich die Phase in diesem Spulenpaar um i8o°, es stellt sich alsdann dieses Spulenpaar um i8o° verschoben ein. Die Verhältnisse bleiben im Uebrigen die gleichen. Es ist auch nicht erforderlich, dafs der Primär- und Secundärapparat (A₁ B₁, A₀ B₂ und A₃ B₃, A₄ B₄) genau gleich sind. Es ist nur nöthig, die Wickelungen so zu wählen, dafs in gleicher relativer Lage der festen Spulen zu den beweglichen in diesen gleiche elektromotorische Kräfte erzeugt werden.

In Fig. ι ist die Anordnung mit Ringwickelung gezeichnet. Feste und bewegliche Spulen können natürlich auch in anderer Weise bewickelt werden. In Fig. 3 ist beispielsweise die Bewickelung entsprechend der Trommelwickelung gezeichnet.

An Stelle der Drehbewegung kann auch eine Längsbewegung treten. Es sind hierfür die gleichen Voraussetzungen und Folgerungen mafsgebend. In Fig. 4 ist eine derartige Anordnung gezeichnet. A₁ B₁ und ^₃ B₃ seien zwei feste, A₂ B₂ und A₄B₄ zwei bewegliche Spulenpaare. Die beweglichen Spulen mögen eine solche Gröfse haben, dafs sie sich in die festen Spulen hineinschieben lassen. Werden die festen Spulenpaare A₁ B₁ und ^₃ B₃ mit Wechselstrom gespeist, so werden in den Spulenpaaren A₀ B₀ und A₄ B₄ elektromotorische Kräfte erzeugt. Sind die festen, ebenso die beweglichen Spulen congruent oder ähnlich, so sind die in den beweglichen Spulen inducirten elektromotorischen Kräfte gleich, wenn die beweglichen Spulen gleiche relative Lage zu den festen Spulen haben, es tritt dann in den Verbindungsleitungen kein Strom auf. Bei verschiedener relativer Lage zu einander tritt ein Ausgleichstrom in diesen Leitungen infolge der Verschiedenheit der elektromotorischen Kräfte auf. Infolge der Einwirkung der Ströme im festen und im beweglichen Theil treten anziehende oder abstofsende Kräfte auf, durch die die gleiche relative Lage der Spulen wieder hergestellt wird. Es wird somit bei dieser Anordnung jede hin- und hergehende Bewegung des einen Apparates synchron auf den zweiten übertragen.

Bei den bisher betrachteten Anordnungen sind Stellungen der beweglichen Spulen zu den festen Spulen vorhanden, bei denen eine Aenderung der Stellung keine Aenderung der elektromotorischen Kräfte hervorbringt; in diesen Stellungen ist demnach auch die mechanische Kraftwirkung Null. Vollkommener wird die Anordnung daher, wenn an Stelle einer beweglichen Spule (in Fig. 2 A₂ B₂ und A₄ B₄) mehrere sich kreuzende Spulen oder Spulenpaare verwendet werden. Die Spulen können hierbei ganz beliebig angeordnet sein. Es brauchen nur die Spulen des primären und secundären Apparates ähnlich angeordnet zu sein. Am vorteilhaftesten wird jedoch meist die symmetrische Vertheilung der Spulen sein. Durch die symmetrische Anordnung von mehreren Spulen wird erreicht, dafs das Drehmoment in allen Lagen des beweglichen Theiles annähernd constant bleibt. In Fig. 5 ist diese Anordnung für zwei sich rechtwinklig kreuzende Spulenpaare A₂ B₂ und ^₃ B₃ im primären und A₅ B₅ und A₆ B₆ im secundären Apparat gezeichnet. Die entsprechenden Spulenpaare A₀ B₀ und A₅ B₆ und die Spulenpaare A₃ B₃ und A₆ B₆ sind unter einander verbunden. Die festen Spulenpaare A₁ B₁ und A₄ B₄ sind parallel geschaltet und werden von einer gemeinsamen Wechselstromquelle gespeist. Der gleiche Effect wird auch erzielt, wenn die Spulenpaare A₁ B₁ und A₄ B₄ , anstatt parallel geschaltet zu werden, hinter einander geschaltet werden. Natürlich können auch hier fester und beweglicher Theil vertauscht werden.

Noch besser wird die Wirkung, wenn man auf dem festen Theil mehrere sich kreuzende Spulen oder Spulenpaare anordnet, die am vortheilhaftesten mit Mehrphasenstrom gespeist werden. Hierdurch wird eine gröfsere Stabilität der Anordnung und gröfsere Kuppelungskraft erreicht.

In Fig. 6 ist eine derartige Anordnung für Zweiphasenstrom dargestellt. Die beiden Apparate enthalten zwei sich rechtwinklig schneidende Spulenpaare ^₁ B₁ und A₀ B₂ im primären, A-_a B₅ und A₆ B₆ im secundären Apparat. Die entsprechenden Spulenpaare sind in der Figur beispielsweise parallel geschaltet. Sie werden von einer gemeinsamen Mehrphasenstrommaschine durch die Leitungen 1, 2, 3 gespeist.

In bekannter Weise kann man zwei Leitungen zu einer gemeinsamen Leitung vereinigen, so dafs nur drei Zuleitungen und drei Verbindungsleitungen erforderlich sind, wie dies auch in der Fig. 6 dargestellt ist. Die zu -B₁ und B₀ bezw. zu den Leitungen B₅

und B₆ führenden Leitungen sind hierbei zu der Leitung 3 vereinigt.

In den Spulenpaaren A₃ B₃ und A₁ -B₄ des primären und A₁ B₇ und A_g B_s des secundä'ren Apparates wird bei dieser Anordnung ebenfalls Zweiphasenstrom erzeugt. Es sind auch im beweglichen Theil zwei Verbindungsleitungen, nämlich A₃ A₁ und A^ A^ zu einer einzigen zusammengefafst. Es sind demnach insgesammt sechs Leitungen für die Kuppelung der Apparate erforderlich. Es kann noch eine Leitung des festen und eine des beweglichen Theiles zusammengefafst werden, so dafs im Ganzen nur fünf Leitungen erforderlich sind. Der secundäre Apparat folgt hierbei genau synchron den Bewegungen des primären Apparates. Die Bewegung erfolgt ganz unabhängig von dem Drehungssinn des durch den Mehrphasenstrom erzeugten Drehfeldes. Wird der primäre Apparat im Sinne des Drehfeldes oder entgegengesetzt bewegt, so folgt der secundäre Apparat' stets genau in der gleichen Richtung und mit entsprechender Winkeldrehung. Beide Apparate verhalten sich so, wie wenn sie durch ein Räderwerk gekuppelt wären.

Die Spulen A₇ B₁ und A_s B₈ können mit einander vertauscht werden, es dreht sich alsdann der bewegliche Theil einfach um 90⁰ weiter, während die übrigen Verhältnisse ungeändert bleiben. Für die Schaltung . der Spulen ist nur erforderlich, dafs das vom Zweiphasenstrom im secundären Apparat, also durch die Spulen ^₅ B₅ und A₆ B₆ erzeugte Drehfeld gleichen Drehungssinn hat, wie das durch die Differenz der elektromotorischen Kräfte in den inducjrten Windungen erzeugte Drehfeld.

Erforderlich ist demnach auch nicht, dafs der primäre und der secundäre Apparat gleichsinnig, also beide sich etwa rechts herum bewegen. Kehrt man z. B. im secundären Apparat die Reihenfolge der sämmtlichen Klemmen im festen und im beweglichen Theil und demnach auch den Drehungssinn des Drehfeldes im festen und beweglichen Theil um, so kehrt sich auch die Bewegungsrichtung des secundären Apparates um. Man kann demnach durch passende Veränderung der Leitungen im festen und zugleich im beweglichen Theil, sei es am Primär- oder am Secundärapparat, die Bewegungsrichtung des Secundärapparates beliebig ändern. Man kann beispielsweise unter Einschalten geeigneter Commutirungsvorrichtungen durch Bewegung des primären Apparates nur nach einer Richtung, im secundären Apparate Bewegungen nach beiden Richtungen hervorrufen.

Die Wickelung des primären und secundären Apparates braucht nicht gleich grofs zu sein. Erforderlich ist jedoch für ein gutes Functioniren des Apparates aufser den bereits erwähnten Forderungen, dafs bei gleicher relativer Lage des festen und des beweglichen Theiles die in den beiden Apparaten inducirten elektromotorischen Kräfte gleich bezüglich Amplitude und Phase sind.

Es ist ferner nicht nöthig, dafs die Apparate, wie dies in der Figur dargestellt ist, zweipolig hergestellt sind. Die Apparate können mit beliebig vielen Polen hergestellt werden. Es brauchen auch die Primär- und Secundärapparate nicht gleichpolig zu sein. Hat der Primärapparat K₁, der Secundärapparat n.₂ Pole, so bewirkt eine Verdrehung des W₁-poligen Apparates um einen Winkel α im Secundärapparat eine Verdrehung um den

Winkel —!- α. Es verhalten sich die beiden n_o_

Apparate demnach genau so, wie wenn sie durch Räder gekuppelt wären, deren Zähnezahlen sich wie M₁ zu n.₂ verhalten.

Die beiden Apparate brauchen auch nicht gleiche Gröfse zu haben. Die Gröfse der Apparate ist lediglich durch die Kraftäufserung bestimmt, die man von ihnen verlangt.

In den inducirten Theilen des Apparates kann eine Leitung, etwa B₃ B₇ in Fig. 6, unterbrochen werden. Die Apparate functioniren alsdann noch. Bei dieser -Anordnung führt der eine inducirende Theil Zweiphasenstrom, der inducirte Theil einfachen Wechselstrom.

Bei den durch Fig. 6 dargestellten Apparaten ist wegen der Einfachheit der Erläuterung Zweiphasenstrom zu Grunde gelegt. Statt Zweiphasenstrom kann man auch beliebigen Mehrphasenstrom nehmen. Die Schaltung wird hierbei ganz entsprechend ausgeführt. In Fig. 7 ist beispielsweise eine Schaltungsweise angegeben, bei der die beiden Apparate durch zwei (asynchrone) Dreiphasenstrommotoren gebildet werden. Der Kuppelungsstrom wird von der Primärmaschine P geliefert. Drei Leitungen, die Ströme mit einer Phasenverschiebung von 120⁰ führen, führen zu den beiden Motoren, dem primären Motor M₁ und dem secundären Motor M₂. Die inducirenden Wickelungen der beiden Motoren sind beispielsweise parallel geschaltet. Die Enden der inducirten Windungen führen zu drei Schleifringen, von denen' die Verbindungsleitungen ausgehen, wie in Fig. 7 dargestellt. Die inducirenden Wickelungen und ebenso die inducirten können beliebig in Sternoder in Dreieckschaltung verkettet sein, es kann beispielsweise die eine Wickelung in Stern, die andere in Dreieck geschaltet sein. Es können natürlich auch entsprechende Anfänge und Enden der Spulen der inducirten Theile vom Primär - und Secundärapparat einzeln oder mit gemeinsamer Rückleitung verbunden sein. Es kann auch unbeschadet

der Wirkung der inducirende Theil für Dreiphasenstrom, der inducirte Theil für Zweiphasenstrom eingerichtet sein. Im Uebrigen gelten die bei der Beschreibung des Apparates für Zweiphasenstrom erwähnten Beziehungen auch für die Dreiphasenstromapparate und umgekehrt.

Wird der Motor M₁ mit einer bestimmten Umfangsgeschwindigkeit gedreht, so dreht sich der Motor JV£, mit entsprechender Geschwindigkeit genau synchron. Die Motoren sind daher in der beschriebenen Anordnung die genauesten Synchronmotoren für Drehstrom- und Wechselstrombetrieb.

Es war bisher der Uebersichtlichkeit wegen angenommen, dafs nur ein Primär- und ein Secundärapparat vorhanden ist. Es können jedoch durch einen Primärapparat eine ganze Reihe von Secundärapparaten gleichzeitig in Thätigkeit gesetzt werden. In Fig. 8 ist eine derartige Verteilungsanlage dargestellt. P ist die Primärmaschine, die den erforderlichen Kuppelungsstrom . giebt. Die inducirenden Windungen des Primärapparates M und der Secundärapparate Wz₁ m., Mz₃ «z₄ sind parallel geschaltet, ebenso die inducirten Wickelungen. Jede Bewegung, die an dem Apparat M ausgeführt wird, wird vollkommen synchron auf alle Secundärapparate übertragen. Dreht sich der Primärapparat continuirlich, so folgen sämmtliche Apparate genau entsprechend. Ist die continuirliche Drehung nicht erforderlich, genügt es, die Apparate sprungweise etwa alle Minuten um einen bestimmten Winkel fortzubewegen, so brauchen sämmtliche Apparate nur für die Dauer der Fortbewegung an die Primärmaschine angeschlossen zu sein. Werden in den festen Stromkreis eines Secundärapparates Inductionsspulen eingeschaltet, so wird die Bewegung dieses Apparates etwas verzögert oder beschleunigt. Der Secundärapparat eilt alsdann um einen bestimmten Winkel voraus oder bleibt um diesen Winkel zurück. Die Primärmaschine P kann aufser der Transmissionsarbeit noch Energie für beliebige andere Zwecke, etwa für Lichtbetrieb, abgeben, wie dies in Fig. 8 durch die in Dreieckschaltung angeschlossenen drei Glühlampen G angedeutet ist.

Ist die Entfernung zwischen den Primär- und Secundärapparaten grofs, so können in die Leitungen noch Transformatoren eingeschaltet werden, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Durch die Transformatoren Ta und Tb wird die Spannung des Primärapparates M bezw. der Maschine P erhöht und vor den Secundärapparaten m wird die Spannung wieder zurücktransformirt. Ist der Secundärapparat für hohe Spannungen gewickelt, so können die Secundärtransformatoren auch fortfallen.

In Fig. 10 ist eine den beschriebenen Anordnungen für Drehbewegung entsprechende Anordnung für Längsbewegung, und zwar für Dreiphasenstrom dargestellt. Die drei inducirenden Wickelungen 7I₁ B₁ C₁ des Primärapparates sind parallel mit den Wickelungen Ao B₀ C₂ des secundären Apparates geschaltet und werden von einer gemeinsamen Drehstrommaschine gespeist. Die inducirten Windungen U₁ b₁ C₁ und O₂ b.₂ C₂ verschieben sich innerhalb der feststehenden inducirenden Windungen. Der Deutlichkeit halber sind sie in Fig. 10 aufserhalb der festen Spulen gezeichnet. Haben die Spulen Ci₁ b_x C₁ andere relative Lage gegen die Spulen ^t₁ B₁ C₁ wie die Spulen a.₂ b.₂ c, gegen A₂ B.₂ C₂, so treten in den Verbindungsleitungen der Spulen U₁ a₂, b₁ b.₂, C₁ C₂ Ausgleichströme auf. Die infolge dessen auftretenden anziehenden oder abstofsenden Kräfte bringen die gleiche relative Lage der Spulen wieder hervor. Der secundäre Apparat bewegt sich daher synchron mit dem primären Apparat. Die Wirkung kann durch einen im Innern angeordneten Eisenkern und durch einen äufseren concentrischen Eisenmantel noch verstärkt werden.

Anstatt die festen und die beweglichen Spulen concentrisch anzuordnen, können auch ihre Achsen parallel neben einander angeordnet werden.

In Fig. 11 sind zwei Apparate verbunden, von denen der eine A für Drehbewegung, der andere B für Längsbewegung eingerichtet ist. Die Schaltung der Apparate ist aus der Figur ersichtlich. Durch die Combination dieser Apparate wird es ermöglicht, eine Drehbewegung in eine Längsbewegung und umgekehrt umzusetzen.

Es können auch auf einem Apparate Wickelungen für Drehbewegung und für. Längsbewegung aufgebracht werden. Werden die Wickelungen zweier derartiger Apparate entsprechend verbunden, so werden gleichzeitig beide Bewegungsarten übertragen.

Es können auch zwei oder mehrere Apparate vereinigt werden, um beliebige Bewegungen in der Ebene oder im Raum übertragen zu können. In Fig. 12 ist beispielsweise die Combination zweier Apparate für Drehbewegung dargestellt. P ist die Maschine, die den erforderlichen Strom für die Kuppelung liefert. Als Primärapparat dienen zwei Motoren M₁ und M₂, deren Achse je einen Hebel mit Längsschlitz führen, wie aus der Figur ersichtlich. Als Secundärapparat dienen zwei ähnliche Motoren Wz₁ und m₂ in gleicher Anordnung. In dem Schnittpunkt der beiden Hebel H₁ und H₂ befindet sich ein Stift A. Die Hebel /Z₁ und h₂ werden sich stets entsprechend der Hebelstellung H₁ und H₂ einstellen. Ein im Schnittpunkt der 'Hebel Zz₁

und Zi₂ befindlicher Stift α wird daher genau den Bewegungen des Stiftes A folgen. Es können auf diese Weise z. B. Contouren von Zeichnungen auf beliebige Entfernungen leicht übertragen werden.

Es sind im Vorhergehenden nur einzelne Anwendungsgebiete der durch die Fig. ι bis 6 näher charakterisirten Anordnung beispielsweise erwähnt worden. Es läfst natürlich diese Anordnung noch viele andere Anwendungen zu, wo es sich um synchrone Uebertragung von Bewegungen handelt. Die zu übertragenden Kraftwirkungen können beliebig klein oder beliebig grofs sein. Für Uebertragung kleiner Kräfte bedarf es selbstverständlich für die primäre Stromquelle nur sehr kleiner Maschinen. Es kann hierbei auch Gleichstrom verwendet werden, wenn durch Benutzung eines geeigneten Umschalters intermittirende Ströme von verschiedener Phase erzeugt werden. Es können die Apparate mit ihren inducirenden Wickelungen auch an ein vorhandenes Wechselstrom - oder Drehstromnetz angeschlossen werden.

Die hier beschriebenen Vorrichtungen sind nicht mit bereits bekannten Vorrichtungen zur Uebertragung synchroner Bewegungen zu verwechseln, bei denen auch Wechselstrom oder Drehstrom in den beweglichen Theilen entsteht, während die festen Theile durch Gleichstrom erregt sind, z. B. mit einer synchronen Kraftübertragung mittelst einer Drehstrommaschine und eines synchronen Drehstrommotors, die beide durch Gleichstrom erregt sind. Hier entspricht einer beliebigen Drehung des einen beweglichen Theiles keineswegs eine gleich grofse oder proportionale Drehung des anderen beweglichen Theiles, und in der Ruhelage sind beide beweglichen Theile nicht mit einander starr gekuppelt.

Claims (3)

1. Patent-Ansprüche:

   ι . Verfahren, an zwei dem Wesen nach gleichartigen, mit beweglichen Theilen (Zeigern) versehenen Vorrichtungen eine Fernübertragung der jeweiligen Stellung des einen Zeigers auf den anderen zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, dafs die genannten beweglichen Theile mit beweglichen elektrodynamischen Spulen oder Spulensystemen mechanisch verbunden sind, welche Spulen für entsprechende Zeigerstellungen elektrodynamisch entsprechende relative Lage zu feststehenden Spulensystemen einnehmen, welche mit Wechselstrom gespeist werden, und dafs genannte bewegliche Spulen beider Vorrichtungen mit einander durch Leitungen zu einem Stromkreise verbunden werden, so dafs in allen nicht entsprechenden Lagen der beweglichen Spulen in genannten Leitungen ein Ausgleichstrom inducirt wird, dessen elektrodynamische Kraftäufserung beide bewegliche Spulen in entsprechende Lage zurückzuführen strebt.
2. 2. Ausführungsform des unter i. gekennzeichneten Verfahrens, darin bestehend, dafs die genannten beweglichen Spulensysteme ersetzt werden durch Gruppen von Spulensystemen, welche unter einander mechanisch verbunden sind und zu den genannten feststehenden Spulensystemen verschiedene relative Lage einnehmen, zum Zweck, bei der Fernübertragung die Entstehung von todten Punkten zu vermeiden.
3. 3. Ausführungsform des unter 1. und 2. gekennzeichneten Verfahrens, darin bestehend, dafs die nach 2. angeordneten beweglichen Spulengruppen nach Art eines Drehstrommaschinenankers ausgeführt und mit einander verbunden werden.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.