DE318697C - - Google Patents

Description

Vorliegende Erfindung betrifft eine Einanker-

xnäschine, in der gleichzeitig Spannungen von hoher Frequenz und niedriger Frequenz (im Grenzfall Gleichstromspannungen) induziert werden.

Die Maschine kann also sowohl als Frequenzumformer dienen^ wie auch beispielsweise als Generator zur gleichzeitigen Erzeugung von Hochfrequenz- und Niederfrequenzwechselströmen bzw. von Hochfrequenzwechselstrom und Gleichstrom.

Die ,Maschine beruht auf dem bekannten Prinzip, daß die in elektrischen Maschinen auftretenden Feldschwankungen hoher Frequenz, die man sonst abzudämpfen suchte, künstlich vergrößert Und so angeordnet und in Wicklungen gesammelt werden, daß man sie nützlich verwenden kann.

Führt man den Anker mit weit offenen Nuten aus, deren Zahnbreite zweckmäßig gleich oder kleiner als die Nutenbreite ist, und zahnt außerdem auch den Polschuh, und zwar zweckmäßig in derselben Weise wie den Anker, so entstehen in bekannter Weise große Feldschwankungen in den Polen, die entweder in einer besonderen Wicklung oder in der Erregerwicklung selbst aufgefangen werden. Die entstehenden Spannungen von hoher Frequenz werden dann dem Nutenstromkreis zugeführt.

Auf diese Weise hat man einen sehr einfachen Umformer von Gleichstrom in Wechselstrom hoher Frequenz, wobei die Tourenzahl niedrig gehalten werden kann.

Treibt man die Maschine von außen an, so kann man ihr gleichzeitig Gleichstrom und Wechselstrom hoher Frequenz entnehmen (Doppelmaschine).

Statt die Maschine mit Gleichstrom zu betreiben (im Falle des Umformers) bzw. derselben Gleichstrom zu entnehmen (im Falle der Doppelmaschine), kann man erfindungsgemäß ihren Läufer über Schleifringe und Drosselspulen an das Niederfrequenznetz anschließen (Fig ι und 3). Die Maschine ist alsdann in einem Teil eine Synchronmaschine mit der Gleichstromerregung E, dem AnkertA und den Schleifringen s und in einem anderen Teil — der Arbeits wicklung A₁ — eine Hochfrequenzmaschine. Unter Umständen kann die Hochfrequenzwicklung A{ durch eine niit Kollektoren versehene Läuferwicklung ersetzt werden, c ist ein Kondensator im Wechselstromkreis, , B eine Gleichstromquelle.

Das Ankerfeld der Einphasenmaschine Fig. 1 kann bekanntlich in zwei Drehfelder zerlegt werden, von denen eines mit doppelter Periodeiizahl (in bezug auf den Ankerstrom) rotiert, und das andere im Räume feststeht. E>as erste Feld läßt sich durch eine zwei- oäer mehrachsige Kurzschlußwicklung (von derselben Polzahl wie der Anker) auf dem Ständer aufheben (indem man z.B. koachsial mit E \|hd I dazu zwei zweipolige Wicklungen auf dem Ständer anbringt). -■

Das andere Feld hat zwei Komponenten, von denen eine von dem Arbeitsstrom des Läufers herrührt und _|_ auf E steht, undidie andere Komponente von dem phasenverschobenen Läuferstrom herrührt und in die Riehtung von E fällt, wobei sie im Falle eines ^:, Motors das Feld von E verstärkt oder schwächt,

je nachdem der Strom phasennacheilend oder -voreilend ist. Die erste Komponente muß nun im allgemeinen das Feld von E schwächen, da sie bekanntlich eine Hälfte von E schwächt und die andere stärkt, wobei aber infolge der Sättigung die Schwächung die Stärkung überwiegt.

Um also eine Schwächung des Feldes von E, das gleichzeitig auch das Hauptfeld für die

ίο Hochfrequenzspannung· ist, durch den Läuferstrom zu verhindern, schaltet man Drosselspulen D im Stromkreis des Läufers ein. Durch bestimmte Bemessung der Drosselspulen wird eine Spannungskompoundierung erhalten,

d. h. man kann erreichen, daß die Hochfrequenzspann Ung selbsttätig mit zunehmendem , Strom konstant oder nahezu konstant bleibt. Gegenüber Gleichstrom wird hierdurch der Vorteil erzielt, daß diese konstante Tourenzahl auch konstante Periodenzahl bedingt.

Ein anderes Verfahren zur Konstanthaltung der Hochfrequenzspannung ist folgendes:

Man teilt die Hochfrequenzwicklung (s. Fig. 11) in zwei Teile, von denen ein Teil die Viertel 1 und 3, und der andere die Viertel 2 und 4 umfaßt. Es bezeichnet hier A den Anker und P die Erregerpole einer Gleichstrommaschine mit den Bürsten δ und dem Kommutator G. Die Zahnung des Ankers und der Polschuhe sind der Einfachheit wegen weggelassen worden.

Der Anker ist auf dem ganzen Umfange gleichmäßig gezahnt, während jeder Pol in die Teile i, 2 bzw. 3, 4 geteilt ist. Umgibt . man also jeden Einzelpol mit den Drähten d, so entstehen in ihnen Spannungen, deren momentaner Richtungssinn durch Zeichen+ und — angedeutet ist. Es kommt also nur darauf an, die Drähte im richtigen Sinne hintereinander oder parallel zu schalten, um einen Nutzstrom aus denselben zu bekommen. Die Summe der Fluxe der Einzelpple 1, 2 bzw. 3, 4 ist, wenn Zahnbreite = Nutenbreite, stets konstant. Ist dagegen. Zahnbreite < Nutenbreite, so schwankt . die Summe etwas; aber diese Schwankung läßt sich durch Anbringung einer mit der Erregerwicklung koachsialen Kurzschlußwicklung in bekannter Weise abdampfen. Somit entstehen in den von den Bürsten kurzgeschlossenen Windungen keine, bzw, keine wesentlichen Hochfrequenzspannungen.

Eine nähere Überlegung zeigt, daß die Drähte d_v i{ und d_z, d₂' überflüssig sind, denn da s:e paarweise in ein und denselben Nuten liegen, aber von Strömen entgegengesetzter Richtung durchflossen sind, so ist stets ihre Gesamtwirkung gleich Null. Bei dem vorliegenden Beispiel kann man also lediglich mit den Drähten d und d' auskommen.

Aus Fig. 11 ist zu ersehen, daß die Achse der Wicklung d, d' J_ auf der von E ist und somit mit der Bürstenachse zusammenfällt. Wenn also in d, d' Hochfrequenzspannungen entstehen, so müssen sie auch zwischen den Bürsten δ, δ entstehen. Daraus folgt, daß man auch die Wicklung d, d' entbehren und die Hochfrequehzspannung den Bürsten b, b selbst (gleichzeitig mit dem zu- oder abgeführten Gleichstrom) entnehmen kann.

Nehmen wir an, daß durch die · Ankerrückwirkung das Hauptfeld in den Vierteln 1 und 3 geschwächt wird, so muß es in den Vierteln 2 und 4 verstärkt werden. Man wird nun beide Teile der Wicklung getrennt be-' nutzen, und zwar für den Fall, daß konstante Spannung gewünscht wird, den Teil, der 1 und 3 umfaßt, für den anderen Fall dagegen den Teil, der die Viertel 2 und 4 umfaßt;

Man kann nun jeden Erregerpol der Fig. 11 in eine mehrfache Zahl von 2 teilen, beispielsweise in 4, 6, 8 usw., im allgemeinen in 2 k ■ (Einzelpole) zerlegen, wobei jeder Teil um i8o° gegen den benachbarten verschoben ist, und wobei k eine ganze positive Zahl bedeutet.

Ist k eine gerade Zahl, so entstehen in der Gleichstromwicklung sowie in einer mit ihr gleichpoligen und gleichachsigen Wicklung überhaupt keine Hoclifrequenzspannungen. Dieses hat zunächst den Nachteil, daß man zur Entnahme von Hochfrequenz besondere Wicklungen von kleinerer Polzahl auf dem Ständer anbringen muß, andererseits aber den Vorteil, daß die Eisen wege, auf denen Feldschwankungen entstehen, kürzer werden. Man braucht also einerseits keine Drosselspulen und keine Kondensatoren und ist in der Bemessung einer etwa nötigen Kompensationswicklung freier. Andererseits sind auch die Eisenverluste und die Schirmwirkung der Wirbelströme kleiner.

Ein Ausführungsbeispiel mit k = 2 ist in Fig. 12 dargestellt. Der Ständer ist so genutet, daß, wenn unter den Teilen 1, 3, 5 und 7 Zahn gegen Zahn stehen, unter den Teilen 2,4, 6 und 8 Zahn gegen Nut stehen und umgekehrt.

Die Kompensationswicklung K kann dann unter Umständen ganz weggelassen bzw. durch eine Wendewicklung ersetzt werden. Bei ihrer Verwendung- und Bemessung wird man sich nur durch Rücksichten auf gute Gleichstrom- n₀ kommutierung und Aufhebung des Ankerfeldes leiten lassen.

ι Ist der Ständer nach Fig. 12 ausgeführt, so bekommt man im Anker keine Hochfrequenzspannung. Ist der Ständer dagegen nach Fig. 11 ausgeführt, so bekommt man im Anker Hochfrequenzspannung. Die Drosselspule muß in diesem Falle so bemessen sein, daß sie den Durchgang der Hochfrequenzspannüng in das Niederfrequenznetz verhindert. Man kann aber dann, wie die Fig. 12 zeigt, vor der Drosselspule dem Anker Hochfrequenzspan-

nungen entnehmen, wobei man die gezeichnete • Ständerwicklung A₁, die sonst zur Aufnahme der Hochfrequenz dient; auch ganz entbehren kann. .

Die Fig. 3 und 4 stellen die Übertragung der beschriebenen Schaltungen auf den Fall dar, wo das Niederfrequenznetz ein Drehstromnetz ist. In Fig. 4 ist dabei die Wicklung A₁ ganz weggelassen.

Im vorstehenden war bis jetzt das Erregerfeld als zeitlich konstant angenommen. In vielen Fällen kann als Erregerfeld ein Wechselfeld bzw. ein Drehfeld genommen werden. Der Einfachheit halber möge zunächst. angenommen werden, daß das Wechselerregerfeld in der Zeit ^₁ nicht nur von gleicher Richtung ist, sondern auch von konstanter Größe.
Die Zeitdauer einer Periode der Hochfrequenz

sei t, wobei beispielsweise -~ eine ganze Zahl

ist. Dann wird in der Zeit t_t die Hochfrequenzspannung etwa den Verlauf, wie in Fig. 5 gezeichnet, haben. Hätte das Erregerfeld auch nach dem Verlauf von J₁ dieselbe Richtung beibehalten, so wäre, der weitere Verlauf der Spannungskurve eine einfache Fortsetzung der früheren, wie punktiert angedeutet. Nach Verlauf der Zeit I₁ soll aber das Erregerfeld plötzlich sein Zeichen ändern, wobei die Größe konstant bliebe. Offenbar muß dann zu jeder Zeit der zweiten Periode der Momentwert der Hochfrequenzspannung entgegengesetzt demjenigen Wert sein, welcher vorhanden wäre, wenn das Feld sein Zeichen nicht geändert hätte. Der Verlauf der Hochfrequenzspannung in der zweiten Periode muß daher entgegengesetzt dem punktierten, also wie ausgezogen gezeichnet, sein. Nach Ablauf der zweiten Periode bekommt die Spannungskurve wieder ihr ursprüngliches Zeichen; also ist der Verlauf in der dritten Periode derselbe wie der in der ersten, der der vierten Periode derselbe wie der in der zweiten usw.

Man sieht, daß in diesem Falle die Hochfrequenzspannung jedesmal bei Änderung des Feldzeichens eine kleine Unregelmäßigkeit in Form eines Höckers erleidet.

Je größer jedoch das Verhältnis — ist, desto

weniger kann diese Unregelmäßigkeit von Einfluß sein.

Der Höcker läßt sich aber ganz vermeiden, wenn man beispielsweise die Form des Erregerfeldes so wählt, daß der Übergang vom posi- tiven zum negativen Werte nicht plötzlich stattfindet, sondern daß in der Zeit t seine Größe gleich Null bleibt. Ändert das Feld während der Zeit I₁ auch seine Größe, so wird der Verlauf der Hochfrequenzspannung etwa wie in Fig. 6 angedeutet sein.

In vielen Fällen, wie z. B, zur Erzeugung von Ozon, kann eine solche Kurvenfonn ganz zulässig, in vielen Fällen sogar erwünscht sein (z. B. zur Geheimhaltung von funkentelegraphischen Nachrichten durch willkürliche Änderung der Feldform und deren Periodenzahl). '. -v

Einige Ausführungsbeispiele der Hochfrequenzmaschinen mit Wechsel- bzw. Drehstromerregerfeld sind in Fig. 7 bis 10 dargestellt.

Schaltet man den Ständer £ und den mit Schleifringen versehenen Läufer A in Reihe, so läuft die Maschine mit zweifacher synchroner Tourenzahl und man bekommt in der Wicklung^! Hochfrequenzspannung (Fig. 7).

Die Ankerrückwirkung einer Einphasenmaschine hat eine im Raum stehende und konstante Feldkomponente (Gleichstromfeld). Von einer zweiten Wicklung -4_|_, auf A', kann man daher Hochfrequenzspannungen wie von einer mit Gleichstrom erregten Maschine bekommen, wobei jedoch der Hochfrequenzstrom jetzt durch den Arbeitsstrom des Motors verstärkt wird, ja sogar proportional sein kann. ' :.

Man hat also in dem Teilet' eine sich selbsterregende Hochfrequenzmaschine.

Eine derartige Maschine ist in Fig. 8 dargestellt, wobei zum Zwecke einer Vorerregung, wenn es nötig sein soll, noch eine Hilfsgleichstromerregerwicklung E' vorgesehen ist! In der Figur bedeuten co₂ Hochfrequenz, Oy₁ Niederfrequenz. Statt E in Reihe mit A zu schalten, kann man auch bekanntlich E und A parallel· schalten. ■

Die Schaltungen Fig. 7 und 8 lassen sich ohne weiteres auf Zwei- und Mehrphasenstrom übertragen. '■

In Fällen, wo es nicht auf die absolute Konstanz der Periodenzahl ankommt, kann man die Maschine erfindungsgemäß als eine gewöhnliche Asynchronmaschine, z. B. als Drehstrommotor, von der Niederfrequenzseite antreiben und einer besonderen Wicklung .4' auf dem Ständer oder dem Läufer Hochfrequenzströme entnehmen.

Dies ist in Fig. 9 dargestellt. E₁, E₂, E₃ sind die Ständerwicklungen, W_e bezeichnet den Anlaßwiderstand. Die übrigen Bezeichnungen stimmen mit den bisherigen überein.

Den Ständer wird man hier wie auch in den andern Fällen am zweckmäßigsten nicht mit ausgeprägten Polen, sondern mit gleichmäßig verteiltem Eisen auf dem Umfange nehmen.

Statt den Läufer kurzzuschließen, kann man auch in bekannter Weise die Ständerwicklungen E₁, E₂, E₃ kurzschließen und dem Läufer Wechselstrom (von der Niederfrequenz CvD₁) zuführen. -

Fig. 10 zeigt eine der vorigen ähnliche Maschine, Sie besitzt ebenfalls den Charakter

einer Asynchronmaschine. Der Läufer ist an das Niederfrequenznetz angeschlossen. Dem Ständer, wird die Hochfrequenzspannung entnommen.

In allen beschriebenen Fällen läßt sich die Hochfrequenzspannung dadurch ändern, daß man die Niederfrequenzspannung ändert und gleichzeitig das Erregerfeld. Letzteres ist besonders notwendig, wenn der Umformer von ίο Gleichstrom angetrieben wird, (damit die Tourenzahl konstant bleibt).

Claims (7)

1. Patent-An Sprüche:

   i. Hochfrequenzmascbine mit veränderlichem magnetischen Widerstand, bei welcher das mit geringer Frequenz sch wan-. kende oder unveränderliche Feld als Nutzfeld zum Antrieb der Maschine als Motor : oder zur Erzeugung niederfrequenten Wechselstromes verwendet wird und deren Niederfrequenzteil eine Synchronmaschine darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Läufer über Schleifringe und' Drosselspulen

   25. . · an das Niederfrequenznetz angeschlossen ist (Fig. ι und 3).
2. 2. Hochfrequenzmaschine nach Anspiuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzströme den Läuferbürsten entnommen sind, wobei zwischen diesen und dem Niederfrequenznetz die Drosselspulen zum Schütze desselben vor den Hochfr equenzströmen eingeschaltet sind (Fig. 2 und 4) und wobei die zur Erregerwicklung· (Zs) senkrechte Ständerhochfrequenzwicklung (^₁) erspart werden kann.
3. 3. Kompoundierung der Hochfrequenzmaschinen nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch entsprechende Bemessung der dem Läufer vorgeschalteten Drosselspulen.
4. 4. Kompoundierung der Hochfrequenzmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile der auf, dem Ständer angebrachten Hoch-' frequenzwicklung, deren jeder je ein Paar diametral liegende Quadranten (1 und 3 ·.. bzw. 2 und 4) der Erregerpolfläche umfaßt, getrennt benutzt werden, und zwar der eine Teil für die rriit der Belastung sich wenig ändernde oder sogar anwachsende (kompoundierte) Spannung und der andere Teil für die mit der Belastung stark abfallende (gegenkompoundierte) Spannung.
5. 5. Mit doppelter synchroner Drehzahl laufende Hochfrequenzmaschine nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Erregerwicklung (E) in Reihe oder parallel zum Läufer gelegt ist.
6. 6. Hochfrequenzmaschine nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sie als eine Asynchronmaschine an- ., getrieben ist und die Hochfrequenzströme einer besonderen Wicklung (A') auf dem Ständer oder auf dem Läufer entnommen werden. ■
7. 7. Hochfrequenzmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklung (E₁, E₂, E₃) an das Netz niedriger Frequenz angeschlossen ist und die Läuferwicklung ζ. B. kurzgeschlossen ist, oder umgekehrt, wobei die Hochfrequenzspannung einer auf dem Ständer angeordneten Wicklung (A') entnommen wird (Fig. 9).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.