Nikola Tesla German Patent 54797 - Method of Converting Alternating Currents into Rectified Ones

Patentschrift Nr. 54 797

Klasse 21: Elektrische Apparate.

Nikola Tesla in New York (V. St. A.).

Verfahren, Wechselströme in Gleichgerichtete Umzuwandeln.

Patentiert im Deutschen Reich vom 22. Oktober 1889 ab. Ausgegeben den 20. Dezember 1890.

Bei fast allen wichtigeren Anwendungen der Elektrizität wird Strom von durch Kraft getriebenen elektrodynamischen Maschinen erzeugt, in deren Spulen die Ströme zunächst in umgekehrten Richtungen (Wechselströme oder alternierende Ströme) entwickelt werden. Da indessen viele elektrische Vorrichtungen und Anlagen gleichgerichtete Ströme erfordern, so war es gebräuchlich, den Stromwechsel mittels eines Stromwenders zu ändern, anstatt die Ströme unmittelbar von den Erzeugungsspulen zu entnehmen.

Die Ueberlegenheit von Wechselstrommaschinen in allen den Fällen, wo ihre Ströme mit Vorteil benutzt werden können, läßt ihre Anwendung als sehr wünschenswert erscheinen, da sie billiger hergestellt und betrieben werden können, weshalb die vorliegende Erfindung bezweckt, Mittel darzubieten, um nach Belieben an einer oder an mehr Stellen eines Stromkreises wechselnde Ströme in gleichgerichtete Ströme umwandeln zu können.

Allgemein ausgedrückt, besteht die Erfindung in der Erzielung gleichgerichteter Ströme aus wechselnden, durch das Hervorrufen von Kraftäußerungen oder, in anderen Worten, durch Schaffung von wirkenden Widerständen entgegengesetzter Elektrizität - und zwar entweder beständig oder nur zeitweilig - in den Zweigleitungen des eine Quelle für wechselnde Ströme einschließenden Stromkreises mittels elektrischer, elektromagnetischer oder magnetischer Hilfskräfte, so zwar, daß die Stromwellen von entgegengesetzter Richtung durch verschiedene Stromkreise abgelenkt werden und die der einen Art über die eine Zweigleitung und die der entgegengesetzten Art über eine andere Zweigleitung gehen.

Im Vorliegenden soll nur der Fall erörtert werden, in dem ein Stromkreis in zwei Wege geteilt wird, da jede weitere Teilung lediglich eine Fortsetzung desselben allgemeinen Verfahrens bildet.

Es sei also irgendein Stromkreis gewählt, durch den irgendein wechselnder Strom fließt und dieser Stromkreis an irgend einer beliebigen Stelle in zwei Zweigleitungen oder Wege geteilt. In dem einen dieser Wege ist eine Vorrichtung eingeschaltet, durch welche eine den Stromstößen der einen Art entgegengesetzte elektromotorische Kraft erzeugt wird, während eine ähnliche Vorrichtung sich in der anderen Zweigleitung befindet, die den Stromwellen der entgegengesetzten Art entgegenwirkt. Es sei als Beispiel angenommen, daß diese Vorrichtungen aus primären oder sekundären Batterien oder aus Dynamomaschinen für Gleichstrom beständen. Die den Hauptstrom bildenden Wellen oder Stromstöße von entgegengesetzter Richtung haben ein natürliches Bestreben, sich auf die beiden Zweigleitungen zu verteilen; infolge des entgegengesetzten elektrischen Charakters dieser beiden Zweigleitungen aber wird die eine derselben dem Strom einer bestimmten Richtung einen leichten Durchgang, die andere Zweigleitung dem Durchgang desselben Stromes dagegen einen verhältnismäßig hohen Widerstand darbieten. Der Erfolg dieser Verteilung ist, daß die Stromwellen der einen Art teilweise oder ganz über den einen der Wege oder Zweigleitungen, die der entgegengesetzten Art aber über die andere Zweigleitung gehen.

Es können somit aus einem wechselnden Strom zwei oder mehr gleichgerichtete Ströme ohne die Anwendung irgend eines Stromwenders, die bisher nicht umgangen werden konnte, erhalten werden. Der Strom irgend einer der Zweigleitungen kann in derselben Weise und zu denselben Zwecken wie irgendein anderer gleichgerichteter Strom verwendet werden, d.h. er kann zum Laden sekundärer Batterien, zum Erregen von Elektromagneten oder für einen beliebigen anderen Zweck dienen.

In der beiliegenden Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.

Der Entwurf, Fig. 1 zeigt, wie die beschriebene Umwandlung der wechselnden Ströme mittels rein elektrischer Vorrichtungen erfolgt. A ist ein Erzeuger für Wechselströme und B B ist der von demselben ausgehende Hauptstromkreis. An irgend einer gegebenen Stelle ist der letztere da, wo man die Gleichströme zu erhalten wünscht, in zwei Wege oder Zweigleitungen C D geteilt; in jeder der letzteren ist ein elektrischer Erzeuger angeordnet, der, wie vorläufig angenommen werden soll, Gleichströme erzeugt. Die Richtung des so erhaltenen Stromes ist in der einen Zweigleitung der Stromrichtung in der anderen Zweigleitung entgegengesetzt oder, wenn man die beiden Zweigleitungen als einen geschlossenen Stromkreis betrachtet, so sind die Erzeuger E F darin hintereinander verbunden, und zwar befindet sich dabei je ein Erzeuger in jedem Teil oder jeder Hälfte des Stromkreises.

Die elektromotorische Kraft der Stromquellen E und F kann gleich sein den elektromotorischen Kräften in den Zweigleitungen C D oder zwischen den Punkten X und Y des Stromkreises B B oder höher oder niedriger als diese Kräfte. Ist er gleich diesen, so ergibt sich, daß die Stromwellen der einen Art in der einen Zweigleitung auf Widerstand stoßen und in der anderen ihren Weg vorbereitet finden, und zwar in einem solchen Maße, daß sämtliche Wellen der einen Art über die eine Zweigleitung und die der entgegengesetzten Art über die andere Zweigleitung gehen. Wenn andererseits die elektromotorische Kraft der Quellen E F geringer als die zwischen x und y ist, so werden die Ströme in beiden Zweigleitungen wechseln, aber es werden die Stromwellen der einen Art das Uebergewicht haben.

Eine der Stromquellen E und F könnte fortgelassen werden, doch ist die Anwendung beider vorzuziehen, wenn dieselben einen entsprechenden Widerstand bilden, da die beiden Zweigleitungen dadurch besser ausgeglichen werden. Die durch den Strom zu beeinflussenden Uebertragungs- oder anderen Vorrichtungen G werden in beliebiger Weise in die Zweigleitungen C D eingeschaltet, doch sollte, um eine genauere Ausgleichung für die Zweigleitungen aufrecht zu erhalten, auf ihre Anzahl und Eigenschaften in leicht verständlicher Weise Rücksicht genommen werden.

Fig. 2, 3, 4 und 5 veranschaulichen elektromagnetische Vorrichtungen zur Erzielung desselben Endzwecks, d.h. anstatt unmittelbar durch einen Erzeuger eine elektromotorische Kraft in jedem Zweig des Stromkreises zu erzeugen, wird ein Kraftfeld in ein oder mehrfacher Anzahl geschaffen und werden die Zweigleitungen solchermaßen durch dasselbe hindurchgeführt, daß ein wirkender Widerstand von entgegengesetzter Wirkung oder Richtung durch den Durchgang oder das Durchgangsbestreben des wechselnden Stromes darin hervorgerufen wird.

In Fig. 2 ist beispielsweise A der Wechsel- und B B der Hauptstromkreis und C die eine, D dagegen die andere Zweigleitung, über welche die Wechselströme geleitet werden. In jeder Zweigleitung ist die sekundäre Spule eines Stromumwandlers eingeschlossen, welche, da sie in ihren Wirkungen den Batterien der vorhergehenden Figur entsprechen, mit E und F bezeichnet sind. Die primären Spulen H H1 der Induktionsrollen sind entweder neben- oder hintereinander mit einer Quelle I für Gleichstrom verbunden, und die Anzahl der Wicklungen ist für die Stärke von I so berechnet, daß die Kerne J J1 gesättigt werden.

Die Verbindungen sind derart, daß die beiden Stromumwandler oder Induktionsrollen einen entgegengesetzten Charakter haben, d.h. die Anordnung ist so getroffen, daß eine in ihrer Richtung dem Gleichstrom entsprechende Stromwelle in der einen primären Spule (z.B. H) eine der in der anderen primären Spule H1 auftretenden Stromwelle entgegengesetzte Richtung hat, woraus sich ergibt, daß, während die eine sekundäre Spule dem Durchgang eines Stromstoßes der einen Art einen Widerstand darbietet, die andere sekundäre Spule in gleicher Weise einen Widerstand für eine Stromwelle der entgegengesetzten Art bildet. Folglich werden die Stromwellen der einen Art in mehr oder minder großem Maße durch die eine Zweigleitung gehen, während die der entgegengesetzten Art sich in gleicher Weise ihren Weg durch die andere Zweigleitung suchen werden.

Anstatt die primären Spulen von einer Gleichstromquelle aus zu sättigen, können sie in die Zweigleitungen C und D eingeschaltet und mit ihren sekundären Spulen mittels geeigneter mechanischer Vorrichtungen, z.B. eines gewöhnlichen kreisenden Stromwenders, zeitweilig kurz in den Stromkreis eingeschlossen werden. Selbstredend muß die Drehung und Wirkung des Stromwenders gleichzeitig und in Uebereinstimmung mit den Perioden des Stromwechsels stattfinden. Eine solche Anordnung ist in dem Entwurf, Fig. 3, dargestellt. Entsprechend den vorhergehenden Figuren ist A der Wechselstromerzeuger, B B die Hauptleitung und C D sind die beiden Zweigleitungen für die gleichgerichteten Ströme. In der Zweigleitung C sind die beiden primären Spulen E E1 und in der Zweigleitung D die beiden primären Spulen F F1 eingeschlossen. Die entsprechenden sekundären Spulen hierfür, welche auf denselben abgeteilten Kernen J J sitzen, liegen im Stromkreise und sind mit ihren Polenden an die gegenüberliegenden Segmente K K1 und L L1 eines Stromwenders angeschlossen, gegen welchen sich die Bürsten oder Schleiffedern b b anlegen, um durch die Verbindung c die Platten K K1 und L L1 abwechselnd kurz in den Stromkreis einzuschließen. Es können sich dabei, wie ersichtlich, entweder die Magnete und der Stromwender oder die Schleiffedern drehen.

Die Wirkungsweise wird verständlich aus einer Betrachtung der Wirkungen, die das kurze Einschließen der sekundären Spulen in den Stromkreis zur Folge hat. Wenn beispielsweise in dem Augenblick, wo eine bestimmte Stromwelle durchfließt, ein Satz der sekundären Spulen in den Stromkreis eingeschlossen wird, so geht fast der ganze Strom durch die entsprechenden primären Spulen; da aber die sekundären Spulen der anderen Zweigleitung sich in offenem Stromkreis befinden, so ist die Selbstinduktion in den primären Spulen am höchsten, so daß also wenig oder gar kein Strom durch jene Zweigleitung gehen wird. Wenn nun in Uebereinstimmung mit dem Wechsel des Stromes die sekundären Spulen der beiden Zweigleitungen abwechselnd kurz in den Stromkreis eingeschlossen werden, so wird der Erfolg hiervon der sein, daß die Ströme der einen Art über die eine Zweigleitung und die der entgegengesetzten Art über die andere Zweigleitung gehen. Die Nachteile dieser Anordnung, welche die Anwendung der gleitenden Kontakte anscheinend in sich birgt, sind in Wirklichkeit sehr gering, da die elektromotorische Kraft der sekundären Spulen außerordentlich niedrig gehalten werden kann, so daß Funkenbildung an den Schleiffedern vermieden wird.

Fig. 4 ist ein teilweise im Schnitt dargestellter Entwurf, durch den eine andere Ausführungsart der Erfindung verbildlicht wird.

Der Stromkreis B ist in diesem Fall auf oben beschriebene Weise geteilt und jede Zweigleitung schließt die Spulen sowohl der Feld- als auch der kreisenden Anker der beiden Induktionsvorrichtungen ein. Die Anker O P werden am besten auf derselben Welle und in Bezug aufeinander so angeordnet, daß die Selbstinduktion in der einen Zweigleitung D am kleinsten ist, wenn diejenige in der Zweigleitung C am größten ist.

Die Anker werden in Zeitübereinstimmung mit dem Wechsel des Stromes von der Quelle A in Umdrehung versetzt. Die Wicklung oder Anordnung der Ankerspulen ist derart, daß ein in einer gegebenen Richtung durch beide Anker geschickter Strom in der einen der letzteren Pole ähnlich denen in den zunächst liegenden Polen des Feldes und in dem anderen Anker Pole unähnlich den benachbarten Feldpolen schaffen würde, wie dies durch n n s s in der Zeichnung angedeutet ist.

Wenn die gleichnamigen Pole sich so, wie im Stromkreis D gezeigt, darbieten, so ist die sekundäre Spule auf die primäre geschlossen oder die Anordnung die einer solchen von geringstem Leitungswiderstand, so daß ein bestimmter Stoß des Wechselstromes hauptsächlich durch D gehen wird. Eine halbe Umdrehung der Anker bringt eine entgegengesetzte Wirkung hervor und läßt den nächstfolgenden Stromstoß durch C gehen.

Wie aus dieser Figur hervorgeht, können die Felder N M Dauermagnete sein oder besonders erregt werden, und die Anker O P können, wie im vorliegenden Falle, einen solchen Antrieb erhalten, daß sie Wechselströme erzeugen, die abwechselnd Stromstöße von entgegengesetzter Richtung in den beiden Zweigleitungen D C hervorrufen, welche in diesem Fall nur die Ankerstromkreise und die Uebertragungsvorrichtungen einschließen würden.

In dem vorher dargestellten Fall enthielt jede Zweigleitung C D eine oder mehr primäre Spulen, deren sekundäre Spulen jeweilen kurz in den Stromkreis eingeschlossen wurden, und zwar in Zeitübereinstimmung mit den wechselnden Stromstößen von der Hauptquelle A, zu welchem Ende ein Stromwender angewendet wurde. Letzterer kann indessen entbehrt und für denselben ein Anker mit geschlossener Spule angeordnet werden.

In Fig. 5 ist eine der Zweigleitungen C mit zwei auf gewalzten Kernen aufgewickelten Spulen M1 versehen, während sich in den anderen Zweigleitungen D ähnliche Spulen N1 befinden und ein eine geschlossene Spule R1 tragender Anker O1 drehbar zwischen den Spulen M1 N1 gelagert ist.

In der gezeichneten Stellung, wo die Spule R1 parallel mit der Wicklung der primären Spulen N1 N1 liegt, wird der ganze Strom durch die Zweigleitung D gehen, da die Selbstinduktion in den Spulen M1 M1 am höchsten ist. Wenn daher Anker und Spule in Zeitübereinstimmung mit dem Wechsel der Stromstöße von der Quelle A kreisen, so werden dieselben Erfolge erzielt wie in dem Fall der Fig. 3.

Fig. 6 gibt ein Beispiel von dem, was man im Gegensatz zu dem Vorangegangenen ein magnetisches Mittel zur Erzielung der durch diese Erfindung angestrebten Wirkungen nennen kann. V und W sind zwei kräftige, mit den Ankern V1 W1 ausgerüstete Dauermagnete. Die Anker sind aus dünnen Platten von Weicheisen oder Stahl hergestellt und die Menge des in ihnen enthaltenen magnetischen Metalles ist so berechnet, daß sie ganz oder fast ganz durch die Magnete gesättigt werden. Die Anker sind von Spulen E F umgeben, von denen die eine in dem Stromkreis C, die andere in dem Stromkreis D liegt.

Die Verbindungen und elektrischen Bedingungen sind in diesem Fall ähnlich wie die in Fig. 2, nur daß die Stromquelle / der letzteren fortgelassen ist und die Sättigung des Kernes der Spulen E F von dem permanenten Magneten aus erzielt wird.

In den bisher gegebenen Darstellungen sind die beiden die Uebertragungs- oder Induktionsvorrichtungen enthaltenden Zweigleitungen in jedem Fall als in gegenseitiger Ableitung von einander stehend gezeigt, was aber nicht immer notwendig ist. So ist beispielsweise in Fig. 7 A ein Wechselstromerzeuger, während B B wieder den Hauptstromkreis bezeichnet. In letzterem werden an einer beliebigen Stelle zwei Stromwege D D1 und an einer anderen Stelle zwei Stromwege C C1 gebildet. Jedes Paar der Stromwege gleicht den vorhergegangenen Anordnungen, bei denen die elektrische Quelle oder Induktionsvorrichtung in nur einer Zweigleitung angeordnet war, während die beiden Gruppen Stromwege zusammen augenscheinlich ein Äquivalent für die Fälle bilden, bei denen eine Induktionsvorrichtung oder ein Erzeuger in beide Zweigleitungen eingeschaltet ist. In einen der Stromwege D werden die durch den Strom zu betätigenden Vorrichtungen eingeschlossen, während sich in der anderen Zweigleitung D1 eine Induktionsvorrichtung befindet, welche den Stromstößen der einen Richtung entgegenwirkt und dieselben durch die Zweigleitung D lenkt. So befinden sich auch in der Zweigleitung C Uebertragungsvorrichtungen G und in der Zweigleitung C1 eine Induktionsoder gleichwertige Vorrichtung, welche durch C die Stromstöße ablenkt, die eine entgegengesetzte Richtung zu denen haben, welche durch die Vorrichtung in der Zweigleitung D1 abgelenkt werden.

Eine besondere Form einer Induktionsvorrichtung für diesen Zweck ist gleichfalls veranschaulicht. J J1 sind die Kerne, die mit Polstücken hergestellt sind, auf welche die Spulen M N gewickelt sind und zwischen denen rechtwinklig zueinander die magnetischen Anker O P sich befinden, die am besten auf derselben Welle sitzen und dazu bestimmt sind, in Zeitübereinstimmung mit den wechselnden Stromstößen in Umdrehung versetzt zu werden. Wenn sich der eine der Anker in einer Linie mit den Polen oder in der von dem Anker P eingenommenen Lage befindet, so ist der magnetische Stromkreis der Induktionsvorrichtung tatsächlich geschlossen, so daß der größte Widerstand einem durch die Spulen N N gehenden Strom geboten wird. Der Stromstoß wird deshalb seinen Weg durch die Zweigleitungen D nehmen, da zu derselben Zeit der magnetische Stromkreis der anderen Induktionsvorrichtung durch die Stellung des Ankers O unterbrochen ist, so wird dem Strom weniger Widerstand in den Spulen M geboten, welche einen Nebenschluß für den Strom von der Zweigleitung C bilden.

Da eine Umkehrung des Stromes von einer Verschiebung der Anker begleitet ist, so wird hierdurch die entgegengesetzte Wirkung erzielt.

Es gibt noch viele andere Abänderungen in den Mitteln oder Verfahrungsweisen zur Ausübung dieser Erfindung, aber es dürfte nicht notwendig sein, dieselben alle namentlich hier aufzuführen, da die vorstehende Beschreibung die Hauptänderung einschließt.

Bei sämtlichen Ausführungsformen tritt als Eigentümlichkeit hervor, daß in einer oder allen Zweigleitungen eines Stromkreises von einer Quelle wechselnder Ströme aus einwirkender (im Gegensatz zu einem toten) Widerstand für die Ströme der einen Art geschaffen wird, zu dem Zwecke, die Ströme dieser Art über einen anderen Weg zu lenken, dagegen den Strömen der entgegengesetzten Art zu gestatten, ihren Weg ohne wesentlichen Widerstand fortzusetzen.

Ob die Teilung der Ströme oder Stromwellen von entgegengesetzter Art mit vollkommener Genauigkeit bewirkt wird oder nicht, ist hinsichtlich des Erfindungsgedankens unwesentlich, da es genügt, wenn die Ströme nur teilweise abgelenkt werden, indem in solchem Fall der überwiegende Einfluß der Stromwellen der einen Art in jeder Zweigleitung des Stromkreises in mancher, wenn nicht in jeder Hinsicht dieselben praktischen Erfolge zeitigt, wie dies bei einem Gleichstrom der Fall sein würde.

Ein wechselnder und gleichgerichteter Strom sind so vereinigt worden, daß die Stromwellen der einen Richtung oder Art teilweise oder ganz von dem gleichgerichteten Strom überwunden wurden; durch diesen Vorschlag wird aber nur der eine Satz der wechselnden Stromstärke ausgenutzt, während nach dem vorliegenden System der ganze Strom nutzbar gemacht wird.

Durch naheliegende Anwendungen dieser Erfindung wird es möglich gemacht, eine selbsterregende Wechselstrommaschine herzustellen oder Strommesser für Gleichstrom in Stromkreisen mit wechselnden Strom zu betätigen oder verschiedenartige Vorrichtungen, wie z.B. Bogenlampen, durch gleichgerichtete Ströme in demselben Stromkreis mit Glühlichtern oder anderen Vorrichtungen, die von wechselnden Strömen gespeist werden, in Tätigkeit zu setzen.

Patentspruch:

Eine Einrichtung zur Umwandlung von Wechselströmen in gleichgerichtete Ströme und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wechselstromleitung zwei oder mehr eine geschlossene Figur bildende Zweigleitungen und in diese Vorrichtungen (Batterien oder Gleichstromerzeuger) geschaltet werden, welche den Strömen der einen Richtung einen Widerstand entgegensetzen bezw. nur Ströme einer Richtung hindurchlassen, so daß in jeder Zweigleitung gleichgerichtete Ströme und in verschiedenen Zweigleitungen Gleichströme entgegengesetzter Richtung fließen, welche in der gemeinsamen Rückleitung wieder zu Wechselströmen vereinigt werden.