Nikola Tesla German Patent 66802 - AC Driving Machine with Main and Auxiliary Magnets Acting on a Self-Contained Armature Winding

Patentschrift Nr. 66 802

Klasse 21: Elektrische Apparate.

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

Wechselstromtreibmaschine mit auf Eine in Sich Geschlossene Ankerwicklung Wirkenden Haupt- und Hilfsmagneten.

Patentiert im Deutschen Reich vom 3. Dezember 1889 ab. Ausgegeben den 26. Januar 1893.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf jene Form von Wechselstromtreibmaschinen, bei welchen zwei oder mehr Erregungsstromkreise benutzt werden, durch welche Wechselströme von verschiedener Phase hindurchgesendet werden.

Es sind bisher verschiedene Formen dieser Treibmaschinen bekannt geworden: Erstens solche mit zwei oder mehr Erregungsstromkreisen, durch welche Ströme von derselben Beschaffenheit fließen, und welche als getrennte Ströme mit verschobenen Phasen der Maschine zugeführt werden; zweitens Maschinen mit mehreren Erregungsströmen von verschiedener Beschaffenheit, deren Phasenunterschied künstlich hervorgerufen wird, und drittens Maschinen mit mehreren Erregungsstromkreisen, wobei die Ströme in dem einen durch Ströme in dem anderen hervorgerufen werden. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf diese einzelnen Gattungen der Maschinen soll nachfolgend beschrieben werden.

Der Arbeitsgang irgend einer dieser Maschinenarten, beispielsweise jener der ersten, ist folgender: Auf dem Anker, der sich der gleichzeitigen Einwirkung der Erregungsströme folgend drehen soll, sind in sich geschlossene Spulen gewickelt, in welchen durch die Erregungsströme Induktionsströme hervorgerufen werden, die ihrerseits den Ankerkern magnetisieren. Hierbei verrinnt aber eine gewisse Zeit zwischen dem Auftreten eines erregenden Stromstoßes in den Spulen des Feldes und dem Auftreten des entsprechenden magnetischen Zustandes oder der magnetischen Phase im Anker, die durch den von dem ersten Strom induzierten Strom hervorgerufen wird. Es wird daher eine bestimmte magnetische Wirkung im Feld, welche das unmittelbare Ergebnis eines primären Stromstoßes ist, mehr oder weniger geschwächt oder verschwunden sein, bevor die im Anker hervorgerufene Wirkung ihr Maximum erreicht hat. Dies ist in gewissen Fällen ein für die günstige Wirkung nachteiliger Umstand, beispielsweise wenn das Vorschreiten der entstehenden Pole oder Stellen größter Anziehung sehr rasch ist, oder wenn eine sehr große Anzahl von Stromwechseln benutzt wird; denn es wird ein stärkeres Drehmoment erzielt werden, wenn die maximalen magnetischen Anziehungen oder Zustände im Feld und im Anker zusammenfallen, indem die Leistung einer Maschine durch das Produkt aus den magnetischen Momenten des Ankers und des Feldes bestimmt wird.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist deshalb der, diese Maschinen derart einzurichten, daß die Maxima der magnetischen Erscheinungen im Anker und in den Feldmagneten näher zusammenfallen.

Dies kann in verschiedener Weise bewerkstelligt werden, wie unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in welchen Einrichtungen zur Erzielung des gewünschten Erfolges dargestellt sind, beschrieben werden soll.

Fig. 1 gibt eine schematische Darstellung einer Maschine, bei welcher die Wechselströme Stromquellen entnommen werden, die voneinander unabhängig sind und von Haus aus einen Phasenunterschied besitzen.

A bezeichnet das Gestell der Maschine, B B die einander gegenüber angeordneten Feldmagnete, welche die Spulen des einen erregenden Stromkreises aufnehmen, und C C die Magnete, deren Spulen in den anderen erregenden Stromkreis geschaltet sind.

Die Stromkreise sind mit D E bezeichnet; der Leiter D” bildet die gemeinsame Rückleitung zur Stromquelle G.

Zwischen diesen Magneten befindet sich ein Anker, z.B. ein Ringanker, der mit einer Reihe von Spulen F bewickelt ist, welche eine oder mehrere geschlossene Leitungen bilden.

Die Wirkungsweise einer derartigen Maschine gründet sich darauf, daß der Magnetismus der Pole B z.B., der durch einen Stromstoß in den zugehörigen Spulen hervorgerufen wird, der magnetischen Wirkung, die im Anker durch den induzierten Strom in den Spulen F hervorgerufen wird, vorangeht. Die wechselseitige Anziehung zwischen dem Anker und den Feldmagneten wird deshalb beträchtlich verringert. Dasselbe wird sich zeigen, wenn man annimmt, daß nicht die Pole B oder C unabhängig voneinander wirken, sondern wenn man die ideale Resultierende der beiden zusammenwirkenden Magnete in Betracht zieht, was den Tatsachen entspricht.

Um dem vorzubeugen, ist das Feld mit Magneten B1 C1 versehen, welche zwischen den übrigen Magneten gelegen sind. Diese Magnete besitzen Spulen D1 E1, von denen die ersteren parallel zu den Spulen D, die letzteren parallel zu den Spulen E geschaltet sind. Die Hauptspulen D und E sind derart gewickelt, daß sie eine andere Selbstinduktion besitzen als die Spulen D1 und E1; die Verhältnisse sind dabei so bemessen, daß, wenn die Ströme in D und E z.B. um 1/4 einer Periodendauer des Stromes verschieden sind, die Ströme in den Spulen der zweiten Magnete B1 C1 von jenen in den Spulen der zugehörigen ersten Magnete B C um 1/8 einer Periodendauer verschieden sind.

Die Wirkungsweise dieser Maschine ist dann folgende: Gesetzt, der Strom in E beginne eben von Null aus an zu steigen und jener in D beginne vom Maximum aus zu sinken, entsprechend einem Unterschied von 1/4 Periodendauer. Man kann dann annehmen, daß die ideale Resultierende der Anziehungskräfte der beiden Sätze vom Magneten B C von den Polen C gegen die Pole B hin vorrücke, während der Strom in E zum Maximum ansteigt und jener in D bis Null oder zum Minimum sinkt. Die magnetischen Erscheinungen im Anker hingegen bleiben hinter jenen in den Feldmagneten zurück, und es werden daher die Stellen der stärksten Anziehung im Anker und im magnetischen Feld nicht zusammenfallen, sondern um einen Winkel gegeneinander verschoben sein. Dieser Wirkung wird durch die Hilfsmagnete B1 C1 begegnet. Die magnetischen Phasen dieser Magnete bleiben hinter jenen der Magnete B C um beiläufig denselben Teil einer Periode zurück, der zwischen der Wirkung auf die Magnete B C und der entsprechenden Induktionswirkung im Anker verstreicht. Der magnetische Zustand der Pole B1 C1 und jener des Ankers stimmen daher genauer überein und es wird ein besseres Resultat erzielt. Da die Magnete B1 C1 mit den durch die Magnete B C im Anker hervorgerufenen Polen Zusammenwirken, so werden ihrerseits die Magnete C B in ähnlicher Weise mit den durch die Magnete B1 C1 hervorgerufenen Polen Zusammenwirken.

Unter solchen Umständen wird die Verzögerung der magnetischen Wirkungen im Anker und in den Hilfsmagneten zur Folge haben, daß die Maxima der beiden näher zusammenfallen und ein entsprechend größeres Drehmoment oder magnetische Anziehung erzielt wird.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer Treibmaschine, bei welcher der Phasenunterschied künstlich hervorgerufen wird.

Es sind zwei Spulen D D in dem einen und zwei Spulen E E in dem anderen Zweig der von der Stromquelle G ausgehenden Hauptleitung angeordnet. Diese beiden Zweige haben verschiedene Selbstinduktion, indem die im Zweig D größer ist als jene in E; der besseren Veranschaulichung wegen ist dies dadurch angedeutet, daß die Spulen D viel größer gezeichnet sind als jene von E.

Infolge dieses Unterschiedes in der Beschaffenheit der beiden Stromzweige werden die Stromphasen in dem einen stärker verzögert, als jene im anderen; dieser Unterschied beträgt 1/12 Periodendauer.

Eine in dieser Weise hergestellte Maschine wird unter der Einwirkung eines Wechselstromes in Drehung versetzt, aber wie es auch in dem vorstehend beschriebenen Fall geschieht, fallen die magnetischen Wirkungen im Anker und im magnetischen Feld nicht zusammen, und zwar wegen der Zeit, die zwischen dem Auftreten eines bestimmten magnetischen Zustandes im Anker und dem Auftreten des Zustandes des Feldes, der diesen Zustand im Anker hervorruft, verstreicht.

Es werden deshalb die Hilfsmagnete B1 C1 benutzt.

Nachdem die Stromphasen in den Spulen D E um 1/12 einer Periodendauer voneinander verschieden sind, so sollten die magnetischen Erscheinungen in den Magneten B1 C1 einem Strom entsprechen, dessen Phase sich von der des Stromes in den Spulen D oder E um 1/24 einer Periodendauer unterscheidet. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, daß man jeden Hilfsmagnet B1 C1 mit zwei Spulen H H1 bewickelt. Die Spulen H befinden sich in einem Zweig, der dieselbe Selbstinduktion hat wie der Zweig D, und die Spulen H1 in einem Zweig, der dieselbe Selbstinduktion hat wie der Zweig E, so daß, wenn die Stromphasen in diesen Zweigen sich um 1/12 einer Periodendauer unterscheiden, der magnetische Zustand der Magnete B1 C1 derselbe ist, der durch einen Strom hervorgebracht wurde, dessen Phase sich um 1/24, einer Periodendauer von jener des Stromes in D oder E unterscheidet.

Dies gilt auch von allen anderen Fällen; wenn beispielsweise in Fig. 1 die Spulen D1 E1 durch Spulen H H1 ersetzt werden, die im Nebenschluß geschaltet sind, so entspricht der jeweilige magnetische Zustand der Magnete B1 C1 jenem, der durch einen Strom hervorgebracht würde, dessen Phase von der des Stromes im Zweig D oder E um 1/8 einer Periodendauer verschieden ist.

Die Ausführung der vorliegenden Erfindung kann in mancherlei anderer Weise erfolgen, sie fußen aber alle auf derselben Grundlage, was Anordnung und Wirkungsweise anbelangt.

Wenn in dieser Beschreibung davon die Rede ist, daß die magnetischen Phasen oder Erscheinungen in einem Satz von Feldmagneten mit jenen zusammenfallen, die durch den anderen Satz im Anker hervorgerufen werden, so sind damit nur angenäherte Resultate gemeint.

Bei diesen und ähnlichen Motoren ist die gesamte, zum Zweck des Betriebes zugeführte Energie gleich der Summe der Energien, die im Anker und im Feld verbraucht werden.

Die gelieferte Arbeit aber ist proportional dem Produkt dieser Größen. Das Produkt ist am größten, wenn diese Größen gleich sind; es ist daher bei der Herstellung einer Maschine wünschenswert, die Masse des Ankers und der Feldmagnetkerne und die Bewicklungen der beiden derart zu bestimmen und die beiden derart einzurichten, daß die Gleichheit so nahe als möglich hergestellt wird.

Bei Treibmaschinen mit geschlossenen Ankerspulen ist dies nur angenähert möglich, weil die im Anker zu Tage tretende Energie das Resultat der Induktionseinwirkung seitens des anderen Elementes ist. Bei Treibmaschinen jedoch, bei welchen die Spulen der Anker sowie der Feldmagnete mit der äußeren Leitung verbunden sind, kann das Resultat weit vollkommener erreicht werden.

Zur weiteren Erklärung dieses Gegenstandes sei angenommen, daß die Energie, welche der Magnetismus des Feldes einer gegebenen Treibmaschine darstellt, 90 betrage und die auf den Anker entfallende 10. Die Summe dieser Energiemengen, welche die beim Betrieb der Treibmaschinen verbrauchte Energiemenge darstellt, ist 100. Nimmt man aber an, die Treibmaschine sei so gebaut, daß die Energie im Feld durch 50 und jene im Anker durch 50 dargestellt ist, so ist die Summe noch immer 100, aber im ersten Fall ist das Produkt 900, im letzteren Fall ist es 2500, und da nun die entwickelte Energie diesen Produkten proportional ist, so ist es klar, daß jene Maschinen unter sonst gleichen Umständen am günstigsten sind, bei welchen die im Anker und im Feld entwickelten magnetischen Energien gleich sind.

Diese Resultate können erzielt werden, indem man dieselbe Menge Kupfer oder die gleiche Anzahl von Ampere-Windungen in beiden Elementen anwendet, wenn die Kerne der beiden gleich oder nahezu gleich sind, und beide durch denselben Strom erregt werden. In jenen Fällen, wo der Strom in dem einen Element durch den Strom im anderen induziert wird, erreicht man das Resultat dadurch, daß man in den induzierten Spulen mehr Kupfer anwendet, als in den primären.

Patentanspruch:

Eine Wechselstromtreibmaschine mit in sich geschlossener Ankerwicklung, bei welcher die Stellen des gleichzeitig stärksten Auftretens magnetischer Erscheinungen im Anker und in den Feldmagneten dadurch einander möglichst genähert werden, daß zwischen den Hauptfeldmagneten angeordnete Hilfs-Feldmagnete, deren Spulen mit denen der Haupt-Feldmagnete (von anderer Selbstinduktion) paarig parallel geschaltet und so angeordnet sind, daß die beiden Felder sich in der Masse des Ankers schneiden, in dem Anker magnetische Phasen hervorrufen, welche zu anderer Zeit auftreten, als die von den Haupt-Feldmagneten in demselben hervorgerufenen Phasen, so daß die von den Hilfsmagneten im Anker erzeugten Pole mit denen der Hauptmagnete und die von den Hauptmagneten im Anker erzeugten Pole mit denen der Hilfsmagnete Zusammenwirken.