DE149761C - - Google Patents

Description

PATENTAMT

i 149761 KLASSE 21 tf.

in FRANKFURT a. M.

Verstärkt man die Magnetisierung eines Eisenkernes durch einen um denselben geleiteten elektrischen Strom, so ist bekanntlich der Zuwachs, den die Magnetisierung erfährt, nicht eindeutig durch den Zuwachs der Amperewindüngen bestimmt, sondern je nach dem Grade der bereits vorhandenen Sättigung verschieden. Diese Verhältnisse werden durch die Linie C-B der Fig. ι dargestellt. Diese

ίο zeigt die bekannte Form der Magnetisierungslinie, wonach die Induktion mit steigender . magnetisierender Kraft langsamer wächst. Wir wollen nunmehr annehmen, ein Eisen, dessen Magnetisierungskurve durch die Fig. ι dargestellt sei, unterliege ständig einer magnetisierenden Kraft von der Größe 7. Diese ^bringt dann dauernd eine Induktion von 11 000 Linien pro Quadratzentimeter hervor, entsprechend dem Punkte A der Kurve. Fügt man nun eine zusätzliche magnetisierende Kraft von i, 2, 3 ... Einheiten hinzu, welche in gleicher Richtung wirkt, so wächst die Induktion gemäß dem Verlauf der Kurve A B. Das mit dem Anfangspunkt in A eingezeichnete, mit dem ursprünglichen parallele Koordinatensystem gestattet, unmittelbar den Zusammenhang zwischen zusätzlicher magnetisierender Kraft und Zuwachs der Induktion abzulesen. .

Wirken jedoch die zusätzlichen Amperewindungen auf die Magnetisierung nicht verstärkend, sondern schwächend, so wird die Magnetisierung gemäß A C abnehmen. Bezogen auf das von A ausgehende Koordinatensystem stellt A C die Änderungen der Induktion dar, welche in dem mit der konstant wirkenden magnetisierenden Kraft 7 ständig magnetisierten Eisen eintreten, wenn auf dasselbe eine zusätzliche magnetisierende Kraft entgegengesetzter Richtung wirkt. Der Vergleich des Kurvenzuges A B mit demjenigen AC läßt nun ohne weiteres erkennen, daß ein in bestimmter Richtung magnetisiertes Eisen zusätzlichen Amperewindungen einen je nach deren Sinn verschiedenen magnetischen Widerstand entgegensetzt.

Versieht man also einen Ring unterteilten Eisens mit zwei getrennten Wicklungen und .speist die eine ständig mit Gleichstrom konstanter Stärke und Richtung, die andere mit AVechselstrom, so wird die so gebildete Drosselspule je nach der augenblicklichen Richtung des Wechselstromes einen verschiedenen magnetischen Widerstand und damit verschiedene Selbstinduktion besitzen. Sie wird also die beiden Stromwellen verschieden stark drosseln, der einen größeren Widerstand entgegensetzen als der anderen.

Diese Erscheinung kann man nutzbar machen, indem man einen Wechselstrom auf zwei Zweige unter Zwischenschaltung von Drosselspulen verzweigt, die in verschiedenem Sinne polarisiert sind, wie Fig. 2 veranschaulicht. Unter den hier dargestellten Verhältnissen wird der Zweig I der Stromwelle in der Richtung des ausgezogenen Pfeiles einen geringeren Widerstand entgegensetzen als Zweig II, während für die Stromwelle in der

Richtung des gestrichelten Pfeiles das Entgegengesetzte gilt. Infolgedessen findet eine Differenzierung des Wechselstromes in A statt, so daß in Zweig I eine Art pulsierenden Gleich-Stromes der Richtung AB, in Zweig II ein solcher der Richtung BA fließt, wie dies z. B. im D. R. P. 113992 beschrieben ist.

Während also hierbei eine Wechselstromleitung sich verzweigt und dementsprechend der an der Verzweigungsstelle ankommende Wechselstrom in zwei Teile gespalten wird, und zwar derart, daß die Verteilung auf die beiden Zweige nicht in konstantem Verhältnis geschieht, sondern der Wechselstrom je nach seiner Richtung bezw. Phase den einen oder anderen Weg bevorzugt, so daß eine Differenzierung der beiden verschieden gerichteten Wellen des an der Verteilungsstelle ankommenden Stromes eintritt, gabelt sich bei der vorliegenden Erfindung eine magnetische Leitung, so daß der magnetische Fluß an der Gablungsstelle sich verzweigt, wobei durch entsprechend verschiedene Anordnung der beiden Zweige dafür gesorgt wird, daß die Verteilung des magnetischen Flusses auf die beiden Zweige nicht in einem konstanten Verhältnis erfolgt, vielmehr dieses Verhältnis je nach Richtung und Stärke des Flusses verschieden ist, eine Anordnung, welche es zur Folge hat, daß, wenn der primäre magnetische Fluß ein periodisch wechselnder ist, das Verhältnis seiner Verteilung auf die beiden Zweige von der jeweiligen Phase abhängt. -

Da es sich um die Verzweigung eines magnetischen Flusses auf zwei parallele Zweige handelt, ist es am einfachsten, den magne-. tischen Kreis aus drei Schenkeln bestehen zu lassen, wie in Fig. 3 dargestellt. Soll dann ferner eine Differenzierung des aus Schenkel 2 durch eine von Wechselstrom durchflossene Spule erregten magnetischen Flusses stattfinden, so kann das z. B. dadurch bewirkt werden, daß Schenkel I und III Gleichstromamperewindungen besitzen, welche so geschaltet sind, daß sie dem aus II ankommenden magnetischen Fluß gegenüber in III sich anders verhalten als in I.

In Fig. 3 ist der einfachste Fall dargestellt, wonach die Amperewindungen in I. und III gleich sind, aber mit Bezug auf den aus II ankommenden magnetischen Fluß entgegengesetzt wirken. Der einfacheren Darstellung halber seien die Querschnitte der drei Schenkel zu je 100 cm² angenommen. Legt man als Magnetisierungskurve wieder die der Fig. 1 zugrunde und geht von einer durch ständige Magnetisierung hervorgebrachten Induktion 11000 aus, so ergibt sich als Charakteristik des zusätzlichen Magnetismus der Schenkel I und III die Fig. 4, wobei der obere oder untere Ast der Kurve gilt, je nachdem die zusätzlichen Amperewindungen die ständig wirkenden unterstützen oder nicht. Diese Charakteristik ist aus Fig. 1 bezogen auf das in A beginnende Koordinatensystem abgeleitet, wobei die untere Kurve im Spiegelbild gezeichnet ist und die Ordinaten entsprechend dem Querschnitt 100 cm² mit 100 multipliziert sind.

Ändert sich nun die elektromotorische Kraft des Wechselstromes nach der Sinusfunktion, so gilt das gleiche von der Schwankung der zusätzlichen Kraftlinien und entsprechend von diesen selbst. Kurve II (Fig. 5) stellt die zusätzlich in Schenkel II erzeugten Kraftlinien in Abhängigkeit von der Phase dar. Sie verteilen sich dann auf I und III -in verschiedenem Verhältnis, da sie in einem Schenkel mit der ursprünglichen Induktion, im andern gegen dieselbe laufen.

Die Schenkel I und III sind in bezug auf den magnetischen Fluß parallel geschaltet. Wie für parallel geschaltete Stromverbrauchsstellen die Klemmenspannung gemeinsam und darum gleich ist, ist für die beiden parallel geschalteten magnetischen Leiter I und III die magnetische Potentialdifferenz gemeinsam und gleich.

Die beiden Schenkel I und III verhalten sich gegenüber dem von II kommenden magnetischen Fluß ebenso, wie dies auf elektrischem Gebiete zwei mit entgegengesetzten Polen parallel geschaltete Akkumulatorenbatterien tun würden, welche gemeinsam an eine Maschine angeschlossen würden.

Betrachtet man z. B. einen Moment, in welchem der aus II heraustretende magnetische Fluß den in Schenkel I herrschenden Fluß von ι 100000 Linien auf 1 300000 Linien erhöht, so folgt aus den gemachten Voraus-Setzungen (vergl. auch Fig". 1 und Fig. 4), daß dies nur dann möglich ist, wenn die auf den Schenkel I einwirkende magnetisierende Kraft um 5 Einheiten wächst. Um den gleichen Betrag ändert sich dann auch die magnetisierende Kraft auf Kern III, nur mit dem Unterschied, daß sie sich zu der dort vorhandenen magnetisierenden Kraft von 7 Einheiten nicht addiert, sondern davon subtrahiert. '

Infolgedessen wird die Induktion in III (vergl. Fig. 1 und 4) von 11000 auf etwa 5700 sinken, d. h. ein Fluß in Schenkel II, der in Schenkel I eine Vermehrung der Linienzahl um 200000 hervorbringt, bewirkt in Schenkel III eine Abnahme um 630000. Da nun aber (entsprechend dem ersten Kirchhoffschen Gesetz auf elektrischem Gebiete) der Fluß in II gleich der arithmetischen Summe der magnetischen Flüsse in I und III ist, entspricht einem Zuwachse von 200000 Linien in I und einer gleichzeitigen Abnahme von

630000 Linien in III ein entstehender magnetischer Fluß von 830000 Linien inSchenkelll. Berechnet man auf diese Weise zusammengehörige Werte für Kraftlinien-Änderung in dem Schenkel, in welchem eine Vermehrung stattfindet (in den folgenden Kurven als I gedacht), in demjenigen, in welchem eine Verminderung stattfindet (als III gedacht), und dem Schenkel II, so ergibt sich Fig. 6, welche somit das Verhältnis der Verteilung eines gegebenen Kraftlinienflusses auf zwei Schenkel darstellt, wobei auf den einen bereits eine den betr. Fluß unterstützende, auf den anderen eine dem betr. Fluß entgegengesetzte magnetisierende Kraft wirkt. Mit anderen Worten heißt dies: die Summen II der Fig. 4 sind in Fig. 6 als Abszissen, die Summanden I und III der Fig. 4 als Ordinaten aufgetragen.

In Fig. 5 stellt die Sinuskurve 2 den magnetischen Fluß in Schenkel II in Abhängigkeit von der Zeit dar, indem der Phase ο der magnetische Fluß ο, der Phase 90⁰ der magnetische Fluß 850000 entspricht.

Mit Hilfe von Fig. 6 kann dann für jeden Moment der magnetische Fluß II in die Zweigflüsse zerlegt werden, welche sich auf Schenkel I und III verteilen (Kurve I und III), und zwar ist während der ersten halben Periode die Verteilung derart, daß der größere Teil des Flusses den Weg durch Schenkel III wählt, daß dagegen während der zweiten Hälfte umgekehrt der größere Teil des Flusses den Weg durch Schenkel I findet. Das Verhältnis, in welchem sich der Gesamtfluß auf Schenkel I und III verteilt, ist je nach der Phase verschieden, nämlich zwischen den Werten etwa 3 '/.₂ und Y₃ wechselnd.

Befinden sich nunmehr auf den Schenkeln I und III Drahtspulen, so werden in ihnen elektromotorische Kräfte erzeugt, deren Größe der jeweiligen Kraftlinienänderung in dem zugehörigen Kern proportional ist.

Mit Hilfe der Tangenten an die Kurven I und III der Fig. 5 können somit in willkür-

4-5 lichem Maßstab die elektromotorischen Kräfte . in den zugehörigen Spulen gezeichnet werden.

Diese Kurven sind als α und c in'Fig. 7 aufgetragen. Man erkennt, daß diese Kurven gegenüber der Sinuskurve stark deformiert sind und daß sie gegeneinander verschobene Maxima haben, was sich leicht auch mathematisch nachweisen läßt.

Es bezeichne N₂ den magnetischen Fluß in Schenkel II, welcher sich nach der Sinusfunktion ändern soll, so ist

■XT Λ 1 ■ ^{2 π}

JV₂ = A sin w t, wobei n> =

Derselbe verteilt sich auf Schenkel I und III , in Fluß JV₁ und No, so daß

1.3'

N, = .2V₁ + N₃ .

ist, aber in einem Verhältnis, welches mit dem Werte von N₂ sich ändert, d. h.

N₁ = N₂- FfN₂) = A sin w t · / ft) ^ N₃ = N₂ [I — FfNJ) = A sin iv t [i -fft)).

Dann berechnen sich die elektromotorischen Kräfte C₁ und e_ni der Spulen auf I und III:

e, = K (iv -fft) cos w t + / ft) sin w t)

e_m = K fn> cos n> t

'fft) · cos iv i —

/' ft) sin w t).

Das Maximum für e_; tritt in dem Augenblick t ein, für welchen die Bedingung erfüllt ist:
dej ~dt

= Kf- w · fft) . sin rv t + 2wf ft) ■

cos iv t -\- f" ft) sin jv t) = o.

Entsprechend gilt für das Maximum e_u:

—~- = K (— w · 2 sin w t -\- jp² »f'ft) · sin

wt— 27V · f ft) cos w t —/" ft) · sin w t) = o.

Sollen also die Maxima gleichzeitig eintreten, so müssen die Bedingungen erfüllt sein:

sin

t = ο

und /' ft) = ο, ά. h. fft) = konstant.

Da nun unser Fall gerade dadurch charak-

terisiert ist, daß das Verhältnis — ■> in

¹ — f (V

welchem sich der Fluß N₂ auf die Schenkel I und III verteilt, nicht konstant ist, ergibt sich die Richtigkeit unserer Behauptung, daß die Maxima der elektromotorischen Kräfte zu verschiedenen Zeiten auftreten.

Durch die vorliegende Erfindung ist es also ermöglicht, auf einfachstem Wege, ohne irgend welche umlaufenden Teile oder sonstige Apparate nötig zu haben, aus einem Wechselstrom symmetrischer Kurvenform, zwei Wechselströme unsymmetrischer Form zu erhalten, wie sie z. B. im Signalwesen für Steuerungen nutzbar gemacht werden können. Die Eigenschaft der durch vorliegende Erfindung gewonnenen Wechselströme, daß sie nämlich bei gleicher Schwingungsdauer gegeneinander verschobene Maxima besitzen, läßt sich noch weiterhin nutzbar machen. Durch Kombination dieser beiden Kurven kann man beispielsweise eine resultierende Kurve doppelter Periodenzahl erhalten. Es kann dies im vorliegenden Fall, dadurch geschehen, daß man die Sekundärspulen auf Schenkel I und III gegeneinander schaltet. Man erhält einen Wechselstrom doppelter Periodenzahl, dessen Verlauf durch die Kurve b Fig. 7 dargestellt wird. Solche Umformungen von Wechselströmen einer bestimmten Pe-

riodenzahl in Ströme von ζ. Β. doppelter Periodenzahl können vorteilhaft in solchen Anlagen angewendet werden, die für den Betrieb von Motoren Wechselströme niedriger Periodenzahl verwenden, für Beleuchtung jedoch Ströme höherer Wechselzahl benötigen. An die in der Beschreibung gewählten Verhältnisse ist man in keiner Weise gebunden. Man ■ könnte z. B. gerade so gut auf einen

ίο Schenkel Gleichstromwicklungen, auf zwei Schenkel Wechselstromwicklungen aufbringen oder einen anders geformten magnetischen Kreis wählen. Die konstante Magnetisierung könnte auch durch Dauermagnete hervorgebracht werden. Auch die Sättigungsverhältnisse könnten anders gewählt werden.

Die verschiedene Verteilung der Induktion kann auch.ohne Polarisation durch eine Gleichstromquelle dadurch hervorgebracht werden, daß die beiden Schenkel verschiedenen Eisenquerschnitt erhalten. Es kann dann z. B. erreicht werden, daß für einen gewissen magnetischen Fluß der magnetische Widerstand der beiden Zweige gleich wird, während für einen geringeren magnetischen Fluß der des einen Schenkels überwiegt, und für einen andern magnetischen Fluß derjenige des anderen Schenkels, wie dies z. B. in Fig. 8 erläutert ist. In dieser, nur theoretisch richtigen Figur, ist ein magnetischer Stromkreis, der kein Eisen enthält (gerade Linie), einem solchen mit Eisen (obere Kurve) gegenübergestellt. Für die Abszisse (Amperewindungen) 7 ist der magnetische Fluß für beide Fälle gleich, während er für die magnetisierende Kraft 6 in dem ersten Kreis kleiner, in dem zweiten größer ist. Umgekehrt wäre beispielsweise für die Abszisse 8 der magnetische Fluß in dem ersten Kreis größer, in dem zweiten kleiner. Es findet also je nach der Beanspruchung, d. h. je nach der Phase eine verschiedene Verteilung statt, so daß man es in der Hand hat, auf die Deformation der elektromotorischen Kraftkurve einzu

wirken.

Eine mit der vorliegenden Erfindung scheinbar ähnliche Maßnahme ist in der deutschen Patentschrift 54197 und insbesondere in Fig. 10 dieser Druckschrift beschrieben. Doch ist die Ähnlichkeit nur eine rein äußerliche, indem es sich dort z\var auch um die Kraftlinienverteilung von einer Primärspule aus auf verschiedene Sekundärschenkel handelt, ohne daß jedoch das Verhältnis der Verteilung des magnetischen Flusses auf die Sekundärspulen je nach der Phase ein verschiedenes wäre. Das genannte Patent bezieht sich vielmehr lediglich auf . eine Anordnung von Transformatoren, bei welcher außer dem vollständigen magnetischen Schluß den Kraftlinien noch ein zweiter durch eine Luftstrecke unterbrochener Weg geboten wird, mit dem Zweck, bei konstanter Primärspannung die Stromstärke des Transformators konstant zu erhalten.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Transformator mit Sekundärwicklungen auf verschiedenen Schenkeln, auf welche sich der von den Primärwindungen erzeugte magnetische Fluß, verteilt, dadurch gekennzeichnet, daß durch Polarisation oder verschiedene Wahl des magnetischen Widerstandes der parallel geschalteten Zweige ein je nach der Phase verschiedenes Verhältnis der Verteilung des magnetischen Flusses erzielt wird, wobei die in den Sekundärwicklungen induzierten Ströme sowohl je für sich als auch miteinander kombiniert nutzbar gemacht werden können, um entweder Wechselströme oder Wechselspannungen von unsymmetrischer Kurvenform oder von geänderter Wechselzahl zu erzeugen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.