DEP0011588DA - Dynamomaschine, insbesondere Magnetinduktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dynamomaschine, vorzugsweise einen Magnetinduktor, der besonders geeignet ist, hohe Gleichspannungen zu liefern. Zur Erzeugung von Spannungen bis zu 5000 Volt, wie sie vielfach für Messzwecke verwendet werden, gibt es Magnetinduktoren, die z.T. mit einem bewickelten Doppel-T-Anker und entsprechendem zweiteilgen Kollektor oder nach Art eines Trommelankers mit vielteiligem Kollektor aufgebaut sind. Magnetinduktoren mit Doppel-T-Anker und zweiteiligem Kollektor haben sich im allgemeinen nur für Spannungen bis zu etwa 220 Volt als geeignet erwiesen. Bei höheren Spannungen treten starke Rundfeuererscheinungen auf. Aus diesem Grunde bevorzugt man beim Übergang auf höhere Spannungen Trommelanker mit vielteiligem Kollektor. Dabei müssten in Anbetracht der hohen Spannungen unter Umständen mehrere Kollektoren in Reihe geschaltet verwendet werden.

Die Erfindung bezieht sich vor allem auf kleine Maschinen, bei denen der Wirkungsgrad eine untergeordnete Bedeutung besitzt. Hier kommt es in erster Linie darauf an, möglichst hohe Spannungen zu erzeugen, während die notwendige Stromabgabe gering ist. Dementsprechend besteht die Aufgabe, hierfür eine möglichst einfache Lösung zu finden, die einen geringen Aufwand an Material und Arbeit erfordert. Trommelwicklungen und vielteilige Kollektoren bedingen einen verhältnismäßig hohen Aufwand an Material und Arbeitszeit. Die Erfindung geht einen anderen Weg und besteht demgegenüber darin, dass eine in Verbindung mit einer Speicheranordnung, z.B. Kondensatoren, stehende Umschalteinrichtung vorgesehen ist, die gleichzeitig mit der Kommutierung die Speicheranordnung derart auf Ladung und Entladung umschaltet, dass die abgegebene Aus- gangsspannung ein Vielfaches der in der Induktionsspule erzeugten Spannung ist.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden:

Fig. 1 zeigt schematisch ein einfaches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der Magnetinduktor besitzt einen rotierenden Kernmagneten 1, das Statoreisen 2 trägt die beiden Wicklungshälften 3 und 4 der Induktionsspule. Es ist aber auch ebenso gut möglich, rotierende Ankerwicklungen vorzusehen und feststehende Dauermagneten zu verwenden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Einfachheit halber feststehende Wicklungen und kleine rotierende Kernmagneten betrachtet. Feststehende Wicklungen bedingen eine wesentlich einfachere und billigere Herstellung als rotierende Ankerwicklungen. Auch die Kernmagneten, welche in der einfachsten Form aus einem in ein er bestimmten Durchmessers polarisierten Magnetstahl-Zylinder bestehen, stellen eine wesentliche Verbilligung gegenüber großen Stator-Magneten dar. Weiterhin können für den Eisens des Magnetinduktor einfache Belegscheine verwendet werden, wie sie für kleine Mantelkerntransformatoren üblich sind.

Auf der Welle, die den Kernmagneten trägt, ist ein Kollektor angebracht. Der Kollektor besteht aus dem zylindrischen Teil 5, der mit einer Nase 6 versehen ist. Die Stromzuführung erfolgt von der Spule 3, 4 über eine Schleiffeder, Kohlebürste oder dgl. 7 auf dem Kollektor. Es ist aber auch möglich, den Kollektor leitend mit der Welle zu verbinden und hierüber die elektrische Verbindung zu schaffen. Die Nase 6 kommt abwechselnd mit den Gegenkontakten 8 und 9 in Berührung. Dies bewirkt eine abwechselnde Aufladung der Kondensatoren 10 und 11, deren gemeinsame Belegung mit der anderen Seite der Induktionswicklung 3 und 4 verbunden ist. Hier kann noch ein Widerstand 12 vorgesehen sein, der zur Verringerung von Funkenbildungen und zur Beeinflussung der Phasenlage dienen kann. Zur Einstellung einer gewünschten Schaltphase kann der Kollektor mechanisch gegen den Anker 1 verdreht werden. Den gleichen Effekt erzielt man wahlweise auch durch Verdrehung der Gegenkontakte 8 und 9 des Bürstensatzes.

Die Winkelstellung des Kollektors ist zweckmäßig so gewählt, dass bei der positiven Halbwelle der Kondensator 10 aufgeladen wird, während bei der negativen Halbwelle eine Ladung des Kondensators 11 erfolgt. Die beiden Kondensatoren 10 und 11 laden sich also jeweils maximal auf den Scheitelwert der induzierten Wechselspannung auf; da sie hintereinander geschaltet sind, ergibt sich an ihnen oder an einem evtl. vorhandenen Kondensator 13 die doppelte Spannung. Der Kondensator 13 kann auch weggelassen werden. An den Klemmen 14 und 15 lässt sich die gewünschte hohe Gleichspannung abnehmen.

Die Erfindung erlaubt über dieses einfache Ausführungsbeispiel hinaus zahlreiche Modifikationen. So wird die bei den betrachteten Ausführungsbeispiel besonders einfache Umschalteinrichtung notwenigerweise um so komplizierter, je höher die Vervielfachungszahlen für die Spannung sind. Es empfiehlt sich dabei, in vielen Fällen, den Kollektor nicht unmittelbar auf die Antriebswelle der Maschine zu setzen, sondern den Antrieb der Schalteinrichtung über Zwischenglieder, insbesondere ein Getriebe, vorzunehmen. Ein solches Getriebe ist an sich meist vorhanden, da zum Antrieb der Maschine meist ein Vorgelege vorgesehen ist. Die Drehzahl der rotierenden Schalteinrichtung beträgt jeweils dann ein Vielfaches oder einen Teil z.B. <Formel> oder der Drehzahl u der Arbeitswelle. Dies richtet sich nach der Art der Schalteinrichtung der gewünschten Verfielfachungszahl und der Polzahl des Statoreisens sowie der Polzahl des Kernmagneten. Die Schalteinrichtung kann dabei in verschiedenartiger

Weise ausgebildet sein. Es können beispielsweise umlaufende Kontaktfinger zur Verwendung kommen, ebenso können ein oder mehrere Kollektoren vorgesehen sein. In Anbetracht der hohen am Kollektor auftretende Spannungen kann die Isolation zwischen den stromführenden Spannungen kann die Isolation zwischen den stromführenden Teilen des Kollektors durch Luft gebildet sein. Die Schalteinrichtung lässt sich im übrigen auch auf andere Weise betätigen, z.B. durch Nockensteuerung.

Die Speicheranordnung wird zweckmäßig durch Kondensatoren gebildet. Je nach der Vervielfachungszahl ist eine entsprechende Anzahl von Speichern jeweils in Reihe geschaltet. Die Umschalteinrichtung kann so ausgebildet sein, dass eine gleichzeitige Aufladung der einzelnen Speicher erfolgt. Es kann andererseits aber auch die An- ordnung so getroffen sein, dass die einzelnen Speicher zeitlich nacheinander aufgeladen werden. Hierbei können Schaltkontakte eingespart werden, da die Kondensatoren dauernd in Reihe geschaltet bleiben können, während sie in ersterem Falle jeweils abwechselnd in Parallel- und Reihenschaltung umgeschaltet werden müssen.

Da die Umschalteinrichtung, wenn die Nase 6 einmal auf einen bestimmten Wert eingestellt ist, stets phasengleich mit der in der Induktionsspule erzeugten Spannung läuft, schneidet die Umschalteinrichtung, wie in Fig. 2 dargestellt ist, bei jeder Frequenz jeweils an einer anderen Stelle der Spannungskurve ein durch die unterschiedliche Spannungskurvenform in ihrer Lage und ihren Längen jeweils bedingtes Stück heraus. Es ist dabei allerdings zwar nicht möglich, die Spannungshöchstwerte auszunutzen und die Kommutierung erfolgt an einer an sich ungünstigen Stellung, doch wirkt sich dies so aus, dass bei geeigneter Stellung der Segmente trotz des Anwachsens der Wechselspannung stets eine annähernd konstante Gleichspannung abgenommen werden kann. Die mit zunehmender Drehzahl sich infolge <Nicht lesbar> auszubildende Phasenverschiebung lässt sich noch zusätzlich durch frequenzabhängige, phasenverschiebene Mittel, wie z.B. den Widerstand 16, den Kondensator 17 oder Drosseln und Kombinationen derselben beeinflussen. Als besonders vorteilhaft hat sich hier eine Reihenschaltung eines Kondensators und eines Ohmschen Widerstandes erwiesen. Eine solche Kombination kann in Parallelschaltung zur Induktionsspule angeschlossen werden.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel veranschaulicht, bei dem eine beliebige Vervielfachungszahl erreicht werden kann. Hier liegt eine Kette von beliebig vielen Kondensatoren 29 bis 34 in Reihe, die alle auf einen gemeinsamen Kondensator 35 arbeiten, der mit den Ausgangsklemmen 36 und 37 in Verbindung steht. Die Induktionsspule 3 arbeitet dabei auf ein Kontaktfingerpaar 38, 39, welches die Segmente 40 bis 45 bestreicht. Die umlaufenden Kontaktfinger machen hierbei die gleiche oder je nach Ausbildung der Kontaktfinger und Gegenkontakte die doppelte Drehzahl des Kernmagneten 1, sodass während jeder Halbwelle einmal nacheinander die gesamten Kondensatoren 29 bis 34 aufgeladen werden. In der zweiten Halbwelle erfolgt nochmals hintereinander die Ladung in der gleichen Reihenfolge. Die Größe der einzelnen Kontaktsegmente 40 bis 45 kann dabei verschieden bemessen sein. Die in der Mitte der Kondensatoren- kette liegenden Kondensatoren erhalten nämlich eine höhere Ladespannung, da sie sich zeitlich in der Nähe des jeweiligen Spannungshöchstwertes befinden. Die Kondensatoren 29 und 34 und die ihnen benachbarten Kondensatoren erhalten dementsprechend besser ausnutzen zu können, können durch Vergrößerung der Segmente 40 und 45, sowie der ihnen benachbarten Segmente die Ladezeiten vergrößert werden, sodass bei entsprechender Bemessung der Kapazitätswerte ein gewisser Ausgleich der auf die einzelnen Kondensatoren der Speicherkette gegebenen Ladung stattfindet. Es sei in diesem Zusammenhang auch erwähnt, dass die Speicher nicht unbedingt Kondensatoren sein müssen, sondern auch durch elektrische Batterien oder dgl. dargestellt sein können. Die Kontaktfinger können auch gegebenenfalls mit geringerer Drehzahl umlaufen je nach ihrer Ausbildung und der Anzahl und Anordnung der Gegenkontakte. So kommt beispielsweise bei Vorhandensein nur eines einzigen Kontaktfingerpaares und entsprechender Verteilung der Gegenkontakte die halbe Drehzahl in Betracht.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in seiner rein schematischen Wirkungsweise. Während bei den vorstehend beschriebenen Anordnungen die einzelne Speicher stets in Reihe hintereinander angeschlossen sind, soll hier ein Fall betrachtet werden, bei dem die Kondensatoren jeweils für sich getrennt abschaltbar angeordnet sind und dabei ihre Aufladung in Parallelschaltung und ihre Entladung in Reihenschaltung erfolgt. Dementsprechend müssen allerdings mehr Schaltkontakte vorgesehen sein. Trotzdem ist die konstruktive Ausbildung dieser Anordnung nicht wesentlich komplizierter, da immer 2 Kontaktpaare jeweils mit den gleichen Leitungen vorhanden sind. Lediglich der übersichtlicheren Darstellung halber ist in dem in Fig. 4 veranschaulichten Schema die Lage der einzelnen Schaltkontakte getrennt gezeichnet. Jeder der einzelnen Kondensatoren 46 bis 50 ist mit beiden Anschlüssen an bewegliche Kontakte 51 bis 58 geführt. In der dargestellten Schaltlage, welche der mittleren Schaltstellung entspricht, sind sämtliche Kondensatoren 46 bis 50 in Reihe geschaltet und arbeiten auf den Kondensatoren 59, der mit den Ausgangsklemmen 60 und 61 verbunden ist. Die Enden der Induktionsspule 3 sind mit den Schaltkontakten der Umschalteinrichtung derart verbunden, dass in der linken Schaltstellung eine Aufladung in einer bestimmten Polarität erfolgt, während sich bei der rechten Schaltstellung eine Umpolung ergibt, sodass beim Durchlaufen der negativen Halbwelle eine gleichsinnige Aufladung erfolgt. Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist also so, dass bei einer vollen Umdrehung von 360° eines einfachen zweipoligen Magneten vier Schaltvorgänge erforderlich sind. In der Nähe des Nulldurchganges wird dabei die mittlere Schaltstellung angestrebt, bei der eine Entladung der Kondensatoren 46 bis 50 auf den Kondensator 59 stattfindet. Beim Durchlaufen der positiven Halbwelle wird die linke Schaltstellung vorgenommen, beim darauffolgenden Nulldurchgang wieder auf die Mittelstellung zurückgeschaltet, dann beim Durchlaufen der negativen Halbwelle die rechte Schaltstellung benutzt, um schließlich beim Nulldurchgang wieder auf die mittlere Stellung überzugehen. Die Steuerung der Schalteinrichtung kann hier wiederum durch geeignete Kollektoren oder Kontaktfinger vorgenommen werden. Hier ist aber auch eine Nockensteuerung besonders vorteilhaft. Ebenso wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen lässt sich auch hier durch geeignete Mittel die Phasenlage so wählen oder so einstellbar machen, dass sich eine weitgehende Unabhängigkeit der Ausgangsspannung von der Drehzahl ergibt.

Claims (13)

1. Dynamomaschine, insbesondere Magnetinduktor, zur vorzugsweisen Erzeugung von hohen Gleichspannungen, gekennzeichnet durch eine in Verbindung mit einer Speicheranordnung, z.B. Kondensatoren, stehende Umschalteinrichtung, die gleichzeitig mit der Kommutierung die Speicheranordnung derart auf Ladung und Entladung umschaltet, dass die abgegebene Ausgangsspannung ein Vielfaches der in der Induktionsspule erzeugten Spannung ist.

2. Dynamomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Schalteinrichtung unmittelbar von der Antriebswelle der Dynamomaschine bzw. des Magnetinduktors aus erfolgt.

3. Dynamomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Schalteinrichtung durch Zwischenglieder, insbesondere ein Getriebe, erfolgt.

4. Dynamomaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Antrieb der Maschine dienende Vorgelege oder teile desselben die Zwischenglieder darstellen.

5. Dynamomaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung durch umlaufende Kontaktfinger gebildet ist.

6. Dynamomaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung einen oder mehrere Kollektoren aufweist.

7. Dynamomaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation zwischen den stromzuführenden Teilen des Kollektors durch Luft gebildet ist.

8. Dynamomaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung durch Nocken gesteuert ist.

9. Dynamomaschine nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung so ausgebildet ist, dass eine gleichseitige Aufladung der einzelnen Speicher erfolgt.

10. Dynamomaschine nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung so ausgebildet ist, dass die einzelnen Speicher zeitlich nacheinander aufgeladen werden.

11. Dynamomaschine nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Schalteinrichtung, dass die Zeitabschnitte der Ladung und Entladung der Speicheranordnung phasenmäßig so gewählt sind, dass die Aufladung jeweils vorwiegend in den Zeiträumen in der Nähe der Spannungshöchstwerte und die Entladung im wesentlichen während der Nulldurchgänge erfolgt.

12. Dynamomaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage so gewählt oder so einstellbar ist, dass sich eine weitgehende Unabhängigkeit der Ausgangsspannung von der Drehzahl ergibt, wobei gegebenenfalls noch zusätzlich phasenverschiebene Mittel angewendet sind.

13. Dynamomaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an die Induktionswicklung eine Reihenschaltung einer Kapazität und eines Widerstandes angeschlossen sind.