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Dynamoelektrische Maschine zum Umwandeln eines Gleichstromes oder
niederfrequenten Wechselstromes in eine höherfrequente Wechselspannung Die Erfindung
betrifft eine dynamoelektrische Maschine zum Umwandeln eines einem ersten Spuls.ystem
zugeführten Gleichstromes oder niederfrequenten Wechselstromes in eine einem zweiten
Spulensystem entnommene höherfrequente Wechselspannung, mit Luftspalte aufweisenden
Kraftlinienleitstücken, die gegenüber dem einen in diesen Luftspalten angeordneten
Spulensystem bewegbar sind, während das andere Spulensystem mit den Kraftlinienleitstücken
magnetisch fest verkettet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dynamoelektrische Maschine
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der sich hohe Empfindlichkeiten erreichen
lassen, die eine Leistungsverstärkung ermöglicht und einen linearen Zusammenhang
der Ausgangswechselspannung mit dem Eingangsgleichstrom aufweist.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei der eingangs genannten dynamoelektrischen
Maschine darin, daß der Gleichstrom bzw. der niederfrequente Wechselstrom das in
den Luftspalten angeordnete Spulensystem durchfließt und daß dieses Spulensystem
kein mechanisch ihm gegenüber feststehendes ferromagnetisches Material aufweist.
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Mit einer bekannten dynamoelektrischen Maschine der eingangs genannten
Art lassen sich zwar eine hohe Empfindlichkeit und eine Leistungsverstärkung erzielen.
Es besteht jedoch keine linearer Zusammenhang der Ausgangswechselspannung mit dem
Eingangsgleichstrom, da auch das Eingangsspulensystem ihm gegenüber feststehendes
ferromagnetisches Material aufweist. Daher ist eine derartige Maschine nicht gut
als Umwandler oder Verstärker geeignet.
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Es ist zwar bereits bei einer anderen dynamoelektrischen Maschine
bekannt, Dauermagneten in den Luftspalten sich drehender Kraftlinienleitstücke anzuordnen
und die Wicklung für die Wechselstromausgangsspannung mit den Kraftlinienleitstücken
fest verkettet anzuordnen, jedoch eignet sich diese Maschine nicht für Verstärker-
und Umwandlerzwecke. Das Ersetzen der Dauermagneten durch mit einem Gleichstrom
gespeiste Elektromagneten führt allein nicht zu der aufgabengemäß angestrebten Wirkung.
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Es ist zwar auch schon bekannt, die Wicklung elekrischer Maschinen
eisenlos innerhalb eines Luftspaltes anzuordnen. Jedoch ist diese Wicklung im bekannten
Fall die die höherfrequente Wechselspannung führende Wicklung. Die genannte, der
Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist dabei weder gestellt noch gelöst.
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Dadurch, daß bei der dynamoelektrischen Maschine nach der Erfindung
die Eingangsspule in einen bestimmten Luftspalt eine wechselnde Magnetisierung erzeugt,
kann praktisch keine wesentliche Gleichstromvormagnetisierung der Kraftlinienleitstücke
erzeugt werden. Jedoch auch bei einer Vormagnetisierung der Kraftlinienleitstücke
wirkt sich dies nicht auf die günstigen Eigenschaften der Vorrichtung aus, da in
der Ausgangswicklung nur durch die Magnetflußänderungen der Kraftlinienleitstücke
eine Ausgangswechselspannung erzeugt wird. Durch eine Gleichstromvormagnetisierung
würde lediglich der magnetische Widerstand der Kraftlinienleitstücke verändert werden,
was jedoch praktisch keinen Einfluß hat, da der Widerstand dieser aus ferromagnetischem
Material bestehenden Teile meistens klein ist im Vergleich zum magnetischen Widerstand
des Luftspaltes, in dem sich die Eingangsspulen bewegen. Dadurch, daß die Eingangsspulen
kein ferromagnetisches Material aufweisen, ergibt sich eine sehr gute Linearität
zwischen der Ausgangswechselspannung und dem durch die Eingangsspule fließenden
Gleichstrom oder niederfrequenten Wechselstrom, die im wesentlichen nach oben durch
die maximale Magnetisierungsfähigkeit der Kraftlinienleitstücke und nach unten durch
das sich bei geringen Eingangsleistungen bemerkbar machende thermische und Weißsche
Rauschen begrenzt ist. Beim Entnehmen von Leistung aus der Ausgangsspule kommt noch
der Temperatureinfluß in Form der Widerstandsänderung derselben hinzu, der jedoch
in einem weiten Bereich linear ist und daher durch an sich bekannte Mittel leicht
kompensiert werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind das Eingangs- und das
Ausgangsspulensystem in den supraleitenden Zustand versetzt, wodurch die Rauchspannung
verringert wird.
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Zweckmäßig sind die Kraftlinienleitstücke so geformt, daß der magnetische
Widerstand für die von
den Eingangsspulen ausgehenden Feldlinien
in jeder Stellung, die die Eingangsspulen während der Relativbewegung gegenüber
den Kraftlinienleitstücken einnehmen können, gleichbleibt. Hierdurch wird erreicht,
daß im Eingangsspulensystem keine Wechselspannung induziert wird, wenn dasselbe
von Gleichstrom durchflossen wird.
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Bei Verwendung der Maschine als Gleichspannungsverstärker mit Gleichspannungsausgang
ist an die Ausgangsspule ein Gleichrichter angeschlossen. Um eine polaritätsgetreue
Umwandlung zu erzielen, kann der bewegbare Teil einen Generator zum Erzeugen einer
Wechselspannung tragen, die frequenz- und phasensynchron zur Spannung an der -Ausgangsspule
ist- und die zum Steuern des Gleichrichters für die Ausgangswechselspannung dient.
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Gemäß einer besonderen Ausführungform sind die Eingangsspulen auf
mindestens. einen Kreisumfang gleichmäßig verteilt angeordnet und benachbarte, in
einer Bewegungsebene liegende Eingangsspulen so gepolt, daß sie entgegengesetzt
gerichtete Feldlinien erzeugen, und die Kraftlinienleitstücke sind relativ zu den
Eingangsspulen rotierend bewegbar. Diese Anordnung führt zu einer besonders einfachen
Konstruktion.
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Bei einer derartigen Konstruktion kann. eine der Anzahl der Eingangsspulen.
entsprechende Zahl von aus den Kraftlinienleitstücken mit den Ausgangsspulen aufgebauten
magnetischen Kreisen mit jeweils einem Luftspalt vorgesehen sein. Dadurch läßt sich
eine große Empfindlichkeit der Maschine erreichen.
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Die magnetischen Kraftlinienleitstücke können auch zu einer magnetischen
Leiteranordnung mit sich verzweigenden Teilkreisen zusammengefaßt sein, wobei jeder
Teilkreis mindestens einen Luftspalt für das Eingangsspulensystem aufweist und die
Ausgangswicklung über dem nicht verzweigten Abschnitt der magnetischen Leiteranordnung
angeordnet ist. Dadurch läßt sich die Empfindlichkeit noch weiter erhöhen.
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Vorzugsweise liegen die Ebenen der Luftspalte normal zur Drehachse
der Kraftlinienleitstücke, um eine einfache Konstruktion der Maschine zu ermöglichen.
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Die Luftspalte können jedoch auch in einer zur Drehachse der Kraftlinienleitstücke
konzentrischen Mantelfläche liegen, um eine platzsparende Bauweise zu erreichen.
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Gemäß einer Weiterbildung kann für die kontaktlose Übertragung der
Spannung des rotierenden Ausgangsspulensystems ein Transformator vorgesehen sein,
dessen Primärteil mitrotiert und dessen Sekundärteil feststeht.
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Zum Zwecke der Leistungsverstärkung können mindestens zwei Maschinen
in Kaskade geschaltet sein. Dabei kann jede der in Kaskade geschalteten Maschinen
eine mehrfach höhere Frequenz der Ausgangswechselspannung aufweisen als die vorhergehende.
Die in Kaskade geschalteten Maschinen können jedoch auch über Gleichrichter miteinander
verbunden sein. Eine dritte Möglichkeit der Zusammenschaltung besteht darin, daß
in Kaskade geschaltete Maschinen eine gleiche Frequenz der Ausgangswechselspannung
aufweisen und phasengetreu angetrieben sind.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an
mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben. Fig.1 zeigt einen Querschnitt der wesentlichen
Teile einer oszillierend bewegbaren dynamoelektrisehen Maschine; F i g. 2 ist ein
Axialschnitt einer rotierend bewegbaren dynamoelektrischen Maschine; F i g. 3 ist
ein Querschnitt an der Stelle a-a in Fig2; F i g. 4 ist ein Querschnitt an der Stelle
b-b in Fig2; Fi g. 5 ist ein Axialschnitt einer zweistufigen Anordnung; Fig.6 ist
ein Querschnitt an der Stelle c-c in F i g. 5; F i g. 7 ist ein Querschnitt an der
Stelle d-d in Fig.5; F i g. 8 ist ein Querschnitt einer magnetischen Leiteranordnung
in der Nähe der Luftspalte.
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Die Anordnung nach F i g. 1 besitzt zwei Eisenkerne 41 aus lamelliertem
Blech oder aus einem Fernt, die aus je zwei Teilen zusammengesetzt sind. Auf die
Kerne sind Ausgangsspulen 42 gewickelt. Die Endflächen der Schenkel jedes Kernes
41 sind in geringem Abstand voneinander angeordnet, und die Schenkelflächen verschiedener
Kerne stehen sich in geringem Abstand gegenüber. In den zwei dadurch gebildeten
Spalten schwingt eine Spule 43 hin und her. Die Spule wird mittels eines Magneten
44 angetrieben, der mit Wechselstrom oder pulsierendem Gleichstrom gespeist ist.
Die Verbindung zwischen der Spule 43 und dem Kern 46 des Magneten besteht aus einer
starren Scheibe 45 aus nichtmagnetischem Material, in der die Spule angeordnet ist.
An dieser Scheibe sind die Enden der Spule 43 mit flexiblen Leitungen
47 verbunden, die zu an dem Gerät befindlichen festen Anschlußklemmen führen.
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Die Scheibe 45 ist ferner mit einer Feder 48 gekoppelt. Die Eigenfrequenz
dieses schwingungsfähigen Systems ist vorzugsweise auf die Bewegungsfrequenz des
Magnetkernes 46 eingestellt.
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Die Verstärkung dieser Vorrichtung ist wesentlich kleiner als eins.
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Die in F i g. 2 dargestellte rotierende Vorrichtung besitzt eine Welle
1., die in Lagern. 2 und 3 drehbar gelagert und von einem nicht dargestellten Motor
angetrieben wird. Die Lager sind auf einer Grundplatte 4 befestigt. Auf der Welle
1 sind zwischen den Lagern 2 und 3 zwei Scheiben 5 und 6 aus ferromagnetischem Material
fest aufgesetzt. Diese Scheiben können z. B. aus Dynamoblech, hochwertigen Eisensorten
oder aus einem Ferrit bestehen. Die Scheiben weisen in der Nähe ihres Umfangs zylindrische,
parallel zur Welle 1 sich erstreckende Kraftlinienleitstücke 7 aus ferromagnetischem
Matte rial auf, wobei die Scheiben 5 und 6 symmetrisch ausgebildet und so zueinander
angeordnet sind, daß sich die als zylindrische Ansätze ausgebildeten Kraft linienleitstücke
der beiden Scheiben unter Freilassung eines Luftspaltes 7 a genau gegenüberstehen.
Diese Ansätze können z. B. aus einem Ferrit hergestellt sein oder aus lamelliertem
Blech eines ferromagnetischen Materials. Sie können an die Scheiben angesetzt sein
oder mit diesen ein Teil bilden. Zwischen den Scheiben 5 und 6 ist in der Nähe der
Welle und konzentrisch zu dieser ein Kernstück 8 aus ferromagnetischem Material
angeordnet, das zugleich dazu dient, die gewünschte Luftspaltstärke zwischen den
Kraftlinienleitstücken 7 zu fixieren. Um die Scheiben 5 und 6 ist ein Abschirmgehäuse
9 aus
,u-Metall vorgesehen. Dieses Gehäuse hat eine quaderförmige
Form und trägt einen in der Ebene der Luftspalte liegenden Stab oder Träger 10,
der mit einer zu den Luftspalten hinzeigenden Nut 11 versehen ist. Ein gleicher,
mit einer Nut 13 versehener Stab 12 ist an der Grundplatte 4 des Gerätes in der
Ebene der Luftspalte 7a angeordnet. Die Nuten 11 und 13 dienen zur Aufnahme zweier
nichtmagnetischer und vorzugsweise auch nichtleitender Teile 13 a und 13
b, die mit halbkreisförmigen Ausnehmungen 15 a und 15 b sowie
mit einer der Zahl der Kraftlinienleitstücke 7 einer Scheibe 5 proportionalen Zahl
von Bohrungen 16, in die Eingangsspulen 17 eingesetzt sind, versehen sind. Beide
Platten 14 zusammen haben eine doppelte Anzahl von Spulen wie Luftspalte zwischen
den an den Scheiben 5 und 6 befestigten Kraftlinienleitstücken 7 vorgesehen sind.
Diese Eingangsspulen 17 sind so im Kreis angeordnet, daß in bestimmten Stellungen
jede zweite Spule genau in Flucht mit zwei einander gegenüber angeordneten Kraftlinienleitstücken
ist. Die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Eingangsspulen sind so gepolt,
daß ein durch diese Spulen geschickter Strom in aufeinanderfolgenden Spulen eine
umgekehrte Richtung der magnetischen Feldlinien hervorruft. Dabei können diese Spulen
parallel oder in Reihe geschaltet sein.
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Auf dem Kernstück 8 ist eine Ausgangsspule 18 angeordnet, die mit
der Wicklung 19 eines auf einem Ende der Welle 1 sitzenden Transformators verbunden
ist. Dieser Transformator umfaßt zwei Topfkernteile 20 und 21, die jeweils mit einer
eigenen Wicklung 19 und 22 versehen sind. Das Topfkernteil 20 ist
auf der Welle 1. befestigt, während das Kernteil 21 auf einem Lagerbock 23 an der
Grundplatte 4 befestigt ist. Die Schenkelendflächen: der beiden Kernteile stehen
sich mit geringem Abstand gegenüber. Die Teile 19 bis 22 bilden einen Transformator,
dessen Primär- und Sekundärwicklung ohne Änderung der übertragungseigenschaften
gegeneinander drehbar sind.
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Dreht man die Welle 1 und schickt man einen Gleichstrom durch die
feststehenden Eingangsspulen 17, so wird durch die Kraftlinienleitstücke 7, die
Scheiben 5 und 6 und den Kern 8 ein magnetischer Wechselfluß induziert, der in der
Ausgangsspule 18 eine elektromotorische Kraft hervorruft. Diese ist -gegebenenfalls
umgespannt - an der Sekundärwicklung 22 mit den Ableitungen 24 des Transformators
1.9 bis 22 verfügbar. Die in F i g. 2 gezeigte Umformungs- und Verstärkerstufe zeichnet
sich durch große Einfachheit aus. Es wird jeweils der Magnetfluß der einen Hälfte
der Eingangsspulen 17 verwendet.
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In F i g. 5 ist eine zweistufige Vorrichtung beschrieben. Die in der
Zeichnung rechts befindliche Stufe ist ähnlich aufgebaut wie die in F i g. 2 dargestellte
Stufe. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß der in F i g. 2 dargestellte
Kern aus ferromagetischem Material 8 durch ein Distanzrohr 25 ersetzt ist, das magnetisch
nichtleitend zu sein braucht, daß insgesamt so viel Eingangsspulen 17 wie Luftspalte
vorhanden sind und daß an Stelle der in F i g. 2 dargestellten Ausgangsspule 18
auf jedem Kraftlinienleitstück 7 je eine Ausgangsspule 26 angeordnet ist. Eine derartig
ausgebildete Stufe nutzt die durch sämtliche Eingangsspulen erzeugten Magnetfelder
aus, weist jedoch wegen des höheren Wider-Standes der Ausgangsspulen 26 eine verringerte
Verstärkung auf. Der Vorteil dieser Anordnung besteht jedoch darin, daß sie verhältnismäßig
unempfindlich gegen magnetische Fremdfelder ist.
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Die zweite Stufe dieser Vorrichtung, die auch allein verwendet werden
kann, umfaßt eine auf der Welle 1 befestigte Scheibe 27 mit einer auf einem Kreisumfang
verteilten Anzahl Eingangsspulen 28, die derart geschaltet sind, daß in Umfangsrichtung
aufeinanderfolgende Spulen 28 bei Erregung mit Gleichstrom entgegengesetzt verlaufende
Feldlinien erzeugen. Die magnetische Leiteranordnung umfaßt zwei symmetrisch zu
der Scheibe 27 liegende identische Abschnitte, die jeweils aus einer Scheibe 29
und einer Scheibe 30 gebildet sind, die parallel zur Welle 1 sich erstreckende Kraftlinienleitstücke
31 und 32 aufweisen, wobei die Scheiben 29 und 30 in axialem Abstand voneinander
angeordnet sind und die Kraftlinienleitstücke 31 und 32 eines jeden Abschnittes
sich bis zu einer in der Nähe der Eingangsspulen 28 gelegenen Ebene erstrecken.
Die Scheibe 30 ist am Umfang in den Bereichen zwischen jeweils zwei Kraftlinienleitstücken
32 mit Ausnehmungen versehen, um :einen Durchtritt der Kraftlinienleitstücke 31
bis in die besagte Ebene zu ermöglichen. Querschnitte längs der Linien d-d und c-c
der F i g. 5 sind in F i g. 6 und 7 dargestellt. Zwischen den Scheiben 29 und 30
ist jeweils ein in der Nähe und konzentrisch zur Welle 1 gelegener zylinderförmiger,
ferromagnetischer Kernteil 33 angeordnet, der von einer Spule 34 umgeben ist. Die
Zahl der Kraftlinienleitstücke 31 auf der Scheibe 29 ist gleich der Zahl der Kraftlinienleitstücke
32 auf der Scheibe 30. Die Ausgangsspulen 34 auf den beiden Abschnitten dies magnetischen
Leiterkreises sind zusammengeschaltet und bilden die Ausgangswicklung der Vorrichtung.
Die Eingangsspulen 28 der zweiten Stufe sind mit den Ausgangsspulen 26 der ersten
Stufe verbunden. Die Eingangsspulen 28 werden von einem Wechselstrom durchflossen.
Daher ist es erforderlich, halb soviel Luftspalte vorzusehen wie Eingangsspulen
28. Man kann jedoch auch zwischen den Ausgangsspulen 26 und den. Eingangsspulen
28 eine Gleichrichteranordnung vorsehen.. In diesem Fall kann die Anzahl der Luftspalte
gleich der Anzahl der Eingangsspulen 28 sein. Eine solche Stufe läßt sich dann auch
als Eingangsstufe bzw. allein verwenden. Dabei können selbstverständlich wie bei
der in F i g. 3 und 4 dargestellten Vorrichtung die Spulen 27 fest angeordnet sein
und die Scheiben 29 und 30 sich drehen.
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Man kann bei dieser Vorrichtung die Gleichrichteranordnung weglassen,
wenn man die Zahl der Eingangsspulen 28 und auch die Zahl der Luftspalte um ein
Mehrfaches größer macht als die entsprechende Zahl der ersten Stufe.
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Eine solche zweistufige Anordnung läßt sich insbesondere für sehr
kleine Eingangsspannungen verwenden.
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Der in F i g. 8 dargestellte Querschnitt der Kraftlinienleitstücke
ergibt zusammen mit entsprechend geformten Eingangsspulen eine rechteckige Ausgangswechselspannung,
wenn die Eingangsspulen von Gleichstrom durchflossen sind.
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Eine besonders einfache Ausbildung einer zweiten Stufe ähnelt z. B.
der ersten Stufe gemäß F i g. 5, mit dem einzigen Unterschied, daß eine der Zahl
der Luftspalte entsprechende Zahl von Eingangsspulen
vorgesehen
ist, deren Feldlinien sämtlich gleichgerichtet sind.
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Für die Merkmale der Unteransprüche wird nur Schutz in Verbindung
mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 und entsprechend den Rückbeziehungen beansprucht.