DE571166C - Wechselstromgleichrichter mit in einem Magnetfeld um eine Achse schwingendem Anker, der mit Kontaktstuecken versehen ist, die mit rollenfoermigen Stromabnahmestuecken zusammenarbeiten - Google Patents

Description

Die elektromagnetischen Kontaktgleichrichter, bei denen beide Phasen eines Wechselstromes gleichgerichtet werden und auch zum Betriebe des Apparates dienen, beruhen auf der Wirkung, die ein polarisierter, also seine Pole nicht wechselnder Magnet und ein vom Wechselstrom erregter Elektromagnet aufeinander ausüben, durch welche einer von beiden in mit dem Wechselstrom synchrone Schwingungen versetzt wird. Ist der schwingende Teil eine elastische Feder, die auf Grund ihrer mit dem Wechselstrom übereinstimmenden Eigenperiode schwingt und vom Wechselstrom also nur im Gang erhalten wird, so bedarf es nur eines verhältnismäßig schwachen polarisierten Feldes. Der Kontaktwechsel zur Gleichrichtung des Wechselstroms kann aber bei solcher Einrichtung nur durch an der Feder angebrachte Anschlagkontakte erfolgen, was bei Abnutzung dieser zu einer mit dem Durchgang starker Ströme unverträglichen Bildung schädlicher Zwischenräume und Abweichung des Kontaktwechsels von der Nullage des Stromes führen kann, eine Abweichung, die auch schon durch Schwankungen der Periode des Stromes bei der unverändert bleibenden Eigenperiode der Feder bedingt ist. Von diesem Nachteil frei sind Gleitkontaktgleichrichter, bei denen . den schwingenden Teil ein Anker, d.h. ein starrer, mit Kontaktstücken versehener Körper bildet und die Abnahme des Gleichstromes von den mit dem Anker schwingenden Kontaktstücken durch Gleitkontaktstücke erfolgt, die von Fe-' dem beständig gegen die Kontaktstücke des Ankers gedrückt werden. Solche Gleichrichter erfordern aber für starke Ströme kräftige Magnetfelder, da für solche Ströme die Kontaktstücke nicht zu schwach, sein dürfen, der .Druck der Stromabnahmeteile gegen die schwingenden Kontaktstücke nicht zu gering sein darf und die Gesamtmasse des Ankers zur Erzielung der nötigen Festigkeit danach bemessen sein muß, anderseits aber auch die Amplitude der Schwingungen nicht unterhalb einer gewissen Grenze (etwa 1 mm für die Kontaktstücke) liegen darf. r

Es ist bereits bekannt, zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten die Gleichstromabnahmestücke als Gleitrollen auszuführen, die durch in den Achsen der Rollen angreifende Federkraft gegen die schwingenden Kontaktstücke gedrückt werden. Dies hat den Nachteil, daß, da Rollen und Schwingungsamplitude der Stromstärke angemessen sein müssen, bei starken Strömen und entsprechend großen Rollen und kräftigen Schwingungen die Rollen nicht immer den Schwingungen konforme Bewegungen ausführen,, sondern infolge ihrer Trägheit auch in den Augenblicken der Ruhe sich drehen und daher ins Rotieren ge- -raten können, was durch das damit ver-

bundene Schleifen der Rollen an den Kontaktstücken Abnützung der Kontakte, Funkenbildung und Störung der Schwingungen zur Folge haben kann. Dieser Übelstand läßt sich nun bei einem Wechselstromgleichrichter mit in einem Magnetfeld um eine Achse schwingendem Anker, der mit Kontaktstücken versehen ist, die mit rollenförmigen Stromabnahmestücken zusammenarbeiten, dadurch ίο beseitigen, daß gemäß der Erfindung die Stromabnahmestücke als senkrecht zur Ankerachse bewegliche, exzentrisch gelagerte Rollen oder Rollenausschnitte oder pendelnde Körper mit ebener Kontaktfiäche ausgebildet sind, welche durch an ihre Drehachsen angreifende, nach dem Drehungsmittelpunkt des Ankers gerichtete Kräfte gegen die Ankerkontaktstücke gedrückt werden. Technisch am einfachsten auszuführen ist der der Abb. ι zuao gründe gelegte Fall der Gestaltung dieser Ausschnitte als ebene, um w, W₁ als senkrecht zur Zeichenebene zu denkende Achsen drehbare Flächenstücke, also als Ausschnitte aus Mantelflächen von Rollen mit unendlich fernen Mittelpunktsachsen, aber im Endlichen liegenden Drehungsachsen.

Wenn bei einer solchen Anordnung der Abnahmestücke ihre Drehungsachsen w, W₁ im Räume festliegen, so verlangt eine solche feste Lagerung der Achsen Einrichtungen zum Einstellen der' Achsen, z. B. durch veränderliche, mittels Schrauben regulierbare Federstellung oder dadurch, daß man etwa die Achsenlager auf Schlitten setzt, die durch Schrauben verschiebbar sind. Jedenfalls muß die Einstellung mit der Hand sorgfältig ausgeführt werden, damit in der Gleichgewichtslage der Schwingungen jedes Gleichstromabnahmestück beide zugehörige Kontaktstücke a, b bzw. Ct₁, b_t berührt. Dann aber hat man noch keine Gewähr, daß die richtige Einstellung auch erhalten bleibt, da Schwankungen und Änderungen in der Gleichgewichtslage eintreten können. Zur Beseitigung von Schwankungen der Gleichgewichtslage, die bei jeder auf ein System von außen, d. h. unabhängig vom System wirkenden periodischen Kraft, wie sich aus theoretischen Erwägungen ergibt, ohne besondere Vorrichtungen vorkommen müssen, dienen an sich bekannte Hemmungen, insbesondere die Stoßhemmung. Aber auch andere Ursachen kommen in Betracht: Unregelmäßigkeiten der Schwingungen des . Wechselstromes, auch rein äußerliche, als zufällig zu bezeichnende Einflüsse, unbedeutende Änderung in der Lagerung von Apparatteilen, die durch die bei den Schwingungen unvermeidlichen Erschütterungen begünstigt werden. Es ist daher von größter Wesentlichkeit, sich von diesen störenden Einflüssen freizumachen, und dies kann nur durch automatische Kontakteinstellung geschehen, die sich den jeweiligen Änderungen der Gleichgewichtslage anpaßt. Denkt man sich c d, C₁ d_t (Abb. 1) mit seitlichen, mit dem Anker fest verbundenen Führungen e e, U₁ e_t versehen und durch in den Mitten zwischen α und b, Ci₁ und b_t angreifende, nach dem Drehungsmittelpunkt 0 des Ankers gerichtete Kräfte, wie sie in der Abbildung durch die isoliert voneinander zwischen Ankerachse und den Mitten von c d, C₁ d_t gespannten Federn /, /_x ausgeübt gedacht werden, gegen a b, Ci₁ b_± gedrückt, so werden, wenn man sich, die Achsen w, W₁ nicht fest, sondern im Räume frei schwebend derikt, bei jeder Lage, die man dem Anker durch Drehung um 0 geben kann, c rf, C₁, d_x, also die Gleichstromabnahmestücke, in unveränderter Lage zu ab, A₁, O₁ durch die in den Mitten zwischen α b, a_x b_x angreifenden Kräfte festgehalten. Dasselbe wird auch noch bei langsamer gleichmäßiger Drehung um 0 gelten, wenn statt dessen vorteilhaft die Achsen fest mit schweren, trägen, im Räume ebenfalls frei schwebenden Massen verbunden sind. Je größer aber die Änderung der Drehungsgeschwindigkeit wird und je größer die trägen Massen werden, um so weniger werden sich diese an der Bewegung beteiligen, und es werden die Gleichstromabnahmestücke, da sie sich um w, W₁ drehen können, sich auch um w, W₁ drehen. Führt also der Anker rasche Schwingungen aus, wie sie der Wechselstrom erzeugt, so werden zwar die trägen Massen mitschwingen, bei der durch genügende Massehgröße aber zu erzielenden Kleinheit der Amplitude dieser Schwingungen wird die Bewegung der Gleichstromabnahmestücke c d, C₁ d_x mit Beziehung auf die Kontaktstücke α b, A₁ b₁ die gleiche sein wie bei in bezug auf Drehung um 0 festliegenden, nur radial verschiebbaren Achsen w, W₁, nur daß c d, C₁ d_x sich weniger von den Kontaktstücken entfernen. Ändert sich aber die Gleichgewichtslage des Ankers, so werden die trägen Massen, da diese Änderungen im Vergleich mit den Geschwindigkeitsänderungen in den Schwingungen sehr langsam erfolgen, die Änderungen der Gleichgewichtslage mitmachen, mit anderen Worten, die Kontakteinstellung paßt sich den Änderungen der Gleichgewichtslage an. Die hier beständig gemachte Voraussetzung des freien Schwebens der Massen im Räume ist leicht dadurch zu realisieren, daß man den Massen Gegengewichte gibt, so daß Masse und Gegengewicht sich im indifferenten Gleichgewicht befinden.

Sind nun weiterhin die Stromabnahmestücke nicht um die Achsen w, W₁ drehbar, sondern mit ihnen und den trägen Massen fest verbunden, so müssen diese an den Drehungen

um ο teilnehmen, da Nichtbeteiligung notwendigerweise infolge der Führungen e e, e_i e_t nur durch Drehung der Massen um eine innere Achsenlinie möglich is.t, der die Massen aber infolge ihrer Trägheit ebenfalls Widerstand entgegensetzen, was ein Mitführen der Massen und Stromabnahmestücke bei der Drehung um ο zur Folge haben muß. DieseMitführung wird noch verstärkt, wenn jetzt die

ίο bisher in den Mitten von α b, a_t b₁ angreifend gedachten, nach ο hin gerichteten Kräfte in Punkten der Verlängerungen der Verbindungslinie der Mitten an den Stromabnahmestücken angreifen und nach den Mitten von α b, a_t b_± hin gerichtet sind, wie sie durch die Federn f, J₁ in Abb. 2 und der perspektivisch gezeichneten Abb. 2 a ausgeübt zu denken sind, in der h h h ein mit dem Anker fest verbundenes parallel epipedisches Holzstück und die senkrecht zur Zeichenebene zu denkenden, U-förmig gebogenen Bleche α β y δ, (X₁ ß_t y_x <5_t die Gleichstromabnahmestücke darstellen, deren Massen selbst an die Stelle der bisher betrachteten trägen Massen treten, so daß die Achsen m, m_± in Fortfall kommen. Die ganze Anordnung ist dabei im Räume in Vertikalstellung, der Lage der Zeichnung entsprechend, zu, denken. Die Kontaktstücke c d, C₁ d_± in Abb. 1 sind jetzt durch je zwei Kontaktstücke, c d durch α und <5, C₁ d_t durch % und O₁ ersetzt. Bei der Mitführung der Stromabnahmestücke müssen diese aber infolge ihrer Trägheit hinter der Bewegung des Ankers zurückbleiben. Geht also α b von der Ruhelage links in die Ruhelage rechts über, so muß der Kontakt zwischen b und δ sich öffnen und auch beim Durchgange des Ankers durch die Gleichgewichtslage noch geöffnet bleiben und sich infolge der erlangten Geschwindigkeit des Stromabnahmestückes erst bei der Verlangsamung der Ankerbewegung nach Durchgang durch die Gleichgewichtslage wieder schließen. Der einfachste Fall ist derjenige, daß Federspannung und Masse so reguliert sind, daß das Schließen von δ δ in der Ruhelage des Ankers rechts eintritt und bei der entgegengesetzten Bewegung demgemäß das Schließen von α α in der Ruhelage links. In diesem einfachsten Falle wird, wenn in Abb. 3 die ausgezogene Linie die Schwingung von α b darstellt, diejenige von α β γ δ relativ zu a b durch die punktierte Linie dargestellt, beide Schwingungen differieren also um 90 °. Es kann aber auch, je nach Federspannung und Masse, die punktierte Linie gegen die ausgezogene sich verschieben und eine andere Phasendifferenz sich ergeben. Damit ergibt sich die Möglichkeit, mittels eines und desselben Gleichrichters außer dem zum Betriebe des Ankers dienenden Wechselstrom auch Wechselströme anderer Phase durch Anbringung von Emrjchüingen,,.nach Abb. 2 oder 4 am Anker,, neben den Stromabnahmestellen zum Gleichrichten des_ Betriebsstromes, gleichzurichten, und weiter dadurch, daß man in bekannter Weise die erhaltenen Ströme -gleichsinnig durch ein gemeinsames Leitungsstück schickt, in diesem nullstellenfreien Gleichstrom zu erhalten. Mittels eines Gleichrichters, der beispielsweise zum Gleichrichten des Sekundärstromes eines Transformators dient, kann also auch ein Zweigstrom seines Primärstromes gleichgerichtet werden, wodurch, da in den Nullagen des Primärstromes die Änderungsgeschwindigkeit seiner Kraftlinien am größten ist,, auch der Fall· der Phasendifferenz von 90°, wenigstens bei geringem Widerstand der Sekundär leitung, annähernd verwirklicht ist.

Eine im gleichen Sinne wirkende Anordnung, wie die in Abb. 2' dargestellte, veranschaulicht Abb. 4, die ebenso wie Abb. 2 eine im Räume in Vertikalstellung befindliche Anordnung darstellt. Bei der Anordnung nach Abb. 4 sind nur die Stromabnahmestücke und ihre Verbindungen mit dem Anker anders gestaltet. Jedes Stromabnahmestück besteht im wesentlichen aus einer Blattfeder, die an ihren Enden die Kontaktstücke α und δ bzw. Ct₁ und δχ trägt und in ihrer Mitte um eine der Blattfläche parallele, zu ihrer Längsrichtung senkrechte Achse drehbar ist. Die Achsenlager I und I₁ sind dem Anker fest aufgesetzt, und zwar so, daß in der Ruhelage α und δ den am Anker sitzenden Kontaktstücken α und b, Ct₁ und O₁ den Kontaktstücken % und b_± anliegen. Die Federn sind in den Mitten mit senkrecht zur Blattfläche nach oben und unten gerichteten Zapfen ζ und Z₁ fest verbunden, so daß jede Feder mit Zapfen einem Waagebalken mit Zunge gleicht: Die Zapfen sind mit Schraubengewinden versehen, durch die die Laufgewichte g und ^₁ zur Regulierung der Schwingungen verschoben werden könen.

Die vorstehend beschriebenen beiden Einrichtungen sehen eine Vervielfältigung der Kontaktstücke am Anker und der zugehörigen Gleichstromabnahmestücke vor zu dem Zwecke der Gleichrichtung von Wechselströmen verschiedener Phasen. Eine solche no Vervielfältigung von Kontaktstellen kann« aber auch dem Zwecke dienen, einen und denselben gleichzurichtenden Wechselstrom beim Durchgange durch die Kontaktstellen zu teilen, um bei starken Strömen eine Überhitzung der Kontaktstellen zu verhüten. Man wird in allen solchen Fällen auf die Ankerachse eine kreisrunde Scheibe oder Walze aus isolierendem Material konzentrisch aufsetzen und an deren Rande bzw. zylindrischen Oberfläche die Kontaktstücke anbringen.

Die Erzeugung des Wechselstromfeldes

durch einen Elektromagnet bietet bei einem solchen Gleichrichter keine Schwierigkeit, anders aber die des polarisierten Feldes. Die für das Arbeiten des Apparates allerdings am meisten geeignete Erzeugung durch einen kräftigen permanenten Stahlmagnet hat den Nachteil der Kostspieligkeit und des Nachlassens der Remanenz, besonders wenn, beim Bau des Apparates nicht dafür gesorgt wird, ίο daß der Stahlmagnet nicht im Kraftlinienfluß des Wechselstromfeldes liegt. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, den Stahlmagnet durch einen Elektromagnet zu ersetzen, dessen Polarisation durch den Apparat selbsttätig t5 erfolgt. Dies kann auf zwei Arten geschehen. Es kann erstens der zu polarisierende Elektromagnet mit zwei durch Aufwickeln nebeneinanderliegender Drähte entstandenen Wicklungen versehen- werden, und diese können zwischen Wechselstromspule und zwei mit den Gleichstromabnahmestücken abwechselnd in Berührung tretenden schwingenden Kontaktstücken so geschaltet werden, daß sie von den beiden Wechselstromphasen gleichsinnig durchflossen werden. Die Abb. 1 veranschaulicht schematisch diese Anordnung. Es bezeichnen darin p und P₁ die Wechselstrompole, ο die zur Zeichenebene senkrechte Drehungsachse des Ankers, a, a_v b, b_± die mit dem Anker schwingenden Kontaktstücke und c, d, C₁, Cl₁ die Gleichstromabnahmestücke. Zwischen der Wechselstromspule W einerseits und den beiden Kontaktstücken a, a_x anderseits sind die der Polarisation dienenden Wicklungen w und W₁ eingeschaltet. Dabei sind polarisiertes Feld und Wechselstromfeld so anzuordnen, daß, wenn α mit c, d bzw. a_y mit C₁, (I₁ (s. Abb. la) in Berührung tritt, der Anker wieder in die Gleichgewichtslage zurückgetrieben wird, damit harmonische Schwingungen entstehen. Es kann zweitens die Polarisation durch den zwischen c, d und C₁, d_t fließenden Gleichstrom bewirkt Werden. In diesem Falle bedarf es nur einer Wicklung des zu polarisierenden Elektromagnets, die in die Gleichstromleitung (oder einen Nebenschluß derselben) so einzuschalten ist, daß stets bei Überschreiten der Gleichgewichtslage der Anker wieder in diese zurückgetrieben wird. Die Nachteile der selbsttätigen Polarisation bestehen darin, daß es meist zur Ingangsetzung des Apparates eines Anstoßes bedarf, da der remanente Magnetismus hierzu in der Regel nicht ausreicht, und daß die Stromrichtung des Gleichstroms nicht von vornherein feststeht.

Der letztgenannte Nachteil macht bei einem

Apparat mit magnetischer Selbstpolarisation, ebenso wie auch bei einem Apparat ohne Polarisation mit Einphasenbetrieb, bei dem die Anziehung zwischen Elektromagnet und einem Weicheisenstück zum Betriebe dient, die Verwendung eines mit der Hand zu bedienenden Umschalters nötig, um dem Strom jederzeit die gewünschte Richtung geben zu können. Um diesem Übelstand abzuhelfen, wird vorteilhaft der Gleichrichter mit einem Hilfsapparat verbunden, durch den der erzeugte Gleichstrom stets dieselbe Richtung erhält. Dieser Nebenapparat "besteht aus einem U-förmigen Stahlmagnet, der wegen seiner geringen Beanspruchung nur schwach ist, und einer Blattfeder aus Stahl, die in einer flachen Spule schwingen kann und mit den aus der Spule hervorragenden Enden vor den Polen des Stahlmagnets liegt und an einem Ende einen Kontakt trägt, der in die zur Spule führende Leitung eingeschaltet ist. Der Apparat wird entweder in die Gleichstromleitung bzw. bei Einphasenbetrieb in die zum Betriebe dienende Phasenleitung eingeschaltet, oder es wird, wenn der Apparat in die Phasenleitungen der durch Abb. 1 dargestellten Einrichtung eingeschaltet werden soll, die Spule, ebenso wie die zur Polarisation dienende, aus zwei parallelen Wicklungen hergestellt, deren eine zwischen W und w und deren andere zwischen W und W₁ gemäß der Skizze Abb. 1 geschaltet wird. Der Kontakt ist so angeordnet, daß er, wenn bei Ingangsetzung des Gleichrichters der Apparat von einem Strome bestimmter Richtung durchflossen wird, sich infolge der Anziehung zwischen Federenden und Magnetpolen öffnet, beim Einsetzen der entgegengesetzten Richtung sich schließt. Alsdann bleibt der Kontakt beim weiteren Arbeiten des Gleichrichters geschlossen, so daß der Gleichrichter stets dieselbe durch den ruhenden Kontakt gehende Stromrichtung liefert. Die Feder braucht und soll überhaupt mit ihrer Eigenperiode nicht auf die des Stromes abgestimmt sein, da sonst schädliches. Vibrieren der Feder ein

tritt.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   ι . Wechselstromgleichrichter mitinieinem Magnetfeld um eine Achse schwingendem Anker, der mit Kontaktstücken versehen ist, die mit rollenförmigen Stromabnahmestücken zusammenarbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabnahmestücke als senkrecht zur Ankerachse bewegliche, exzentrisch gelagerte RoEen oder Rollenausschnitte oder pendelnde Körper mit ebener Kontaktfläche ausgebildet sind, welche durch in ihren Drehachsen angreifende, nach dem Drehungsmittelpunkt des Ankers gerichtete Kräfte gegen die Ankerkontaktstücke gedrückt werden.
2. 2. Wechselstromgleichrichter nach Anspruch ι mit selbsttätiger Kontakteinstellung, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabnahmestücke in der Ebene senkrecht zur Achsrichtung des Ankers innerhalb gewisser Grenzen frei beweglich sind und die Stromabnahmestücke derart federnd befestigt sind und entweder eine derartige Trägheit besitzen, daß sie bei to schnellen Ankerschwingungen Drehbewegungen um ihren Schwerpunkt* ausführen oder derartige Verbindung mit beweglichen, infolge ihrer Trägheit an den Schwingungen nicht teilnehmenden Masts sen haben, daß sie Drehbewegungen um Punkte der letzteren ausführen.
3. 3. Wechselstromgleichrichter nach Anspruch ι bzw. 2 zur gleichzeitigen Gleichrichtung verschiedenphasiger Wechseiao ströme, dadurch gekennzeichnet, daß am Anker angeordnete weitere, zur Aufnahme andersphasiger Wechselströme dienende Kontaktstücke mit Stromabnahmestücken in Verbindung stehen, welche entweder durch nach Punkten des Ankers gerichtete Kräfte oder durch mit dem Anker fest verbundene Lager am Anker gehalten werden und derart ausgebildet sind, daß sie infolge eigener Trägheit oder der Trägheit zweckmäßig mit ihnen verbundener Massen um einen gewünschten Betrag hinter der Ankerbewegung zurückbleiben.
4. 4. Anordnung zur Erzeugung von nullstellenfreiem Gleichstrom mittels des Wechselstromgleichrichters nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Gleichrichter gleichgerichteten Wechselströme verschiedener Phase in bekannter Weise gleichsinnig durch ein gemeinsames Leitungsstück geschickt werden.
5. 5. Wechselstromgleichrichter nach Anspruch ι bzw. 2 oder 3 mit feststehendem und beweglichem, als schwingender Anker ausgebildetem Elektromagnet, auf den die Magnetkraft infolge des Stromdurchganges durch die Elektromagnetspulen nach Art der bewegenden Kraft harmonischer Schwingungen wirkt, gekennzeichnet durch derartige Schaltung der Elektromagnetspulen, daß die Magnetkraft beständig nach der Gleichgewichtslage des schwingenden Ankers hin gerichtet ist.
6. 6. Wechselstromgleichrichter nach Anspruch ι bzw. 2, 3, 5 mit magnetischer Selbstpolarisation, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleichsinnige Wicklungen auf dem Eisenkern des Elektronlagnets angebracht und derart geschaltet sind, daß sie durch die Ankerschwingungen abwechselnd, aber stets im gleichen Magnetisierungssinn in den Stromkreis eingeschaltet werden.
7. 7. Wechselstromgleichrichter nach Anspruch i, 4 oder 5, 6 mit selbsttätiger Regelung der Stromrichtung, gekennzeichnet durch einen in dem Apparate-Stromkreis vorgesehenen Hilfsapparat mit Spule und Federkontakt, dessen in der Spule schwingende Feder mit ihren vorragenden Enden vor den Polen eines schwachen permanenten Magnets derart angeordnet ist, daß nur, wenn beim Ingangsetzen des Gleichrichters Spule und Kontakt von einem Strom bestimmter Richtung durchflossen werden, der Kontakt geschlossen bleibt, andernfalls dagegen sich öffnet, um nach dem Einsetzen der gewünschten Stromrichtung sich wieder zu schließen und bei dem weiteren Arbeiten des Gleichrichters geschlossen zu bleiben.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen