DE970599C - Einrichtung zur stufenlosen AEnderung des magnetischen Flusses eines magnetischen Kreises mittels eines auf mechanischem Wege einschaltbaren magnetischen Nebenschlusses - Google Patents

Description

• Einrichtung zur stufenlosen Änderung des magnetischen Flusses eines magnetischen Kreises mittels eines auf mechanischem Wege einschaltbaren magnetischen Nebenschlusses Unter einem magnetischen Kreis versteht man üblicherweise ein äußerlich beliebiges, also nicht an die runde Form eines Kreises gebundenes, endloses Gebilde, das zum großen Teil aus ferromagnetischen Stoffen besteht und in dem ein magnetischer Fluß, begünstigt durch ein hohes magnetisches Leitvermögen der ferromagnetischen Teile, an einem im wesentlichen von diesen eingenommenen Weg gebunden ist. Der magnetische Widerstand W eines magnetischen Kreises ist eine Funktion seiner Länge l und seines Querschnittes q und hängt ferner noch von der relativen Permeabilität µr des ferromagnetischen Stoffes ab, die man vergleichsweise in bezug auf einen elektrischen Widerstandskreis als spezifische Widerstandsgröße bezeichnen kann. In einem magnetischen Kreis können Luftspalte angeordnet sein, die die aus magnetischem Werkstoff bestehenden Teile unterbrechen. Entsprechend des sehr hohen magnetischen Widerstandes eines solchen Luftspaltes hängt der Widerstand eines magnetischen Kreises wesentlich von der Länge eines Luftspaltes ab. Luftspalte sind daher meist unerwünscht, oder man versucht, sie möglichst klein zu halten.
• Die Änderung des Flusses eines magnetischen Kreises ist auf unmittelbarem oder mittelbarem Wege möglich. Unmittelbar ändert man, indem die Erzeugung des Flusses, also die magnetische Spannung, geändert wird, z. B. dadurch, daß die elektrische Erregung geändert wird. Die Möglichkeiten zur mittelbaren Regelung ergeben sich aus der oben bereits angeführten Abhängigkeit des Widerstandes eines magnetischen Kreises durch Änderung seiner Länge 1, seines Querschnittes q und der relativen Permeabilität µr. Es ergeben sich somit praktisch viele Möglichkeiten zum Verändern des Flusses eines magnetischen Kreises.
• Eine große Bedeutung hat die Änderungsmöglichkeit auf unmittelbarem Wege bei elektrischen Generatoren und Motoren erlangt, die auf diese Weise durch Veränderung ihrer Erregung in Drehzahl- und Leistung geregelt werden können. Bei Magnetverstärkern wendet man dagegen die mittelbare Änderungsmöglichkeit an, indem man die Abhängigkeit der Permeabilität von der Sättigung eines Eisenkernes des Magnetverstärkers ausnutzt, indem man durch eine Gleichstromvormagnetisierung die Sättigung ändert.
• Ein dritter, vielfach benutzter Weg, den Fluß eines magnetischen Kreises zu ändern, ist die Anwendung eines magnetischen Nebenschlusses, der von dem zu ändernden Hauptkreis abgezweigt wird und bei dem die Änderung durch eine veränderbare Ableitung in den Nebenschluß erfolgt.
• Die Erfindung bezieht sich auf eine solche Einrichtung zur stufenlosen Änderung des magnetischen Flusses eines eine Maschine oder ein Gerät enthaltenden bzw. diesem angehörenden magnetischen Kreises (Hauptkreis) mittels eines auf mechanischem Wege einschaltbaren magnetischen Nebenschlusses (Nebenkreis). Erfindungsgemäß ist die magnetomotorische Kraftquelle an einer beiden Kreisen gemeinsamen Stelle angeordnet, haben die beiden Kreise gleichen magnetischen Widerstand und sind zum wahlweisem stufenlosen Ein- und Ausschalten des Hauptkreises mechanisch verstellbare Teile in beiden Kreisen von solcher Gestalt und Beschaffenheit vorgesehen, daß die Summe der magnetischen Übergangswiderstände an den verstellbaren Teilen in beiden Kreisen bzw. die Summe der Flüsse in beiden Kreisen konstant bleibt.
• Die Vorteile der neuen Einrichtung ergeben sich hauptsächlich bei ihrer Anwendung zu Regelzwecken, insbesondere bei laufenden elektrischen Maschinen und bei Magnetverstärkern. Sie bestehen darin, daß es möglich wird, ohne. magnetische Anziehungskräfte überwinden zu müssen, eine - abgesehen von Massen- und Reibungskräften - trägheitslos arbeitende Flußveränderung durchzuführen. Zeitkonstanten, die sich im Sinne schneller und wirksamer Reglung bei Regelvorgängen schädlich auswirken, werden klein gehalten. Üblicherweise werden sonst zu Regelzwecken bei elektrischen Maschinen meist Flußveränderungen mittels elektrischer Feldänderungen durchgeführt, indem der Erregungsstrom verstärkt oder geschwächt wird. Infolge der Selbstinduktion der Feldwicklungen sind derartige Veränderungen stets mit verhältnismäßig großen Zeitkonstanten behaftet. Diese elektrischen Zeitkonstanten entfallen bei der Einrichtung nach der Erfindung. Nicht minder wichtig ist aber die durch sie erreichte gegenkraftlose Verstellmöglichkeit der die Flußveränderung bewirkenden verstellbaren Teile der neuen Einrichtung.
• Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind in der Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt.
• In Fig. I stellt der Hauptkreis I den magnetischen Kreis eines Elektromotors M dar, der durch die Feldwicklung 2, die die Klemmen 3 und 4 aufweist, in seiner Drehzahl geregelt werden soll. Dies erfolgt mit Hilfedes magnetischen Nebenkreises 5, der über eine magnetische Weiche, bestehend aus der Weichenzunge 6, dem Ausmündungsstück 7 und den Einmündungsstücken 8 und 9, angekoppelt ist. Hauptkreis I und Nebenkreis 5 haben, wenn die Weichenzunge 6 nicht mitbetrachtet wird, den gleichen magnetischen Widerstand. Mit I0 ist ein regelbarer Luftspalt im Nebenkreis 5 bezeichnet, durch den dieser auf den Hauptkreis I abgleichbar ist. Der Hauptkreis und der Nebenkreis werden im übrigen zweckmäßig so bemessen, daß bei verschiedenen Flüssen in ihnen keine Widerstandsänderungen durch Permeabilitätsänderungen auftreten. Der Fluß im Hauptkreis I hängt von. der Stellung der Weichenzunge 6 ab. Befindet diese sich vor dem Einmündungsstück 8, so wird der Motor M stark erregt. Er wird dagegen kaum oder nur sehr schwach erregt, wenn sich die Weichenzunge 6 von dem Einmündungsstück 9 des Nebenkreises 5 befindet. In allen Lagen zwischen diesen beiden Endlagen wird ein entsprechender Flußteil von dem Hauptkreis I in den Nebenkreis 5 abgeleitet. Auf das Weichenstück 6 können dabei in den durch den Doppelpfeil dargestellten Richtungen keine magnetischen. Kräfte auftreten, so daß die Lage des Weichenstückes 6 stets indifferent ist. Letzteres ist für Regelzwecke besonders vorteilhaft, weil dann ohne Kraftaufwand -abgesehen von der Überwindung von Reibungs-und Trägheitskräften - keine besonderen. Gegenkräfte überwunden werden müssen. Das Weichenstück 6 kann, also in einer Regeleinrichtung mit dem Fühler, der die zu regelnde Größe abtastet, gekuppelt sein. Die Regelung des Motors M wirkt sich ohne elektrische Zeitkonstante aus.
• Die Einrichtung nach Fig. 2 dient zur Änderung des Flusses in einer Drossel 12 und damit zur Änderung des Wechselstromwiderstandes ihrer Wicklung 13. Die Einrichtung wirkt daher ähnlich wie ein Magnetverstärker. Die Drossel 12 ist im Hauptkreis i angeordnet und ist über die bewegliche Weichenzunge 6 mit dem Nebenkreis 5 gekoppelt. Im Gegensatz zu Fig. i ist ferner die Erregerwicklung 2 unmittelbar auf der Weichenzunge 6 angeordnet. Die Wicklung 13 ist in zwei Hälften aufgeteilt, die auf den Schenkeln i 2 a und 121) der Drossel i sitzen. Der magnetische Fluß der Drossel i2 wirkt infolgedessen nicht störend auf Hauptkreis i und Nebenkreis 5 ein. An Stelle einer elektrischen Flußerzeugung mittels der Erregerwicklung 2 kann auch eine magnetische Flußerzeugung vorgesehen sein, z. B. indem die Weichenzunge 6 aus Dauermagnetstahl hergestellt wird. Ein geringer Luftspalt an den Anschlußstellen der Drossel 12 im Hauptkreis i kann in diesem Falle vorteilhaft sein. Der regelbare Luftspalt To ermöglicht eine Anpassung des Nebenkreises 5 auf den Hauptkreis.
• In Fig. 3 ist eine ähnliche Einrichtung wie in Fig. i dargestellt, jedoch ist zur Erregung des Motors M ein Dauermagnet II verwendet, der gleichzeitig Hauptkreis i und Nebenkreis 5 koppelt. Die Ableitung des Magnetflusses vom Hauptkreis in den Nebenkreis erfolgt ebenfalls durch eine magnetische Weiche, die jedoch anders ausgebildet ist als in den vorhergehenden Figuren. Sie besteht aus zwei gemeinsam verstellbaren Weichenkernen 15 und 16, von denen der eine im Hauptkreis i und der andere im Nebenkreis 5 angeordnet ist. Die Weichenkerne sind drehbar gelagert und mit ihren Wellen 18 und i9 durch ein Gestänge 17 verbunden. Mit 22 ist ein Schieber bezeichnet, durch den der Luftspalt To veränderbar ist und somit der Nebenkreis 5 auf den Hauptkreis i abgleichbar ist.
• Fig. 4 läßt Aufbau und Anordnung der Weichenkerne 15 und. 16 erkennen. Sie zeigt eine Ansicht auf das Gestänge 17 in Richtung der Wellen 18 und i9. Die Weichenkerne 15 und 16 bestehen aus Schichten 2o, die mit Luftspalten 21 abwechseln und sind in Richtung des Flusses der zugehörigen Magnetkreise um 90° versetzt. In ihren Endlagen nehmen die Weichenkerne eine solche Lage ein, daß ihre unmagnetischen Schichten entweder senkrecht oder in Richtung des Flusses in dem betreffenden Kreis angeordnet sind. Als Folge ergibt sich, daß der von dem Dauermagnet II erzeugte Fluß in den Endlagen die Weichenkerne jeweils praktisch nur in einem der beiden Kreise i oder 5 fließen kann. Bei senkrechter Stellung liegt eine Flußsperrung und bei waagerechter Stellung ein Flußdurchlaß vor. In den Zwischenlagen ergibt sich jeweils nur ein teilweiser Flußdurchlaß. Zum Verstellen der Weichenkerne sind nur Reibungs-und Trägheitskräfte zu überwinden, da die Kräfte, die durch den Fluß erzeugt werden, sich aufheben. Dies wird im folgenden noch näher erläutert. Es ist zunächst ohne weiteres ersichtlich, daß in den Endlagen der Weichenkerne 15 und 16 in der Verstellrichtung keine magnetischen Kraftkomponenten vorliegen, so daß am Gestänge 17 keine Kraft nach außen wirksam werden kann. Ebenso ist ersichtlich, daß in der Stellung 45' zu den Endlagen verdreht keine Kräfte am Gestänge 17 auftreten können, da in diesem Falle der Fluß zur Hälfte in Haupt- und Nebenkreis fließt und so auch die erzeugten Magnetkräfte gleich sind und sich gegenseitig aufheben. Aber auch in allen anderen Winkellagen heben sich die Magnetkräfte auf. Ist der Fluß in dem einen Kreis klein, so greift eine kleine Kraft an einem großen Hebelarm an; im anderen Kreis ist dann eine große Kraft vorhanden, jedoch greift diese nur an einem kleinen Hebelarm an.
• In Fig. 5 ist eine weitere Einrichtung nach der Erfindung dargestellt, bei der der Fluß eines zweipoligen Elektromotors M verändert werden soll. Das bewegliche Weichenstück 23 ist dreischenklig und so ausgebildet, daß in der dargestellten Endlage praktisch der gesamte, durch die Wicklung 24 erzeugte Fluß im Hauptkreis fließt, so daß der Motor M stark erregt wird. In der anderen Endlage, die durch Strichelung angedeutet ist, geht der Fluß praktisch nur durch den Nebenkreis 5, und der Motor wird nicht bzw. kaum erregt. Eine Kraftwirkung auf das drehbare Weichenstück tritt auch bei dieser Ausführung nicht auf, da die Hauptkreise i und der Nebenkreis 5 wieder den gleichen magnetischen Widerstand haben.
• Die Einrichtung nach der Erfindung ist hinsichtlich ihrer Anwendung und der Ausbildung der magnetischen Weiche nicht auf die Beispiele in der Zeichnung beschränkt. An Stelle eines Motors oder einer Drossel kann auch ein Generator oder eine beliebige andere elektrische Maschine oder eine sonstige Einrichtung treten. Der zu verändernde Fluß kann auch ein Wechselfluß sein. Wesentlich für die Erfindung ist, daß zur Verstellung der die Änderung des Flusses in einem magnetischen Kreis bewirkenden Teile keine magnetischen Anziehungskräfte überwunden werden müssen und daß die Summe der Flüsse des magnetischen Kreises und seines Nebenkreises dieselbe bleibt.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Einrichtung zur stufenlosen Änderung des magnetischen Flusses eines eine Maschine oder ein Gerät enthaltenden bzw. diesem angehörenden magnetischen Kreises (Hauptkreis) mittels eines auf mechanischem Wege einschaltbaren magnetischen Nebenschlusses (Nebenkreis), dadurch gekennzeichnet, daß die magnetomo.torische Kraftquelle an einer beiden Kreisen gemeinsamen Stelle angeordnet ist, daß die beiden Kreise gleichen magnetischen Widerstand haben und daß zum wahlweisen stufenlosen Ein- und Ausschalten des Hauptkreises mechanisch verstellbare Teile in beiden Kreisen von solcher Gestalt und Beschaffenheit vorgesehen sind, daß die Summe der magnetischen Übergangswiderstände an den verstellbaren Teilen in beiden Kreisen bzw. die Summe der Flüsse in beiden Kreisen konstant bleibt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanisch verstellbaren Teile als magnetische Weiche ausgebildet sind und diese ein relativ zu ihren Einmündungsstücken von Haupt- und Nebenkreis bewegliches gemeinsames Weichenstück (Weichenzunge) enfhält, vorzugsweise in solcher Ausbildung, daß die Weichenzunge an das gemeinsame Ausmündungsstück drehbar anschließt.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetische Weiche im Haupt- und im Nebenkreis - im Sinne einer entgegengesetzten Widerstandsänderung in beiden Kreisen - gemeinsam verstellbare Weichenstücke (Weichenkerne) angeordnet sind, vorzugsweise mit solcher Kopplung der Weichenstücke untereinander, daß sich die an ihnen angreifenden magnetischen Verstellkräfte gegenseitig aufheben.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Kreise durch einen oder mehrere Dauermagnete erregt sind.
5. 5. Verwendung der Einrichtung nach Anspruch I bis 4 zu Regelzwecken, insbesondere bei laufenden elektrischen Maschinen und Magnetverstärkern. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 200 94o, 207 27I, 3o6 673, 6o6 600, 63I4I8, 676 454 deutsche Patentanmeldung p 8679 VIII c'/21 g, 3 D (bekanntgemacht am 2I.
6. 6. I95I) ; französische Patentschrift Nr. 454429; britische Patentschriften Nr. 45o 54, 563 333. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 876 917.