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Elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine
zur Erzeugung von Rotationsenergie, bestehend aus einem Stator mit nach innen gerichteten
Polen aus magnetischem Material, deren in Reihe geschaltete Windungen zusammen mit
einem Kondensator einen Schwingkreis bilden, der über eine Vorrichtung zur Impulserzeugung
an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist und einem in dem Stator umlaufenden
Rotor mit einer der Polzahl des Stators entsprechenden Anzahl von Dauermagneten
von abwechselnd entgegengesetzter Polarität.
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Es sind elektromagnetisch angetriebene Schrittschaltwerke bekanntgeworden,
die einen Ringanker mit an seinem Umfang angeordneten Polen abwechselnder Polarität
aufweisen, der sich innerhalb eines Stators mit einer gleichen Anzahl von magnetisierbaren
Polen befindet; diese Pole werden jedoch nicht von hintereinander geschalteten Windungen
erregt, welche zusammen mit einem Kondensator einen periodisch mit Gleichstromimpulsen
angeregten Schwingkreis bilden. Bei diesen Schrittschaltwerken wird die Schrittfrequenz
und damit die Drehzahl von der Frequenz der erregenden Wechselspannung bestimmt,
so daß zur Änderung der Schrittfrequenz eine vom Schrittschaltwerk unabhängige Steuervorrichtung
benötigt wird.
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Es ist des weiteren ein Wechselstrommotor bekanntgeworden, welcher
im Anlaufzustand als sogenannter Unterbrechermotor mit mechanisch betätigtem Unterbrecherkontakt
betrieben wird und anschließend als Synchronmotor arbeitet. Dieser Motor weist parallel
zur Elektromagnetspule einen Kondensator auf, welcher jedoch lediglich der Herabsetzung
der Funkenbildung in dem Betriebszustand dient, in dem der Motor als Unterbrechermotor
arbeitet; auch weist der Motor einen stabförmigen Weicheisenanker auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine an eine Gleichstromquelle
anzuschließende elektrische Maschine obiger Art mit Steuerorganen auszurüsten, die
es ermöglichen, die Gleichstromimpulse zu steuern, um auf diese Weise die Leistung
und die Tourenzahl der Maschine zu verändern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung
zur Erzeugung der Gleichstromimpulse durch eine mit gleicher Geschwindigkeit wie
der Rotor umlaufende Walze aus ausreichend isolierendem Werkstoff gebildet wird,
in deren Oberfläche ein leitender Ring und mit diesem leitend verbunden eine Mehrzahl
von sich in Achsenrichtung erstreckenden auf dem Umfang gleichmäßig verteilten leitenden
Lamellen mit in Achsenrichtung nach verkleinernder Breite eingebettet ist und auf
deren Umfangsfläche in veränderlichem axialem Abstand voneinander zwei Bürsten schleifen,
von denen die eine, auf dem Ring schleifende, mit dem einen Pol der Gleichstromquelle
und die andere, auf den Lamellen schleifende, mit einem Kontaktpunkt des Leistungsschwingkreises
verbunden ist, und wobei der andere Pol der Gleichstromquelle mit dem anderen Kontaktpunkt
des Leitungsschwingkreises verbunden ist.
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Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung ergibt sich der Vorteil, daß
die erfindungsgemäße Steuervorrichtung von der Maschine selbst angetrieben wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer
Weise dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine Frontansicht der erfindungsgemäßen Maschine,
F i g. 2 einen senkrechten Schnitt nach der Schnittlinie 2-2 der F i g. 1, F i g.
3 das elektrische Schaltschema der Maschine, F i g. 4, 5 und 6 Ausschnitte aus dem
Stator und dem Rotor der Maschine nach der F i g. 1, wobei die Rotormagnete sich
gegenüber den Statormagneten in unterschiedlichen Stellungen befinden, und F i g.
7 eine graphische Darstellung des in den Statorwicklungen fließenden Stromes.
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Die Maschine umfaßt ein Gehäuse 2, an welchem nach innen ragende Pole
4 angeordnet sind. Die Zahl dieser Pole kann beliebig gewählt werden. Diese Pole
bilden jeweils den Kern eines Elektromagneten und sind mit Windungen 6 versehen,
wobei, wie die F i g. 1 und 3 zeigen, die Windungen 6 a bis 6 h in Reihe geschaltet
sind. Die Stirnfläche 8 eines jeden Poles 4 ist entgegen der Drehrichtung des Rotors
etwas verlängert. Die Pole 4 und gegebenenfalls der
ganze Stator
sind vorteilhafterweise aus Transformatorenblechen hergestellt.
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Der Rotor 10 besteht aus einer Scheibe 12, die auf einer Welle
14 angeordnet ist und an ihrem Umfang eine Anzahl von sich radial nach auswärts
erstreckenden Polen 16 aufweist, deren Stirnflächen unmittelbar den Stirnflächen
8 der Pole 4 des Stators gegenüberliegen. Die Schiebe 12 des Rotors besteht aus
nichtmagnetischem Material, um den magnetischen Fluß der Maschine zu isolieren.
Die Pole 16 des Rotors werden von Ringstücken 18 gebildet und sind permanente Magnete
von vorzugsweise geschichtetem Aufbau. Die Stirnfläche eines jeden Poles 16 des
Rotors ist in Drehrichtung des Rotors etwas verlängert, wobei diese Verlängerungen
mit den in entgegengesetzter Richtung sich erstreckenden Verlängerungen der Statorpole
zusammenwirken.
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Auf der Rotorwelle 14 ist ein Zahnrad 30 angeordnet, welches im Eingriff
mit einem Zahnrad 32 steht, das auf einer eine Walze tragenden Welle 34 angeordnet
ist. Die Walze 36 besteht aus elektrisch isolierendem Werkstoff und weist an ihrem
einen Ende in ihre Umfangsfläche eingelassen einen Ring 38 aus elektrisch leitendem
Material auf, von welchem in axialer Richtung sich erstreckende Lamellen 40 ausgehen,
die so geformt sind, daß ihre Breite von dem Ring 38 bis zu dem gegenüberliegenden
Ende abnimmt. Die Oberflächen dieser Lamellen 40 haben von der Drehachse denselben
Abstand wie die zylindrische Oberfläche der Walze 36. Es sind des weiteren zwei
elektrisch leitende Bürsten 42 und 44 vorgesehen, von denen die eine, 42, sich im
Kontakt mit dem Ring 38 befindet und die andere, 44, über die Oberfläche der Walze
36 an den Enden der Lamellen 40 streicht. Diese im axialen Abstand voneinander angeordneten
Bürsten sind gegeneinander beweglich angeordnet, und die Bürste 44 kann zusätzlich
auch noch längs des Umfanges der Walze verschoben werden. In F i g. 2 ist diejenige
Stellung der beiden Bürsten gezeigt, in der sie den größten Axialabstand voneinander
haben, wobei die Bürste 42 auf dem Ring 38 gleitet, während die Bürste 44 gerade
noch die Spitzen der Lamellen 40 berührt.
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Die Statorspulen 6 sind Teile eines Leistungsschwingkreises 50, der
aus den in Reihe geschalteten Statorwindungen 6 a bis 6 h und einem veränderlichen
mit den Statorwindungen in Reihe geschalteten Kondensator 52 besteht und über Leitungen
56 und 58 mit einer Gleichstromquelle 54 verbunden ist, wobei die Leitung 58 über
die Bürsten 42 und 44 führt. Das Verhältnis von induktivem zu kapazitivem Blindwiderstand
des Leitungsschwingkreises ist sehr hoch, so daß eine hohe Leistung des Schwingkreises
gewährleistet wird.
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Da die Maschine nicht von selbst anläuft. wird der Rotor mittels eines
Hilfsgerätes in Umdrehung versetzt. Nehmen die Rotorpole 16 im Verhältnis zu den
Statorpolen die in der F i g. 4 gezeigte Stellung ein, so fließt von der Stromquelle
54 Gleichstrom über die Leitungen 58 und die Bürsten 42 und 44 zum Schwinb kreis
50 und erregt so die Statorwindungen und lädt den Kondensator 52 auf. Diese Stromzufuhr
dauert nur so lange, als die Bürsten 42 und 44 elektrisch über den Ring 38 und die
Lamellen 40 miteinander verbunden sind. Bei der Drehung der Walze wird die
Verbindung zwischen den sich verjüngenden Lamellen 40 der Walze 36 und der Bürste
44 unterbrochen und so die Stromquelle 54 vom Schwinkreis 50 abgeschaltet. Der von
der Gleichstromquelle 54 auf den Schwingkreis 50 übertragene Impuls ist in F i g.
7 durch den steil ansteigenden Ast der sinusförmigen Kurve dargestellt, die den
Stromverlauf in den Windungen der Statorpole wiedergibt. Dieser Initialimpuls a
liefert die Energie für den ersten Halbzyklus des Betriebs des L#eistungsschwingkreises
und seine zeitliche Dauer ist von der Lage der Bürste 44 im Verhältnis zu der Lage
der Bürste 42 abhängig. Die beim Abschalten des Impulses in den Statorwindungen
induzierte Spannung hält das magnetische Feld der Statorpole aufrecht, wobei gleichzeitig
der Kondensator 52 aufgeladen wird. Im ersten Halbzyklus ist die Erregung der Statorpole
dann auf Null abgefallen, wenn die Stator- und die Rotorpolflächen einander genau
gegenüberstehen; dieser Punkt ist in F i g. 7 mit b bezeichnet.
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Auf den ersten positiven Halbzyklus folgt der zweite, negative Halbzyklus,
während dessen die Statormagnete durch die Entladung des Kondensators 52 erregt
werden. Dabei kehrt sich die Polarität der Statormagnete gegenüber dem ersten Halbzyklus
um. während die Polarität der Statormagnete gleichbleibt. In diesem Augenblick werden
zwischen den Stator- und den Rotormagneten Abstoßungskräfte erzeugt. Beim Weiterdrehen
des Rotors werden die Abstoßungskräfte allmählich schwächer, wohingegen die Rotorpole
jeweils von dem in Drehrichtung gesehen nächsten Statormagneten angezogen werden.
Dieser Zustand bleibt so lange erhalten, bis der Nullpunkt der magnetischen Erregung
wieder erreicht ist, welcher in F i g. 7 mit c bezeichnet ist; damit ist ein voller
Zyklus durchlaufen worden.
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Da die Polarität der Rotormagnete dauernd gleichbleibt, können für
diese Dauermagnete Verwendung finden.
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Die Belastbarkeit der !Maschine hängt von der Wirksamkeit des Leistungsschwingkreises
und somit von der Impedanz dieses Kreises ab. Die Vorrichtung kann auch zur Verwandlung
von Gleichstrom in Wechselstrom herangezogen werden.