Nikola Tesla German Patent 93255 - Circuit Controller for Converting Currents with a Low Number of Turns into Currents with a High Number of Turns by Means of Capacitor Discharges

Patentschrift Nr. 93 255

Klasse 21: Elektrische Apparate.

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

Stromkreisregler fuer die Umwandlung von Strömen Geringer Wechselzahl in solche von Hoher Wechselzahl Mittels Kondensatorentladungen.

Patentiert im Deutschen Reich vom 22. September 1896 ab. Ausgegeben den 20. August 1897.

Die Erfindung betrifft eine Neuerung an elektrischen Anlagen zur Erzeugung von Strömen von hoher Wechselzahl nach der durch das Patent Nr. 73080 von demselben Erfinder geschützten Art und Weise und bezweckt, Wechselströme von verhältnismäßig geringer Wechselzahl, wie solche gewöhnlich von städtischen Verteilungsanlagen erhältlich sind, in Ströme von sehr hoher Wechselzahl umzuwandeln, so daß sie sich zur Benutzung in Verbindung mit Vakuumröhren und für die verschiedensten anderen Zwecke eignen. Es geschieht diese Umwandlung mittels Kondensatorentladungen, indem nach vorliegender Erfindung ein mit den Wellen des zugeführten Stromes synchron laufender Motor die Ladungen des Kondensators in bestimmter Zeitfolge bewirkt, und zwar - zum Unterschied von anderen bereits bekannten Einrichtungen, bei denen ebenfalls Hilfsunterbrechungsvorrichtungen für den gleichen Zweck verwendet werden -in solcher Zeitfolge, daß die Zahl der Ladungen ein Vielfaches von der Wechselzahl des Primärstromes ist.

Eine sehr gut geeignete, vielleicht sogar die am meisten zu empfehlende Vorrichtung zu diesem Zweck bietet ein synchroner Motor, der mit der Stromquelle verbunden ist und seine Stromkreisregler betätigt, welcher zunächst annähernd oder genau im Augenblick der höchsten Intensität jeder Stromwelle den Entladungsstrom unterbricht und alsdann dem Kondensator gestattet, die in ihm eingesammelte Energie durch den hierzu bestimmten Stromkreis zu entladen.

Eine solche Vorrichtung, die man wohl als die für diesen Zweck typische ansehen kann, ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt. Fig. 1 bis 3 zeigen im wesentlichen in schematischer Darstellungsweise eine die Erfindung verkörpernde Vorrichtung, während Fig. 4 bis 8 einen zur Verwendung bei einer Anlage der betreffenden Art bestimmten Stromkreisregler darstellen und dessen Wirkungsweise erläutern.

In Fig. 1 sind die Leiter A” A” von der Leitung A’ einer beiliegenden Wechselstromquelle A abgezweigt. Zur Erhöhung der Klemmenspannung des betreffenden Stromes dient ein Transformator, welcher durch die Primäre B und die Sekundäre B’ angedeutet ist. In dem Stromkreis der Sekundären befinden sich die Erregerspulen eines synchronen Motors G und eine auf der Welle des letzteren sitzende Regelungsvorrichtung C. Ein gegenüber der Motorwelle unbeweglicher und hinsichtlich der Pole der unbeweglichen Magnete verstellbarer Isolierarm O trägt zwei Bürsten F F’, die auf dem Umfang der Scheibe C’ liegen. Bei dieser Anordnung wird, sobald die beiden Bürsten auf den isolierten Segmenten der Scheibe ruhen, der sekundäre Stromkreis durch die Motorspulen geschlossen, während er zu anderen Zeiten durch den Motor hindurch unterbrochen ist. Ein solcher Motor hält bei richtiger Bauart einen sehr genauen Gleichlauf (Synchnronismus) mit den Polwechslungen der Stromquelle aufrecht, und es kann deshalb der Arm O so eingestellt werden, daß er den Strom an jeder beliebigen Stelle seiner Wellen unterbricht. Durch entsprechende Wahl des Verhältnisses der isolierten und leitenden Segmente, sowie der Motorpole kann man eine zweimalige Unterbrechung des Stromes bei jeder vollen Welle annähernd oder genau an den Punkten der höchsten Intensität erzielen.

Damit die im Motorstromkreis angesammelte Energie bei jeder Unterbrechung zum Laden des Kondensators H ausgenutzt wird, sind die Polenden des letzteren mit den beiden Bürsten F F’ oder mit entsprechenden Punkten des Stromkreises in der Nähe derselben so verbunden, daß bei Unterbrechung des Stromkreises durch den Motor die Polenden des Motorstromkreises mit dem Kondensator verbunden sind. Die Entladung des Kondensators erfolgt durch die Primäre K, deren Stromkreis gleichzeitig mit dem Stromkreise geschlossen und jedesmal bei Unterbrechung des letzteren und bei Ladung des Kondensators ebenfalls unterbrochen wird. Die mit hoher Klemmenspannung und hoher Frequenz auftretenden sekundären Impulse lassen sich in Verbindung mit Vakuumröhren P, einpoligen Lampen R, so wie für andere Zwecke vorteilhaft verwenden.

Es liegt auf der Hand, daß der zugeführte Strom nicht durchaus ein Wechselstrom zu sein braucht, sofern derselbe nur vor seinem Eintritt in den Regler in einen Wechselstrom verwandelt wird. Es lassen sich beispielsweise die vorbeschriebenen Neuerungen in Verbindung mit Transformatoren der verschiedensten Art verwenden, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt.

G’ bezeichnet einen Gleichstrommotor, dessen vier Feldpole mit Spulen E” in Nebeneinanderschaltung zum Anker bewickelt sind. Die Leitungsdrähte A” A” sind an die auf den Stromwender wirkenden Bürsten b b angeschlossen. Auf einer Verlängerung der Motorwelle sitzt ein Stromkreisregler, bestehend aus einer Trommel, deren Umfläche in vier leitende Segmente c und vier isolierte Segmente d zerlegt ist, von denen die ersteren paarweise einander gegenüber verbunden sind, wie in Fig. 3 gezeigt. Durch die Welle hindurch sind zwei isolierte Leiter e e von zwei um 90° auseinander liegenden Stromwendersegmenten ausgeführt und an die beiden Segmentpaare c angeschlossen. Es liegt auf der Hand, daß bei dieser Anordnung, je zwei einander benachbarte Segmente c c zu Polenden einer Wechselstromquelle werden, so daß, wenn zwei Bürsten F F’ an den Umfang der Trommel gebracht werden, sie während eines solchen Teiles der Welle Strom abnehmen, wie solcher der Breite des Segments und der Stellung der Bürsten entspricht. Durch entsprechende Einstellung der Bürsten gegenüber der Trommel hat man es demnach in der Hand, den Wechselstrom, welcher den Segmenten c c zugeführt wird, an irgend einem Punkt seiner Wellen zu unterbrechen.

Während die Bürsten F F’ sich auf den leitenden Segmenten befinden, sammelt der von ihnen aufgenommene Strom Energie in einem Stromkreis von hoher Selbstinduktion, der durch die Drähte f f, die Selbstinduktionsspulen S S, die Leiter A” A”, die Bürsten und den Stromwender gebildet wird. Wenn beim Uebergehen der Bürsten F F’ auf die isolierten Segmente der Regelungsvorrichtung dieser Stromkreis unterbrochen wird, dann findet durch die mit hoher Klemmenspannung sich vollziehende Entladung dieses Stromkreises eine Ansammlung von Energie in den Kondensatoren H H statt, welche sich alsdann durch den die Primäre K enthaltenden Stromkreis von geringer Selbstinduktion entladen. Der sekundäre Stromkreis enthält die in der Zeichnung durch P R angedeuteten Vorrichtungen für welche der Strom verwendet werden soll.

Der Stromkreisregler oder die Vorrichtung durch welche die richtige Ladung und Entladung des Kondensators gesichert wird, kann von beliebiger Konstruktion sein. Bei der Veranschaulichung der Konstruktion und Wirkungsweise ist nur auf solche Vorrichtungen Bezug genommen worden, welche metallische Kontakte herstellen und unterbrechen; es ist aber nicht durchaus nötig, daß ein metallischer Kontakt vorhanden ist, wenn dahin Vorkehrung getroffen ist, daß zwischen den voneinander getrennten Leitern der Uebertritt eines Funkens erfolgen kann. Eine derartige Vorrichtung ist in Fig. 4 bis 8 dargestellt.

In Fig. 4 bezeichnet A einen Stromerzeuger mit dem Stromwender a’ den auf diesem ruhenden Bürsten a” a” und den Sammelringen b” b”, von denen ein Wechselstrom durch die Bürsten b’ in bekannter Weise entnommen wird. Der Stromkreisregler befindet sich zum Teil auf einer Verlängerung der Welle c’ des Stromerzeugers und zum Teil auf dem Gestell desselben oder auf einer die Welle umgebenden feststehenden Muffe. Im übrigen ist die Einrichtung, im einzelnen wie folgt getroffen: e’ bezeichnet eine mit einem mittlerer Nabenteil e” versehene Metallplatte, die auf der Welle c’ festgekeilt ist. Entsprechend der Anzahl der vom Stromerzeuger abgegebener Stromwellen ist die Platte mit segmentförmigen Fortsätzen ausgestattet. Diese Segmente sind am besten so fortgeschnitten, daß nur Gestelle übrig bleiben, wobei an der einen radiale Seite derselben gebogene Metallplatten i befestigt sind, die als Windflügel dienen und einen kreisenden Luftstrom erzeugen, wenn die Vorrichtung sich in Tätigkeit befindet. Die Segmentscheibe mit ihren Windflügeln befindet sich in einem isolierten Gehäuse f, welches auf dem Lager des Stromerzeugers oder in anderer zweckentsprechender Weise, jedoch so angeordnet ist, daß dasselbe um die Welle herum verstellt werden kann. Zur Erleichterung dieser Verstellung ist eine mit Handgriff versehene Gewindestange f’ durch die Gehäusewandung hindurchgeführt. Mittels dieser Stange kann man das Gehäuse verstellen und in jeder beliebigen Einstellung dadurch befestigen, daß man die Stange in eine in der Muffe oder Lagerung hierzu vorgesehene Vertiefung hineinschraubt, wie in Fig. 4 gezeigt. An einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses befinden sich Luftöffnungen g g, durch welche hindurch der durch die Windflügel hervorgerufene Luftzug stattfindet. Durch die Seitenwandungen des Gehäuses f (oder, falls das Material des Gehäuses selbst nicht genügend isolierend wirkt, durch die darin vorgesehenen Isolierhülsen h) treten metallische Anschlußzapfen l l so hindurch, daß ihre Enden in der Ebene der leitenden Segmentenscheibe e’ liegen und auf die Ränder der Segmente zu oder von denselben hinweg in radialem Sinn verstellbar sind. Vorrichtungen dieser Art werden in der aus Fig. 6 sich ergebenden Weise verwendet. In dieser Figur bezeichnet A eine beliebige Wechselstromquelle, deren Klemmenspannung durch einen Transformator erhöht wird. Bei letzterem ist die primäre Spule mit B und die sekundäre mit B’ bezeichnet. Die Enden des sekundären Stromkreises s sind mit den Anschlußzapfen (Polzapfen) l l einer Vorrichtung nach Art der in Fig. 4 und 5 dargestellten verbunden, deren Segmente in Uebereinstimmung (Synchronismus) mit den Polwechseln der Stromquelle sich drehen, wobei sie am besten, wie oben beschrieben, auf der Welle des Stromerzeugers angeordnet sind, sofern die Konstruktion dies zuläßt. Die Polzapfen l l werden nun in radialem Sinn so verstellt, daß sie den äußeren Rändern der Segmentenscheibe, d.h. der Bewegungsbahn derselben, mehr oder weniger genähert werden, so daß beim jedesmaligen Vorbeigang eines Segments vor dem Polzapfen ein Funke zwischen beiden überspringen und dadurch den sekundären Stromkreis s schließen kann. Das Gehäuse oder derjenige Teil, an welchem sich die Polzapfen l l befinden, erhält eine solche Winkelstellung, daß die Zapfen und Segmente in den mit Rücksicht auf eine bestimmte Phase der Stromquelle im sekundären Stromkreis gewählten Augenblicken sich einander nähern, und wird in der betreffenden Stellung befestigt.

Die Polzapfen l l sind ferner an die Polenden eines oder mehrerer Kondensatoren angeschlossen, so daß im Augenblick der mit dem Aufhören des Funkens erfolgenden Unterbrechung des sekundären Stromkreises s die in diesem angesammelte Energie in den Kondensator Übertritt und dessen Ladung bewirkt.

Ein Weg von geringer Selbstinduktion und geringem Widerstand, der eine primäre Spule K von wenig Wicklungen enthält, dient zur Aufnahme der Entladung des Kondensators, wenn der Stromkreis s durch den Uebergang von Funken von neuem geschlossen wird. Die Entladung tritt in Form einer ungemein raschen Aufeinanderfolge von Impulsen in die Erscheinung.

Mittels dieses Apparates lassen sich ganz neue und wichtige Wirkungen erzielen; um aber die Wirksamkeit der Entladung oder des Arbeitsstromes noch weiter zu erhöhen, kann man noch besondere Mittel vorsehen, um die einzelnen Funken selbst zu teilen. Eine diesem Zwecke dienende Vorrichtung ist in Fig. 7 und 8 gezeigt. In diesen Figuren ist das Gehäuse f an dem Gestell oder Lager des Stromerzeugers oder Motors befestigt, durch welchen der Stromkreisregler im Gleichlauf (Synchronismus) mit der Wechselstromquelle in Drehung versetzt wird. Innerhalb dieses Gehäuses sitzt auf der Welle c’ eine Scheibe e’, von deren Rand aus Vorsprünge d’ sich parallel zu der Wellenachse erstrecken. Gegenüber der erstgenannten Scheibe sitzt auf einer Spindel d” eine zweite Scheibe e, für welche in dem Ende des Gehäuses f ein Lager vorgesehen ist und welche behufs Einstellung gedreht werden kann. Die Enden der Vorsprünge d’ sind mit tiefen Einschnitten versehen oder tragen mehrere schmale vorspringende Stifte dicht nebeneinander (Fig. 7), so daß bei dem Vorbeigehen der Stifte oder Vorsprünge an den beiden einander gegenüber befindlichen Scheiben eine Anzahl Funken in rascher Aufeinanderfolge von den Vorsprüngen der einen Scheibe nach denen der anderen Scheibe übertreten.
Patentanspruch:

Stromkreisregler für die Umwandlung von Strömen geringer Wechselzahl in solche von hoher Wechselzahl mittels Kondensatorentladungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit den Wellen des zugeführten Stromes synchron laufender Motor die Ladungen des Kondensators in solcher Zeitfolge bewirkt, daß die Zahl der Ladungen ein Vielfaches von der Wechselzahl des Primärstromes ist.