DE118662C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT

Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet eine Anordnung des Isolirmaterials bei Transformatoren mit offenem magnetischen Kreis, welche die Maximalisolirung mit einem gegebenen Isolirmittel zu erhalten gestattet. Die Erfindung ist anwendbar bei allen Wechselstrom-Transformatoren , bei den Transformatoren mit intermittirenden Strömen und ebenso beim Ruh mkorff sehen Inductor. Sie gründet in^v später beschriebenen physikalischen Beobachtungen des Erfinders und bezweckt, das ausgewählte Isolirmittel rationell zu vertheilen, einerseits zwischen Abtheilungen der Spulen des seeundären Stromkreises, andererseits zwischen der primären und seeundären Wicklung.

Um die nachfolgenden Erklärungen möglichst klar zu gestalten, ist die Erfindung auf den beiliegenden Zeichnungen in einigen Ausführungsbeispielen veranschaulicht.

Fig. ι ist eine schematische Ansicht des Transformators zur Erklärung des Erfindungsgedankens.

Fig. 2 ist eine Ansicht der rationellen Ausführung desselben. >

Fig. 3 und 4 sind Ansichten von Einzelheiten der Ausführung Fig. 2.

Fig. 5 und 6 veranschaulichen Abänderungen.

Nehmen wir ein Weicheisenbündel ρ ρ (Fig.i) an, um welches ein dicker isolirter Draht cd gewickelt ist. Das Ganze bilde das primäre Glied eines Transformators mit offenem magnetischen Kreis. .
. e und f seien zwei um dieses Primärglied mit Rechtswindung in isolirten Lagen gewickelte Spulen aus feinem Draht, welche an den inneren Enden mit einander verbunden sind. Jede Lage besteht aus einer geringen Anzahl von Windungen.

Es werde Strom in die Primäre geleitet und dann jählings geöffnet. Wie die Inductionstheorie lehrt/ entsteht ein inducirter Strom, der die beiden Spulen e und f durchfliefst ■ — in ι hat man eine positive Spannung, in 2 eine negative Spannung. Die Beobachtungen des Erfinders haben nun erkennen lassen, dafs, wenn beide Spulen e und/ aus einer gleichen Anzahl, je gleich viel Windungen enthaltenden Lagen zusammengesetzt, sowie, symmetrisch angeordnet sind zu der durch die elektrische Mitte der Primären gelegten Ebene xy, der Vorgang derart ist, als wenn in 3 — in der Mitte zwischen 4 und 5 — ein die Spule e durchfliefsender positiver Strom entstände, dessen Spannung von 0 in 3 wächst mit der Anzahl der durchflossenen Windungen, und in ι sein Maximum erreicht. Gleichzeitig entsteht in 3 ein negativer Strom, dessen Spannung von ο in 3 mit der Anzahl durchflossenei; Windungen (Wicklung/) wächst, bis er in 2 sein Maximum erreicht.

Man stelle sich nun zwei weitere Spulen g und h symmetrisch zur Ebene xy vor, derart^ dafs die Wicklung sich einerseits von 6 nach 7, andererseits von 8 nach 9 fortsetzt, und dafs die Enden dieser beiden Spulen e und / durch Drähte 1, 6 und 2, 8 verbunden sind.

Betrachten wir die Strömung in diesen beiden Spulen g und h im Augenblick der Oeffhung,

Verein deutscher Jngenieure Bezirksverein a. d. niederen Ruhr.

Wir haben oben gesehen, dafs der in 3 mit der Spannung ο entstehende positive Strom nach ι an Spannung zunimmt. Seine Spannung in letzterem Punkte sei T¹. Mit dieser Spannung tritt der Strom in die Spule g ein und durchfliefst sie, wobei seine Spannung wiederum mit der Windungszahl wächst und in 7 den Werth T¹ -f T⁷ besitzt, wobei T⁷ den von den Windungen der Spule g veranlafsten Zugang an Spannung bedeutet. Ebenso hat man in q einen negativen Spannungswerth, der von T² auf T² + T⁹ gewachsen ist. Sind die je zu zweien symmetrisch zur Ebene xy angeordneten Spulen genau gleich, so ist T⁷ gleich T⁹ und von entgegengesetztem Zeichen; ebenso sind T¹ und T² gleich und von entgegengesetztem Zeichen.

Fügt man in der gleichen Weise zwei weitere symmetrische Spulen i und_/, verbunden durch die Drähte 7, 10 bezw. 9, 11, hinzu, so erhält man in 12 eine positive . Spannung T¹ -\- T¹ -\- X"¹² und in 13 eine negative Spannung T² + Γ⁹ + T¹³.

Untersuchen wir nun, wie -dergleichen Spulen zu isoliren sind, zunächst gegen einander und dann gegen das Primärglied.

Das Isolirmittel sei ein beliebiges, flüssiges, festes oder teigiges. Die mit diesem Isolirmittel angestellten Versuche gestatten, eine Tabelle aufzustellen, welche von Millimeter zu Millimeter die einander folgenden Dicken des Isolirmittels zeigt, und diesem gegenüber die Spannungen, welchen diese Dicken mit Sicherheit widerstehen können.

Bezüglich der Spulen e und f streben sich zwischen 14 und 15 folgende beiden Spannungen auszugleichen:

Rücksichtlich e in 14 die Spannung T¹ minus der Spannung, welche durch die Windungen der äufseren Lage der Spule e entwickelt wird und positiv ist.

Rücksichtlich f in 15 die Spannung T² minus der Spannung, welche durch die Windungen der äufseren Lage f entwickelt wird und negativ ist.

Da praktisch in Spulen dieser Art die Windungslagen sehr zahlreich sind, die Anzahl 100 übersteigen, so kann man die Spannung einer derselben vernachlässigen und in 14 die Spannung T¹, in 15 die Spannung T² annehmen. Die mit Rücksicht auf das gewählte Isolirmittel aufgestellte Tabelle ergiebt, dafs die Dicke, in welcher das Isolirmittel anzuwenden ist, um mit Sicherheit die Spannung T¹ zu isoliren, 14, 16 ist. Da T¹ und T"² entgegengesetzte Zeichen haben, so kommen diese Spannungen hinzu, und es ist klar, dafs der Abstand 16, 15 gleich sein mufs dem Abstand 16, 14, d. h. die anzuwendende Isolirdicke ist gleich 14, 15.

Wie ist die Spule e von der Spule g zu isoliren ?

Durch eine der vorhergehenden analoge Schlufsfolgerung kann man mit Sicherheit voraussetzen, dafs in Spule e in 17 die Spannung gleich Null ist (indem man die durch die erste Lage von e erzeugte Spannung vernachlässigt), und dafs in 18 Spule g die Spannung gleich ist T¹ -\- T⁷ (indem man die Subtraction der durch die erste Lage von g verursachten Spannung ebenfalls vernachlässigt). Man sucht in der Tabelle die der Spannung T¹ -)- T"¹ entsprechende Entfernung und findet 18, 19. Da die Spule g in Wirklichkeit im Allgemeinen derart ist, dafs 18,6 kleiner ist als 17,1 (6 und ι auf einer zur Achse der Primären parallelen Geraden liegend) und ferner der Abstand 18, 20, welcher weiterhin gefunden wird, bestimmt ist, kann man feststellen, ob die Entfernung 18, 17, welche gegen den Funken in der Richtung 18, 17 schützt, auch gegen den Funken in der zur Achse der Spule parallelen kürzeren Entfernung 18, 19 schützt. Die Spannung zwischen 18, 19 ist in 18 positiv T¹ -j- T⁷ minus der ebenfalls positiven Spannung, welche in den Windungen der Lagen der Spule e vom Centrum bis zur Schicht 19 erzeugt wird. Diese Spannung sei T"¹⁹. Man sucht in der Tabelle die Isolirdicke, welche der Spannung (T¹ -\- T⁷) — T¹⁹ entspricht, und ersieht, dafs dieselbe kleiner ist als die Entfernung 18, 19. In diesem Falle giebt die schräge Entfernung 18, 17 den Abstand zwischen den beiden Spulen. Zeigt im Gegentheil die Tabelle, dafs die theoretische Dicke gröfser ist als die durch die schräge Linie gegebene Entfernung, so giebt die, Entfernung 18, 19 der Tabelle den anzuwenden Abstand.

Ebenso findet man die Spannung zwischen 21,22. Unter Vernachlässigung der Spannung der Lage 6, 21 ist die Spannung in 21 die gleiche wie in 1, d. h. gleich T¹; in 22 ist die Spannung T¹ T⁷ T¹'², und, da die beiden Spannungen in 21, 22 positiv sind, so giebt die Spannung Γ¹ + T⁷ + T¹² — T\ d. i. die Spannung T⁷ -j- T¹², den in der Tabelle· gefundenen Abstand 21, 22.

Man berechnet ebenso die Entfernungen 23, 24 für die Spulen f und h, und die Entfernungen 9, 11 für die Spulen h und j auf der negativen Seite.

Wie man weiterhin ersehen wird, nimmt die Zahl der Windungslagen der Spulen ab mit der Entfernung der Spulen von der Ebene xy\ es ist alsdann 14, 15 gröfser als 18, 19, gröfser als 21,22; und 14, 15 gröfser als 23, 24, gröfser als 9, 11.

Man bemerkt, dafs theoretisch das Isolirmittel zwischen den Spulen e und f die

Punkte 4 und 5, da dieselben gleiche Spannung haben, nicht zu trennen brauchte; es mufs im Gegentheil sein Maximum in 14, 15 haben. Seine theoretische· Form wäre demnach ein Ring von schiefwinkligem Querschnitt , wie Fig. 2 zeigt. Ebenso ist der Verhalt bezüglich der übrigen Spulen. Die Spulen eg können sich in 6, 1 berühren, die Spulen gi in 10,7, ebenso die Spulen f h in 2, 8 und die Spulen hj in 9, 11.

Fig. 3 giebt alsdann den Querschnitt und die Ansicht der Spule f.

Es verbleibt die Feststellung der zwischen der Primärspule und der ersten inneren Windung jeder Secundärwicklung anzuordnenden Isolirdicke.

Zunächst die Spule e betrachtet, so ist für Transformatoren mit unterbrochenen Strömen und Ruhmkorff'sche Spulen möglich, das Potential der Primären in Bezug auf die Potentiale der secundären Wicklungen gleich Null zu setzen: das Potential der Primären ist im höchsten Falle 50 Volts, während die Potentiale der Secundärwicklungen Hunderttausende von Volts betragen. Bezüglich der übrigen Transformatoren mufs vorausgesetzt werden, dafs von Spannungsdifferenzen oder Spannungssummen gesprochen wird, je nachdem die Spannungen entgegengesetzten oder gleichen Zeichens sind.

Für Spule e kommt nur die durch eine einzige Lage der secundären Windungen entwickelte Spannung in Frage, die eine sehr schwache Isolirdicke ergiebt. Der Abstand25,17 ist sehr klein. In 3 dürfte der Abstand 26, 3 Null werden, da die Spulen symmetrisch und zu zweien gleich sind. Zur gröfseren Sicherheit wird jedoch dem Abstand 26, 3 eine gewisse Länge gegeben.

Für Spule / ist der Abstand 27,28 gleich dem Abstand 25, 17.

Für Spule g ist der Abstand 7, 29 gegeben durch die Spannung in 7, welche gleich ist T¹.+ T\

Für Spule i ist der Abstand 30,31 gegeben durch die Spannung T¹ + T¹ -\- Spannung der Lage 10,31. Man entnimmt der Tabelle 30,31, und, da die durch eine einzige Lage erzeugte Spannung nur schwach ist, nimmt man mit einem Zuschüfs an Sicherheit 29, 7 gleich 30, 31.

. Ebenso hat man für die negative Seite, da dieselbe der positiven ähnlich ist, 27, 28 gleich 25, 17, und so fort.

Die theoretische Form der Gesammtisolirung ist dann die durch Fig. 2 veranschaulichte.

In dem Falle, wo die Abstände in Bezug auf die Spulen selber klein sind,, kann man, um das Bewickeln zu erleichtern, die Ringe von dreieckigem Querschnitt, gemäfs Fig. 2, 3 und 4 ersetzen durch Ringe von rechteckigem Querschnitt, wie in Fig. 1.

Selbstverständlich ist weder die neue Form für die Isolirung, noch die Anordnung der Spulen an eine bestimmte Spulenzahl gebunden.

Um die Intensität des inducirten Stromes zu erhöhen, kann man jede Spule aus zwei, drei und mehr über einander geschobenen,., selbstverständlich parallel gewundenen Einzelspulen in der Art zusammensetzen, dafs die Wickelungen desselben je nur an den Polen mit einander verbunden sind. Das Ergebnifs ist eine beträchtliche Vermehrung der Strommenge an den Klemmen.

Die Erfindung kann auch, wie in Fig.: 5 dargestellt, Anwendung finden bei einer Transformatorenart, welche auf Grund der experimentell festgestellten Thatsache, dafs die an den Enden der secundären Wicklung auftretenden Potentiale nicht entgegengesetzt gleich, sondern sehr verschieden sind, dissymetrische Transformatoren genannt werden.

Man umgiebt einen in dargelegter Weise hergestellten Primärinductor mit einer aus dünnem isolirten Draht gewickelten Secundärspule, deren Wicklungslagen durch einen isolirenden Papierstreifen von einander getrennt sind (Fig. 5), in der Art, dafs die Secundärwicklung nahe beim- Inductor beginnt und am Umfang der Spule endigt; das innere Wicklungsende wird an die obere Klemme a, das äufsere an die untere Klemme b gelegt (Fig. 5). Schickt man durch diesen Transformator absetzenden Gleichstrom, so entspricht jeder Unterbrechung desselben eine Welle mit hoher Spannung in der Secundären, und zwischen den Klemmen springt ein Funken über. Die Ströme aus α und b haben entgegengesetztes Zeichen. Angenommen, dasjenige für α sei negativ, das für b positiv.

Nähert man, während der Transformator in Betrieb ist, einen an Erde gelegten Leiter nach einander beiden Polen α und b,' so ist der aus a, d. i. dem inneren Spulenende überspringende Funken etwa zehnmal weniger lang, als der aus b, d. i. dem äufseren Spulenende überspringende Funken. Die durch den an Erde gelegten Leiter aus dem Pol α gezogene Funkenlänge »eins« plus der von ihm aus dem Pol b gezogenen Funkenlänge »neun« giebt die Funkenlärige »zehn«, oder diejenige, welche man erhält, wenn man den Funken zwischen α und b überspringen läfst.

. Verbindet man nun den Pol α schwächeren Potentiales unmittelbar mit der Erde, so springt der Funken zwischen diesem an Erde gelegten Pol α und dem Pol b über, und zwar ist die Funkenlänge die gleiche, wie wenn der Pol a frei wäre. Die Dicke des Funkens zeigt seinen Amperegehalt an; sein Glanz und das ihn be-

gleitende Geräusch scheinen durch die. Veiv bindung des Poles α mit der Erde noch gesteigert worden zu sein.

Die Thatsache, dafs die Potentiale an den beiden Enden der Secundärwicklung nicht entgegengesetzt gleich sind, läfst sich auf verschiedene Weise erklären, z. B.:

1. Man kann annehmen, dafs sich infolge der Nähe des Inductors zwischen diesem und dem Strom von α Condensatorwirkungen einstellen, welche die Spannung des letzteren herabsetzen. Diese Erklärung würde eine Reduction der totalen Funkenlänge des dissymetrischen Transformators voraussetzen müssen; .nun ist aber die Funkenlänge eine solche, dafs sie der gleichen Zahl Windungen im symmetrischen Transformator bei gleicher Induction entsprechen würde; damit erscheint die obige Voraussetzung experimentell nicht gerechtfertigt.

2. Man kann, wie Erfinder, annehmen, dafs die Vorgänge sich so vollziehen, als ob durch die Unterbrechung des Primärstromes in der Secundärwicklung eine elektrische Schwingung (Vibration) hervorgerufen würde, und dafs diese Schwingung in einem Punkte vom Potential Null einen Schwingungsknoten habe.

Diese, im einen Sinne positive, im anderen Sinne negative Schwingung geht von Null aus, nimmt mit der Windungszahl an Amplitude zu und bildet so in der letzten, mit der positiven Klemme verbundenen Windung ein »positives« Maximum, in der letzten mit der negativen Klemme verbundenen Windung ein »negatives« Maximum. Bei symmetrischen Wicklungen liegt dieser Knoten mit der Spannung Null in der Mitte des inducirten Drahtes, und ist auf jeder Seite des Knotens die gleiche Windungszahl vorhanden. Bei den dissymmetrischen - Transformatoren liegt dagegen der Knoten in der Nähe des Inductors. Zwischen diesem Punkte Null und der Klemme α befinden sich Windungen nur in geringer Anzahl: die negative Schwingung ist also gleichfalls schwach; dagegen finden sich zwischen dem Punkte Null und der Klemme b Windungen in grofser Anzahl: die Spannung in b, die positiv ist, ist entsprechend hoch.

Legt man die Klemme α an Erde, so rückt der Punkt Null dem Wicklungsanfang näher, denn die Erde hat annähernd das Potential Null, da die Windungszahl von Null nach b zunimmt, bewahrt der Funken seine Länge — das Potential an der Klemme b ist verstärkt um das, von den- zwischen dem alten und dem neuen Nullpunkte befindlichen Windungen erzeugte Potential.

Diese Erklärung, welche sich als Vergleichung des Phänomens mit einer schwingenden Saite darstellt, welche nur einen einzigen ■Schwingungsknoten hat, läfst sich theoretisch durch die Curve FA OBF¹ (Fig. 7) veranschaulichen. Die in ihr enthaltene Theorie hat im übrigen keinen höheren Werth als die für die Induction aufgestellte; sie gestattet jedoch über die an sich unbestreitbare physikalische Thatsache eine gewisse Rechenschaft abzulegen.

Diese dissymmetrischen Transformatoren sind in allen den Fällen verwendbar, wo ein mit Stromunterbrechungen betriebener Transform mator mit offenen Stromkreisen mit einem Pol an Erde gelegt werden mufs: Drahtlose Telegraphic, Endodiaskopie, Ladung von Condensatoren, welche an einer Seite an Erde gelegt sind u. s. w. Für diese Verwendungen besitzen die dissymmetrischen Transformatoren den gleichen Werth wie der Ruhmkorff'sche Inductor oder ein symmetrischer Transformator von doppelter Länge, welche Apparate ihre halbe Funkenlänge verlieren, wenn sie mit einem Pol an Erde gelegt werden.

Verbindet man mit einem Inductor zwei wie in Fig. 6 veranschaulichte Spulen, deren Windungen parallel und in gleichem Sinne, sowie in gleichem Abstande von einer senkrecht durch die Mitte des secundären Gliedes gelegten Ebene angeordnet sind, und legt man die beiden inneren Drahtenden zusammen an die Klemme a_f die beiden äufseren Drahtenden zusammen an die Klemme b (Fig. 6),. so erhält man einen Transformator mit zwei auf Quantität geschalteten, vermittelst eines gemeinsamen Inductors erregten Secundärwicklungen. Der zwischen den Klemmen α und b überspringende Funke hat die gleiche Länge wie der vermittelst jeder der Einzelspule erhältliche, dagegen besitzt er gröfsere Dicke und höheren Glanz und findet sich von einem stärkeren Geräusch begleitet; es ist derselbe Funke, den man erhalten würde vermittels zweier auf Quantität geschalteter Transformatoren, von denen jeder mit nur einer der beiden obigen Wicklungen ausgerüstet wäre.

Man kann bei gemeinschaftlichem Inductor auch mehr wie zwei Wicklungen in der obigen Weise schalten. . '

Die Primärwicklung kann in ebenso viele Theile zerlegt werden, als die Secundärwicklung Spulen enthält. Diese Theilung kann bei Anwendung eines einzigen, fortlaufenden Drahtes dadurch erhalten werden, dafs ,man die Wicklungsrichtung gegenüber der folgenden Spule wechselt. In diesem Falle ordnet man jede Einzelsecundärspule der Mitte des ihr entsprechenden Theiles der Primären gegenüber an. Da die besprochenen Anordnungen für die Secundärwicklung gleich bleiben, so hängen die gegenseitigen Abstände der Spulen einzig ab von den Längen der Theile mit auf einander folgend verschiedener Bewicklung.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Anordnung des Isolirmaterials bei Transformatoren, dadurch gekennzeichnet, dafs die unter einander verbundenen Spulen, welche rechteckigen oder parallelogrammförmigen Querschnitt besitzen¹, nicht nur in einem um so gröfseren Abstande von der Primärspule, sondern auch in einem um so gröfseren gegenseitigen Abstande angeordnet sind, je gröfser die Spannungsdifferenz zwischen den betreffenden Spulentheilen ist, zum Zwecke, die Maximalisolirung mit einem gegebenen Isolirmaterial zu erzielen.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.