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Biblioteka Politechniki Ktakowskiej

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Die

Dynamoelektrischen Maschinen.

Von

Silvanus P. Thompson.

Siebente Auflage.

Erster Band.

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Die

Dynamoelektmchen Maschinen.

Ein Handbuch für

Studierende der Elektrotechnik.

Von

Silvanus P. Thompson,

Direktor und Professor der Physik an der Technischen Hochschule der Stadt und Gilden

von London.

Siebente, vollständig umgearbeitete und stark vermehrte Auflage.

Übersetzt yoii

K. Strecker und F. Vesper.

Erster Band.

Die Gleichstrommaschinen.

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Halle a. S.

Druck und Yerlag von Wilhelm Knapp. 1907.

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Vorwort

Nachdem die Thompsonschen Dynamomaschinen in neuer, wesentlich erweiterter Auflage ausgegeben worden sind, schien es an der Zeit, auch eine neue deutsche Ausgabe zu veranstalten.

Der außerordentlichen Entwicklung der Elektrotechnik entsprechend, hat sich der Verfasser entschlossen, das Werk in zwei , Bände zu zerlegen, von denen der erste dem Gleichstrom gewidmet ist, der zweite dem Wechselstrom einschließlich der Mehrphasenströme, die der Verfasser bisher in einem besonderen Buche behandelt hat. Auch der zweite Band der englischen Ausgabe ist bereits erschienen. Der erste Band enthält 753 Textabbildungen und 30 große Tafeln, der zweite Band 546 Figuren im Text und 24 Tafeln.

Die neue Auflage ist nicht nur in allen Teilen durchgesehen und erneuert worden; der Verfasser hat auch wichtige neue Abschnitte eingefügt. Insbesondere sind die Kapitel des praktischen Baues eingehend behandelt worden; wir finden ausführliche Angaben über die Berechnung und Herstellung der Magnetspulen, über die Isolierstoffe, über Stromwendung, die Beseitigung des Funkens und den Ausgleich der Ankerrückwirkung. Die Wicklung der Anker wird sehr eingehend dargestellt ; zahlreiche, auch mehrfarbige Abbildungen unterstützen die Beschreibung. Ein besonderes Kapitel beschäftigt sich damit, sechs verschiedene Beispiele von ausgeführten Gleichstrommaschinen in allen Einzelheiten nachzurechnen. Die wesentlich beschreibenden letzten Kapitel bringen viele neue Beispiele ausgeführter Maschinen und Motoren. Einige neuere Maschinen, welche in der englischen Ausgabe noch nicht enthalten waren, sind hier beigefügt worden, so besonders die Homopolarmaschine von Noeggerath, die Gleichspannungsmaschine von Rosenberg, ein Turbogenerator der Maschinenfabrik Oerlikon u. a. m.

Den großen Vorzug der Thompson sehen Lehrbücher bildet bekanntlich die leichtfaßliche Darstellung; die Übersetzer sind sorgfältig bemüht gewesen, diesen Vorzug zu bewahren.

Mehrere Firmen haben uns durch Überlassung von Zeichnungen und Beschreibungen ihrer Maschinen unterstützt; wir möchten ihnen auch an dieser Stelle unseren besten Dank sagen.

Berlin, Dezember 1906.

K. Strecker. F. Vesper.

Inhaltsverzeichnis zum ersten Band.

Kapitel I. Einleitung

Seite

Abkürzungen in der Beschreibung von Dynamomaschinen 6

Kapitel II. Geschichtliche Angaben..............

Kapitel III. Physikalische Theorie der dynamoelektrischen Maschinen

Bestandteile der Gleichstrommaschinen ....

43

5°

Anker...................

Ankerkerne.................

Maßgebende Gesichtspunkte für den Entwurf einer

Maschine.................

Methoden zur Erregung des Feldmagnetismus .    .

Magnetoelektrische Maschine oder Magnetomaschine

Besonders erregte Dynamomaschine........

Reihen- oder Hauptstrommaschine........

Nebenschlußmaschine..............

Selbsterregende Dynamomaschine mit getrenntem Erregerkreise ................

Schaltungsarten...............

Schaltungen für Gleichspannung........

Fremderregung und Reihenschaltung (Deprez) .... Getrennte Ankerspule zur Erregung und Reihenschaltung 73 Magnetomaschine m Verbindung mit einer Ausgleichmaschine (Perry)......

Nebenschluß- und Reihenschaltung

Kapitel IV. Gesetze des Magnetismus, magnetische Eigenschaften des Eisens 75

Begriffserklärungen und allgemeine Eigenschaften 75

Magnetischer Einheitspol............

Magnetische Feldstärke.............

Magnetische Linien..............

Magnetische Einheiten.............

Magnetischer Kreis..............

Magneto motorische Kraft oder gesamte magnetisierende Kraft eines in einer Wickelung kreisenden elektrischen

Stromes..................

Widerstand des magnetischen Kreises......

Kurven der Magnetisierung...........

Wirkungen des Luftzwischenraumes im magnetischen Kreise 92 Luftspaltkoëffizient

54

62

62

65

65

66

67

68

69

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72

72

73

74

75

75

76

77

78

80

84

85

Wirkung von Verbindungsstellen.........

Wirkungen der Erwärmung...........

Rückständiger Magnetismus...........

Hysterese..................

Kreisläufe der Magnetisierung..........

Verluste durch Erwärmung beim Ummagnetisieren .    .    99

Hysterese................

Wirbelströme...............

Berechnung der Wärmeverluste bei Eisenkernen .    .

Drehungshysterese.............

Verzögerung des Magnetismus.........

Magnetische Dämpfung...........

Anwachsen des Magnetismus.........

Langsame Veränderungen in den magnetischen

Eigenschaften des Eisens.....

Berechnung des magnetischen Kreises Näherungsformel für das Gesetz des Elektro-

magnets.................

Kapitel V. Formen der Feldmagnete ..............

Symmetrische Anordnung der Feldmagnete .    .    .    123

Jochformen .

Teilung der Joche

94

95

95

96

98

99

99

99

103

104

.    104

105

.    105

106

in

114

125

126

Kapitel VI. Magnetische Berechnung der Dynamomaschinen.....

Streufeld, Nutzfeld, Streuungskoëffizient ....    129

Berechnung der Streuung ....

Bestimmung der Erregerwickelung

128

*35

*37

Magnetische Abmessungen der Maschinen. .    .    .    138

Joch ....

Magnetkerne Luftzwischenraum

*39

*39

*39

Ankerkern......

Zähne ........

Beispiel der Berechnung

*39

140

142

Kapitel VII. Kupferberechnungen: Spulenwindungen........

Gewicht von Kupferdraht..........

Elektrischer Widerstand des Kupfers......

Elektrische Messung der Temperatur von Spulen .

Kupferlitzen................

Raumfaktor................

Raumfaktor bei Ankern..........

Raumfaktor bei Feldmagneten.......

Berechnung der Spulen...........

Wickeln von Spulen............

Feldmagnetspulen............

Ausbringen und Befestigen der Enden .    .    .    .

Isolation der Feldmagnetwickelungen......

Befestigung der Magnetwickelungen.....

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Seite

163

Schaltung der Magnetwickelungen Lüftung der Feldmagnete Erwärmung der Spulen ....

,    Feldmagnete und feststehende Wickelungen allgemein 166

Erwärmung umlaufender Spulen .

Kapitel VIII. Isolationsmaterialien und deren Eigenschaften

Dielektrischer Widerstand......

Isolation von Kernscheiben.....

Isolierung der Kernkörper.....

Isolation der Schlitze.......

Isolierung der Leiter.......

Literatur ............

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.    164

169

172

172

176

176

.    176

176

177

178

Kapitel IX. Wirkungen und Gegenwirkungen im Anker........

Induktion in einem gleichförmigen wagerechten

magnetischen Felde............

Messung der elektromotorischen Kräfte ....    183

Methode der Hilfsbürsten.........

S. P. Thompsous Methode........

Mordeys Methode...........

Swinburnes Methode..........

Jouberts Methode .    .........

Mordeys statische Methode........

Gegenwirkungen der Ströme im Anker .    .

Quermagnetisierende Wirkung des Ankerstromes .    .    .    188

Neutrale Punkte............

Funkenbildung am Stromabgeber......

Tote Umläufe.............

Scheinbarer Widerstand.........

Zug auf die Ankerleiter.....

Hilfsmittel für den Antrieb ....

Kraftverluste.........

Notwendigkeit kräftiger Feldmagnete

181

183

183

184

184

185

186

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196

196

196

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•    •    205

•    •    205

207

208 210

2x1

212

Kapitel X. Stromumkehrung; Bedingungen zur Vermeidung des Funkens 213

Ursache des Funkens.....

Stromumkehrung.......

Theorie der Feldumkehrung .    .

Stromabnahme durch feste Bürsten Theorie des Kontaktwiderstandes .

. 218

Widerstand während der Umkehrung ..........

222

230

23I

231

237

239

242

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247

250

253

253

254

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261

262

262

263 263

264

265

266

268

268

271

272

272

272

274

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2₇9

28i

281

284

Verwendung von Kohlebürsten.........

Praktische Folgerungen............

Entmagnetisierende Wirkung des Ankers .    .    .

Vermehrung des magnetischen Widerstandes.....

Anbringung einer besonderen Wickelung......

Zusammendrängung des Feldes.......    .    .

Selbstaasgleichende Wickelungen.........

Reaktanzspannung.............

Merkmale einer guten Stromumkehrung......

Kapitel XI. Elementare Theorie der Dynamomaschine. Magneto-Maschinen und fremderregte Maschinen. Maschinen mit Selbsterregung

Erklärung der angewendeten Buchstaben......

Grundgleichung der Dynamomaschine

Schwankungen der elektromotorischen Kraft . Schwankungen in einem Anker mit geschlossener Wickelung und mit Abteilungen..........

Berechnung der Schwankungen der elektromotorischen Kraft in Ankern mit geschlossener Wickelung .    .    .

Messung der Schwankung...........

Wirkung der ungleichzeitigen Stromwendung .

Messung der Menge der Kraftlinien........

Spannung für die Längeneinheit der Wickelung .    .    .

Die Magnetomaschine und die besonders erregte

M aschin e.................

Spannung an den Klemmen einer Dynamomaschine.

Spannungsverlust.............

Beziehung zwischen der gesamten elektromotorischen

Kraft und der Klemmenspannung.......

Die besonders erregte Dynamomaschine.....

Wirkungsgrad und ökonomischer Koëffizient der Dynamomaschinen ................

Änderung des elektrischen Güteverhältnisses mit der

Stromstärke...............

Die Reihenmaschine.............

Ökonomischer Koëffizient (Güteverhältnis) einer Reihenmaschine ................

Die Nebenschlußmaschine...........

Ökonomischer Koëffizient (Güteverhältnis) der Nebenschlußmaschine ..............

Maschinen für Gleichspannung........

Betriebsbedingungen.............

Seite

Regelnde Reihen Wickelungen -)- Erregende Nebenschlußwickelungen : Gemischte Wickelung Gleichbleibende Spannung am fernen Ort (Überkom-

poundieren)................

Anordnung der gemischten Wickelung.......

Vorausbestimmung der gemischten Wickelung ....    290

Praktisches Verfahren zur Bestimmung der Verbundwickelung .....

Regelnder Nebenschluß Ausgleich Verbindung

.    286

289

290

.    290

.    291

291

Kapitel XII. Charakteristische Kurven.............

,, Äußere‘‘ Charakteristiken oder Kurven der Klemmenspannung .........'.......

Charakteristik von Reihenmaschinen......

Beziehung der Charakteristik zur Umlaufsgeschwindigkeit Ableitung des Widerstandes aus der Charakteristik .    .

Beziehung der Charakteristik zur Ankerwickelung und

Magnetwickelung.............

Kritische Stromstärke einer Reihenmaschine.....

Charakteristik der Magneto- und der besonders

erregten Maschinen............

Charakteristik der Nebenschlußmaschine .    .    .    .

Kurve des gesamten Ankerstromes........

Gesamtcharakteristik einer Nebenschlußmaschine .    .    .

Charakteristik einer Nebenschlußmaschine mit Dauermagnetismus ...............

Unterschiede im Verhalten der Reihen- und der Nebenschlußmaschine ..............

Anwendung der Charakteristik auf Maschinen, welche zum Laden von Sammlerbatterieen benutzt werden .

Charakteristik der Verbundmaschine......

Äußere Charakteristiken selbstregelnder Maschinen................

Kapitel XIII. Theorie der Ankerwickelung............

Rechts- und linkslaufende Wickelung.......

Abstand der zu verbindenden Leiter. Wickelungsschritt

Wickelungstafeln .    . ».............

Wickelungs-Diagramme............

Radialdiagramme...............

Feldschritt........ ........

Leitergruppen................

Ankerformeln................

Wickelungsformeln..............

Bezeichnungen..............

Bedingung für die Bildung ein- und mehrgängiger

Wickelungen...............

Durchlaufen der Leiter............

292

297

299

300

301

302

3°4

3°5

306

309

309

310

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320

321

323

324

326

331

333

333

334

co co

34°

Allgemeine Formeln............

Schleifenwickelungen...........

Wellenwickelungen,............

Ringwickelungen............

Trommelwickelungen...........

Zahl der Bürstensätze..........

Vielpolige Ringwickelungen........

Verminderung der Zahl der Bürstensätze .    .    .    .

Vermehrung der Bürstensätze........

Zahl der parallelen Stromwege.........

Querverbindungen............

Ausgleichsringe.............

Scheibenwickelungen............

Kapitel XIV. Praktischer Aufbau des Ankers..........

Ankerkerne ................

Kernscheiben...............

Geteilte Kernscheiben............

Form der Zähne..............

Endkernplatten..............

Bindedrähte................

Isolation der Kernscheiben..........

Aufbringen der Kernscheiben.........

Lüftung der Anker....... .....

Triebstücke................

Bindedrähte................

Keile..................

Ankerwickelung ...    .........

Leiter..................

Wickelung der Anker............

Stabwickelung...............

Trommelwickelungen............

Handwickelung .    .............

Evolutenwickelung.............

Mantelwickelung..............

Bastardwickelungen...... ......

Mit Draht bewickelte Anker........

Schablonenwickelung............

Spiralige Verbinder als Ausgleicher.......

Ringwickelungen .............

Anordnung der Leiter in Schlitzen......

Kapitel XV. Mechanische Einzelheiten für den Entwurf und den Bau . .

Druck auf die Lager............

Fliehkräfte................

Gyrostatische Tätigkeit des Ankers.......

Ausgleichung der Anker...........

Zapfen..................

Lager und Gestelle.............

344

345

347

349

354

369

369

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371

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• 423

423

424

424

425

425

Seite

Kugellager........

Kammzapfenlager.....

Kugelschalenlager.....

Schmiergefäße.......

Keile und Federn .    .    .    .    .

Riemenscheiben und Riemen

Bodenplatten.......

Kuppelungen.......

43°

431

431

• 431

434

434

434

435

Kapitel XVI. Stromabgeber, Bürsten und Bürstenhalter . .

Stromwender..........

Stäbe des Stromwenders......

Zahl der Stäbe.........

Größe der Stromabgeber......

Erfordernisse des Entwurfs.....

Isolation............

Bau der Stromabgeber.......

Verbinder ............

Verbindung mit der Ankerwickelung

Bürsten.............

Kohlenbürsten..........

Zahl und Größe der Bürsten .

Stellung der Bürsten.......

Bürstenhalter und -Steller (Rücker)

Halter für Kohlenbürsten......

Steller und Bürstenstangen.....

Endverbindungen........

430

437

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453

456

462

4⁶3

Kapitel XVII. Bestimmung der Verluste, der Erwärmung und des Spannungs

abfalles

Kupferverluste.........

Eisenverluste.........

Erregungsverluste.......

Stromwenderverluste......

Erwärmung des Stromwenders Reibungs- und Luftwiderstandsverluste

Wirkungsgrad.........

Sekundäre Kupferverluste.....

Berechnung des Spannungsabfalles . Widerstand des Nebenschlußregulators

Regelnder Nebenschluß.....

Eigenregeluug.........

466

467

₄68

469

469

469

471

472

477

478

478

Kapitel XVIII. Das Entwerfen von Gleichstrommaschinen .    ......

Beziehung der Größe zur Leistung und Geschwindigkeit ....

Umdrehungszahl.....

Größe und Leistung. .    .    .

Essons Koëffizient .    .    .

Steinmetzscher Koëffizient

479

481

.    481

482

483

Kapitel XIX.

Kapitel XX.

Verhältnis des Durchmessers zur Länge Zweckmäßige Formel für die Leistung .... Arbeitskonstanten und Versuchswerte.    .    .

Kraftliniendichte............

Stromdichteu.............

Zahl der Pole.............

Magnetische Dichte für einen Pol.....

Zahl der Ankerleiter...........

Zahl der Kommutatorsegmente.......

Größe des Stromwenders.........

Länge des Luftzwischenraumes......

Bestimmung der Energieverluste......

Berechnung der Bindedrähte.......

Reihenfolge der Berechnung.......

Anderes Vorgehen beim Entwerfen ....

Verfeinerung des Entwurfs.......

Koëffizient der magnetischen Streuung....

Gleichwertiger Polbogen.........

Zusammendrängen des Umkehrfeldes ....

Länge der Ankerleiter..........

Nebenschluß und Kompound-Maschinen .

Gewicht und Kosten..........

Günstigste Ausnutzung des Materials.

Der wirksame Raum..........

Schema für den Entwurf von Gleichstrommaschinen 516

486

486

489

489

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515

Untersuchung ausgeführter Maschinen.........

Vielpolige Nebenschlußmaschine mit genutetem Trommelanker, gebaut von Scott und Mountain . Überkompoundierter vielpoliger Bahn - Stromerzeuger mit geschlitztem Trommelanker, gebaut von der Walker Manufacturing Company

521

.    .    521

• 530

Vielpolige Nebenschlußmaschine mit geschlitztem

Trommelanker, gebaut von Brown Boveri & Co. .    .    543

Dynamomaschinen mit obenliegendem glatten Trommelanker und Kompoundwickelung, entworfen von Kapp 553 Vielpoliger Kompoundgenerator für Bahnbetrieb, entworfen von Hobart.............

Ein kleiner Stromerzeuger, abgeäuderte Maschine, von Kolben & Co................

562

573

Beispiele neuerer Dynamomaschinen (für Beleuchtung und Zugförderung) .................

Gebräuchliche Spannungen...........

Zweipoliger Stromerzeuger von Kapp .......

Dynamomaschinen der Maschinenfabrik Oerlikon .    .    .    578

,,    von Brown, Boveri & Co.

,,    ,, Scott und Mountain.....590

577

577

57⁸

5⁸⁶

Seite

Dynamomaschinen der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft .........

,,    ,, Felten & Guilleaume Lahmeyer-

werke Akt.-Ges.......

,,    von Kolben & Co........

,,    der General Electric Co......

592

594

596

601

,, Aktien-Gesellschaft Elektrizitätswerke vorm. Kummer & Co. 610

612 612 616

von Postei-Vinay........

,, Siemens & Halske.....

,, Ganz & Co.........

der English Electric Manufacturing Co. (Dick, Kerr & Co.)

618

von Hobart.........

der Electric Construction Company von Siemens & Halske (Wien) .    .

622

624

626

Schlußübersicht...............

Tabelle der Koëffizienten der Materialausnutzung und anderer Merkmale des Entwurfs von Gleichstrom-

626

erzeugern

628

Kapitel XXI. Maschinen für Elektrometallurgie und Herstellung von Metallüberzügen .................

Geschichtliche Angaben............

Dynamomaschine für Elektrolyse von Brown .

,,    der Maschinenfabrik Oerlikon .

,,    „ Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft .........

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,,    von    Thury..........

,,    „    Alioth..........

„    der    Eddy Manufacturing    Company-

Maschinen zum Laden der Sammler ......

Anhang ...................

Zahlenangaben aus dem Gebiete der Metallurgie .

Ausscheidung von Metallen...........

Klemmenspannung an verschiedenartigen elektrolytischen

Bädern.................

Stromdichten zur Erzielung guter Niederschläge .

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Kapitel XXII. Maschinen für Bogenlicht und Gleichrichter

Maschinen mit offener Wickelung Maschinen von Brush.......

650

•    • 651

•    • ⁶55

664

,,    Thomson - Houston

Regulierungsvorrichtung .    .    .

Vorteile der Maschinen mit offener Wickelung ....    669

Andere Maschinen für Bogenlicht Abfallende Charakteristiken .

668

.    670

671

Gleichrichter

672

Kapitel XXIII. Besondere Gattungen von Dynamomaschinen

Maschine für gleichbleibende Stromstärke und

-Richtung .........

Doppelstrommaschinen.....

Dreileitermaschinen......

Literatur .    ..........

II omopolar-(Unipolar-) Maschinen

674

675

677

678

681

683

686

690

692

695

695

Kapitel XXIV. Doppelmaschinen................

Gl ei ch ström- Transformatoren.........

Geschichtliches................

Verwendung der Motorgeneratoren ........

Theorie der Gleichstrom-Transformatoren......

Ausgleichsdynamomaschinen.........

Zusatz in aschinen (Booster)..........

Zusatzmaschinen in Speiseleitungen........

Batterie-Zusatzmaschinen............

Nebenschluß-Zusatzmaschinen..........

Zusatzmaschine mit    Reihenschaltung.......

„    ,,    Kompoundwickelung.....

,,    ,,    Differentialschaltung......

,,    ,,    Regelung durch einen besonderen

Erreger.........

7°4

704

704

707

708

709

712

712

715

718

Literatur.......

Entwurf der Zusatzmaschinen

719

722

Kapitel XXV. Gleichstrommotoren...............

Allgemeines.................

Elementare Theorie der elektrischen Triebkraft.....

Theorie der elektrischen Triebmaschine......

Graphische Darstellung der Gesetze für Triebmaschinen Das Gesetz für die maximale Leistung (Jacobi)

Gesetz des maximalen Wirkungsgrades.......

Geschwindigkeit und Drehmoment von Triebmaschinen Allgemeine Ausdrücke für das Drehmoment und die

Geschwindigkeit..............

Magneto- und besonders erregte Triebmaschine .    .    .    .

Triebmaschine mit Reihenwickelung......

Vorteile der Hauptstrommotoren.........

Zwei Maschinen mit Reihenwickelung zur Übertragung Zwei Hauptstrommotoren in Reihen- und Parallelschaltung

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Triebmaschine mit Nebenschlußwickelung .    .    .

Wiedergewinnung der Arbeit..........

Wechselwirkung zwischen Anker und Feldmagnet in einer

Triebmaschine.........t......

Vergleich zwischen Stromerzeuger und Motor.....

Umsteuerung der Triebmaschinen..........

Regelung der Triebmaschinen.........

Theorie der selbstregelnden Triebmaschinen.....

Nebenschluß- oder fremderregte Triebmaschine mit

regelnder Reihenwickelung..........

Vorausberechnung der gemischten Wickelung . Praktische Bestimmung der Nebenschluß- und Reihenwickelung ................

Mechanische Charakteristiken von gemischt und differential

gewickelten Triebmaschinen...........

Regelung der Geschwindigkeit elektrischer Trieb-

maschinen ...............

Regelung durch Änderung der Spannung.....

„    ,,    „    ,, Kraftlinienmenge .    .    .

„    „ Einführung eines Widerstandes in den

Ankerkreis..........

,,    ,, Umschalten mehrerer Motoren in Reihe

oder parallel.........

,,    ,, Motoren mit zwei Stromwendern .    .

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753

757

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768

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769

770

Beschleunigung der Motoren ............

Magnetische Bremsung............

Motorausrüstung für besondere Zwecke........

Regelung durch Zusatzmaschinen..........

Entwurf der Gleichstrommotoren..........

Formeln für das Entwerfen...........

Beispiele von Gleichstrommotoren..........

Crocker-Wheeler Co. .    ..........

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft........

Dick, Kerr & Co...............

General Electric Co...............

British Thomson-Houston Co...........

Maschinenfabrik Oerlikon............

Siemens - Schuckertwerke............

Postei-Vinay Co. ,..............

Compagnie de l’Industrie Électrique Genf.....

Kapitel XXVI. Regler, Widerstände, Fahrschalter und Anlasser

Regler für Dynamomaschinen .    ........

Regelungswiderstände.............

Selbsttätige Regler für Gleichspannung und

gleichbleibende Stromstärke........

Motoranlasser................

Anordnung zur Verhinderung starker Funkenbildung beim Abschalten..............

770

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77i

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779

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788

788

790

794

794

798

798

800

800

804

Motorregler.................

Besondere Vorsichtsmaßregeln bei Nebenschlußmotoren .    807

808

.    .    809

810

810

8:1:0

811

,,    ,, Nebenschlußmotors ,

Mechanische Bremsen durch Elektromagnete ausgelöst 812

CO CO

Fahrschalter.................

CO lO vo l>

Einschalten des Stromes............

Ein- und Ausschalten eines Widerstandes......

Reihen- und Parallelschaltung ...........

Reihenparallelschaltung ............

Umsteuerung................

Vereinigung der Reihen-Parallelschaltung mit der

818

Umsteuerung..............

Alle Schaltungen an einem Fahrschalter vereinigt .    819

Elektrische Bremsung

821

824

Andere Arten von Fahrschaltern für andere Schaltsysteme 823 Schaltwalzen für Nebenschlußmotoren Entwerfen von Widerständen für Rheostaten .    .    826

826

Drahtstärke bei Rheostaten.......

.    .    828

Theorie der Tabelle über Drahterhitzung .

Bestimmung der Widerstandsstufen zwischen

829

den Kontakten..........

829

bei Anlassern...........

bei Widerständen zum Regeln von Dynamomaschinen

832

auf gleichbleibende Spannung.......

•    •    833

bei Widerständen zum Regeln von Nebenschlußmotoren mit verschiedenen Geschwindigkeiten . bei Nebenschlußmotoren in Reihe mit dem Anker zur

Regelung der Geschwindigkeit bei voller Belastung 834

8.35

Flüssigkeitswiderstände...........

837

Kapitel XXVII. Prüfung und Betrieb von Dynamomaschinen und Motoren .

837

Bauliche Prüfung ...............

838

Prüfung des Isolationswiderstandes........

838

Versuche über die Temperaturzunahme.......

839

839

Prüfung der Leistung und des Wirkungsgrades .... Messung der mechanischen Leistung .....

840

Die Indikator-Methode ..    ..........

840

Die Brems-Methode.............

842

Die Dynamometer-Methode..........

844

Die Gleichgewichts-Methode.........

845

Die elektrischen Methoden..........

848

Bestimmung der einzelnen Verluste........

850

Besondere Verluste bei voller Belastung .    .

Prüfung einer Stromerzeugungs-Anlage.......

Seite

Behandlung von Dynamomaschinen......

Zusammenschalten mehrerer Dynamomaschinen in einem

Stromkreise................

Hintereinanderschaltung von Gleichstrommaschinen .    .

Parallelschaltung von Dynamomaschinen .... Nebeneinanderschaltung von Maschinen mit

mischter Wickelung.........

Allgemeine Anweisungen für die Aufstellung und

Bedienung von Dynamomaschinen......

Standort der Maschine.............

Fundamentierung............. .    .

Laufschienen................

Anlassen ..................

Prüfung vor dem Anlaufen...........

Tägliche Aufsicht...............

Fehler in Maschinen.............

Verbrennen der Anker.............

Kurzschlüsse im Anker............

Bruch von Verbindungen............

Unterbrechungen im Anker...........

Mangelhaftes Zentrieren des Ankers........

Abflachungen am Stromabgeber.........

Fehler in den Wickelungen der Feldmagnete .    .    .    .

Fehler in der Erregung............

Umkehrung der Polarität............

Schwingungen und Geräusch..........

Namen- und Sachregister.............

853

ge-

m m -t 10 in >n in

CO 00 CO CO

»57

857

857

857

857

858

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861

86 x

862

86₄

864

865

865

866

867

867

867

Verzeichnis der Tafeln.

Yît

Methoden zur Erregung des Feldmagnetismus.

Wirkungen der Erwärmung.

Magnetische Berechnung der Dynamomaschinen.

Wickeln von Spulen.

Gegenwirkungen der Ströme im Anker.

Stromabnahme durch feste Bürsten.

Wmm

(V).

Gleichbleibende Spannung am fernen Ort (Überkompoundieren).

Unterschiede im Verhalten der Reihen- und der Nebenschlufsmaschine.

Jeder Leiter darf nur einmal durchlaufen werden.

;f

Ulil

Mechanische Einzelheiten für den Entwurf und den Bau.

LU

a'= 578° 1ff Pp

Gewicht und Kosten.

Aus den Zeichnungen sieht man, daß die Magnetkerne

Beispiele neuerer Dynamomaschinen (für Beleuchtung und Zugförderung).

âjtf

Maschinen für Bogenlicht und Gleichrichter.

HZ

Entwurf der Zusatzmaschinen.

Triebmaschine mit Nebenschlufswickelung.

r©Vv

Bremsen.

Prüfung und Betrieb von Dynamomaschinen und Motoren.

Namen- und Sachregister.

L.

VIELPOLIGE GLEICHSTROMMASCHINE (INNENPOLMASCHINE) DER Sl EM ENS-SCHLICKERT WER KÉ, NACH AUSFÜHRUNG DER SIEMENS & HALSKE AKTIENGESELLSCHAFT IN BERLIN. MODELL J 170/52 FÜR 500 VOLT UND 1900 AMPERE BEI 95 UMDREHUNGEN IN DER MINUTE.

Verzeichnis der Tafeln.

(Bei jeder Tafel wird der Ort der ausführlichen Beschreibung in fetter Zahl und die übrigen Stellen, an denen die Tafel vorkommt, in gewöhnlichen Ziffern angegeben.)

I. Magnetische Kurven. S. 87, 137, 524, 536, 546, 556.

II. Trommelanker einer zweipoligen Maschine, entworfen von Gisb. Kapp, erbaut von Johnson & Philipps. S. 391, 399, 400, 423, 429, 444, 553, 578.

III.    Bürste, Bürstenhalter und Brille der Kappschen Maschine (Tafel II).

S- 455, 462, 553, 578.

IV.    Gleichstrommaschine der Siemens - Schuckertwerke in Berlin und

Nürnberg, Modell GM 312. S. 456, 616.

V. Gleichstromerzeuger von Ernest Scott & Mountain in Newcastle on Tyne. S. 152, 394, 430, 435, 521, 590.

VI. Gleichstromerzeuger von Kolben & Co. in Prag. Teil eines Umformers, welcher mit einem synchronen Einphasenmotor gekuppelt wird. S. 422, 51)7.

VII. Stromerzeuger für Elektrometallurgie von Brown, Boveii & Co. in Baden (Schweiz). S. 127, 429, 462, 543, 636.

VIII. Stromerzeuger für Elektrometallurgie von Brown, Boveri & Co. in Baden (Schweiz). S. 491, 543, 636.

IX. Trommelanker, entworfen von C. E. L. Brown. S. 392, 394, 399, 408, 429, 435, 589.

X. Stromerzeuger für Straßenbahnen, entworfen von H. F. Parshall. S. 244, 290, 602.

XI. Kommutator des Stromerzeugers für Straßenbahnen (Tafel X), entworfen von H. F. Parshall. S. 442, 445, 602.

XII. Stromerzeuger für Straßenbahnen, entworfen von H. F. Parshall, erbaut von der General Electric Company in Schenectady, N.Y. S.462, 603.

XIII.    Direkt gekuppelte vielpolige Gleichstrommaschine (Schwungrad

maschine), entworfen von G. E. Fischinger, erbaut von der vormaligen Aktien - Gesellschaft Elektrizitätswerke (vorm. O. L. Kummer & Co.) in Dresden und Niedersedlitz. S. 238, 610.

XIV.    Vielpolige Gleichstrommaschine mit senkrechter Achse der Allgemeinen

Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin. S. 433, 641.

XV. Vielpoliger Gleichstromerzeuger (Doppelschwungrad - Maschine) der Felten & Guilleaume Lahmeyerwerke A.-G., Dynamowerk in Frankfurt (Main). S. 448, 463, 594.

XVI. Stromerzeuger für Straßenbahnen von Kolben & Co. in Prag. S. 164, 335- 394- 435- 462, 463, 598.

XVII. Anker des Stromerzeugers für Straßenbahnen (Tafel XVI) von Kolben & Co. in Prag. S. 335, 366, 372, 393, 406, 445, 448, 55)8.

XVIII. Feldmagnetspule des Stromerzeugers für Straßenbahnen (Tafel XVI) von Kolben & Co. in Prag. S. 152, 244, 335, 598.

XIX. Stromerzeuger für Straßenbahnen der Maschinenfabrik Oerlikon in Oerlikon bei Zürich. S. 335, 372, 394, 430, 463, 581.

XX. Stromerzeuger für Beleuchtung der Société des Établissements Postel-Vinay in Paris. S. 420, 430, 462, 463, 612.

XXI. Turbogenerator der Maschinenfabrik Oerlikon in Oerlikon bei Zürich, Modell DTG 270. S. 445, 679.

XXII. Stromerzeuger für Schiffsbeleuchtung von Ganz & Co. in Budapest. S. 462. 616.

XXIII. Einzelheiten des Stromerzeugers für Schiffsbeleuchtung (Tafel XXII) von Ganz & Co. in Budapest. S. 244, 442, 446, 616.

XXIV. Gleichstrommotor der Maschinenfabrik Oerlikon in Oerlikon bei Zürich, Modell H 48. S. 788.

XXV. 'Vielpolige Gleichstrommaschine (Innenpolmaschine) der Siemens-Schuckertwerke, nach Ausführung der Siemens & Halske Aktiengesellschaft in Berlin, Modell J 170/52. S. 369, 420, 463, 613.

XXVI. Stromerzeuger für Elektrolyse von Alioth & Co. in Basel. S. 420, 645.

XXVII. Straßenbahnmotor der Siemens-Schuckertwerke in Berlin und Nürnberg, Modell D 54. S. 792.

XXVIII. Straßenbahnmotor der Société anonyme électricité et hydraulique in Charleroi. S. 749, Fig. 515.

XXIX. Motor mit senkrechter Achse der Compagnie de l’industrie électrique (Thury) in Genf. S. 433, 796.

XXX. Booster der Felten & Guilleaume Lahmeyerwerke A.-G., Dynamowerk in Frankfurt (Main). S. 721.

Berichtigungen.

Seite ii, Zeile 6 von unten lies Ettingshausen statt Ettinghausen.

„ Van Malderen statt Van Melderen.

oben

39-

61.

76,

„    8    „

..    5    »

77.

unten „ Baily statt Bailey.

,,    ,, Desroziers statt Desrozier.

„    „ Fig. 17 statt Fig. 16.

„ Seite 93 statt Seite 96. Unterschrift: für Blech von 0,6 mm.

100, Fig. 56, Zusatz zur lor, Zeile 6 von oben lies 26710 0,5 statt 267-10 0,5.

>>

105,

106,

XII,

118,

..

„ Leblanc statt Le Blanc.

„ Widerstand R statt Widerstand.

,, Seite 83 statt Seite 68.

,, Wilde statt Wille.

,    oben    ,,    Fig. 61 statt Fig. 62.

,    imten    „    a, d, statt alt

,    ,,    ,,    Feldkerne, die statt Feldkerne    der.

>>

5    ,, unten

6    ,, oben unten

l6

124,

136,

138,

142, Fig. 79, Zusatz: Kurve A gilt für das Verhältnis der Zahnbreite zur Nutbreite 1 : 1, Kurve B für 3:4, Kurve C für 1:2.

unten lies Fig. 98 statt Fig. 99.

164, neben Zeile 14 von

Fig. 99 ist durch die nachstehende neue Figur zu ersetzen, welche als Deckblatt nochmals beiliegt.

170,

600°

000°

too°

300⁰

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100°

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20

23

30

5 m/ös/f. 10

Fig. 99. Erwärmungskurven.

Seite 199, Zeile 14 und 15 von oben die und der zu vertauschen.

oben lies richtige statt wichtige.

,,    ,, das statt ein.

,,    4 bis 2 von unten lies b und a, d und c, a bis d, c bis b statt

bezw. d und c, b und a, c bis b, a bis d.

„ 17 von

4 >)

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»»    252,

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Kg

»>    256,    „

Kg

statt

d(i-K)-

2    ,, oben, Formel (Ia), Faktor N zuzufügen.

10    ,, unten lies S. 378 statt S. 379.

d(i+K)

». 35b

,,    382, unter Fig. 267 lies Desroziers statt Desrozier.

„    408, Zeile 4 und 5 von oben lies Fig. 311A, 311 B statt 311a, 311b.

,,    6 von oben lies Fig. 39 statt Fig. 38.

,,    10 von oben nach Tafeln ein Punkt; dann: Mit besonderer

Aufmerksamkeit möge man die Fig. 421 und 450 der Maschinenfabrik Oerlikon, ferner Tafel XI (Parshall) und XVII (Kolben) betrachten.

„ dH,

»» 445»

,,    447, Zeile 5 von unten lies Fig. 360t statt Fig. 360e.

oben „ Fig. 393 statt Fig. 399.

„    „ Tafel XX statt Tafel XXII.

unten „ Fig. 442 statt Fig. 445 oben punktiert zu streichen.

„ lies 460 Volt statt 450 Volt, unten „ 1357,2 statt 135752.

,,    ,, S. 231 statt S. 230.

Tafel XXl, Überschrift lies Modell DTG statt Modell G.

,» 509, „    612,

„    619,

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Kapitel I.

Einleitung.

Werner Siemens nannte seine erste selbsterregende elektrische Maschine einen »elektrodynamischen Induktor«. Der Name »dynamoelektrische Maschine« wird zum erstenmal gebraucht von Charles Brooke in den Proceedings of the Koyal Society in einem Aufsatz über die Umwandlung der Energie, vom 19. März 1867 !). In neuerer Zeit ist der Ausdruck im allgemeinen Sinne gebraucht worden, um alle Maschinen zu bezeichnen, deren Wirkung auf dem von Faraday im Jahre 1831 entdeckten Vorgang der Induktion beruht. Faraday selbst nannte solche Maschinen magnetelektrische, und dieses Wort wird noch jetzt gebraucht, um Maschinen zu bezeichnen, die einen Dauermagnet aus Stahl besitzen; Faraday wandte das Wort an ohne Unterschied, ob stählerne Hufeisenmagnete, natürliche Magnete, Elektromagnete, ja selbst die Erde benutzt wurden. In einigen Dynamomaschinen bewegen sich die Leiter, während die Magnete Stillstehen; in

und in den verwandten Maschinen von Wilde,

i) Brooke sagt (Proc. Roy. Soc., Bd. 15, S. 409): »Die dynamische Natur der elektrischen Energie zeigt sich klar an der dynamoelektrischen Maschine von Holtz, in der dynamische Energie unmittelbar in elektrische um gewandelt wird

Wheatstone, Siemens und Ladd, in denen allen es sich ebenso um die Verwandlung dynamischer in magnetische Energie handelt.« Brooke erklärt nun in einer Fußnote den Grundsatz, wonach solche Worte gebildet und zusammengesetzt werden, die bei der Beschreibung der Energieverwandlungen ständig Vorkommen. Er sagt: »Der erste Teil des Wortes soll die wirkende Ursache, der zweite die erzielte Wirkung bezeichnen. Hiernach ist eine dynamoelektrische Maschine eine solche, in der dynamische Energie verbraucht wird, um elektrischen Strom zu erzeugen; eine elektrodynamische Maschine ist eine solche, in welcher der Strom benutzt wird, um dynamische Energie zu entwickeln.« Aber kein späterer Schriftsteller hat wieder solche Maschinen, die (wie die Holtzsche und Wimshurstsche) auf rein elektrostatischer Wirkung beruhen, als unter den Begriff der dynamoelektrischen Maschinen fallend angesehen.

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

anderen bewegen sich die Magnete, und die Leiter ruhen; wieder in anderen bewegen sich beide; schließlich gibt es auch Maschinen, in denen beide ruhen, während die Induktion durch bewegte Eisenmassen verursacht wird. Daher ergibt sich als allgemeine Begriffsbestimmungen: Eine dynamoelektrische Maschine ist eine Maschine zur Verwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt, durch magnetelektrische Induktion¹). Der Weg zur Erreichung dieses Zweckes ‘bestellt im allgemeinen darin, daß man Leiter (meist aus .Kupfer) magnetische Kraftlinien schneiden läßt.

Jede dynamoelektrische Maschine vermag zwei verschiedene Yerrichtungen zu leisten, von denen die eine die Umkehrung der anderen ist. Unter Aufwendung mechanischer Arbeit, etwa mittels •einer Dampfmaschine getrieben, liefert die dynamoelektrische Maschine elektrische Ströme; mittels elektrischer Ströme, die einer •beliebigen Stromquelle, etwa einer Batterie entstammen, vermag sie mechanische Arbeit zu leisten. Einerseits dient sie als »Stromerzeuger«, anderseits als »Elektromotor«. Die Gesamtheit der Dynamomaschinen zerfällt in zwei große Abteilungen, die sich durch die Art des Stromes unterscheiden. Entweder ist der Strom gleichgerichtet (d. h. er fließt stets in derselben Richtung), oder er wechselt die Richtung (d. h. die Richtung unterliegt schnellen Umkehrungen).

Nach dem Gesagten sind vier Klassen zu betrachten, und zwar:

a) Dynamomaschinen zur Erzeugung von Gleichstrom (Gleichstrom-maschinen) ;

b)    Dynamomaschinen zur Erzeugung von Wechselstrom (Wechsel-s trommaschinen) :

c)    Elektromotoren für Gleichstrom (Gleichstrommotoren);

d)    Elektromotoren für Wechselstrom (Wechselstrommotoren).

Bei Wechselstromerzeugern hat man noch weiter einzuteilen

in Maschinen für einphasigen Strom und Maschinen für zwei oder mehr Ströme von verschiedenen Phasen.

Außerdem werden auch Maschinen und Apparate zur Umformung einer Stromart in eine andere oder zur Umwandlung der Ströme ohne Veränderung der Stromart den Gegenstand unserer Betrachtung bilden. Solche Apparate gibt es verschiedene, darunter den Wechselstromtransformator, der ein ruhender Apparat ist, und einige umlaufende Maschinen, die unter dem Namen Motorgeneratoren oder Motordynamos, Gleichstrom-Umformer, umlaufende Umformer oder Uniformermaschinen, Zusatzmaschinen (booster) bekannt sind.

Im allgemeinen besteht jede Dynamomaschine, sei sie zum Gebrauch als Stromerzeuger oder als Motor bestimmt, aus zwei wesentlichen Teilen: einem feststehenden eisernen Feldmagnete von massiver Bauart, umgeben von isolierten Kupferdrahtwindungen, und einem Anker. Der letztere bildet eine eigentümliche Anordnung von Kupferleitern, die gewöhnlich auf dem Umfange eines Ringes, einer Trommel oder Scheibe aufgewunden sind; der Anker sitzt fest auf einer Achse, welche gedreht werden kann. Die gewöhnlichen Maschinen fallen unter zwei Typen: Typus A besitzt feststehende Feldmagnete und umlaufenden Anker; dieser Typus ist der allgemein gebräuchliche- für alle Gleichstromerzenger und Motoren und auch üblich für kleinere Wechselstromerzeuger. Typus B mit feststehendem Anker und drehbarem Feldmagnet wird gegenwärtig bevorzugt für alle Wechselstromerzeuger mit hoher Spannung. Unter den neueren Wechselstrommotoren gibt es einen besonderen Typus, den Induktionsmotor, der aus einem primären Teil oder Ständer und einem sekundären Teil oder Läufer besteht. Der erstere (in der Regel feststehend) ist ein wirklicher Anker, der den Strom aus der Leitung aufnimmt, wie bei allen Motoren; der Läufer (in der Regel drehbar) wirkt in der Art eines Feldmagnetes und empfängt seinen Magnetismus nur durch Induktion. Um die elektrischen Ströme von dem Anker abzuleiten und in den Stromkreis überzuführen oder für das Umgekehrte, dienen besondere Vorrichtungen — Stromabgeber oder Stromwender —; diese bilden einen Teil des Ankers und drehen sich mit dem letzteren. Gegen die in

Bewegung befindliche Oberfläche des Stromabgebers oder Stromwenders liegen feststehende sogen. Sammelbürsten, .auch kurz Bürsten genannt, an, welche eine gleitende Verbindung des Ankers mit dem Stromkreise hersteilen.

In allen Fällen, wo die Sammelbürste von eine'm Metallstück auf ein anderes übergeht, indem sie dabei Verbindungen im Stromkreise ändert, ist der umlaufende Teil als Kommutator (Stromwender) bekannt. In Deutschland wird jetzt gewöhnlich der Name Kollektor (Stromsammler, -abnehmer) gebraucht. In denjenigen Fällen, wo es sich nicht um die Änderung von Verbindungen, sondern nur um eine gleitende Verbindung mit einem und demselben Metallstück handelt, nennt man den umlaufenden Teil Gleit-ring oder Schleifring.

Der Feldmagnet soll ein magnetisches Feld von großer Ausdehnung und Stärke hervorbringen, d. h. eine sehr große Zahl von Kraftlinien in demjenigen Räume erzeugen, in dem die Leiter des Ankers sich drehen.

Der Feldmagnet — Magnet oder Elektromagnet — muß aus diesem Grunde groß, kräftig und richtig gebaut sein, mit Polen von solcher Gestalt, daß die Kraftlinien möglichst in dem für den Anker bestimmten Raume zusammengedrängt werden. Das magnetische Feld und die magnetischen Eigenschaften des Eisens werden in dem Kapitel IV, die Grundgesetze des magnetischen Kreises mit Einschluß des Notwendigen über die baulichen Verhältnisse von Feld-magneten in den Kapiteln V und VI behandelt.

Der Anker (soweit es sich um drehbare Anker handelt) soll sich in dem magnetischen Felde drehen, während elektrische Ströme in seinen Kupferwindungen oder Leitern fließen, und soll während dieser Drehung elektromotorische Kräfte erzeugen durch den Vorgang, den wir »Schneiden der magnetischen Kraftlinien« nennen. Handelt es sich dagegen um einen feststehenden Anker, so soll er die magnetischen Linien des drehbaren Feldmagnetes schneiden. Derjenige Teil soll Anker genannt werden, der, möge er nun sich drehen oder feststehen, mit den Leitungen des äußeren Stromkreises verbunden ist, um ihnen Strom zu liefern, wenn die Maschine Strom erzeugt, oder Strom von ihnen zu empfangen, wenn sie als Motor dient.

Wir wollen uns nun daran erinnern, daß zwischen einem Drahtleiter (der einen Teil eines Kreises bildet) und einem magnetischen Felde eine zweifache Wirkung stattfindet.

Erstens: wenn der Drahtleiter unter Anwendung äußerer Kraft durch das magnetische Feld so bewegt wird, daß er die magnetischen Kraftlinien schneidet, entstehen elektrische Ströme in dem Leiter; zur Bewegung ist mechanische Arbeit erforderlich. Dieser von Faraday entdeckte Vorgang wird als »magnetelektrische Induktion« bezeichnet. In jedem Falle bedingt die Induktion oder Erzeugung der Ströme die Anwendung mechanischer Kraft und Verausgabung von Arbeit. Hierauf beruht die Dynamomaschine, wenn sie als »Stromerzeuger« benutzt wird.

Zweitens: wenn der Drahtleiter, während er sich im magnetischen Felde befindet, einen elektrischen Strom (aus beliebiger Quelle) führt, so erleidet er einen seitlichen Angriff, der ihn parallel mit sich selbst durch die Kraftlinien zu führen bestrebt ist, so daß er Kraft zu äußern und Arbeit zu leisten vermag. Diese Umkehrung der erstgenannten Tätigkeit bildet die Grundlage der Dynamomaschine, wenn sie als »Motor« benutzt wird.

Im ersten Falle wird eine mechanische Kraft zur Bewegung des Ankers gebraucht, im zweiten Falle wird durch die Drehung des Ankers eine Quelle mechanischer Kraft geschaffen.

Ist ein magnetisches Feld vorhanden, und wendet man Arbeit auf, um den Leiter zu bewegen, so erhält man elektrische Ströme; ist das Feld vorhanden und sendet man Ströme durch den Leiter, so gerät er in Bewegung und liefert Arbeit. Mag die Maschine als Stromerzeuger oder als Motor benutzt werden, das magnetische Feld muß vorhanden sein. Die Grundlage der Theorie bildet daher die Theorie des magnetischen Feldes.

Da jede Dynamomaschine entweder als Stromerzeuger oder als Motor arbeitet (wenigstens theoretisch), so würde es möglich sein, eine allgemeine Theorie für eine Maschine, die zu diesen beiden Verrichtungen dient, zu entwickeln. Aus Gründen der Einfachheit werden jedoch die beiden Verrichtungen in dem vorliegenden Werke gesondert betrachtet.

Die mathematische Theorie der Dynamomaschine ist verwickelt und ändert die Form der Darstellung je nach den verschiedenen Klassen von Maschinen, die gegenwärtig in der Bezeichnung »Dynamomaschine« einbegriffen sind. Die neueren Fortschritte in der theoretischen Behandlung von Fragen auf magnetischem Gebiete haben die Sache indessen so vereinfacht, daß man nunmehr aus der Bauart und den Abmessungen einer Dynamomaschine bei gegebenen

Bedingungen für Geschwindigkeit und Belastung ihre elektrische Leistung vorher bestimmen kann, und daß man mit Sicherheit eine Maschine von verlangter Leistung entwerfen kann, so daß sie, nach diesem Entwurf gebaut, mit großer Annäherung genau so arbeitet, wie es verlangt worden ist. In der vorliegenden Auflage wird dem Entwurf der Dynamomaschinen ein breiterer Platz eingeräumt, als es in früheren Auflagen möglich war. In der Praxis des Entwerfens müssen Regeln angewandt wmrden, von denen die meisten auf einer wohlbegründeten theoretischen Unterlage aufgebaut sind ; einige aber sind lediglich der Erfahrung entnommen und stellen, nur in bequemer Form, das Ergebnis von Versuchen dar. Manchmal werden algebraische Formeln angewandt; in anderen Fällen zieht man graphische Methoden vor. Im ganzen herrscht das Bestreben, physikalische Vorstellungen festzuhalten, weniger mit abstrakter Theorie zu arbeiten. Demnach wird auch die Theorie der Dynamomaschinen, welche im vorliegenden Buch entwickelt werden soll, im allgemeinen keine mathematische Theorie sein. Vielmehr ist die Absicht, mehr physikalische *) und auf Versuche sich gründende Erörterungen als mathematische anzustellen; dagegen wird es selbstverständlich ebenso wie in jedem technischen Werke notwendig sein, von mathematischen Formeln Gebrauch zu machen.

Vor näherem Eingehen auf die physikalische Theorie der Dynamomaschine wird es zweckmäßig sein, einige erklärende geschichtliche Angaben vorauszuschicken.

Einige Worte mögen hier noch Platz finden über zweckmäßige Abkürzungen in der Beschreibung von Dynamomaschinen. Die Anfangsbuchstaben GS: TUS und DS bedeuten Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom, was ohne Erläuterung verständlich ist, G WS Doppelstrom, d. i. Gleich- und Wechselstrom aus derselben Maschine. Der Verfasser hat für die Bezeichnung der Maschinen ein bequemes

i) Wegen der physikalischen Theorie vergl. J. M. Gau gain, Annales de Chimie et de Physique, 1873; Antoine Breguet, desgl. 1879; Du Moncel, Exposé des Applications de l’Electricité, Bd. 2; Niaudet, Machines électriques; •Dredge, Electric Illumination; Schellen, Die magnéto- und dynamoelektrischen Maschinen (3. Aufl. 1883); des Verfassers Cantor Lectures vor der Society of Arts in London, 1882, welche die Grundlage für die erste Auflage dieses Werkes bildeten.

System angenommen, worin die drei wichtigsten Zahlenangaben — Polzahl, normale Leistung (bei Stromerzeugern in Kilowatt, bei Motoren in Pferdestärken) und Umdrehungen in der Minute — auf die Anfangsbuchstaben folgen, welche die Art der Maschine beschreiben. So bedeutet MP 10—500—85 einen mehrpoligen Stromerzeuger mit 10 Polen für 500 KW bei 85 Umdrehungen in der Minute. WDB 80 — 600 — 200 ist ein Wechselstromerzeuger, dreiphasig, Typus B (drehbares Magnetgestell) mit 30 Polen für 600 KW bei 200 Umdrehungen in der Minute.

Kapitel IL

Geschichtliche Angaben.

Faradays Entdeckung der magnetelektrischen Induktion von Strömen fiel in den Herbst des Jahres 1831 und wurde am 24. November der »Royal Society« in einem Aufsatze mitgeteilt, welcher sich in den »Philosophical transactions« abgedruckt findet, sowie später in den ersten Band von Earadays »Experimental Researches in Electricity« aufgenommen worden ist. Seine ersten Versuche bezogen sich auf die Induktion von Strömen in einer Drahtspule, wenn Ströme in deren Nähe entstanden oder verschwanden; er ging dann zu den Strömen über, die in einer vor den Polen eines kräftigen Stahlmagnetes bewegten Spule entstehen.

Nachdem er in dieser Weise Elektrizität von Magneten erhalten hatte, versuchte er die Herstellung einer »neuen elektrischen Maschine«. Eine Scheibe aus Kupfer, 30,5 cm (12 Zoll) im Durchmesser und etwa 5 mm (% Zoll) stark, wurde auf einer Messingachse befestigt und drehbar in einem Gestell aufgehängt. Der Rand der Scheibe (Fig. 1) befand sich zwischen den Polen eines kräftigen zusammengesetzten Stahlmagnetes, dessen einzelne Pole je etwa

12,7 mm (x/₂ Zoll) stark waren²). Der Rand der Scheibe war gut amalgamiert, um einen zuverlässigen schleifenden Kontakt zu erhalten; ein Teil um die Achse herum war ebenso vorgerichtet.

Streifen von Kupfer und Blei dienten als Stromsammler, die mit dem Rand der Scheibe in Berührung zu bringen waren; einer davon wurde mit der Hand gegen den Rand der Scheibe zwischen den Magnetpolen gedrückt. Von den Zuleitungen zu einem Galvanometer war eine mit dem Sammelstreifen verbunden, die andere mit der messingenen Achse der Scheibe; wurde nun die Scheibe gedreht, so erfolgte ein Ausschlag des Galvanometers, der sich umkehrte, sobald die Drehungsrichtung gewechselt wurde. Hiermit war die Erzeugung eines dauernden elektrischen Stromes mit Hilfe gewöhnlicher Magnete erwiesen. Die Wirkungen erhielt man ebenso von Elektromagneten und von stromdurchflossenen Drahtspulen ohne Eisenkerne, wobei der erregende Strom von einer Batterie geliefert wurde.

Noch verschiedene andere Formen magnetelektrischer Maschinen wurden von Faraday versucht. Die eine³) bestand aus einem

Zwei Zuleitungen waren so angebracht, daß sie am inneren und äußeren Rande desjenigen

flachen Ringe von 12 Zoll äußerem Durchmesser und 1 Zoll (25,4 mm) Breite; der Ring war aus einer starken Kupferplatte geschnitten und so angeordnet, daß er zwischen den Polen des Magnetes in Umlauf versetzt werden konnte.

*2

Üb.....A

■sr

Fig. i. Faradaysche Scheibe.

Fig. 2. Faraday scher Kreisel.

Teiles, der sich zwischen den Polen befand, Schleifkontakte bildeten. Bei einer anderen⁴) Maschine war eine Kupferscheibe von x/₅ Zoll (5 mm) Stärke und nur 1,5 Zoll (3,8 cm) Durchmesser am Rande amalgamiert und auf einer kupfernen Achse befestigt (Fig. 2). Ein quadratisches Stück Blech faßte in einem kreisförmigen Ausschnitt lose diese Scheibe, der Zwischenraum zwischen Scheibe und Blech war mit etwas Quecksilber ausgefüllt. Von dem Blech führte eine Zuleitung zu dem Galvanometer, die andere Zuleitung war mit der Achse verbunden. Lief die horizontale Scheibe um, so erhielt man Strom, obgleich nur die Erde als Magnet diente. Faraday brachte auch eine Vielfach-Maschine⁵) mit mehreren Scheiben in Vorschlag, die abwechselnd an den Rändern und Mittelpunkten mit Hilfe von Quecksilber in leitender Verbindung standen; die Scheiben sollten abwechselnd in entgegengesetzter Richtung umlaufen.

Bei einer zweiten Konstruktion war ein an einem Ende geschlossener Kupferzylinder⁶) (Fig. 3) über einen Magnet gesetzt; die eine Hälfte des letzteren wurde wie von einem Hut umschlossen, beide Teile waren verbunden, ohne daß eine metallische Berührung stattfand. Das Ganze wurde dann aufrecht schwimmend in ein enges Gefäß mit Quecksilber gesetzt, so daß der untere Hand des Kupferhutes die Flüssigkeit berührte. Wenn nun der Magnet und der Kupferhut gedreht wurden, ging ein Strom durch die Drähte von dem Quecksilber zum oberen Ende des Kupferhutes.

Bei einem dritten⁷), noch in der Royal Institution aufbewahrten Apparat war ein zylindrischer Stabmagnet halb in Quecksilber getaucht. Wurde er in Umlauf versetzt, so entstand ein Strom,

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Fig. 3. Faradays umlaufender Kupferzylinder.

Fig. 4. Faradays umlaufendes Rechteck.

Wieder eine andere

für den der Stab selbst als Leiter diente.

Form⁸) war so gebaut, daß ein zylindrischer Magnet sich um seine eigene Achse drehte; es wurden dann Ströme erzeugt, die je nach der Drehungsrichtung von der Mitte nach den Enden oder umgekehrt flössen.

In all diesen Maschinen waren die Vorgänge homopolar und der Strom gleichgerichtet; aber eine etwas später gebaute Maschine⁹) (Fig. 4) beruhte auf heteropolarer Wirkung und der induzierte Strom war ein Wechselstrom. Diese Maschine bestand aus einem Rechteck von Kupferdraht, das an einem Gestell befestigt wurde und um eine von Osten nach Westen gerichtete wagerechte Achse umlief.

Die Maschine erzeugte Wechselströme, die man durch einen Stromwender abnehmen konnte.

Von DalNegro¹⁰) und von Pixii¹¹) wurden nahezu gleichzeitig auf Magnetoinduktion beruhende Maschinen ersonnen. Bei der Maschine des letzteren dreht sich ein aufrechter Hufeisenmagnet um eine senkrechte Achse, wodurch in einem vor den aufwärtsstehenden Polen befindlichen Spulenpaar mit weichem Eisenkerne (Hufeisen) Wechselströme erzeugt werden.

Auf Anregung von Ampere stellte Pixii im Jahre 1832 eine zweite Maschine her¹²), die mit Stromwendern zur Gleichrichtung der Wechselströme versehen war. Weitere Verbesserungen erfolgten durch Ritchie¹³) und Watkins¹⁴).

1833 erschien die Maschine von Saxton¹⁵), zwei Jahre später die von Clarke¹⁶); bei beiden Maschinen stand der Feldmagnet in Hufeisenform fest, während der Anker — ein Elektromagnet (Hufeisen) mit einem Paar Spulen — sich drehte.

Clarkes Maschine wies viele neue Einrichtungen auf, z. B. einen eigentümlichen Stromwender, der kurze empfindliche Stromstöße für physiologische Zwecke lieferte. Der Anker drehte sich nicht gegenüber den Enden, sondern dicht an den flachen Seiten des Magnetes. In Saxtons Maschine, die der British Association zu Cambridge im Jahre 1833 vorgezeigt wurde, drehte sich der aus vier Spulen bestehende Anker gegenüber den Polenden.

Von Ettingshausen stellte 1837 eine sehr ähnliche Wechselstrommaschine her, mit einem besonderen Stromabgeber¹⁷), der die Ströme der einen von beiden abwechselnden Richtungen ausschloss.

Poggendorff¹⁸) ersann 1838 einen besonderen Quecksilberstromwender für Saxtons Maschine, um den Mangel an Zusammenhang zwischen den Strömen (Diskontinuität) zu vermindern.

Andere Verbesserungen am Stromwender sind Petri na¹⁹) zuzuschreiben; Jacobi²⁰) machte auf die Bedeutung kurzer Kerne im Anker aufmerksam; Sturgeon²¹) brachte eine in der Längsrichtung zwischen die Schenkel eines Hufeisenmagnetes passende Spule an und erfand den einfachen zweiteiligen Stromwender oder den »unio-directive discharger« (Entlader für gleiche Richtung), wie er ihn nannte. Stöhrer²²) zeigte die Herstellung einer sechspoligen Maschine mit sechs Ankerspulen; Ritchie²³) wendet hohle Kerne und eine Doppelwickelung an; Pulvermacher²⁴) schlug 1849 die Verwendung dünner Eisenblätter zu den Kernen vor. Die Abbés Moigno und Raillard²⁵) fanden 1838, daß eine magnetelektrische Maschine, deren Stahlmagnet nur wenige Gramm tragen konnte, fähig war, ein Gewicht von 600 kg zu halten, wenn der von ihr erzeugte Strom zur Speisung eines großen Elektromagnetes verwandt wurde. Magnetelektrische Maschinen, deren Stahlmagnete durch Elektromagnete ersetzt waren, hatte auch Page²⁶) in Washington gebaut, der gleichfalls die bedeutsame Wahrnehmung machte, daß ein Elektromagnet, der von einer Magnetmaschine erregt wurde, AVirkungen äußern konnte, welche die des Stahlmagnetes der Maschine bei weitem übertrafen. Woolrich²⁷) ersann 1841 eine vielpolige Maschine mit doppelt so viel Spulen als Magnetpolen zu galvanoplastischen Zwecken. Diese wurde in Birmingham für Galvanoplastik verwendet und bedeutete damals einen merklichen Eortschritt. Die Verdoppelung der Spulenzahl hatte den großen Vorteil, den Strom gleichmäßig statt unterbrochen zu machen; ein Spulenpaar war im Bereiche der höchsten Wirkung, wenn sich das andere gerade in seinem toten Punkte befand. AVheatstone²⁸) begann mit seinen Verbesserungen 1841, und zwar mit einer Maschine, in der die Ankerspulen so angeordnet waren, daß in vollkommenerer Weise als bisher Gleichstrom erzeugt wurde. Zu diesem Zwecke waren fünf Anker, von denen jeder aus einem Paar kurzer paralleler zylindrischer Spulen mit Eisenkernen bestand und einen einfachen, aus einer gespaltenen Köhre bestehenden Stromwender besaß, mit sechs zusammengesetzten Stahlmagneten abwechselnd in einer Reihe längs einer Welle angeordnet, und zwar in derartiger Lage, daß bei der Drehung eine Spule nach der anderen die wirksamste Lage erreichte und nie in zweien gleichzeitig der Strom umgekehrt wurde. Sie waren hintereinander geschaltet durch Drähte, welche die positive Bürste negativen Bürste der nächsten verbanden. Im Jahre 1845 ließen sich WheatstoneA), 1852 Watt²⁹ 30) und 1862 Walenn³¹) die Benutzung von Elektromagneten an Stelle der Stahlmagnete in solchen Maschinen patentieren; diese Elektromagnete wurden natürlich aus Batterieen gespeist. 1848 gab Jacob Brett³²) die bedeutsame Anregung, den im Anker durch den dauernden Magnetismus der Eeldmagnete entwickelten Strom durch eine um den Magnet gewickelte Drahtspule zu senden, um die Wirksamkeit des Magnetes zu erhöhen.

der einen mit der

eine Metallfeder

Einen neuen und bedeutsamen Fortschritt machte Sinsteden³³) im Jahre 1851.

Er kannte die Tatsache, daß der induzierte Strom einer magnetelektrischen Maschine im stände ist, einen Elektromagnet zu einer Kraftäußerung zu erregen, die mehr als das Doppelte derjenigen ist, zu welcher der Stahlmagnet der Maschine gebracht werden kann (Fig. 5). Diese Kenntnis gab ihm das Mittel an die Hand, den Strom in außerordentlichem Maße zu verstärken. Denn, wenn man mit einer erregenden Maschine beginnt, deren Magnet 100 kg tragen kann, und wenn man den Strom benutzt, der aus dem umlaufenden Anker dieser Maschine (nach Woolrich mit vier Spulen ausgestattet) entnommen werden kann, so läßt sich damit ein Elektromagnet erregen, der 250 kg trägt. Nun dreht man einen zweiten Anker von größeren Abmessungen vor den Polen dieses Elektromagnetes, und dieser Anker wird einen mindestens doppelt so starken Strom liefern, wie der erste Anker. Dies mag man wiederholen, um die Elekt.ro-magnete (500 kg Tragkraft) einer noch größeren Maschine zu erregen. Auf diesem Wege, indem man Maschinen benutzt, von denen immer eine die nächst größere erregt, würde man Induktionsströme erhalten, die an Stärke weit die der gewaltigsten, bis dahin

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Fig. 5. Sinstedens Vorschlag zur Maschinenverkettung, 1851.

bekannten Batterieen übertreffen. Diese magnetelektrischen Ströme würden, nach Sinsteden, verwandt werden können, um Motoren zu treiben, und würden vor den Batterieströmen den Vorteil voraus haben, daß sie nur die erforderliche Triebkraft kosten, die zur Drehung aufzuwenden ist, während sie keinen Verbrauch an Zink und Säure verursachen. Sinsteden beschrieb Versuche über das Schmelzen von Kupfer- und Stahldrähten und über Glühlampen mit Platindraht. Er entwarf besondere Formen des Kommutators und erwog die Anwendung von Polschuhen, die geeignete Größe der Polflächen, Selbsterregung und Unterteilung des Ankereisens.

Nollet¹) ersann 1849 eine Wechselstrommaschine, deren Konstruktion er mit Van Mel deren ausführte; nach dem Tode von Nollet entwickelte sich aus dieser Maschine zuerst unter Mithilfe von Holmes, dann von Masson und du Moncel die »Alliance«-Maschine²), die von 1863 an für die französischen Leuchttürme benutzt wurde.

Holmes setzte die Verbesserungen seiner Arbeit fort und stellte eine schöne Maschine³) her, der von Faraday 1857 großes Lob gespendet wurde.

Die von Holmes auf der internationalen Ausstellung 1862 gezeigte große mehrpolige Maschine mit einem großen Stromwender und umlaufenden Walzen für die Bürsten lieferte Gleichstrom; 160 Spulen waren an dem Umfange von zwei Rädern von je 2,74 m (9 Fuß) Durchmesser angeordnet. 60 Hufeisenmagnete standen in drei Kreisen, so daß jeder Kreis 40 radiale Pole besaß. 1867 baute Holmes das Modell um: er wählte Feldmagnete von größeren Abmessungen und unterließ die Gleichrichtung der Ströme.

In der damaligen Periode wurde überhaupt große Tätigkeit entwickelt. 1855 wurde Hjorth⁴) eine bemerkenswerte Maschine patentiert. Um den Anfangsstrom hervorzubringen, besaß sie eine Anzahl von Dauermagneten als Feldmagnete, daneben kräftige Elektromagnete, die durch den Maschinenstrom selbst erregt wurden. Diese Erfindung kam aber nirgends zur praktischen Verwendung.

1856 wurde die durch Werner Siemens⁵) erfundene berühmte, längs des Ankers liegende Wickelung patentiert (der sogen. I-Anker). 1859³⁴) regte er an, den Kern allein zu drehen, während die Spulen in Rinnen der Polstücke von Feldmagneten

1)    Vergl. Englisches Patent [1850] Nr. 13302. Ebenso Douglas in Proc. Inst. Civ. Engin., Bd. 57. 1878/79.

2)    Vergl. Du Moncel, Exposé des Applic. de 1’Electric., Bd. x, S. 361; ebenso Le Roux, Bull, de la Société d’Encouragement. 1868.

3)    Vergl. Douglas, 1. c. Ebenso Englisches Patent [1856J Nr. 573; [1868] Nr. 2060; [1869] Nr. 1774.

4)    Englisches Patent [1848] Nr. 12, 295; [1854] Nr. 2198, 2199; [1855] Nr. 806, 807 und 808.

5)    Englisches Patent [1856] Nr. 2017. Vergl. auch Pogg. Ann., Bd. 101,

S. 271. 1857.

fest lagen. Dies war also eine Art Induktormaschine, wie man sie in neuerer Zeit häufig gebaut hat.

Die bisher erwähnten Erfindungen betrafen sämtlich Maschinen

Aber mit den Jahren 1865 bis 1867 begann die Ära

mit Stahlmagneten, ausgenommen einige Versuchsmaschinen oder Maschinen, welche einer Batterie zur Erregung des Magnetismus bedurften.

der technisch verwendbaren Dynamomaschine. Von 1863 an führte

H. Wilde eine bemerkenswerte Reihe Untersuchungen aus, in deren Verlauf er den starken Stromerzeuger baute, den er in einer Abhandlung vor der Royal Society in London, im April 1866,

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beschreibt³⁵). »Wie die meisten praktischen Anwendungen der Wissenschaft gründen sich die bedeutsamen Ergebnisse, die Wilde erhalten hat, mehr auf eine geistreiche Vereinigung verschiedener bekannter Tatsachen, und lassen die große Begabung des Erfinders für die Ingenieurkunst erkennen; eine wesentlich neue oder erstaunliche Entdeckung ist nicht darin enthalten³⁶).« Bei diesem Stromerzeuger wurde ein Siemensscher Anker zwischen den Polen eines

Fig. 6. Wildes Stromerzeuger, 1866.

großen Elektromagnetes umgetrieben, dessen Erregerstrom von einer kleinen Hilfsmaschine geliefert wurde, deren Anker sich zwischen Stahlmagneten drehte (Fig. 6). Wilde trieb den Staffelbau noch ein Glied weiter. Ausgehend von einer kleinen Magnetmaschine, welche die Feldmagnete einer größeren Maschine zu speisen hatte, verwandte er den Strom der letzteren zur Erregung der Feldmagnete einer dritten und noch größeren Maschine. Während die Stahlmagnete der kleinen Erregermaschine nur eine Last von 20 kg zu tragen vermochten, schätzte man die Tragkraft der dritten Maschine auf 25 Tonnen. Der Strom des kleinen Ankers war nicht ira stände,

einen dünnen Eisendraht zur Rotglut zu erhitzen, während der der großen Maschine Stäbe aus Eisen oder Platin geschmolzen und ein starkes Bogenlicht geliefert haben würde ').

Es ist kein Zweifel, daß die Methode, eine kleinere Maschine zur Erregung der Magnete einer größeren zu verwenden, zu ihrer Zeit eine sehr bedeutende Erfindung gewesen ist.

Im März 1867 erfand Wilde einige mehrpolige Wechselstrommaschinen. sowohl mit Fremd-, als mit Selbsterregung, und nahm darauf Patente. Pie Selbsterregung wurde ausgeführt mit Hilfe eines Kommutators, welcher die Ströme aus einer oder mehreren Ankerspulen gleichrichtete. Diese Methode wurde von ihm in größerem Maßstabe angewandt auf die elektrische A-usscheidung der Metalle aus ihren Lösungen, auf die elektrische Läuterung des Kupfers und auf die Einrichtung der ersten Scheinwerfer auf vielen Kriegsschiffen der britischen Flotte. Wildes wichtigste Patente²) zeigen die wesentlichen Grundlagen dieser und anderer, späterer Entwickelungen.

1868 fand Wilde eine weitere Eigenschaft des magnetelektrischen Stromes: er konnte die Umdrehung mehrerer dynamoelektrischen und magnetelektrischen Maschinen regeln und synchron machen³⁷). Tatsächlich beobachtete und böschrieb er die Eigenschaft der Wechselstrommaschinen, miteinander in Synchronismus zu laufen, von der wir jetzt beim Parallelschalten der Maschinen in jeder großen elektrischen Anlage Gebrauch machen. Wildes eigener Bericht über seine verschiedenen Beiträge zur elektrotechnischen Wissenschaft ist in dem Journal of the Institution of Electrical Engineers, Bd. 29, S. 8 (1899) enthalten.

Eine davon völlig verschiedene Maschine wurde von Ritchie³⁸) vorgeschlagen und gleichzeitig und unabhängig davon durch Page³⁹) und Dujardin⁴⁰); in dieser Maschine drehten sich weder Feldmagnet, noch Anker; die Spulen, in welchen der Strom induziert werden sollte, waren auf Polansätzen der Feldmagnete aufgewickelt, und die Induktion wurde hervorgebracht durch Stücke weichen Eisens,

1)    Vergl. Grove, Corrélation of Physical Forces, S. 202. 1874.

2)    Englisches Patent [1863] Nr. 516, 3006; [1865] Nr. 2762; [1867]

Nr. 842.

welche vor diesen Polansätzen gedreht wurden und auf diese Weise rasche periodische Änderungen des magnetischen Feldes erzeugten. Maschinen nach diesem »Induktortypus« wurden später vorgeschlagen von Henley, Wlieatstone, Wilde, Holmes, Sawyer, dem Verfasser dieses Buches, dann von Kingdon, Mordey, Stanley, Elihu Thomson, Dobrowolsky und vielen neueren Maschinenbauern.

Der Grundsatz, den ganzen Strom oder einen Teil des Stromes zur Erregung der Feldmagnete zu verwenden, wurde nach und nach anerkannt. Wie schon früher erwähnt, hatten bereits Brett, Sinsteden undHjorth von einem verwandten Gedanken Gebrauch gemacht. Der Patentagent eines auswärtigen Erfinders, Johnson⁴¹), sagt: Es wird beabsichtigt, den Elektromagnet zur Erzeugung induzierter Elektrizität zu benutzen, die ganz oder teilweise die notwendige Elektrizität zur Polarisierung der Elektromagnete liefert, und sonst aus Batterieen oder anderen bekannten Quellen entnommen werden müßte. Murray⁴²) erklärte im Juli 1866, daß er einige um die Feldmagnete seiner Magnetmaschine gewickelte Spulen mit der Ankerwickelung hintereinander geschaltet habe und empfahl die Benutzung dieser Einrichtung. Im Oktober des Jahres 1866 schrieb Moses G. Farmer⁴³) in Connecticut an Wilde in Manchester und erläuterte den Erfolg, den er mit der Einschaltung von Feldmagnetwickelungen in den Hauptstromkreis in der Absicht erzielt habei die Magnete der Maschine durch diesen zu erregen. Im November 1866 erklärte Baker⁴⁴), daß die sekundären Ströme aus den umlaufenden Magneten zur Erregung der feststehenden Magnete verwendet werden könnten.

Im Dezember desselben Jahres machten C. und S. A. Varley⁴⁵) Angaben über eine Maschine, die nur mit Elektromagneten versehen war. Diese Anordnung erscheint auch bei einer anderen, denselben Erfindern im Juni 1867, ebenso bei einer weiteren 0. und F. H. Varley im Jahre 1869 patentierten Maschine. Die Elektromagnete der Maschine aus dem Jahre 1867 waren mit zwei getrennten

Wickelungen versehen, die abwechselnd mit Strömen durch zwei Stromwender versorgt wurden. Die Ströme wurden zwei besonderen Spulenpaaren entnommen.

1868 und 1871 setzte S. A. Varley seine Bemühungen zur Verbesserung der magnetelektrischen Maschinen fort. 1876 kam er auf die Selbsterregung zurück und verwendete einen Vielfach-Spulenanker, bei dem jede Spule der Reihe nach während eines Teiles der Drehung ausgeschlossen wurde. Die Maschine besaß auch zwei Wickelungen auf den Feldmagneten, die eine von höherem Widerstand als die andere, beide waren mit dem äußeren Stromkreis verbunden, der Stromkreis der ersteren war beständig geschlossen. Es war indessen nicht klar, daß diese Art der Doppelwickelung ■dieselbe ist, die man gegenwärtig Verbundwickelung oder gemischte Wickelung⁴⁶) nennt, bis dies 15 Jahre später durch einen schottischen Richter festgestellt wurde.

Dr. Werner Siemens⁴⁷) erläuterte am 17. Januar 1867 vor der Berliner Akademie der Wissenschaften eine Maschine zur Erzeugung elektrischer Ströme mittels mechanischer Kraft; die Ströme wurden in der Wickelung eines sich drehenden Ankers durch elektromagnetische Einwirkung induziert; der Strom selbst erregte den Magnetismus. Der anfängliche Dauermagnetismus, dessen die Maschine bedurfte, wurde dadurch erzeugt, daß zunächst aus einer Batterie ein Strom durch die Wickelung geleitet wurde.

Um die Bedeutung dieses Vorganges zu kennzeichnen, wendete Siemens⁴⁸) den Ausdruck »dynamoelektrische Maschine« an, eine Benennung, die auch in den Formen »Dynamomaschine« und abgekürzt »Dynamo« für alle durch mechanische Kraft betriebenen elektrischen Maschinen gebraucht wird, gleichgültig, ob sie selbsterregende sind oder nicht.

An demselben Tage, an dem diese Erfindung der Royal Society mitgeteilt wurde (14. Februar 1867), trug Sir C. Wheat-stone⁴⁹) eine Abhandlung vor, die einen fast gleichen Vorschlag enthielt; der Unterschied bestand darin, daß nach dem Vorschläge

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von Siemens die Erregerwickelung mit der Ankerwickelung in dem Hauptstromkreise hintereinander geschaltet werden sollte, während Wheatstone die erstere in einen Nebenschluß legen wollte.

Eine selbsterregende Maschine ohne Dauermagnete wurde übrigens für Wheatstone durch Stroh im Sommer 1860 hergestellt.

Ladd¹) stellte 1867 eine selbsterregende Maschine mit zwei Siemensschen Ankern (Längswickelungen) aus, einem kleineren zur Erregung des gemeinschaftlichen Feldmagnetes und einem größeren zur Stromlieferung für elektrisches Licht.

Fig. 7. Pacinottis Maschine mit Ringanker.

Mittlerweile wrar die Frage, wie Gleichströme mit geringen Schwankungen der Stärke zu erhalten seien, aufgenommen; Paci-notti²) gab eine Lösung, die, obwohl zeitweilig der Vergessenheit auheimgefallen, als eine sehr verdienstvolle wieder anerkannt worden ist. Seine zuerst im Jahre 1864 beschriebene Maschine (Fig. 7) besitzt als Anker einen Elektromagnet in Gestalt eines Ringes; den Kern bildet ein gezahntes eisernes Rad, zwischen dessen Zähnen die Wickelungen in 16 getrennten Abteilungen aufgewunden sind. Er bezeichnete diese Anordnung als »Transversal-Elektromagnet«. Die Wickelung bildete einen geschlossenen Kreis; wurde zu irgend einem Punkte ein Strom geleitet, so floß er nach beiden Richtungen bis zu dem Punkte, wo er durch die Rückleitung abgenommen wurde. Indem

1)    Phil. Mag., Ser. 4, Bd. 33, S. 544. 1867.

2)    Nuovo Cimento, Bd. 19, S. 378. 1865.

nun zwischen 16 verschiedenen Punkten am Ringe und ebensoviel isolierten Metallstücken, welche als Stromwender oder Stromabgeber dienten, Verbindungen bestanden, wurde es möglich, in beliebigen Punkten des Ringes magnetische Pole auftreten zu lassen.

Die ununterbrochene Wickelung, welche aus getrennten, um •einen Ring oder einen anderen Drehungskörper symmetrisch gelegten Abteilungen bestand, wurde unabhängig im Jahre 1870 durch Gramme⁵⁰) erfunden. Der von ihm hergestellte Ring war nicht gezahnt, sondern glatt und vollständig mit Draht überwickelt. Wenn ein Anker mit einer Anzahl symmetrisch gruppierter Wickelungen, die der Reihe nach das magnetische Peld durchlaufen, versehen wird, so erhält man Ströme, die für die Praxis als gleichmäßig anzusehen sind. Die Einführung des Grammeschen Ringankers wurde rasch als bedeutender Fortschritt erkannt und gab einen neuen Anstoß zu weiteren Erfindungen.

Unzählige Formen — von einer kleinen, zu Laboratoriumsversuchen dienenden Maschine mit Dauermagneten aus Stahl bis zu den großen Maschinen für mehrere hundert Pferdestärken — wurden der Gramme-Maschine seit ihrem ersten Erscheinen im Jahre 1871 gegeben.

mit kleinen

Für den, der eingehendere Belehrung über die verschiedenen Muster der Gramm eschen Dynamomaschine sucht, sei die Abhandlung von Niaudet, »Machines électriques à courants continus, système Gramme et congénères« (1881), empfohlen, ferner die früheren Auflagen dieses Werkes, in welchen zahlreiche Formen⁵¹) beschrieben sind. Fig. 8 zeigt die gewöhnliche »A«-Maschine, das erste Modell, welches auf den Markt kam, und von dem

Änderungen der Ausführung — viele Exemplare noch heute im Gebrauch stehen. Seine wichtigsten Kennzeichen sind der aus einem Drahtkern hergestellte und ganz mit Spulen bedeckte Ringanker und der Feldmagnet mit Folgepolen in der Mitte, zu beiden Seiten des Ankers, und doppeltem magnetischen Kreis.

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Hefner-Alteneck⁵²) änderte 1873 die Siemenssche Längswickelung, indem er die Windungen unter symmetrischen Winkeln aufbrachte, um den Vorteil der Gleichmäßigkeit des Stromes zu erzielen.

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Fig. 8. Grammesche „A“-Maschine.

1874 suchte Lontin⁵³) eine ebensolche Wirkung durch einen Anker mit radial angeordneten Polen zu erzielen.

Die Siemensschen Maschinen wurden zuerst gebaut von Siemens & Halske in Berlin, welche viele verschiedene Formen herstellten. Zwischen den in Berlin und den von der Londoner Firma Siemens Brothers gebauten Maschinen bildete sich von selbst ein gewisser Unterschied heraus. Bis etwa 1890 war das Kennzeichen aller Formen der Trommelanker; die größten Berliner Maschinen wurden aber mit Ringankern ausgestattet.

Einige der ältesten Muster der Siemensschen Maschine besaßen hölzerne Trommelkerne, die vor Aufbringung der Längswindungen mit Eisendraht besponnen wurden. In anderen Maschinen befand sich ein feststehender Eisenkern von einer hohlen umlaufenden Trommel umgeben, andere Maschinen endlich besaßen außer der Triebwelle gar kein Eisen im Anker.

Das alte horizontale Muster der Maschine von Siemens ist in der Fig. 9 dargestellt. Darauf folgte 1880 eine senkrecht stehende Form. Um das Jahr 1882 wurden verschiedene Arten der gemischten Wickelung versucht*). Bei einigen Maschinen wurden

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Fig. 9. Siemenssche Maschine mit Hefnerschem Trommelanker.

die Reihen- und Nebenschlußwickelungen auf dieselben Kerne, bei anderen auf verschiedene Schenkel gewickelt, während man jetzt die Reihenwickelung außerhalb der Nebenschlußwickelung anbringt. Einige große Maschinen nach diesem aufrechten Modell, darunter drei Compoundmaschinen von 112 Kilowatt, wurden auf der Inventions-Exhibition im Jahre 1885 benutzt. *

nachdem sie

Im Jahre 1886 gingen Siemens & Halske verschiedene Zwischenformen (die in früheren Auflagen dieses Buches abgebildet worden sind) versucht hatten, für Leistungen von 1 bis 30 Kilowatt zu einer Form über, bei welcher der U-förmige Feldmagnet aus einem einzigen massiven Gußstück bestand. Der

1) Vergl. die Aufsätze von Frölich, Elektrotechu. Zeitschr., März bis

Juni 1885.

Anker lag oben (Tafel I der vorigen Auflage). Der Kommutator bestand aus Eisenstäben, die am einen Ende mit Schrauben befestigt waren, so daß sie leicht ausgewechselt werden konnten, und deren Isolation durch Lufträume gebildet wurde. Die Londoner Firma hat viele große Trommelanker-Maschinen für Zentralstationen gebaut, meist mit unten liegendem Anker. Fig. 10 stellt eine dieser Maschinen mit gemischter Wickelung dar; die Hauptstromwickelung ist nur auf dem einen Magnetschenkel angebracht. Auf der Schiffsbau-Ausstellung im Jahre 1891 wurden drei schöne Maschinen von 180 Kilowatt gezeigt, deren Geschwindigkeit nur 350 Umdrehungen

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Fig. io. Siemens sehe Maschine (des Londoner Hauses, 1890).

in der Minute betrug. Der Anker hatte 60 cm Durchmesser und war 90 cm lang; sein Gewicht betrug 2,4 Tonnen, die ganze Maschine wog 13,8 Tonnen. Die Ankerleiter bestanden aus unterteilten Stäben; der Kommutator aus hartgezogenem Kupfer war mit Glimmer isoliert und besaß 144 Stäbe von 23 cm Länge.

Drei Bürstenpaare nahmen den Strom von 1500 Ampere ab. Der Bürstenträger konnte durch ein Schneckengetriebe genau eingestellt werden. Der Anker besaß zwei unabhängige Kreise, jeder von 72 Windungen, welche durch die Bürsten parallel geschaltet wurden; letztere waren so breit, daß sie drei aufeinanderfolgende Kommutatorteile bedeckten.

Gegen Ende des Jahres 1886 wurde fast gleichzeitig von Ganz & Co. in Budapest, Fein in Stuttgart und Siemens &Halske in Berlin eine Form der vielpoligen Ringmaschine herausgebracht, bei welcher der Ring die Feldmagnete umgab, die sogen. Innenpolmaschine. Es wird genügen, die Maschine von Siemens & Halske zu beschreiben¹).

Der Feldmagnet befindet sich im Innern des Ringes und steht fest. Bei den kleineren Maschinen besteht er aus einem kreuzförmigen Grußeisenkörper, durch dessen Mitte die Achse geht. Auf die vier Pole werden die Erregerspulen aufgeschoben und dann breitere Polschuhe aufgeschraubt, deren Fläche der inneren Ringfläche sehr nahe gegenüberstehen. Der Ringanker wird fliegend angeordnet; er besteht aus Eisenblechscheiben, die durch Bolzen zusammengehalten werden, und wird an der einen Seite durch einen Stern mit langen Armen auf der Achse befestigt. In den größeren Maschinen werden die Bürsten gegen die äußere Ringfläche unmittelbar angelegt, die dementsprechend bearbeitet ist. Daher fällt an der Maschine vor allem der außerordentlich große Kommutator und der riesige Bürstenhalter auf, der die vielen Bürstensätze zu halten hat. In den Berliner und anderen deutschen Zentralstationen sind diese Maschinen mit gewaltigen Dampfmaschinen nach Art der Schiffsmaschinen verbunden, eine Vereinigung, die einen großartigen Eindruck macht.

Auf der Pariser Ausstellung im Jahre 1900 zeigten Siemens Brothers eine lßpolige Maschine für 1570 Kilowatt, deren Umdrehungszahl 200 in der Minute betrug.

Sowohl Gramme als Siemens erfanden mehrere Formen von Maschinen, einige für Wechselstrom²), einige für Gleichstrom. Die Wechselstrommaschinen erforderten natürlich besondere Felderregung durch eine Hilfsmaschine, den Erreger. Die Nebenschluß Wickelung wurde 1875 von Bertin, 1879 von Brush, 1880 von Siemens⁵⁴) wieder benutzt.

1878 erfand Pacinotti⁵⁵) einen Anker, in dem die Leiter die Form einer flachen Scheibe, bezw. eines Schwungrades bildeten. Etwa um dieselbe Zeit begann Schlickert in Nürnberg eine

1)    Wegen weiterer Belehrung über die verschiedenen Maschinen dieser Gattung vergl. Elektrotechn. Zeitschr., April und Mai 1887; Lum. él., Bd. 24, S. 182. 1887; Centralbl. f. Elektrotechnik, Bd. 9, S. 186, 410 und 581. 1887; Offizieller Bericht der Frankfurter Ausstellung, 1891.

2)    Englisches Patent, Gramme [1878] Nr. 953; Siemens [1878]

Nr. 3134.

abgeänderte Gramm esche Maschine zn bauen, deren Ringanker scheibenförmig flach hergestellt wurde; die magnetischen Linien traten von der Seite ein. Eine ganz ähnliche Maschine wurde unabhängig von Gülcher entworfen. Gleichzeitig wendete Brush⁵⁶)' bei seiner berühmten Maschine die offene Wickelung an; er benutzte die gleichzeitige Nebenschluß- und Reihenschaltung der Feldmagnet-windungen, um die Leistung der Maschine ohne zu große Schwankung“ der Spannung ändern zu können.

Eine andere Maschine mit offener Wickelung; wurde 1880 von Elihu Thomson und Houston⁵⁷) (Philadelphia) eingeführt. Um dieselbe Zeit ersann Weston⁵⁸) verschiedene Maschinenformen und verbesserte besonders die Nebenschlußmaschinen. Noch viele andere amerikanische Erfinder stellten Maschinen her, unter ihnen auch Edison⁵⁹). Dieser trat 1878 zuerst mit einer Maschine hervor, die keine drehende, sondern eine schwingende Bewegung besaß; dieselbe Einrichtung hatten schon 1856 Dujardin⁶⁰), 1859 Siemens⁶¹), 1861 Wilde⁶²) versucht, aber wieder verlassen. Auch Edison ging 1879 zu einer etwas veränderten Hefner-Alteneckschen Ankerform über und wendete einen verlängerten Elektromagnet mit Nebenschlußwickelung an. Unter Mitwirkung von Upton entwarf er die zweipolige Maschine, welche in früheren Auflagen dieses Buches abgebildet worden ist. Sie hatte einen Trommelanker, der zwischen starken Polschuhen umlief; letztere wurden durch einen sehr langen Magnet mit säulenförmigen Schenkeln erregt. Bei einer 60 Lampen-Maschine dieser alten Bauart ergab sich bei der Prüfung durch die Kommission der Münchener Ausstellung, daß das Verhältnis der äußeren elektrischen Arbeit zur gesamten elektrischen Arbeit (Güteverhältnis) über 87 Prozent betrug, während das Verhältnis der äußeren elektrischen Arbeit zu der an die Welle abgegebenen mechanischen Arbeit (der mechanische Wirkungsgrad) höchstens

58,7 Prozent betrug. Dies rührte von den Wirbelströmen in den Bolzen, die den Anker zusammenhielten, und in anderen Metall-

massen her.

Die »Jumbo«-Dampfdynamomaschinen hatten einen noch geringeren Wirkungsgrad und erforderten ein Gebläse, um den Anker durch einen starken Luftstrom kühl zu erhalten.

Die Feldmagnete aller größeren Maschinen von Edison, die aus der Zeit vor 1884 stammen, bestanden aus einer Anzahl langer eiserner Säulen als Kerne zur Aufnahme der Wickelung. Seit jener Zeit ist, infolge der H o p k i n s o n sehen Untersuchungen gedrängtere einfache magnetische Kreis mit kurzen starken Magneten von den Edison-Gesellschaften angenommen worden.

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Fig. ii. Edisonsche Maschine von 1888.

Fig. 11 stellt die Maschine aus dem Jahre 1888 dar, wie sie in den Vereinigten Staaten von Nordamerika gebaut wird. Die Feldmagnete bestellen aus Gußeisen, mit einem massiven Joch, und stehen auf einem starken Untersatz aus Zink, um den magnetischen Kurzschluß durch die eiserne Grundplatte zu vermindern. Diese Maschinen haben Nebenschlußwickelung und sind für Glühlichtbeleuchtung bestimmt. Die Lager sind länger und der mechanische Aufbau in jeder Beziehung besser, als in den älteren Maschinen. -^Auf der Pariser Ausstellung von 1889 waren mehrere dieser zweipoligen Maschinen ausgestellt, welche die Edison Machine Company in Schenectady gebaut hatte; sie umfaßten Maschinen von 2,5 Kilowatt, 75 cm hoch, bis zu solchen von 150 Kilowatt, 2,5 m hoch. Zeichnungen dieser Maschinen waren in früheren Auflagen dieses Buches enthalten.

Diese Bauart ist zwar seit 1895 verlassen worden. Sie hatte indes einen außerordentlichen Erfolg, da ihre mechanische Ausführung vorzüglich war.

Kehren wir zum Jahre 1881 zurück. Die Pariser Ausstellung zeigte einen großen Fortschritt der Elektrotechnik im allgemeinen. Dasselbe Jahr brachte neue Wechselstrommaschinen von Lord Kelvin (Sir W. Thomson¹)) (unabhängig davon durch Ferranti angegeben) und Gordon²); der letztere erbaute große Zweiphasenmaschinen.

Um diese Zeit kamen die vielpoligen Maschinen in Aufnahme. Lord Elphinstone³) und Vincent führten den vielpoligen Trommelanker ein, Schuckert, Gramme, Gülcher, sowie Mordey⁴) benutzten unabhängig voneinander den vielpoligen Ring.

Besonders Elphinstone wandte seine Aufmerksamkeit der Vervollkommnung des magnetischen Kreises zu; seine Maschine veraltete indessen bald aus rein mechanischen Gründen.

Hopkinson⁵) wies nach, wie die Leistung einer Maschine bedeutend erhöht werden kann, wenn man den magnetischen Kreis verbessert und gedrängter macht, während Crompton⁶) (außer einer Anzahl von Verbesserungen an Einzelteilen) den Vorteil zeigte, den die Vergrößerung des Eisenquerschnittes im Ankerkerne hervorbringt.

Er brachte den Anker mit glatter Oberfläche zu einem hohen Grade der Vollendung. Ein vollständiger Bericht über die Verbesserungen, die Crompton nacheinander ausgeführt hat⁷), würde allein einen Band füllen. Außer den Neuerungen, die er im Verein mit Kapp im allgemeinen Entwurf der Maschinen, sowie in der besseren Ausnutzung des Eisens im Anker einführte, sind auch noch die Verbesserungen zu erwähnen, die er mitSwinburne fand, und welche verschiedene Arten der Wickelung und die Einbettung der Leiter in die Kernscheiben betrafen. Er verwandte Treibstücke aus Deltametall oder Aluminiumbronze, welche im Körper des geblätterten

1)    Englisches Patent [1881] Nr. 5668.

2)    Englisches Patent [ 1881] Nr. 5536; und [1882) Nr. 2871.

3)    Englisches Patent [1879] Nr. 332; und [1880] Nr. 2893.

4)    Englisches Patent [1883) Nr. 400.

5)    Englisches Patent [1883] Nr. 973.

6)    Englisches Patent [1882} Nr. 2618 und 4810; und [1884) Nr. 4302.

7)    Vergl. die Bemerkungen Cromptons in Proc. Inst. Civ. Engin. Bd. 83, S. 125. 1885; Journ. Soc. Telegr. Engin., Bd. 15, S. 546. 1886; Journ. Inst. El. Engin., Bd. 19, S. 239. 1890; und Bd. 20, S. 308. 1891.

Kernes untergebracht wurden. Dann kam die Anwendung der aus Paralleldrähten gebildeten und gepreßten Ankerleiter, um Wirbelströme zu vermeiden, und zuletzt die vielpolige Reihen Wickelung für Trommelanker. Mit großen vierpoligen Maschinen für Zentralstationen zu elektrischer Beleuchtung hatten Crompton & Co. großen Erfolg. Der Aufbau mehrerer ihrer Anker ist in älteren Auflagen dieses Buches beschrieben worden.

Hervorragend unter den Ingenieuren, welche den Entwurf der Dynamomaschine in den Jahren L880 bis 1890 förderten, waren die Brüder J. und E. Hopkinson, W. M. Mordey, Gisbert Kapp und C. E. L. Brown. Die theoretischen Untersuchungen von John Hopkinson, seine Einführung der charakteristischen Kurve und seine wohlbegründete Methode zur Berechnung magnetischer Kreise werden an anderer Stelle genauer erörtert werden. Die Firma Math er & Platt, welche Dynamomaschinen nach den Entwürfen der Hopkinsons baute, brachte nicht nur die verbesserte Edison-Hopkin son sehe, sondern auch die Manchester-Maschine auf den Markt, letztere eine abgeänderte Gramm esche Maschine. Hopkinson verbesserte die alte Edisonsche Maschine dadurch, daß er den magnetischen Kreis gedrungener machte und den Anker mit einem Kerne von größerem Querschnitt und besserer mechanischer Konstruktion versah. In der älteren Ausführung bildeten die Bolzen und die Endstücke einen Stromkreis, in dem fortwährend nutzlose Ströme verliefen, wodurch große Verluste und starke Erwärmung hervorgerufen wurden. Hopkinson verbesserte auch die Wickelung der Feldmagnete, indem er Draht von quadratischem Querschnitt wählte, der mit isolierendem Band umwickelt war. Dieser Draht legte sich besser rund um den Kern, als der gewöhnliche runde Draht.

Eine bemerkenswert vollständige Beschreibung einer dieser Maschinen von Edison-Hopkinson wurde 1886 veröffentlicht⁶³). In den theoretischen Kapiteln dieses Werkes wird häufig auf diese Maschine Bezug genommen, eine eingehende Beschreibung ist deshalb wesentlich. Die Bauart kann man aus der Fig. 12 ersehen.

Diese Maschine, von Math er & Platt erbaut, ist für eine regelmäßige Leistung von 320 Ampere bei 105 Yolt und eine Geschwindigkeit von 750 Umläufen in der Minute bestimmt.

Fig. i2. Edison-Hopkinsonsche Maschine; Aufriß, Grundriß und Schnitt durch den Anker.

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Der Feldmagnet besteht aus zwei durch ein Joch von rechteckigem Querschnitte verbundenen Schenkeln. Jeder Schenkel mit dem Polstiick ist aus einem Schmiedestück hergestellt. Für diesen Teil und für das Joch wird ausgeglühtes, gehämmertes Ramaßeisen {Paketeisen) verwendet; die magnetischen Eigenschaften sind im Kapitel IV beschrieben. Die Teile des Magnetes haben einen fast rechtwinkeligen Querschnitt, die Ecken sind abgerundet. Das Joch wird an den Schenkeln mittels Schraubenbolzen befestigt, die Verbindungsstellen werden gut passend gemacht. Zwischen der Maschine und deren eiserner Bodenplatte befindet sich ein 12,7 cm hoher Zinkuntersatz. Der Ankerkern besteht aus 1000 dünnen Platten von weichem Schmiedeeisen, die durch Papierlagen voneinander getrennt, auch von der Welle isoliert sind. Zwei Endplatten halten die dünnen Platten zusammen, eine der ersteren ist mittels eines Schrumpfringes und die andere durch eine Schraubenmutter mit Gegenmutter festgelegt.

Die Abmessungen der Eisenteile sind folgende: Durchmesser des Ankerkernes 24,4 cm, der inneren Ausbohrung 7,62 cm, der Welle 6,98 cm, Kernlänge 50,8 cm, Länge eines Magnetschenkels 45,7 cm, Breite 22,1 cm, Seitenlänge (parallel zur Welle) 44,45 cm. Jochlänge 61,6 cm, Breite 48,3 cm, Tiefe 23,2 cm. Durchmesser der Ausbohrung im Magnet 27,5 cm, Tiefe des Polstückes 25,4 cm, Seitenlänge (parallel zur Welle) 48,3 cm; Zwischenraum zwischen den Polstücken 12,7 cm. Schnittfläche des Eisens im Ankerkern 810 cm², Winkel dér Bohrfläche der Polstücke 129 Grad. Wirksame Fläche des Polstückes 1513 cm², wirkliche Fläche 1600 cm². Luftzwischenraum 1,5 cm, Schnittfläche der Schenkel 980 cm², des Joches 1120 cm².

Die Wickelung ist wie folgt beschaffen: Magnetisierungsspulen: 11 Lagen von 2,4 mm starkem Kupferdrahte auf jedem Schenkel; gesamte Windungszahl 3260, gesamte Länge 4570 m. Anker: 50 Windungen in zwei Lagen von je 20 Windungen aus zusammengedrehtem Kupferdrahte (16 Litzen von 1,7 mm Stärke). Widerstand (bei 13,5 Grad C): der Wickelung des Feldmagnetes 16,93 Ohm, des Ankers 0,0009947 Ohm. Magnetisierender Strom: 6 Ampere. Der Stromabgeber hat 40 durch Glimmer isolierte Kupferstäbe. Die Maschine besaß einen mechanischen Wirkungsgrad von über 93 Prozent.

Fig. 13 stellt die »Manchester«-Maschine dar, welche von E. Hopkinson entworfen wurde. Ihr kräftiger, gedrungener Feldmagnet hatte schmiedeeiserne Kerne mit massiven gußeisernen Jochen.

M 0 r d e y s Maschinen wurden von der Brush Electrical Engineering Company hergestellt, welche auch die Brush sehe Bogenlichtmaschine baut. Die »Victoria«-Maschine, eine vierpolige Flachringmaschine, entwickelte sich aus der ursprünglichen Schlickert-sehen Flachringmaschine auf Grund einer Entdeckung Mordeysr welche dieser machte, als er seine Methode, die Potentialverteilung um den Kommutator zu untersuchen, bei einer solchen Maschine anwandte. Wenn er die Polstücke verkleinerte, um Raum für ein vierpoliges Feld zu schaffen, erhielt er nämlich mit einem von Schuckert für ein zweipoliges Feld gebrauchten Ringanker die doppelte Leistung, ohne daß die Geschwindigkeit geändert wurde. Die Polschuhe in den älteren Schuckertschen Maschinen bestanden aus hohlen Ringstücken, die am Umfang der Maschine eine große Winkelbreite umfaßten. Die Mordeysche Yictoria-Maschine besaß schmalere Polschuhe, welche nicht mehr als je 35 Grad am Umfang des Ankers bedeckten. Die gußeisernen Polschuhe waren auf die

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Fig. 13. „Manchester“-Maschine (Endansicht).

zylindrischen Kerne von weichem Eisen, welche die Wickelung-aufnehmen, aufgesetzt. Der Anker wurde aus Biechstreifen von Holzkohleneisen hergestellt, die man auf einen als Grundlage dienenden starken Ring wickelte. Die Berührung der einzelnen Lagen wurde durch zwischengewickeltes Papier verhindert. Abbildungen dieser Maschinen waren in älteren Auflagen dieses Buches enthalten.

C. E. L. Brown, welcher bis 1892 erster elektrischer Ingenieur der Maschinenfabrik Oerlikon war, führte viele bewundernswerte Verbesserungen im Bau der Gleichstrommaschinen ein, neben all der Pionierarbeit, die er in der Durchbildung der Wechselstrommaschine leistete. Fig. 14 u. 15 geben eine historische Type wieder,, von der zwei Maschinen auf der Pariser Ausstellung des Jahres 1889 zu sehen waren; sie übertrugen 210 Pferdestärken, eine arbeitete als Stromerzeuger, die andere als Motor. Ihre bewundernswerte Konstruktion gewann damals die allgemeine Aufmerksamkeit. Sie waren etwa 2,5 m hoch und leisteten bei 500 Umdrehungen in der Minute 270 Ampere und 625 Volt. Es waren Rin gm aschin en, mit glatten Kernscheiben; der Widerstand betrug von Bürste zu Bürste 0,025 Ohm; der Kommutator besaß 200 Stege. Die Feldmagnetspulen, welche mit dem Anker in Reihe lagen, waren mit 1 mm starken, 30 cm breiten Kupferblechstreifen bewickelt, wovon

¹

Unter »Induktion« ist die Erzeugung einer elektromotorischen Kraft zu verstehen; das Wort stammt von Faraday selbst: »Then I found that magnets would induce just like voltaic currents, and by bringing helices and wires and jackets up to the pôles of magnets, electrical currents were induced in them ... These two kinds of induction I have distinguished by the terms volta-electric and magnéto-electric induction.« (Dann fand ich, daß Magnete wie elektrische Ströme induzieren; indem ich Spulen, Drähte und Hülsen auf die Pole von Magneten brachte, wurden darin elektrische Ströme induziert . . . Diese zwei Arten der Induktion habe ich durch die Bezeichnungen voltaelektrische und magnetelektrische Induktion unterschieden.) Faraday an R. Phillips, November 1831. Obgleich Faraday den Sinn des Wortes als den der Handlung des Induzierens festgesetzt hat, folgen doch neuere Autoren, auch Hopkinson, dem unglücklichen Beispiel Maxwells, indem sie das Wort Induktion in einem anderen Sinne gebrauchen und darunter die Dichte der Kraftlinien verstehen. Dergleichen müßte vermieden werden.

²

Experimental Researches, Bd. i, S. 25, Art. 85. Der Apparat wird noch in der Royal Institution aufbewahrt. Er wurde vom Verfasser bei einer Vorlesung in der Royal Institution am 11. April 189 L in Tätigkeit vorgeführt.

³

   Experimental Researches, Bd. i, Art. 135.

⁴

   Ebenda, Art. 155.

⁵

   Ebenda, Art. 158.

⁶

   Experimental Researches, Bd. 1, Art. 219.

⁷

   Ebenda, Art. 220.

⁸

   Ebenda, Art. 222.

⁹

   Ebenda, Bd. 3, Art. 3192.

¹⁰

   Phil. Mag., Ser. 3, Bd. 1, S. 45. Juli 1832 (ein schwingender Apparat).

¹¹

   Ann. Chim. Phys., Bd. 50, S. 322.    1832.

¹²

   Ebenda, Bd. 51, S. 76.    1832.

¹³

   Phil. Mag., Ser. 3, Bd. 8, S. 455; Ser. 3, Bd. 10, S. 280. 1837; und Phil. Trans., Bd. 2, S. 318. 1833.

¹⁴

   Phil. Mag., Ser. 3, Bd. 7, S. 107. 1835.

¹⁵

   Ebenda, Ser. 3, Bd. 9, S. 360. 1836.

¹⁶

   Ebenda, Ser. 3, Bd. 9, S. 262. 1836; Bd. 10, S. 365, 455. 1837; und Sturgeons Ann. of Electr., Bd. 1, S. 145.

¹⁷

   Gehlers Physik. Wörterbuch, Bd. 9, S. 122. 1838.

¹⁸

   Pogg. Ann., Bd. 45, S. 385. 1838.

¹⁹

   Pogg. Ann., Bd. 64, S. 58. 1845.

²⁰

   Ebenda, Bd. 69, S. 194. 1846.

²¹

   Ann. of Electr., Bd. 2, S. 1. 1838. Siehe auch Sturgeons Scientif. Researches, S. 252, ebenso Plnl. Mag., Ser. 3, Bd. 7, S. 231. 1835.

²²

   P°g&- Ann., Bd. 61, S. 417. 1844; Bd. 77, S. 467. 1849.

²³

   Englisches Patent [1849] Nr. 14899.

²⁴

   a. a. O.

²⁵

   Moigno, Télégraphie électrique, S. 15. 1849.

²⁶

   Sillimans Journal, Bd. 34, S. 394. 1838; und Bd. 48, S. 393.

²⁷

   Englisches Patent [1842] Nr. 9431; vergl. auch Shaws, Manual of Electrometallurgy. 1845.

²⁸

Englisches Patent [1841] Nr. 9022.

²⁹

   Englisches Patent [1845] hTr. 10655.

³⁰

   Englisches Patent [1852] Nr. 834.

³¹

   Englisches Patent [1862] Nr. 2772.

³²

   Englisches Patent [1848] Nr. 12054.

³³

   Pogg. Ann., Bd. 84, S. 186. 1851. Über Sinstedens andere Forschungen vergleiche Bd. 76, S. 29, 195, 524. 1849; Bd. 92, S. 1, 220. 1854; Bd. 96, S. 353. 1855; Bd. 137, S. 290, 483. 1869.

³⁴

Englisches Patent [1859] Nr. 512.

³⁵

   Proc. Roy. Soc., Bd. 15, S. 107. 1866; Phil. Trans., Bd. 157, S. 89. 1867. Die Maschine war auch bei der Versammlung der Royal Society, im März 1867, ausgestellt.

³⁶

   Brooke, Nat. Phil., S. 512. 1867. — Crookes über Wildes magnet-elektrische Maschine in Quarterly Journal of Science, Oktober 1866, S. 503.

³⁷

   Phil. Mag., Januar 1869; Ann. Chim. Phys., Bd. 16. 1869.

³⁸

   Phil. Mag., Ser. 3, Bd. jo, S. 280. 1837.

³⁹

   Ann. of Electricity, S. 489. 1839.

⁴⁰

   Compt. rend., Bd. 18, S. 837. 1844; Bd. 2f, S. 528, 892. 1881.

⁴¹

   Englisches Patent [1858] Nr. 2670.

⁴²

   Vergl. Engineer, 20. Juli 1866. S. 42.

⁴³

   Proc. Lit. and Phil. Soc. of Manchester, Bd. 6, S. 107.

⁴⁴

   Englisches Patent [1866] Nr. 3039.

⁴⁵

   Englisches Patent [1866] Nr. 3394. Siehe auch [1867] Nr. 1755; [1868] Nr. 315; [1871] Nr. 131 und 1150; [1876J Nr. 4905; [1877] Nr. 270 und 4435; und [1878] Nr. 4100.

⁴⁶

   Vergl. Phil. Mag., Ser. 4, Bd. 45, S. 439. 1873.

⁴⁷

   Berliner Berichte, Januar 1867; Proc. Roy. Soc., 14. Februar 1867; Englisches Patent [1867] Nr. 261; Pogg. Ann., Bd. 130, S. 332. 1867.

⁴⁸

W. Siemens, Wissenschaftliche und technische Arbeiten, Bd. 1, 2. Aufl., 1889, S. 208. — Lebenserinnerungen, 1892, S. 253. — Vergl. S. 1; W. Siemens gebrauchte sehr bald brieflich den Ausdruck »dynamoelektrisch

⁴⁹

   Proc. Roy. Soc., 14. Februar 1867.

⁵⁰

   Compt. rend., Bd. 73, S. 175. 1871, und Bd. 75, S. 1497. 1872; auch Englisches Patent [1870] Nr. 1668.

⁵¹

   Unter diesen befinden sich die verbesserten Formen von Deprez, die von Hochhausen und die der Füller Comp, von New York; Wood in New York hat ebenfalls Verbesserungen in manchen Einzelheiten erreicht. Andere Verbesserungen stammen von Raffard, Sautter Lemonnier & Co., und anderen französischen Ingenieuren; hierüber ist näheres in den Industries vom 5. November 1886 zu finden. Ein Bericht über Grammes historische Ausstellung in der Pariser Weltausstellung von 1889 befindet sich in Industries, Bd. 7, S.285. 1889. Vergl. auch das Werk Éclairage Électrique, von Fontaine, 1890, das über die elektrische Beleuchtung der Pariser Weltausstellung handelt. Eine langsam laufende vielpolige Maschine, von Gramme 1892 erbaut, mit Schuckertschem Flachring ist in der französischen Ausgabe dieses Werkes Seite 838 beschrieben.

⁵²

   Englisches Patent [1873] Nr. 2001. Im vorhergehenden Jahre wurde von Worms de Romilly eine ähnliche Anordnung angegeben.

⁵³

   Englisches Patent [1875] Nr. 473’> [ï876] Nr. 386 und 3264.

⁵⁴

   Phil. Trans., März 1880.

⁵⁵

   Nuovo Cimento, Ser. 3, Bd. 1. 1881.

⁵⁶

   Englisches Patent [1878] Nr. 2003.

⁵⁷

   Englisches Patent [18801 Nr. 315.

⁵⁸

   Englisches Patent [1876] Nr. 4280; [1882] Nr. 1614 und 2194.

⁵⁹

   Englisches Patent [ 18781 Nr. 4226; [1879] Nr. 2402; [188[] Nr. 1240 und 2954; und [1882] Nr. 2052.

⁶⁰

   Vergl. Du Moncel, Exposé des Applic., Bd. 1, S. 372.

⁶¹

   Englisches Patent [1859] Nr. 512.

⁶²

   Englisches Patent [x861 ] Nr. 924.

⁶³

Vergl. die Abhandlung über Dynamomaschinen von J. und E. Hopkinson in den Phil. Trans, für i886, Teil I. Diese sehr wertvolle Abhandlung wurde ohne Figuren wieder abgedruckt in Electrical Review, Bd. 18, 1886, auch im Electrician, Bd. i8, S. 39, 63, 86 und 175, in den Nummern vom 19. und 26. November, 3. und 31. Dezember 1886; die Figuren sind dort in den Text eingedruckt. Sie ist auch in Hopkinsons Originak papers, Bd. 1, S. 84, enthalten.

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Fig. 14. Brownsche vierpolige Maschine (Maschinenfabrik Oerlikon, 1889); Endansicht, Maßstab 1:24.

jede Spule 60 Windungen besaß. Die Gewichte waren folgende: Gestell und Magnetkerne 11600 kg, Ankereisen 1430 kg, Ankerkupfer 132 kg, ganzer Anker 2420 kg, Magnetkupfer 1370 kg; Gesamtgewicht der vollständigen Maschine 15,7 Tonnen. Der Wirkungsgrad betrug bei voller Last 93 bis 94 Prozent. Brown brachte zuerst die Maschinen mit senkrechter Achse auf, welche zum Antrieb durch eine Wasserturbine geeignet waren, ferner die Methode der Stabwickelung für Anker und eine Menge anderer Verbesserungen, die nun in allgemeinem Gebrauch stehen.

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Zugleich mit diesen Verbesserungen der Gleichstrommaschinen tauchten auch im Entwurf und im Bau der Wechselstrommaschinen Neuerungen von nicht geringerer Bedeutung auf. Besonders die Konstruktionen von Ferranti, Mordey, Ganz, Brown, JDobro-wolsky und Westinghouse verdienen unsere Aufmerksamkeit.

Mordey führte den einfachen gedrungenen magnetischen Kreis mit abzweigenden Polen ein und leitete so die Ausbildung zu einem drehbaren Feldmagnet ein. Brown führte die Ent-

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Fig. 15. Brownsche Maschine (siehe Fig. 14); Längsschnitt.

Wickelung einen Schritt weiter durch die Einführung der unterteilten Feldmagnete. Brown und die Maschinenfabrik Oerlikon, Dobrowolsky und die Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft, später Brown, Boveri & Co. haben viele Verbesserungen in den Methoden des Ankerbaues gefunden. Ganz & Co. waren früh auf dem Plan mit Wechselstrommaschinen, welche ganz und gar, sowohl im Feldmagnet, als im Ankerkern aus geblättertem Eisen gebaut waren. Zipernowrsky entwarf für Ganz & Co. eine Methode zur Compoundierung der Wechselstrommaschinen. Der Yorteil, der bei großen Maschinen gewonnen wurde durch die Schwungradwirkung der schweren umlaufenden Massen hat sehr zu Gunsten dieser Maschinengattung gesprochen, obwohl die Praxis zurückgekehrt ist zu Magneträdern mit radialen Polen, von denen jeder besonders gewickelt ist. Mehrphasige Wechselstrom maschinen sind, hauptsächlich seit 1891, eingeführt worden, um zwei oder mehrere Wechselströme zu liefern, die in der Phase verschieden sind. Der Grund für den Erfolg dieser Maschinen ist die Zweckmäßigkeit der Kraftverteilung mit Wechselströmen und Mehrphasenmotoren. Zu einer gewissen Zeit schien die »Induktortype« der Wechselstrommaschine bevorzugt zu werden, deren bewegter Teil kein Kupfer enthält; aber seit 1900 sind nur wenig solche Maschinen gebaut worden. Die Maschinen der » Schirm «-Gattung mit senkrechter Achse wurden von Brown eingeführt, zum Antrieb durch Turbinen; davon sind viele sehr große Maschinen gebaut worden. Die größten dieser Art sind die Zweiphasenmaschinen am Niagarafall, welche von der Westinghouse-Gesell-schaft wesentlich nach Entwürfen von G. Forbes erbaut worden sind. Die Ausstellung in Frankfurt im Jahre 1891 brachte die ernsthafte Einführung der Mehrphasenmethoden für elektrische Kraftübertragung. Die Pariser Ausstellung von 1900 war hauptsächlich bemerkenswert durch das Yerschwinden der zweipoligen Gleichstrommaschine und eine starke Entwickelung großer Wechsel-strommaschinen für hohe Spannung. Scheibenanker, welche von Desroziers und Fritsche eingeführt worden sind, können als veraltet angesehen werden. Besondere Konstruktionsmethoden, deren Zweck ist, starke Ströme funkenlos zu kommutieren, sind angegeben worden von Ryan, W. B. Sayers, Mordey, Fischer-Hinnen und Déri.

Die Entwickelung der Theorie der Dynamomaschine geht bis auf Webers¹) und Neumanns²) Forschungen über die allgemeinen Gesetze der magnetoelektrischen Induktion zurück.

Diesen folgten Jacobis³) Berechnungen und Yersuche über die Leistung eines elektrischen Triebwerkes, Poggendorffs⁴) und

Koosens⁵) Forschungen über die Theorie der Saxtonschen Magnetomaschine; ferner die Untersuchungen von Lenz⁶), Joule⁷), Le Roux⁸) und Sinsteden⁹). Ein langer Zeitraum verging bis zu den Untersuchungen, die Favre¹⁰) veröffentlichte, und in den folgenden 20 Jahren wurde das Schweigen über diesen Gegenstand nur durch eine kleine inhaltsreiche, fast ganz vergessene Abhandlung von Clerk Maxwell¹¹) über die Theorie selbsterregender Maschinen unterbrochen.

Mit dem Wiederaufleben des elektrischen Lichtes wurde die Theorie der Dynamomaschine weiter erforscht; wichtige Beiträge dazu wurden von Mascart¹²), Hagenbach¹³), von Waltenhofen¹⁴ 15), Hopkinsonn), Herwig¹⁶), Meyer und Auerbach¹⁷), sowie von Joubert¹⁸) geliefert. Der Letztere begründete die neue Theorie der Wechselstrommaschinen.

Hopkinson¹⁹ 20) ersann die graphische Darstellung der Beziehung zwischen Strom und der wirksamen elektromotorischen Kraft der

Maschine; derartige Kurven bildeten unter der Bezeichnung »Charakteristiken« die Grundlage der theoretischen Forschungen von Marcel Deprez lö).

Im Jahre 1880 begann Frölich²¹) eine Reihe auf Versuche gegründeter, theoretischer Forschungen, deren Ergebnis Gleichungen

von bemerkenswerter Einfachheit waren, wenn sie auch nur einen Näherungswert ergaben.

Clausius²²) entwickelte, auf der Grundformel Frölichs für das Gesetz des Elektromagnetes füllend, mit großer Sorgfalt eine Theorie, die alle verschiedenen sekundären Wirkungen bei Stromerzeugern in Betracht zog; später erweiterte er diese Theorie finden Fall, daß eine Maschine als Triebwerk dient.

Im Jahre 1881 führten theoretische Erwägungen Marcel Deprez²³) zu der Folgerung, daß eine Dynamomaschine bei einer gewissen kritischen Geschwindigkeit im stände sei, Ströme von gleichbleibender Spannung zu liefern, wenn eine zweite Wickelung der Feldmagnete mit Hilfe einer Batterie oder einer anderen Stromquelle eine unabhängige und gleichbleibende Hilfserregung bewirkt. Perrv gab die allgemeinere Lösung, indem er in den Stromkreis eine besonders erregte oder eine Magnetmaschine einführte, auch eine Hauptstrommaschine, die mit gleichbleibender -Geschwindigkeit lief; sie hatte die zusätzliche Spannung zu liefern, die bei voller Last gebraucht wurde, um den Spannungsabfall auszugleichen, der sonst eingetreten wäre.

Dieser Erwägung folgte fast unmittelbar die Einführung der • sogen. »Compound«-Wickelung (gemischte oder Verbundwickelung), um eine selbstregulierende Maschine zu erhalten. Der Anspruch auf die genannte Einrichtung gab zu Streitigkeiten Anlaß²⁴). Der

Ausdruck »Compoundwickelung« rührt von Crompton und Kapp her.

Der andere Zweig unseres Gegenstandes, der elektrische Motor, geht zurück auf Faradays Entdeckung der elektromagnetischen Drehung (1821)!) und die Erfindung des umlaufenden Rades von Barlow2) (1823).

Die ersten elektrischen Motoren, bei denen die Anziehung durch einen Elektromagnet angewendet wurde, waren die von Henry³) (1831) und von Dal Negro⁴) (1832); es folgten 1833 und 1834 die Apparate von Ritchie⁵) und Jacobi⁶), 1837 der von Davenport⁷). Von vielen anderen, die derartige Maschinen herstellten, mögen noch als die bekanntesten Page⁸) (Vereinigte Staaten von Amerika), Davidson⁹) (Schottland), Wheatstone¹⁰) (England), Froment¹¹) (Frankreich) und Pacinotti²⁵) (Italien) genannt werden.

Sie war 1850

Die Entdeckung, daß die Tätigkeit einer Dynamomaschine die einfache Umkehrung derjenigen eines Elektromotors sei und daß ein und dieselbe Maschine auf beide Weise zu benutzen ist, scheint 1838 von Lenz²⁶) gemacht worden zu sein.

für S. Schuckert (ebenda, 13. Oktober 1883); in Amerika von Edison; sie wurde patentiert für Crompton und Kapp (ebenda, 9. Juni 1883). Vergl. auch Hospitalier (L’Électricien, Nr. 20. 1882). Man vergleiche auch eine Reihe von Artikeln von Gisbert Kapp in The Electrician, Bd. 10, beginnend mit 16. Dezember 1882. Vergl. ferner eine Abhandlung von Louis Bell in The Electrical World, Bd. 16, S. 383. 1891.

1)    Journ. of Royal Inst., September 1821.

2)    Barlow, On Magn. Attract. (1823), S. 279, und Encyclop. MetropoL (1824), IV. Art. Electromagnetism. S. 36.

3)    Sillimans Journ., Bd. 20, S. 340.    1831. .Vergl. auch Henry,

Scientific Writings (1886), Bd. x, S. 54.

4)    Annali delle Scienze Lombardo-Veneto, März 1834.

5)    Phil. Transact. 1833, Bd. 2, S. 318.

6)    L’Institut., Bd. 82. Dezember 1834.

7)    Vergl. Ann. of Electric., Bd. 2. 1838; Encyclop. Britann. (Ed. VII) Art. Voltaic Electricity, S. 687.

8)    Sillimans Journ., Bd. 33. 1838; und Ser. 2,. Bd. 10, S. 344, 473. 1850.

9)    Mechanics Magazine, Bd. 38, S. 240. 1843.

10)    Englisches Patent [1841] Nr. 9022.

11)    Vergl. Cosmos, Bd. 10, S. 495. 1857; und Lum. électr., Bd. 9. S. 193.

Juni 1883.

Jacobi²⁷) bekannt, obgleich sie etwas später erst zur allgemeinen Anerkennung gelangte. Sie mußte bestimmt schon 1852 bekannt sein, denn in der vierten Auflage von Davis’ Magnetismus (erschienen zu Boston) wird ein »umlaufender Magnet« (eine leichte Änderung von Rite hi es Motor) beschrieben; dieser Apparat zeigt sich auf Seite 212 als Triebwerk und auf Seite 268 wieder als Stromerzeuger. Der Beschreibung ist die Bemerkung beigefügt, daß ein jeder elektromagnetische Apparat, der durch die Wechselwirkung eines Batteriestromes und eines Stahlmagnetes in Bewegung gesetzt werden kann, einen magnetelektrischen Strom liefert, wenn er mechanisch bewegt wird.

Walenn²⁸) bestätigte dies ausdrücklich im Jahre 1860, ebenso Pacinotti 1864. Das Prinzip der Arbeitsübertragung von einer Maschine, die als Stromerzeuger wirkt, zu einer als Triebwerk benutzten Maschine ist zuerst von Fontaine und Gramme angegeben und in Wien im Jahre 1873 vorgeführt worden. Ohne den Schatten eines Beweises wurde die Sache mit Lärm für Marcel Deprez²⁹) in Anspruch genommen, obgleich er bis 1881 nichts Derartiges erfand.

Ton Ayrton und Perry rührt die wichtige Erfindung der selbsttätigen Regulierung von Elektromotoren zur Erhaltung der gleichbleibenden Umdrehungsgeschwindigkeit her (1882). Die Methoden dazu sind mit den für die Selbstregulierung einer Dynamomaschine benutzten verwandt, jedoch deren Umkehrung. Yon dieser Zeit an betreffen die Verbesserungen an Motoren für Gleichstrom die mechanische Ausführung, sowohl was die gesamte Anordnung, als auch was Einzelheiten angeht.

Die Wechselstrommaschine mit ihrem besonders erregten Feldmagnet bildet keinen geeigneten Motor, weil sie nicht von selbst angeht. Befindet sie sich aber in Bewegung, so läuft sie genau synchron mit dem Stromerzeuger.

Hopkinson, der offenbar die älteren Forschungen von Wilde aus dem Jahre 1869 nicht kannte, veröffentlichte den synchronen Gleichlauf der Wechselstrommaschinen als eine Folgerung der Theorie im Jahre 1883.    1879 zeigte Bailey, daß eine Kupferscheibe, die

in ein regelmäßig gedrehtes magnetisches Feld gebracht wird, selbst in Drehung gerät. Im Jahre 1888 machte Ferraris die wichtige Entdeckung, daß man einen Elektromotor mit zwei unabhängigen Wechselströmen von gleicher Periode, aber von verschiedener Phase in Umlauf setzen kann, indem dann ein umlaufendes magnetisches Feld entsteht. Nicola Tesla machte unabhängig und fast gleichzeitig dieselbe Entdeckung. Dolivo-Dobrowolsky kam unabhängig davon auf die Verwendung von drei Stromkreisen, die nicht voneinander unabhängig, sondern untereinander verkettet waren; dieses System kam um das Jahr 1890 in allgemeine Aufnahme unter dem Namen Drehstrom- oder Dreiphasenstromsystem. Motoren zum Gebrauch in Zwei- oder Dreiphasenanlagen können sowohl synchron als auch asynchron sein, je nachdem sie einen besonders erregten Feldmagnet besitzen, oder statt dessen nur einen Läufer, der seinen Strom durch Induktion empfängt.

Seitdem sind viele Formen von Motoren mit umlaufenden Feldern angegeben worden ; verschiedene Erfinder, darunter von Dolivo-Dobrowolsky, C. E. L. Brown u. a. haben den Induktionsmotor zu einem hohen Grade der Vollkommenheit gebracht. In den Vereinigten Staaten wurde ein hiervon durchaus verschiedener Zweiphasen - Motor von Stanley und Kelly ausgebildet. Der Erfolg dieser Mehrphasenmotoren, deren drehbarer Teil vom Stromkreis ganz unabhängig, einfach aus Eisen und Kupfer gebaut ist und seinen Strom durch Induktion und ohne Stromwender und leitende Verbindungen empfängt, hat zur Erbauung von Einphasenmotoren für gewöhnlichen Wechselstrom geführt; diese Motoren gleichen den Mehrphasenmotoren darin, daß der drehbare Teil seinen Strom nur durch Induktion empfängt.

1886 veröffentlichten John und Edward Hopkinson¹) eine bedeutsame Abhandlung, worin sie, von theoretischen Betrachtungen über die Induktion des Magnetismus in einem magnetischen Kreise gegebener Form und gegebenen Materiales ausgehend, eine Theorie der Dynamomaschine entwickelten. Die große Brauchbarkeit ergibt sich aus der Tatsache, daß es mit Hilfe dieser Theorie möglich ist, die Leistung einer Maschine mit außerordentlicher Genauigkeit aus dem durch die Werkzeichnungen gegebenen genauen Entwürfe vorherzubestimmen.

Weitere Beiträge zur Theorie der Dynamomaschinen haben Lord Kelvin²) (Wickelungen zur Erzielung des größten Wirkungs-

1)    Phil. Trans., Bd. i. S. 331. 1886.

2)    Journ. de Phys., Ser. 2, Bd. 2. S. 240. 1887; Compt. rend., Bd. 93.

S. 474. 1881.

grades). Kapp¹) (Vorherbestimmung der charakteristischen Kurve), Rücker²) (Grenzen der Selbstregulierung), Esson³) (Entwurf viel-poliger Maschinen) u. a. geliefert. Hering⁴), Fritsche⁵) und Arnold⁶) veröffentlichten Studien über die Wirkung der Anker; von dem zuletzt Genannten stammt eine Formel für alle Arten von Gleichstrommaschinen mit geschlossener Ankerwickelung. Methoden zur Zergliederung der verschiedenen Energieverluste durch Reibung, Hysterese und Wirbelströme sind von Mordey⁷) und später unabhängig von Kapp⁸) und Housmann⁹) angegeben worden. Die Theorie der Wechselstrommotoren, sowohl der asynchronen, wie der synchronen, ist in der jüngsten Zeit von verschiedenen Schriftstellern eingehend behandelt worden.

Der Leser wird verwiesen auf des Verfassers Buch über Mehrphasenströme¹⁰), auf Steinmetz, Wechselstromerscheinungen¹¹), und Behrends Induktionsmotor¹²).

Außergewöhnlich große Aufmerksamkeit ist der Frage der Stromwendung in Gleichstrommaschinen und der Unterdrückung der Funken am Kommutator zugewandt worden. Vergl. die Studien von Thomas, Reid, Hawkins, Fischer-Hinnen, Arnold, Kapp, Parshall und Hobart¹³).

1)    Journ. Soc. Telegr. Eng., Bd. 15, S. 518. 1887.

2)    Phil. Mag., Ser. 5, Bd. 19, S, 462. Juni 1885.

3)    Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 20. 1891.

4)    Hering, Principles of Dynamo-electric Machines, New York, 1889.

5)    Fritsche, Die Ankerwicklung der Gleichstrommaschinen, Berlin 1891.

6)    Arnold, Die Ankerwickelung der Gleichstrom-Dynamomaschine. Berlin 1891, 3. Aufl. 1899.

7)    Journ. Inst Electr. Engin., Bd. 18. S. 620. 1889.

8)    Electrician, Bd. 26, S. 700. 1891.

9)    Ebenda, auch Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 20, S. 303. 1891.

10) S. P. Thompson, Mehrphasige elektrische Ströme und Wechselstrom - Motoren.

2. Aufl.

Deutsch von K. Strecker und F. Vesper.

Halle a. S. 1904.

11)    C. P. Steinmetz, Theorie und Berechnung der Wechselstromerscheinungen. Berlin 1900.

12)    B. A. Behrend, The induction motor. New York 1904.

13)    Thomas, The Electrician, Bd. 40, S. 557. 1898; Reid, Trans. Amer.

Inst. El. Eng., 15. Dezember 1897; Hawkins, The Electrician, Bd. 39, S. 13. 1897; Fischer-Hinnen, Elektrotechn. Zeitschr., Bd. 19, S. 850.    1898;

Arnold, Elektrotechn. Zeitschr., Bd. 20, S. 5 u. 97. 1899; Kapp, Elektrotechn. Zeitschr., Bd. 20, S. 32. 1899; Parshall, Electric generators, London 1900; Hobart, Journ. Inst. El. Eng., Bd. 31, S. 170. 1901.

Das neueste Problem, das allgemein zur Diskussion steht, ist der Antrieb und die Erregung der Wechselstromerzeuger, die parallel geschaltet werden sollen. Um die Aufgabe und ihre Bedeutung kennen zu lernen, wird der Leser auf die Aufsätze von Leblanc verwiesen.

Die Methoden, welche man beim Entwurf der Dynamomaschinen zu befolgen hat, und die richtige Bemessung der verschiedenen unvermeidlichen Verluste ist neuerdings ausführlich besprochen worden von Parshall, Rothert, Hobart, Mavor, Esson, Scott u. a.³⁰). Das neueste Buch über Gleichstrommaschinen ist das von Arnold³¹).

Kapitel III.

Physikalische Theorie der dynamoelektrischen

Maschinen.

Alle dynamoelektrischen Maschinen beruhen auf dem von Faraday im Jahre 1831 entdeckten Vorgang, daß elektrische Ströme in Leitern entstehen, sobald letztere sich in einem magnetischen Felde bewegen. Dieser Grundsatz kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

Wenn ein Leiter in einem magnetischen Felde so bewegt wird, daß er die Kraftlinien schneidet, so wird im Leiter eine elektromotorische Kraft erregt, und zwar in einer Richtung, die rechtwinkelig zur Bewegungsrichtung und rechtwinkelig zur Richtung der Kraftlinien steht.

Fleming hat eine sehr zweckmäßige Regel angegeben, um den Zusammenhang zwischen Bewegung, Magnetismus und induzierter elektromotorischer Kraft dem Gedächtnisse einzuprägen. Man halte den Daumen, den Zeige- und den Mittelfinger der rechten Hand so, daß die drei Finger, wie Fig. 16 andeutet, nahezu rechte Winkel miteinander bilden, um drei rechtwinkelige Achsen im Raume darzustellen. Wenn der Daumen die Richtung der Bewegung und der Zeigefinger die Richtung der Kraftlinien angibt, so zeigt der Mittelfinger die Richtung der induzierten elektromotorischen Kraft¹).

i) Eine gebräuchlichere Eriuueruugsregel für die Richtung der induzierten Ströme ergibt sich aus der Übertragung der bekannten Regel von Ampère: Man denke sich eine Figur im Leiter schwimmend und nach der positiven Richtung der Kraftlinien schauend. Wenn dann die Figur mit dem Leiter nach rechts zu bewegt wird, so schwimmt die erstere mit dem bei dieser Bewegung induzierten Strom. Oder: Man denke sich im magnetischen Felde befindlich, so daß die Kraftlinien in ihrer positiven Richtung bei den Füßen ein- und beim Kopfe austreten, und blicke in der Richtung, nach der der Leiter sich bewegt; die induzierte elektromotorische Kraft ist dann nach rechts gerichtet.

Die induzierte elektromotorische Kraft ist, wie Faraday gezeigt hat, proportional der Menge der Kraftlinien¹), die in der Sekunde geschnitten werden; also proportional der Feldstärke, der

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Fig. 16. Rechte Hand. Darstellung der Regel von Fleming.

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Länge und der Geschwindigkeit²) des bewegten Leiters. Nach Ohms Gesetz ist für stetige Ströme die Stromstärke im Leiter gerade

Eine weitere Rechte-Hand-Regel ist folgende: Halte den Daumen rechtwinkelig zu den Fingern in der Ebene der Handfläche. Denke, die magnetischen Linien des Feldes dringen senkrecht in die innere Handfläche ein und laß dann die Hand sich in der Richtung des Daumens bewegen. Der Zeigefinger gibt dann die Richtung der induzierten EMK an.

1)    Die Bedeutung des Ausdruckes »Menge der Kraftlinien- wird im Kapitel IV näher erläutert.

2)    Wenn die Bewegungsrichtung nicht rechtwinkelig zur Feldrichtung steht, so muß die Geschwindigkeitskomponente, welche zum Felde senkrecht steht, als wirkliche Geschwindigkeit angesehen werden.

proportional der elektromotorischen Kraft und umgekehrt dem Widerstande des Leiters. Auf plötzlich erfolgende Stromstöße oder auf Ströme von schnell veränderlicher Stärke ist das Gesetz nicht anwendbar.

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Fig. 17. Magnetisches Feld eines Stabmagnetes.

Einer der wesentlichsten, aber zu häufig übersehenen Umstände bei dem Bau von Dynamomaschinen ist der, daß durchaus nicht allein der Widerstand einer Drahtspule oder eines Kreises die Entstehung eines momentanen Stromes erschwert, sondern daß elektromotorische Gegenkräfte vorhanden sind, welche von der »Selbstinduktion« herrühren, die von einem Teile der Spule oder des Kreises auf einen anderen Teil oder auf andere Teile desselben Kreises ausgeübt wird. In vielen Fällen, bei Strömen, die plötzlich oder im raschen Wechsel sich ändern, wirkt diese »Reaktanz« ebenso bedeutend, und in einigen Fällen noch bedeutender ein, als der Widerstand. In die Reaktanz tritt auch häufig die Wirkung irgend einer im Kreise liegenden Kapazität (wie z. B. die eines Kondensators) ein.

Um den Faraday-schen Vorgang genau zu verstehen, wie durch Bewegung eines die Kraftlinien schneidenden Leiters ein elektrischer Strom im Leiter entstehen oder induziert werden kann, ist es notwendig, näher auf das Wesen des elektrischen Stromes einzugehen.

Ein vom elektrischen Strome durchflossener Draht erscheint von einem anderen Drahte durchaus nicht verschieden. Niemand hat jemals Elektrizität fließen sehen oder weiß genau, wie dies erfolgt. Es ist eine noch umstrittene Frage, wie die Elektrizität fließt, ob zwei in entgegengesetzter Richtung gleichzeitig fließende Ströme vorhanden sind, oder nicht. Eins aber ist gewiß: die Energie fließt überhaupt nicht in und entlang der Substanz des Drahtes, sondern wird durch das umgebende Mittel übertragen.

Solange wir nicht bestimmt wissen, was Elektrizität ist, so lange können wir auch keine genaue Kenntnis über die Natur des Stromes erlangen. Aber kein Elektriker hegt Zweifel in betreff des sehr wichtigen Umstandes, daß die magnetischen Kräfte, die dem Drahte beiwohnen, wenn er von einem Strome durchflossen wird, ganz und gar nicht im Drahte, sondern in dem umgebenden Raume herrschen.

Jeder weiß, daß der Raum oder das »Feld« um einen Magnet von magnetischen Kräften erfüllt ist, deren Richtung und Stärke

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durch die »Kraftlinien« dargestellt werden. Diese Linien gehen in Büscheln vom Nordpol aus und laufen zum Südpol (vergl. Fig. 17).

Sie sind unsichtbar, bis man sie durch Aufstreuen von Eisenfeilspänen kenntlich macht; tatsächlich sind aber die Linien stets vorhanden und können auf mehrere verschiedene Arten wahrgenommen werden.

Die Ansicht des magnetischen Feldes an dem Polende eines Stabmagnetes (gegen die Endfläche gesehen) zeigt lediglich radiale Linien (Fig. 18).

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Fig. i8. Magnetisches Feld um einen Pol.

Jeder sogen, elektrische Strom ist von einem magnetischen Felde umgeben, dessen Linien in ähnlicher Art dargestellt werden können. Zu diesem Zwecke bohrt man ein Loch in eine Karte oder eine Glasscheibe und steckt den Stromleiter hindurch. Werden dann Feilspäne auf die Karte oder Scheibe gestreut, so nehmen die Kraftlinien die Form konzentrischer Kreise an (Fig. 19). Die Linien laufen nicht in Büscheln aus, sondern vollständig rund um den Draht herum.

Jeder Stromleiter ist von einer Art magnetischen Wirbels, wie die Fig. 20 zeigt, umgeben.

Ein großer Teil der Energie des sogen, elektrischen Stromes in einem Drahte besteht in diesen äußeren magnetischen Wirbeln. Ihre Entstehung bedingt einen Energieverbrauch; sie wachsen und breiten sich von dem Drahte in dem Raume aus, wie von einem zentralen Kern. Der Strom erreicht nicht sogleich beim Entstehen seine volle Stärke; ein Teil seiner Energie wird während der ersten Zeit, in der der Strom noch anwächst, zur Erzeugung des umgebenden Feldes verbraucht. Bei einer Unterbrechung des Stromes kehrt diese Energie des umgebenden Feldes in den Stromkreis

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Fig. 20. Magnetischer Wirbel um einen Stromleiter.

Fig. ig. Magnetisches Feld um einen Stromleiter (Querschnitt).

zurück, so daß das Feld, während es verschwindet, das Bestreben besitzt, den Strom zu erhalten; hierdurch wird der bekannte Unterbrechungsfunke erzeugt. Die magnetischen Wirbel wirken auf Magnete ein und suchen sie, wie es bei Galvanometernadeln der Fall ist, rechtwinkelig zum Stromleiter zu stellen.

Hiernach kann Faradays Grundgesetz der Induktion folgendermaßen ausgedrückt werden: Wird ein Draht in der Nähe eines Magnetes durch das Kraftfeld bewegt, und schneidet der Draht die Kraftlinien, so werden rund um den sich bewegenden Draht magnetische Wirbel erregt, oder mit anderen Werten: es entsteht ein sogen, elektrischer Strom in dem Drahte. Wird ein Magnetpol in eine Drahtschieife oder in einen Drahtkreis eingeführt, so entsteht in dem Drahte ebenfalls ein plötzlicher Strom, weil sich augenblicklich magnetische Wirbel bilden. Nach der Ausdrucksweise von Faraday vermehrt diese Tätigkeit die Menge der Kraftlinien, welche der Stromkreis faßt.

Soll Induktion stattfinden, so muß die Bewegung des Leiters — entweder eines ganzen Kreises oder eines Teiles davon — so vor sich gehen, daß die Menge der Kraftlinien, welche der ganze Kreis einschließt, sich ändert. Ohne Änderung der vom Kreise eingeschlossenen Kraftlinienmenge ist keine Induktion möglich. Dagegen tritt immer und in jedem Kreise Induktion auf, wenn sich irgendwie die Kraftlinienzahl ändert, auf welche Weise auch immer dies geschehen mag.

Bei dem Vorgang, weicher homopolare oder unipolare Induktion genannt wird (Kapitel XXIII) bewegen sich Leiter mit Schleifkontakten fortwährend durch ein gleichmäßiges Feld; Umkehrungen des Feldes finden nicht statt.

Ist das Kraftfeld kein gleichförmiges, so werden durch einfache Bewegung der Drahtschleife von einem Orte mit größerer Dichtigkeit der Linien zu einem Orte mit geringerer Dichtigkeit oder umgekehrt Ströme erzeugt. Falls die Bewegung dann nach einer Stelle gerichtet ist, wo die Kraftlinien in umgekehrter Richtung verlaufen, so ist die Wirkung die gleiche, wird jedoch kräftiger sein.

In den folgenden Sätzen fassen wir unsere Betrachtungen und einige unmittelbare Folgerungen zusammen:

1.    Um Ströme in einem Leiter zu induzieren, müssen Leiter und Magnet sich gegeneinander verschieben, und zwar derart, daß die durch den Kreis eingeschlossene Menge der Kraftlinien sich ändert.

2.    Durch Vermehrung der Menge eingeschlossener Kraftlinien wird eine elektromotorische Kraft erzeugt, die der durch Abnahme hervorgebrachten entgegengesetzt gerichtet ist.

3.    Je kräftiger der Magnetpol oder das Feld ist, desto größer wird die elektromotorische Kraft.

4.    Mit der Geschwindigkeit der Bewegung wächst die elektromotorische Kraft.

5.    Sind mehrere bewegte Leiter hintereinander geschaltet, so addieren sich die in den einzelnen 'keilen erzeugten elektromotorischen Kräfte; deshalb läßt sich eine sehr hohe elektromotorische Kraft erhalten, wenn man zahlreiche Spulen in geeigneter Verbindung anwendet.

6.    Da die Quantität oder Stärke des Stromes ebensowohl von dem Widerstand der den Kreis bildenden Leiter abhängt, als von der elektromotorischen Kraft, so ist jeglicher nutzlose Widerstand zu vermeiden.

7.    Da die Menge der magnetischen Kraftlinien begrenzt ist, so muß der Vorgang der Stromerzeugung in einer Maschine, der darin besteht, die Menge der von dem beweglichen Leiter umschlossenen Kraftlinien zu- und abnehmen zu lassen, notwendig Ströme von wechselnder Richtung hervor-bringen:

8.    Durch Anwendung eines passenden Stromwenders kann man alle Ströme, die während der Entfernung und Annäherung hervorgebracht werden, in dem Zuführungsleiter zum äußeren Stromkreise in gleiche Richtung bringen. Wenn dann die umlaufenden Spulen so angeordnet sind, daß ein Spulensatz in Tätigkeit gelangt, ehe die elektromotorische Kraft im vorhergehenden Satz verschwunden ist, wird es durch Arerwendung des geeigneten Stromwenders möglich, die verschiedenen getrennten Ströme in einen für die Praxis gleichförmigen Strom zu vereinigen.

9.    Da die Induktion von der gegenseitigen Bewegung des Leiters und der Kraftlinien abhängt, so ist es nur eine Präge der mechanischen Anordnung, ob der Magnet feststehen und der kupferne Leiter sich bewegen soll, oder ob umgekehrt der Magnet bewegt wird und der Leiter ruht.

10.    Für den bewegten Leiter, der die elektromotorische Kraft erzeugt, indem er die Kraftlinien schneidet, kommt es nicht in Betracht, ob die Kraftlinien einem Dauermagnet aus Stahl oder einem Elektromagnet entstammen, wenn nur die Zahl der geschnittenen Kraftlinien die gleiche ist.

11.    Für den bewegten Leiter kommt der Ursprung der Bewegung nicht in Betracht. Ob die Bewegung durch eine Dampfmaschine oder eine Gaskraftmaschine, oder durch die Triebkraft eines elektrischen Stromes, der im Draht selbst fließt (wie bei elektrischen Motoren) hervorgebracht wird, ist

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

gleichgültig; vorausgesetzt, daß die Geschwindigkeit, sowie die Menge der geschnittenen Kraftlinien gegeben sind, wird auch gleiche elektromotorische Kraft erzielt werden.

Zur besseren Klarlegung der Betrachtungen, die bei Besprechung der einzelnen Maschinenformen anzustellen sind, ist es zweckmäßig, zunächst einige grundsätzliche Punkte für den allgemeinen Mechanismus und Plan von Dynamomaschinen zu erläutern. Zuerst werden die verschiedenen wesentlichen Teile einer Maschine zu behandeln sein. Danach sind die Vorgänge in einer im Betriebe befindlichen Maschine zu betrachten, die Wirkung des magnetischen Feldes auf den umlaufenden Anker, sowie die Rückwirkung des umlaufenden Ankers auf das Feld. Ferner werden die Eigenschaften der Körper zu betrachten sein, mit denen wir uns befassen müssen, besonders die Leitfähigkeit des Kupfers, der Widerstand der Isolierstoffe, und die magnetischen Eigenschaften des Eisens, soweit als dies zum Zwecke des Entwurfes einer Maschine notwendig ist.

Bestandteile der Gleichstrommaschinen.

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Fig. 2i. Ideale einfache Dynamomaschine.

Die denkbar einfachste Dynamomaschine ist in Fig. 21 dargestellt. Eine einzelne rechteckige Drahtschleife dreht sich im einfachen und gleichförmigen magnetischen Felde zwischen den Polen eines starken Magnetes. Steht die Ebene der Drahtschleife senkrecht, so ist die Menge der von rechts nach links hind urchtretenden Kraftlinien ein Maximum; wird die Schleife in die wagerechte Lage gedreht, so sinkt die Menge der durchtretenden Kraftlinien bis auf Null; bei weiterer Fortsetzung der Drehung beginnen die Kraftlinien auf der anderen Seite der Schleife einzutreten, so daß bei einer Drehung um 180 Grad ein negatives Maximum erreicht wird. Während der halben Umdrehung werden Ströme in der Schleife induziert, die in der Richtung von rückwärts nach vorwärts in dem links sich hebenden Schleifenteile und in entgegengesetzter Richtung — nach rückwärts — in dem rechts sich senkenden Schleifenteile verlaufen.

Sobald die Drehung 180 Grad überschreitet, findet die Induktion im umgekehrten Sinne statt; denn die Menge der negativ gedachten Linien nimmt nun ab, was mit einer Vermehrung der Linien in positiver Richtung gleichbedeutend ist. Diese Vermehrung setzt sich fort, bis die Schleife ihre ursprüngliche Lage wieder erreicht, also •eine volle Umdrehung gemacht hat. Wäre jedes Schleifenende mit einem besonderen Metallringe auf der Achse verbunden und läge gegen jeden Ring eine Feder an, so würden durch einen mit dieser Feder verbundenen Drahtkreis Wechselströme fließen. Wenn indessen der Apparat zur Lieferung von Gleichströmen geeignet sein soll, so muß ein besonderes Hilfsmittel hinzugefügt werden. Wir sehen, daß in allen Fällen die Drehung des Ankers zwischen den Polen eines Magnetes Wechselströme erzeugt; wollen wir diesen Strömen abwechselnder Richtung im äußeren Stromkreise gleiche Richtung geben, muß ein zweiteiliger Stromwender angewendet werden.

Dieser Stromwender besteht in seiner einfachsten Form aus einer der Länge nach in zwei Teile zerschnittenen Metallröhre und ist auf einem Zylinder von Hartholz oder anderem isolierenden

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Fig. 22. Zweiteiliger Stromwender.

Fig. 23. Einfache Schleife im einfachen Felde.

Material befestigt; jede Hälfte wird mit einem Ende der Drahtschleife verbunden, wie aus Fig. 21 ersichtlich wird. Gegen den Stromwender drückt ein Paar metallischer Federn oder »Bürsten« (Fig. 22), die die Ströme zum äußeren Stromkreise führen. Wenn die Bürsten so gestellt werden, daß der eine Teil der gespaltenen Röhre von der Berührungsstelle mit der Bürste fort- und der andere Teil zu derselben hingleitet, so werden offenbar in dem Augenblicke, in dem die Schleife die Stelle im Felde durchläuft, wo die Induktion sich umkehrt, die in der Schleife induzierten Wechselströme »gewendet« und in gleicher Richtung in den äußeren Stromkreis geleitet. Man sollte deshalb eine solche Stellung der Bürsten als richtig annehmen, daß die Wendung genau zu dem Zeitpunkte erfolgte, in dem die Schleife sich durch die senkrechte Lage bewegt.

In der Praxis findet man dagegen, daß eine geringe Verschiebung der Bürsten nach vorwärts notwendig ist. Fig. 23 zeigt die Bürsten BB so angeordnet, daß sie den Stromwender nicht genau an dem höchsten und tiefsten Punkte berühren, sondern in

zwei nach der Linie DD verschobenen Punkten. Die Linie DD führt die Bezeichnung »Durchmesser der Strom wen düng«. Wenn wir an Stelle der gedachten einzelnen Schleife eine Wickelung nehmen, die aus vielen Drahtwindungen besteht, wie sie von Sturgeon im Jahre 1835 vorgeschlagen wurde und in der Fig. 24 dargestellt ist, so wird an der Sachlage nichts geändert, nur die gesamte induzierte elektromotorische Kraft wird verhältnismäßig größer, weil in allen Windungen gleichzeitig eine Induktionswirkungauftritt. Wird der beschriebenen Wickelung ein eiserner Kern hin-

Fig. 24. Einfache rechteckige Wickelung.

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Fig. 25. Querschnitt des I - Ankers von Siemens.

Fig. 26. Alte Maschine von Siemens mit I - Anker und Dauermagnet.

zugefügt, so erhält man die im Jahre 1856 von Siemens dem Anker gegebene Gestalt, die sich im Durchschnitte in Fig. 25 zeigt.

Eine kleine magnetoelektrische Maschine alter Form mit einem-solchen Anker stellt die Fig. 26 dar.

Obgleich diese Form schon viele Jahre, außer für kleine Motoren, Rufmaschinen im Fernsprechbetrieb, Zündmaschinen für Automobile u. a., verlassen ist, so gab die Maschine doch eine große Anregung für den Bau neuerer Maschinen; für jede größere Leistung ist sie jedoch vollständig durch die weiter unten beschriebenen Ring-und Trommelanker beiseite geschoben worden.

In ihrer einfachsten Form besteht die Dynamomaschine aus-zwei Hauptteilen:

1.    Einem Anker, der mit einem Kupferleiter umwickelt ist, in dem beim Umlauf des Ankers elektromotorische Kraft induziert wird ;

2.    einem Feldmagnet, d. h. einem Magnet, dessen Bestimmung es ist, magnetische Kraftlinien liervorzubringen, die von den Ankerleitern bei ihrem Umlauf geschnitten werden.

Bei allen Maschinen, mögen sie zur Erzeugung von Gleichstrom oder von Wechselstrom bestimmt sein, lassen sich diese beiden Teile erkennen.

Beinahe in allen Gleichstrommaschinen ist der Feldmagnet unbeweglich und bestellt aus einem verhältnismäßig einfachen und massiven Elektromagnet; der Anker bildet den drehbaren Teil, seine Bauart ist verwickelter. In Wechselstrommaschinen ist der Feldmagnet gewöhnlich vielpolig; die Mehrzal dieser Maschinen besitzt •einen drehbaren Magnet, während der Anker feststeht; es gibt jedoch viele ältere oder kleinere Wechselstrommaschinen, in denen der Anker umläuft und der Feldmagnet feststeht. Die Bezeichnung »Feldmagnet« und »Anker« gibt an sich kein Kennzeichen, ob es sich um Drehung handelt oder nicht. Der Karne »Feldmagnet« kommt jenem Teile zu, der seinen Magnetismus während des Umlaufes ständig beibehält, wobei es gleichgültig ist, ob dieser Teil feststeht oder umläuft; der Name »Anker« kommt demjenigen Teile zu, der beim Betriebe der Maschine seinen Magnetismus in regelmäßig wiederholter Weise wechselt, sei es, daß dieser Teil feststeht oder umläuft. Im Stromerzeuger ist der Anker derjenige Teil, der mit den Leitungen des äußeren Stromkreises verbunden wird und ihnen Strom liefert. Im Motor ist es der Teil, der den Strom von den Leitungen empfängt.

Man unterscheidet jetzt gewöhnlich zwei Gattungen von Maschinen, A mit feststehendem Magnet und drehbarem Anker, B mit ruhendem Anker und umlaufendem Magnetrad. Unter den Wechselstrommaschinen gibt es noch eine dritte Gattung, die Induktormaschinen, in denen sowohl die Feldmagnete, wie die Ankerspulen ruhen und der umlaufende Teil nur aus Induktoren oder Ankern aus Eisen besteht.

Bei Gleichstrommaschinen kommt noch ein anderer Teil von großer Bedeutung in Betracht: nämlich ein zur Aufnahme oder zum Sammeln der vom umlaufenden Anker abgegebenen Ströme bestimmter Apparat. Dieser besteht aus zwei wesentlichen Teilen: dem Stromwender (oder Stromsammler, Stromabgeber), der am Anker sitzt und mit ihm umläuft, und den Bürsten. Die Bürsten bilden leitende Kontaktstücke, die sich gegen die Oberfläche des umlaufenden Stromabgebers legen, und sind mit besonderen Bürstenhaltern versehen, die an einer stellbaren Vorrichtung, dem Bürstenhebel, angebracht werden.

Bei Wechselstrommaschinen ist kein Stromwender erforderlich; im allgemeinen sind solche Maschinen nur mit einer Vorrichtung versehen, die eine gleitende Verbindung vermittelt. Bei der Gattung A der Wechselstrommaschinen müssen sich die Spulen in beständiger metallischer Verbindung mit den Zuleitungen des Hauptkreises befinden; bei den Formen der Gattung B müssen gleitende Kontakte vorhanden sein, damit die Wickelungen des umlaufenden Feldmagnetes in beständiger metallischer Verbindung mit dem zur Erregung bestimmten Hilfskreise stehen. In jedem Falle besteht die zweckentsprechende Anordnung aus einem Paar Schleifringen, gegen jeden Ring liegt eine Bürste an.

Zu den aufgezählten elektrischen und magnetischen Teilen kommen noch rein mechanische. Der umlaufende Teil muß auf einer ■ geeigneten Achse befestigt werden, deren Herstellung eine rein mechanische Sache ist. Um die Kraft von der Achse auf die umlaufenden Ankerleiter zu übertragen, muß der umgetriebene Teil sicher mit der Achse verbunden werden. Hierzu dienen Naben und Kerne, welche die Kernscheiben tragen. Die letzteren sind fast immer am Umfang geschlitzt, so daß Nuten und Zähne entstehen, die ersteren nehmen die Kupferleiter auf. Manchmal findet man noch glatte Anker, auf deren Oberfläche die Wickelung durch Bandagen befestigt wird, während besondere Arme zur Übertragung der Kraft dienen. Die Achse selbst muß in passenden Lagern laufen, die mit Schmiergefäßen zu versehen sind, um das Heißlaufen der Achse vermeiden zu können. Zur Übertragung der Kraft von der treibenden Maschine ist ein Vorgelege oder ein Getriebe anzubringen, wenn nicht die Dynamomaschine mit der treibenden Maschine unmittelbar gekuppelt wird. Endlich muß die ganze Dynamomaschine auf einer geeigneten Grundplatte aufgebaut werden; zuweilen ist die Grundplatte auf Schienen verschiebbar, so daß man die Maschine mittels Schrauben verschieben kann, wenn der Treibriemen schlaff geworden ist.

Anker.

Auf die einfache Schleife zurückkommend, wollen wir eine solche in ihrer Beziehung zu dem zweiteiligen Stromwender etwas näher betrachten; vergl. Fig. 27. Dieselbe gespaltene Röhre oder derselbe zweiteilige Stromwender wird auch für eine Schleife von zwei oder mehr Windungen genügen, wie Fig. 28 zeigt.

Wir dürfen aber auch anstatt einer Schleife eine kleine Wickelung nehmen, die in mehreren Windungen auf einen Ring gewunden ist. Diese Spule (Fig. 29) kann als eine Abteilung eines

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Fig. 29. Einfacher Ring-anker mit einer Wickelung.

Fig. 27. Einfache Schleife als Anker.

Fig. 28. Ankerschleife mit zwei Windungen.

Pacinottischen oder G ramm eschen Ringes betrachtet werden; durch sie gehen ebenso Kraftlinien, wie durch die Schleife. In der dargestellten Lage befindet sie sich auf dem höchsten Punkte ihres Ganges, und die Menge der hindurchtretenden Kraftlinien ist ein Maximum. Bei der Drehung nimmt die Menge der hindurchtretenden Kraftlinien ab und wird Kuli, sobald eine Verschiebung um 90 Grad

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Fig. 30. Einfacher Ringanker mit zwei parallelen Wickelungen.

Fig' 3¹- Einfache Ankerschleife mit zwei parallelen Wickelungen.

aus der ursprünglichen Lage eingetreten ist. Es ist aus dem Gesagten leicht zu erkennen, daß eine zweite, an der gegenüberliegenden Seite des Ringes angebrachte Spule eine gleiche induktive Tätigkeit in demselben Augenblicke entfalten muß und daher auch mit dem Stromwender verbunden werden darf. Werden die zwei Spulen nebeneinander geschaltet, wie Fig. 30 zeigt, so bleibt die elektromotorische Kraft dieselbe, wie bei jeder einzelnen Spule, aber der Widerstand der beiden verbundenen Spulen beträgt nur die Hälfte des Widerstandes einer einzelnen Spule.

Es ist klar, daß man zwei parallele Schleifen in ähnlicher Weise mit einem zweiteiligen Stromwender verbinden kann. Hätte jede Schleife eine Windung, so stellt Eig. 31 die Anordnung dar; indessen ist die Methode der Verbindung ebenso für Schleifen mit vielen Windungen anwendbar.

Alle derartigen Anordnungen, die die Benutzung eines zweiteiligen Stromwenders in sich schließen, einerlei, ob es sich nur um einen Kreis oder um zwei parallele Kreise in den herangeführten Spulen handelt, haben den Nachteil, daß die Ströme nicht vollkommen ununterbrochen (kontinuierlich) sind, wenn sie auch durch den Stromwender gleiche Richtung erhalten.

In einer einzelnen Spule würden ohne Stromwender-während aufeinander folgender Umdrehungen Ströme erzeugt werden, die in

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Fig. 32. Sinuskurve zur Darstellung eines Wechselstromes.

Fig. 34. Vierteiliger Ringanker mit geschlossener Wickelung.

Fig. 33. Kurve zur Darstellung eines gleichgerichteten Wechselstromes.

ihrem Verlaufe durch eine sinusoïdale Kurve (Fig. 32) graphisch dar-gestellt werden können. Werden durch Anbringung eines Stromwenders die abwechselnden Hälften dieser Ströme umgekehrt, so dass ihre Richtung im äußeren Stromkreise dieselbe bleibt, so sind die Ströme gleichgerichtet, aber nicht im strengen Sinne ununterbrochen, sondern von der Gestalt in Fig. 33, die zwei während jeder Umdrehung der Spule erzeugte Ströme darstellt. Die Ströme sind nun »gewendet« oder »gleichgerichtet«, aber nicht ununterbrochen.

Um den Strömen ununterbrochenen Zusammenhang zu geben, müssen wir vom einfachen zweiteiligen Stromwender zu einem solchen mit größerer Zahl der Teile übergehen und demzufolge eine größere Spulenzahl anbringen. Die Spulen sind so anzuordnen, daß ein Satz in Tätigkeit gelangt, wenn die Tätigkeit des anderen aufhört. Befestigen wir auf unserem eisernen Ringe zwei Sätze Spulen, deren Ebenen in rechten Winkeln sich schneiden, wie in Fig. 34, so daß ein Satz in die Lage der höchsten Wirksamkeit gelangt, während der andere am geringsten beeinflußt wird (einer steht parallel, der andere senkrecht zu den Kraftlinien) und ihre Tätigkeit sich übereinander lagert, so wird, wie Fig. 35 zeigt, wohl ein ununterbrochener, aber kein gleichmäßiger Strom hervorgebracht, denn er zeigt für jede Umdrehung vier kleine Wellen. Wird eine größere Zahl getrennter Wickelungen angewendet und lagern sich deren Wirkungen, in regelmäßigen Zwischenräumen zusammentreffend, übereinander, so entsteht eine ähnliche Kurve, aber mit entsprechend zahlreicheren und weniger erhabenen Kuppen. Ist die Zahl der Spulen sehr groß und sind die gegenseitigen Überdeckungen der Kurven vollständiger, so stellt sich die Reihe der Kuppen praktisch als eine gerade Linie dar, d. h. der Strom ist für die Praxis dann gleichbleibend stark zu nennen.

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Wie die Fig. 34 darstellt, sind sämtliche vier Wickelungen zu einem geschlossenen Kreise vereinigt; das Ende der ersten ist mit dem Anfänge der zweiten verbunden, und so der Reihe nach weiter; die letzte Abteilung schließt sich an die erste an. Um die Wirkung der Wickelungen

Fig. 35. Kurve eines nicht stetigen Gleichstromes.

Fig. 36. Vierteiliger Trommelanker mit geschlossener Wickelung.

vollkommen gleichförmig zu gestalten, muß man eine sehr große Zahl Abteilungen anwenden, die in regelmäßiger Folge und in regelmäßigen Zwischenräumen eine nach der anderen die Lage der stärksten Induktion erreichen.

Fig. 36 stellt einen mit zwei Spulenpaaren in rechten Winkeln zueinander bewickelten Trommelanker mit einem vierteiligen Stromabgeber dar. Aus den Fig. 34 und 36 ergibt sich, dass jede Spulenabteilung mit der nächsten der Reihe nach verbunden ist; die WTindungen bilden daher einen einzigen geschlossenen Kreis. Ebenso ist das Ende jeder Abteilung und der Anfang der folgenden mit einem Streifen des Stromabgebers verbunden. In der Praxis wrerden die Teile (Streifen oder Stäbe) des Stromabgebers nicht aus Längsstücken eines Metallrohres hergestellt, sondern sie bestehen aus einer Anzahl paralleler Stäbe von Kupfer, hartgezogen oder geschmiedet, die an dem Umfange eines isolierenden Zylinders befestigt sind, wie aus

Fig. 39 zu ersehen ist. Es ist noch zu bemerken, daß in dem ununterbrochenen Kreise um den Anker der Strom zwei Wege in der Wickelung von einer Bürste zur anderen findet, wie in allen Ring- und Trommelankern; die Fig. 84 und 36 zeigen dies in vereinfachter Art.

Die für vierteilige Anker passenden Schlußfolgerungen gelten auch für einen Anker mit noch größerer Zahl der Wickelungen, wie ein solcher in Fig. 38 dargestellt ist.

In den folgenden Kapiteln wird hierüber weiteres enthalten sein. Hier mag noch erwähnt werden, daß in allen geschlossenen Ankerwickelungen, seien diese Ring- oder Trommelwickelungen, der Stromabgeber oder Stromwender ebenso viele Teile erhalten muß

als die Wickelung Abteilungen enthält.

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Fig. 37. Einfacher Ringanker zur Darstellung der Verbindungen der Wickelung.

Der besondere Fall bei Ankern mit offenen Wickelungen wird im Kapitel XXII erläutert. In derartigen Maschinen werden die Spulen nicht reihenweise hintereinander verbunden; an Stelle des gebräuchlichen Stromabgebers mit einer großen Zahl paralleler Stäbe tritt ein Stromabgeber besonderer Bauart.

Die bis jetzt betrachteten Formen waren die »Trommel«- und »Ring«-Anker; diese sind indessen nicht die allein möglichen. Das Ziel aller derartigen Wickelungsschaltungen ist, wie schon auseinandergesetzt: einen für praktische Zwecke als ununterbrochen und gleichmäßig anzusehenden Strom zu erhalten. Theoretisch müßte jeder Umdrehungskörper, um den die Spulen symmetrisch gelegt werden, dem Zweck genügen. Unter diesen Formen sind Kugel und Kegel einbegriffen, und sind wirklich versucht worden, aber praktisch werden nur folgende Ankerformen gebraucht:

1.    Ringanker, deren Wickelungen auf einem Ringe gruppiert sind; die Haupt-Symmetrieachse ist auch die Drehungsachse.

2.    Trommelanker, deren Wickelungen der Länge nach über der Oberfläche einer Trommel oder eines Zylinders liegen.

3.    Polanker mit Wickelungen auf besonderen Polen, die am Umfange einer Scheibe oder einer Nabe speichen- oder strahlenförmig hervorragen.

4. Scheibenanker, deren Wickelungen flach auf einer Scheibe liegen.

Der Scharfsinn der Erfinder hat besonders drei Ziele verfolgt: den ununterbrochenen Zusammenhang und die gleichbleibende Stärke der Ströme praktisch zu erreichen, die Wirbelstöme (Foucault-Ströme) in den Kernen zu vermeiden und den nutzlosen Widerstand zu vermindern.

Die Erfinder begnügen sich meist damit, den Strom durch Anwendung zahlreicher Wickelungsabteilungen möglichst zusammenhängend zu gestalten. In Pacinottis alter Maschine waren die \\ ickelungen zwischen vorstehende Zähne eines eisernen Ringes gelegt. Gramme zog vor, die Wickelungen um die ganze Ober-

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Fig. 38. Ringanker einer Maschine von Gramme.

fläche ein.es ringförmigen eisernen Kernes zu legen; um die schädlichen Wirbelströme zu vermeiden, wendete er an Stelle der massiven Kerne ein Bündel gefirnisten, in vielen Windungen liegenden Eisendrahtes an.

Für Ringanker werden gegenwärtig dünne Kernscheiben aus Eisenblech allgemein bevorzugt. Bei scheibenförmigen Ringankern werden die Kerne aus Bändern aufgebaut. Diejenigen Teile der Kupferwickelungen, die innen durch den Ring laufen, schneiden keine Kraftlinien, falls nicht Polstücke des Feldmagnetes nach innen vorragen. Bei den gewöhnlichen Formen der Dynamomaschine mit äußeren Magneten wirken die inneren Teile der Ringwickelung daher lediglich als Leiter und nicht als Induktoren; sie stellen einen bestimmten Betrag schädlichen Widerstandes dar. In gut gebauten Maschinen ist dieser Widerstand indessen ohne Bedeutung gegenüber dem Widerstande des äußeren Kreises, der Nachteil des schädlichen Widerstandes ist gering.

Bei einigen großen deutschen Maschinen befindet sich der Ring außerhalb der Feldmagnete, so daß der äußere Teil der Wickelung nicht induziert wird und untätig bleibt; die Ströme werden unmittelbar von dem Ringe durch Bürsten entnommen, die auf dem Umfange schleifen. Die verschiedenen Arten der Wickelung und Verbindung der Leiter auf dem Anker werden im Kapitel VIII eingehend erörtert

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Fig.39- Trommelanker der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft.

werden. Ein vollständiger Ringanker mit dem Stromabgeber und Riemenscheibe ist in der Fig. 38 dargestellt.

Trommelanker, wie solche zuerst von Siemens hergestellt wurden, besaßen Kerne aus Eisendraht, der auf einen inneren nicht magnetischen Kern gewickelt wurde. Weston wendete dafür gestanzte Eisenscheiben mit Zähnen an.

Fig. 40. Einfacher Polanker.

Ein vollständiger Trommelanker ist in der Fig. 39 abgebildet. Man sieht das Übergreifen der Wicke-— lungen am Ende der Trommel, die Verbindungen mit dem Stromabgeber und die äußeren Bindedrähte, die das Auseinanderfliegen der Wickelung verhindern.

Seit der Einführung vielpoliger Maschinen ist in den letzten Jahren das Bestreben darauf gerichtet, dem Anker mehr und mehr die Gestalt eines Schwungrades zu geben, dessen Durchmesser weit größer ist, als die axiale Länge.

Polanker, deren Wickelungen auf radienartig vorstehende Pole gelegt sind, wurden von Allan, Lontin und Weston hergestellt. Das Prinzip der Lontin sehen Maschinen, in denen die Spulen wie die Abteilungen eines Pacinottisehen oder Gramm eschen Ringes verbunden werden, zeigt die Fig. 40.

Dies ist keine geeignete Bauart für Gleichstromanker, denn die Selbstinduktion in jeder Unterabteilung ist so groß, daß die Maschine nicht laufen kann, ohne zu funken. Polanker werden indes in einigen Wechselstromerzeugern und in der Westinghouseschen Bogenlichtmaschine benutzt.

Die Scheibenanker zerfallen in zwei Arten:

1. solche, deren Wickelungen als eine Anzahl kleiner, nebeneinanderliegender Spulen angeordnet sind; diese Einrichtung

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Fig. 4i. Scheibenanker der Maschine von Fritsche.

ist zweckmäßig für Wechselstrommaschinen, z. B. für die Maschinen von Siemens, Ferranti und Mordey;

2. solche, deren Wickelungen einen beträchtlichen Peripheriewinkel überdecken, wie z. B. in den Scheibenmaschinen von Pacinotti, von Desrozier und Fritsche, die sämtlich für Gleichstrom bestimmt sind.

Die Fig. 41 zeigt einen Scheibenanker für die Maschine von Fritsche; der Stromabgeber befindet sich am äußeren Umfang der Scheibe. Die mechanischen Schwierigkeiten, die diese Maschinengattung bietet, haben dazu geführt, sie für Gleichstrommaschinen zu verlassen. Bei der Scheibenform sieht man in der Regel von der Zufügung eines Eisenkernes ab, da ein dünner Anker in den verhältnismäßig schmalen Zwischenraum zwischen den Polflächen des Feldmagnetes eingepaßt werden kann.

Ankerkerne.

Wenn Eisen in Ankern verwendet werden soll, so muß es aufgeschnitten oder geblättert sein, um die Erzeugung von Wirbelströmen zu verhindern. Eiserne Kerne müssen deshalb so geteilt werden, daß die Schnittebene senkrecht zu den Drähten steht, in denen eine elektromotorische Kraft induziert wird, oder die Teilung muß in Ebenen parallel zu den Kraftlinien und zur Richtung der Bewegung erfolgen. Aus diesem Grunde sollen Kerne für Trommelanker aus Scheiben von dünnem Eisenbleche hergestellt werden, zylindrische oder längliche Ringanker können Kerne von ausgestanzten Ringen erhalten, die nebeneinander befestigt werden; Flachringanker müssen aus konzentrischen Reifen (Bändern) bestehen.

Kerne aus gefirnißtem Eisendrahte oder dünnen Blechscheiben mit Zwischenlage von Firnis, Asbest, Papier oder Glimmer erfüllen nur teilweise die Anforderungen. Der Mangel an magnetischem Zusammenhänge der Drahtkerne wirkt nämlich bis zu einem gewissen Grade schädlich; es ist besser, wenn das Eisen in derjenigen Richtung, in der es magnetisiert werden soll, nicht unzusammenhängend ist. Die Teilung in Scheiben ist deshalb besser als diejenige in Draht. Massive Eisenkerne sind ganz unzulässig, da Ströme in ihnen entstehen und Erhitzung eintritt. Stärkere Stücke aus einem anderen Metalle als Eisen — z. B. Stückgut oder Phosphorbronze — sollten beim Aufbau eines Ankers durchaus nicht verwendet werden.

Kerne mit Segmentteilung. Bei allen Ankern, deren Durchmesser etwa 60 cm übersteigt, ist es üblich, die Kernscheiben in Segmenten zu stanzen, welche zu Ringen zusammengesetzt werden; in der Regel, außer bei einigen Wechselstrommaschinen, läßt man diese Segmente einander überlappen, um den magnetischen Zusammenhang zu wahren. In vielpoligen Ankern ist es üblich, wenn auch nicht nötig, die Segmente von der Winkelbreite eines Polpaares zu nehmen. Yergl. indessen die Beispiele in späteren Kapiteln.

Maßgebende Gesichtspunkte für den Entwurf einer Maschine.

Wie bereits erläutert worden ist, soll der Feldmagnet eine große Zahl magnetischer Kraftlinien hervorbringen, während es Bestimmung des Ankers ist, die magnetischen Linien zu schneiden.

Der im Anker befindliche Eisenkern kann deshalb als zum magnetischen Felde des Feldmagnetes gehörig betrachtet werden; der eigentliche Anker besteht aus den umlaufenden Kupferleitern. Elektrische Rücksichten bedingen nicht, daß der Eisenkern mit dem Anker umläuft; in mancher Hinsicht würde ein Anker, dessen Kern feststeht, wirksamer sein. Rein mechanische Rücksichten erfordern indessen sowohl für Ring- als auch für Trommelanker, daß der Kern mit der Wickelung umläuft.

In allen Dynamomaschinen ist in jedem Augenblicke die elektromotorische Kraft proportional der Geschwindigkeit, mit der die Kraftlinien geschnitten werden. Diese wiederum ist drei Größen proportional:

1.    der vom Feldmagnet hervorgebrachten Menge der Kraftlinien;

2.    der Zahl der Kupferleiter, die auf dem Anker miteinander verbunden sind;

3.    der Geschwindigkeit, mit der die Leiter in Umlauf versetzt werden.

In Wechselstrommaschinen ändert sich die Geschwindigkeit, mit der die Kraftlinien geschnitten werden, fortwährend in regelmäßiger Periode; in Gleichstrommaschinen wird sie von selbst auf einen Durchschnitt gebracht und infolge der Art und Weise, die Leiter um den Ring oder die Trommel in einen geschlossenen Kreis zu gruppieren und mit dem Stromabgeber zu verbinden, stetig erhalten. Es wird später gezeigt werden, daß bei Gleichstrommaschinen der gewöhnlichen zweipoligen Form die im umlaufenden Anker erzeugte elektromotorische Kraft in folgender Weise berechnet werden kann:

Es betrage die Geschwindigkeit des Ankers oder die Zahl der Umläufe in der Sekunde n, die Zahl der hintereinander geschalteten Leiter auf dem Anker jV, die Menge der durch den Anker tretenden Kraftlinien CD; die elektromotorische Kraft in Volt, die im umlaufenden Anker erzeugt wird, sei E. Dann gilt die Formel:

E = n NO-10~⁸.

Beispiel. In einer Dynamomaschine von Kapp wariV=120, CD = 7170000, die Geschwindigkeit betrug 780 Umläufe in der Minute oder 13 in der Sekunde; die gesamte elektromotorische Kraft beträgt 111 Volt.

In Ankern mit Reihenschaltung oder Reihenparallelschaltung (vergl. Kapitel XIII) weicht die Zahl c der parallelen Stromwege im Anker von der Polzahlp ab; in solchen Fällen wird die Formel:

E — n-N- CD- — • 10~⁸.

Für Wechselstrom maschinell muß die Grundformel durch Einfügung von zwei weiteren Faktoren vervollständigt werden. Derartige Maschinen sind in der Regel vielpolig, aber mit nur einem Stromweg im Anker. Die gesamte magnetische Wirkung wird gefunden, indem man dem vorigen Ausdruck noch mit der Anzahl p der magnetischen Polpaare multipliziert, die den Anker umgeben. Da die Frequenz des Stromes f gleich np ist, so kann diese in die Gleichung eingesetzt werden. Im weiteren ist eine Konstante K hinzuzufügen, deren Zahlenwert (1,8 bis 2,5 in ausgeführten Maschinen) von der verhältnismäßigen Breite der angewendeten Spulen und Polstücke abhängig ist. Die allgemeine Formel für eine Wechsel-strommaschine lautet demnach

E==KpnNO-10-«.

Beispiel. In einer Wechselstrommaschine, die in Schenectady gebaut wurde, ist K = 2,22, p = 12, N = 960, O = 2950000, die Geschwindigkeit beträgt 200 Umläufe in der Minute, f = 40, n = 3,33. Dann Avird E — 2500 Volt.

Aus der Formel ersieht man, daß die elektromotorische Kraft, mit der eine Dynamomaschine arbeitet, durch drei Faktoren bestimmt wird; sie läßt sich durch Vergrößerung eines Faktors oder aller drei Faktoren erhöhen. Für eine gegebene Maschine ist N gleichbleibend; die magnetische Strömung O läßt sich über die Leistungsfähigkeit des Eisenkernes, Kraftlinien aufzunehmen, nicht steigern.

Will man eine neue Maschine entwerfen, so ist klar, daß man jedem der drei Faktoren jeden beliebigen Wert beilegen kann, wenn nur das verlangte Produkt erzielt wird. Es ist demnach eine Frage der Zweckmäßigkeit, ob man beim Entwurf einer Maschine den einen oder den anderen Faktor größer Avählen will. Um (D zu steigern, braucht man einen größeren Eisenquerschnitt und einen verhältnismäßig starken Feldmagnet; dies setzt größere Kosten für das Eisen voraus. Zur Vergrößerung von N muß das GeAvicht und deshalb der Kostenbetrag für die Kupferleiter erhöht werden: denn der Querschnitt der Leiter hängt von dem fortzuleitenden Strome ab, während die elektromotorische Kraft durch die Zahl der Leiter, soAvie durch den Betrag der geschnittenen Kraftlinien bedingt wird. Die Erfahrung zeigt ferner, daß durch Vergrößerung der Kupfer-masse auf einem Ankerkerne gegebener Größe über eine gwisse Grenze hinaus eine ernstliche ScliAvierigkeit auftritt. Die Maschine läuft dann nicht mehr ohne Funkenbildung an den Bürsten. Die-

Steigerung der Geschwindigkeit n begegnet mechanischen Schwierigkeiten wegen der Schmierung und der Gefahr für einzelne Teile, abgeschleudert zu werden; durch mechanische Rücksichten ist daher für die Geschwindigkeit eine Grenze gesetzt. Außerdem ist bei vielen Wechselstrommaschinen die Geschwindigkeit durch die vorgeschriebene Frequenz des Stromes bestimmt. Seit vielen Jahren ist man in der Praxis zur Ermäßigung der Geschwindigkeit übergegangen, auch zur Herabminderung der Kupfermasse, während die Eisenmasse verhältnismäßig groß gewählt wird. Dadurch stellen sich nicht allein die gesamten Kosten einer Maschine niedriger als bei dem umgekehrten Verhältnis von Kupfer und Eisen, sondern es verringert sich auch die Ausgabe und Mühe für die Unterhaltung. Gleichstrommaschinen mit einem verhältnismäßig massiven und kräftigen Feldmagnet geben wenig Funken, erfordern geringere Aufmerksamkeit für die Regulierung, verschleißen weniger an Bürsten und am Stromabgeber als Maschinen mit einem schwachen Feldmagnet.

¹

   Elektrodyn. M assbest. (1846).

²

   Berl. Berichte 1845, S. 1 und 1847, S. 1.

³

   Pogg. Ann., Bd. 51, S. 370. 1840; Bd. 69, S. 181. 1846; Krönigs Journ., Bd. 3, S. 377. 1851. Auch Ann. Chim. Phys., Ser. 3, Bd. 34, S. 451. 1852.

⁴

   Pogg. Ann., Bd. 45, S. 390. 1838.

⁵

   Pogg. Ann., Bd.    85, S. 226; Bd. 87, S. 386. 1852.

⁶

   Ebenda, Bd. 31,    S. 483. 1834; Bd. 34, S. 385. 1835;    Bd.    92, S. 128.    1854.

⁷

   Ami. of Electr., Bd. 4. 5. 1839/40; Phil. Mag., Ser. 3, Bd. 23, S. 263, 347 und 435- ³²43-

⁸

   Ann. Chini. Phys., Ser. 3, Bd. 50, S. 463. 1857.

⁹

   Pogg. Ann., Bd. 84, S. 181. 1851.

¹⁰

   Compt. rend., Bd. 34, S. 342. 1853; Bd. 39, S. 1212. 1854; Bd. 46,. S. 337- 658. 1858.

¹¹

   Proc. Roy. Soc.,    14. März 1867; Phil. Mag., Ser. 4,    Bd.    33, S. 474.    1867.

¹²

   Journ. de Phys.,    Bd. 6, S. 204, 297. 1877; Bd. 7, S. 89. 1878.

¹³

   Arch. de sciences phys., Bd. 55, S. 275. März 1876; Pogg. Ann., Bd. 158, S. 599. 1876.

¹⁴

   Wiener Berichte, Bd. 80, S. 601. 1879.

¹⁵

   Proc. Inst. Mech. Engineers 1879, S. 238 und 1880, S. 266.

¹⁶

   Wied. Ann., Bd. 7, S. 193. 1879.

¹⁷

   Ebenda, Bd. 8, S. 494. 1880.

¹⁸

   Ann. de l’Ecole Norm., Bd. 10, S. 131. 1881; Journ. de Phys., Ser. 2, Bd. 2, S. 293. 1883.

¹⁹

   Proc. Inst. Mech. Engineers 1879, S. 238.

²⁰

   Compt. rend., Bd. 92, S. 1152. 1881; Lum. électr., Bd. 15, S. 1. 1885.

²¹

   Berl. Berichte 1880, S. 962; Elektrot. Zeitschr., Bd. 2, S. 134, 170.

²²

   Wied. Ann., Bd. 15, S. 353. 1883; Bd. 21, S. 385. 1884; Phil. Mag., Ser. 5, Bd. 17, S. 49 u. 119. 1884.

²³

   Lum. électr.,. 3. Dezember 1881 und 5. Januar 1884.

²⁴

   Die Erfindung der Reihen- und Nebenschlußwickelung« wird von Verschiedenen beansprucht. Jedenfalls wendete Brush die Schaltung zuerst an, ob mit Kenntnis aller ihrer Vorteile, bleibt zweifelhaft. Auch von S. A. Varley wurde sie auf Grund seines Patentes Nr. 4905 aus dem Jahre 1876 in Anspruch genommen, da nach demselben zwei Kreise von verschiedenem Widerstande vorhanden waren, die beide Wickelungen des Feldmagnetes enthielten und beide zu den Lampen führten. Varley erlangte eine Entscheidung der schottischen Gerichtshöfe, daß seine Anordnung die von Brush vorwegnehme. Von Sinsteden wurde die gemischte Wickelung 1871 in Pogg. Ann. (Supplementband 5, S. 651) beschrieben. Als Schaltung mit einigen Vorteilen wurde sie von C. W. Siemens in den Philosophical Transactions, März r88o, bezeichnet. Sie wird auch für Lauckert beansprucht (vergl. Anmerkung von Bois tel, S. 100 seiner Übersetzung der ersten Auflage dieses Werkes), für Paget Higgs (Electrical Review, Bd. 11, S. 280, und Electrician, 23. Dezember 1882), für J. W. Swan, vergl. Bosanquet ^ebenda, 9. Dezember 1882), für J. Swinburne (ebenda, 23. Dezember 1882),

²⁵

   Nuovo Cimento, Bd. 19, S. 378- 1865.

²⁶

   Sturgeons Annals of Electricity, Bd. 3, S. 384. 1838; Pogg. Ann., Bd. 31, S. 483. 1838.

²⁷

   Mém. sur la théorie des Machines électromagnétiques.

²⁸

   Englisches Patent [ 186o] Nr. 2587.

²⁹

   Englisches Patent [1882] Nr. 2830. Vergl. Journ. Soc. Telegr. Engineers, Bd. 12, S. 301. 1883.

³⁰

   Parshall, The Electrician, Bd. 46, S. 170. 1900; Rothert, Elektrotechnische Zeitschr., Bd. 24, S. 405. 1903; Hobart, Journ. Inst. El. Eng., .Bd. 31, S. 170. 1901; Mavor, Journ. Inst. El. Eng., Bd. 31, S. 2x8. 1901;

Bd. 32, S. 473. 1902; Esson, Journ. Inst. El. Eng., Bd. 32, S. 329. 1902; Scott, Journ. Inst. El. Eng., Bd. 32, S. 362. 1902.

³¹

   E. Arnold, Die Gleichstrommaschine. Berlin 1902.

³²

1881 ; Bd. 6, S. 128 h 1885: Bd. 9, November 1888.

Methoden zur Erregung des Feldmagnetismus.

Die fünf Methoden zur Erregung des nutzbaren magnetischen Feldes zerfallen in zwei Hauptgruppen, je nachdem der Magnetismus der Maschine von dem eigenen Anker oder aus irgend einer anderen Quelle unterhalten wird.

Magnetomaschine.

Bei den ältesten Maschinen wurde kein Versuch gemacht, durch die Maschine selbst den Magnetismus zu erregen; dieser wurde lediglich unter Anwendung eines Dauermagnetes aus Stahl hervorgebracht. Leider ist der Dauermagnetismus von Stahlmagneten, auch wenn er durch künstliches Altern auf einen gleichbleibenden Wert gebracht worden ist, geringer als der temporäre Magnetismus, der durch eine Spule erzeugt werden kann, so daß die Stabmagnete größer sein müssen, als gleich starke Elektromagnete.

Die magnetoelektrische Maschine oder Magnetomaschine, wie sie schematisch in Fig. 42 dargestellt ist, findet sich als kleine Maschinenform zahlreich vor. Sie leidet an dem ernstlichen Nachteile, daß sie schwerer und massiger als andere Dynamomaschinen von gleicher Leistungsfähigkeit ist, weil Stahl nicht bis zu dem hohen Grade dauernd magnetisiert werden kann, wie Schmiedeoder Gußeisen es zeitweise gestatten.

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Besonders erregte Dynamomaschine.

Jedenfalls war es ein Fortschritt, an Stelle der Stahlmagnete Elektromagnete anzuwenden, die mit Strömen aus einer unabhängigen Stromquelle, z. B. einer galvanischen Batterie, erregt wurden.

Die besonders erregte Dynamomaschine (Fig. 43) steht deshalb an zweiter Stelle in der Keihe der Entwickelung. Wenngleich diese Maschine von Faraday benutzt wurde, kam die Methode doch nicht eher in Aufnahme, als bis Wilde im Jahre 1866 eine kleine Hilfsmagnetomaschine anwendete, um den zur Erregung der Feldmagnete einer größeren Maschine notwendigen Strom zu liefern.

Die besonders erregte Dynamomaschine besitzt mit der Magnetomaschine die Eigenschaft, daß ihr

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Fig. 42. Magnetomaschine.

Fig- 43- Maschine mit Fremderregung.

Feldmagnetismus und also auch die elektromotorische Kraft unabhängig von Widerstandsänderungen im Arbeitskreise sind man von Kückwirkungen des Ankerstromes absieht.

Die Tätigkeit von Maschinen der vorbezeichneten Art kann in dreierlei Weise geregelt werden: durch Änderung der Geschwindigkeit, oder des Magnetismus, der den Anker durchdringt, oder durch Verschiebung der Bürsten. Schon früher regelte man die elektromotorische Kraft von Magnetomaschinen in der Weise, daß ein bewegliches Eisenstück mehr oder weniger über die Pole des Feld

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magnetes geschoben werden konnte und als magnetische Nebenschließung diente, um Magnetismus vom Anker abzulenken.

Bei besonders erregten Maschinen lassen sich zwei andere Methoden zur beliebigen Verminderung des wirksamen Magnetismus anwenden, zunächst durch Schwächung des erregenden Stromes, etwa durch Einschaltung von mehr oder weniger Widerstand in den Erregungskreis, dann durch Änderung in der Zahl der Drahtwindungen, in denen der erregende Strom um den Feldmagnet kreist.

Zur Selbsterregung von Dynamomaschinen dienen drei einfache Methoden:

1.    Der gesamte Ankerstrom kann in die Wickelung des Feldmagnetes gelangen; die Wickelung und der Hauptstromkreis sind hintereinander geschaltet;

2.    ein Teil des Ankerstromes wird aus dem Hauptstromkreise ab- und in die Wickelung des Feldmagnetes geleitet, die verhältnismäßig hohen Widerstand besitzt und in einer Abzweigung liegt;

3.    der zur Erregung des Feldmagnetes erforderliche Strom wird entweder von einem zweiten in demselben Felde umlaufenden Anker geliefert oder (falls die Ankerwickelung aus vielen Spulen besteht) einigen Ankerspulen entnommen, die zu diesem Zwecke besonders geschaltet werden.

Reihen- oder Hauptstrommaschine.

Die Reihen- oder gewöhnliche Maschine (Fig. 44) besitzt nur einen Stromkreis. Es ist ein Nachteil dieser Maschine, daß sie erst nach Erlangung einer bestimmten Umlaufsgeschwindigkeit in Tätigkeit tritt oder nicht eher, als bis der Widerstand des Stromkreises unterhalb einer gewissen Grenze liegt; die Maschine versagt die Magnetisierung des eigenen Magnetes, sobald zu viel Widerstand und eine zu geringe Geschwindigkeit vorhanden ist. Die geringste Geschwindigkeit für die Selbsterregung bildet einen Maßstab für die Güte des magnetischen Kreises. Reihenmaschinen sind auch der Umkehrung der Polarität unterworfen; wegen dieses bedenklichen Nachteiles ist diese Maschinenart zur Erzeugung von Metallniederschlägen oder zum Laden von Sammlern nicht zu gebrauchen. Jede Zunahme des Widerstandes der Reihenmaschine vermindert ihre Fähigkeit zur Stromgebung, weil durch den Widerstand der Strom in den Wickelungen des Feldmagnetes geschwächt wird und sich demnach auch der Betrag des wirksamen Magnetismus verringert.

Befinden sich hintereinander geschaltete Lampen (wie in einem Bogenlichtkreise) in dem Stromkreise einer Reihenmaschine, so wird durch Zuschalten einer Lampe der Widerstand des Kreises erhöht und die Fähigkeit zur Stromgebung verringert. Wenn anderseits Lampen nebeneinander geschaltet sind, so vermindert die Einschaltung von Lampen nicht allein den Widerstand des Stromkreises, sondern es werden die Feldmagnete auch durch den anwachsenden Strom stärker erregt, so daß die Gefahr, einen zu starken Strom zu erhalten, mit der Zahl der eingeschalteten Lampen steigt.

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Fig. 44. Reihen- oder Hauptstrommaschine.

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Fig. 45. Nebenschlußmaschine.

Nebenschluß masch ine.

In der Maschine mit Nebenschlußwickelung trägt der Feldmagnet viele Windungen dünnen Drahtes, um nur einen geringen Teil des gesamten, im Anker erzeugten Stromes zu empfangen. Diese Wickelung wird mit den Bürsten der Maschine verbunden und bildet eine Abzweigung oder einen Nebenschluß zum äußeren Stromkreise (Fig. 45). Nebenschlußmaschinen sind weniger der Umkehrung ihrer Polarität unterworfen als Reihenmaschinen. Mit Rücksicht auf den höheren Preis des dünnen Drahtes der Abzweigungswickelung sind die Beschaffungskosten etwas höher, als die einer Reihenmaschine von gleicher Leistung; der Aufwand an elektrischer Energie zur Erhaltung des Magnetismus ist indessen prak-

tisch in beiden Fällen der gleiche. Um einen Elektromagnet in gleich hohem Grade zu magnetisieren, gleichgültig, ob die Spulen aus vielen Windungen eines dünnen oder wenigen Windungen eines dicken Drahtes bestehen, ist gleiche Aufwendung elektrischer Energie notwendig, unter der Voraussetzung, daß das Gewicht des .zur Spule verwendeten Kupfers und die Maße der Wickelung in beiden Fällen gleich sind.

Wenn eine Nebenschlußmaschine parallel geschaltete Lampen speist und der Widerstand des Stromkreises durch Zuschalten von Lampen sich ermäßigt, so nimmt die Stromstärke nicht verhältnismäßig zu; denn sobald der Widerstand des Hauptstromkreises etwas sinkt, fließt auch weniger Strom durch den Nebenschluß, und der Magnetismus nimmt ab: eine derartige Maschine vermag sich nichtsdestoweniger ziemlich gut selbst zu regeln, wenn nur der Widerstand ihrer Ankerwickelung sehr gering ist.

Die elektromotorische Kraft der Nebenschlußmaschine läßt sich durch Einschaltung eines veränderlichen Widerstandes im Nebenschluß regeln.

Eine Abänderung der Nebenschlußmethode bildet die Verwendung einer dritten Bürste, die gegen den Stromabgeber an einem Funkte zwischen dem höchsten und niedrigsten Potential angelegt wird. Die Enden der Erregerwickelung sind mit der dritten Bürste und einer der beiden anderen Bürsten verbunden, so daß nur ein Teil der im Anker erzeugten elektromotorischen Kraft auf die Wickelung wirkt.

Selbsterregende Dynamomaschine mit getrenntem Erregerkreise.

Bei dieser dritten Maschinenart (Fig. 46) sind die Feldmagnetwickelungen so angeordnet, daß sie einen Teil eines vom Hauptstromkreis vollständig getrennten Kreises bilden, der aber mit Strom aus Wickelungen versehen wird, die im Felde der Maschine umlaufen. Man kann dieses Ziel in zweierlei Weise erreichen: 1. Man läßt einen zweiten Anker zwischen denselben Feldmagneten umlaufen, um den erregenden Strom zu erzeugen: jeder Anker besitzt einen Stromabgeber; 2. einige Ankerspulen werden mit einem eigenen Stromabgeber verbunden, um den erregenden Strom zu liefern. Die Wirkung der Erregung mittels besonderer Wickelung ist nahezu gleich der Wirkung des Nebenschlusses; erstere besitzt indessen den Vorzug, daß der Strom zur Magnetisierung mit niederer Spannung abgenommen werden kann; bei Maschinen für hohe Spannung ist dies vorzuziehen. Für Maschinen zu 1000 Yolt und mehr würden die Kosten des feinen I)rahtes für den Nebenschluß hinderlich sein.

Jede der aufgezählten fünf Betriebsarten kann für Gleichstrommaschinen Verwendung finden. Wechselstrommaschinen müssen ihre besondere Erregung haben; es gibt indes auch besondere Methoden, um gewisse Formen der Wechselstrommaschinen selbsterregend und sogar selbstregelnd zu machen. Jede der fünf Arten zur Erregung des Feldmagnetismus hat ihre Vorzüge in besonderen

--- Fällen, keine von ihnen ist jedoch

vollkommen. Keine dieser Arten sichert bei gleichförmiger Geschwindigkeit der Betriebsmaschine gleichbleibende Klemmenspannung oder Strom von gleichmäßiger Stärke, falls die Widerstände im Stromkreise sich ändern.

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Fig. 46. Selbsterregende Maschine mit besonderem Erregerkreise.

Wenn die Lampen im Stromkreise einer Dynamomaschine entweder sämtlich zugleich eingeschaltet oder ausgeschaltet werden, d. h. wenn die Leistung der Maschine gleichbleibend sein könnte, so würde es ohne Belang sein, wie die Erregung des Feldmagnetismus stattfinde, sei es im Hauptkreise oder im Nebenschluß, falls nur die Geschwindigkeit dieselbe bliebe.

Aber in Netzen mit veränderlicher Lampenzahl sichert keine der einfachen Erregungsmethoden die Gleichmäßigkeit der elektrischen Spannung.

Durch die Vereinigung mehrerer Wickelungsarten hat man gelernt, Maschinen herzustellen, die bei gleichmäßiger Geschwindigkeit Strom von gleichbleibender Spannung liefern. Diese Betriebsarten werden im Kapitel XI ausführlich entwickelt werden.

1) Eine Ausnahme bildet eine Nebenschlußmaschine mit Sayers Einrichtung zur Rückwärtsverschiebung der Bürsten; vergl. Kapitel X.

Hier sollen sie zur Vervollständigung der Übersicht über die Methoden zur Erregung der Feldmagnete ebenfalls kurz behandelt werden.

Schaltungsarten.

ln zwei verschiedenen Fällen wird die Selbstregelung erforderlich.

Als erste Verrichtung einer Dynamomaschine kommt in der Praxis die genügende und gleichmäßige Speisung einer Beleuchtungsanlage in Betracht. Da die Lampen stets¹) entweder nebeneinander oder hintereinander geschaltet werden, so ist es klar, daß im ersteren Falle eine gleichbleibende Spannung und im letzteren Falle eine gleichbleibende Stromstärke notwendig wird.

Stromverteilung in Reihenschaltung wird höchst selten angewandt. Es hat bisher noch keine Methode gemischter Wickelung gefunden werden können, welche selbstregelnd gleichbleibende Stromstärke liefert. Man muß seine Zuflucht zu anderen Arten der Regulierung nehmen, wenn man Bogenlampen in Reihen betreiben will, für welche ein unveränderlicher Strom gebraucht wird. In fast allen Fällen, für Licht sowohl, als für Kraft, geht das Bestreben dahin, den Stromerzeuger zu befähigen, zwischen den Hauptleitungen gleichbleibende Spannung zu erhalten.

Denken wir uns eine Maschine mit einem widerstandslosen Anker, ohne entmagnetisierende Gegenwirkung, deren Feldmagnete von einer anderen, unabhängigen und unveränderlichen Stromquelle erregt werden. Bei gleichbleibender Geschwindigkeit erhalten wir dann stets gleiche Klemmenspannung, wie auch der Widerstand im Stromkreise sich stellt. Sobald die Maschine jedoch inneren Widerstand besitzt, wird die Klemmenspannung geringer als die elektromotorische Kraft; der Unterschied wird je nach dem inneren Widerstand und dem Strome größer sein. Da bei wachsender Last noch Ankerrückwirkungen auftreten, welche das Bestreben haben, die Feldmagnete zu entmagnetisieren, so wird ein weiterer Spannungsabfall in den Hauptleitungen auftreten. Daher kann keine selbsterregende oder Nebenschlußmaschine selbstregelnd sein.

Der Abfall der Spannung infolge des inneren Widerstandes und der Ankerrückwirkung ist nahezu proportional dem aus der Maschine entnommenen Strome; er ist groß, wenn der Strom stark, und gering, wenn der Strom schwach ist. Also können wir eine Einrichtung treffen, welche diese Wirkungen durch eine gleichfalls dem Strome proportionale Zunahme des Magnetismus ausgleicht. Dies geschieht dadurch, daß man auf den Feldmagnet einige Windungen dicken Drahtes aufbringt, welche den Strom auf seinem Wege vom Anker zu den Lampen führen. Solche Zusatzwindungen werden Kompound Windungen oder Kompoundspule genannt. Eine Maschine mit dieser Zusatzwickelung nennt man eine Maschine mit gemischter Wickelung oder Kompoundmaschine. Sie gibt innerhalb bestimmter Grenzen eine gleichbleibende Klemmenspannung.

Für die Verteilung bei gleichbleibender Spannung gibt es daher folgende Möglichkeiten:

I. Methoden, die eine besondere Bedienung voraussetzen.

a) Fremderregung; der Erregerstrom wird durch einen Handregulator verstärkt, wenn die Last wächst, vermindert, wenn die Last abnimmt.

b)    Nebenschlußerregung; im Feldmagnetkreis liegt ein Handregulator, wie bei a).

c)    Gleichbleibende Erregung nach einer der beiden vorigen Methoden; die Geschwindigkeit wird künstlich um einige Prozent gesteigert, wenn die Last wächst.

II. Selbsttätige Methoden.

a)    Fremderregung; die Feldmagnete erhalten noch eine Hauptstromwickelung.

b)    Nebenschlußerregung mit zusätzlicher Hauptstromwickelung.

III. Methoden mit Zusatzmaschinen (booster), vergl. Kapitel XXIV.

Schaltungen für Gleichspannung.

Folgende Schaltungen sind die möglichen Lösungen der Aufgabe, Strom von gleichbleibender Spannung zu liefern.

1. Fremderregung und Keihenschaltung (Deprez).

Eine besondere und gleichbleibende Felderregung aus einer selbständigen Stromquelle bringt die Spannung bei offenem Stromkreise auf die gewünschte Höhe. Um den Verlust an Spannung im Widerstande und durch die Kiickwirkung des Ankers zu decken,

2. Getrennte Ankerspule zur Erregung und Reihenschaltung.

fügt man eine Hauptstrom- oder Reihen Wickelung hinzu, vergl. Rig. 47.

Diese Methode wird nicht häufig gebraucht. Bei Wechselstrommaschinen wird mit Erfolg eine Abänderung davon benutzt, indem die Reihen- oder Hauptstromwickelung ersetzt wird durch eine Wickelung, die vom Hauptstrom durch einen zwischengeschalteten kleinen Transformator und einen Kommutator gespeist wird.

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Fig. 47. Reihenmaschine mit besonderer Erregerwickelung.

Fig. 48. Maschine mit gemischter oder Kompoundwickelung.

3. Magnetomaschine in Verbindung mit einer Ausgleichmaschine (Perry).

Die ursprüngliche Erregung kann durch einen stählernen Dauermagnet erzeugt werden; Professor Perry hat indessen eine allgemeinere Lösung erzielt, indem er in den Stromkreis einer mit gleichförmiger Geschwindigkeit getriebenen Magnetomaschine eine Reihenmaschine einschaltet. Die erstere erzeugt in dem Kreise eine gleichbleibende elektromotorische Kraft, und zwar gleich derjenigen, die zwischen den Endpunkten der Hin- und Rückleitung bestehen soll. Die Reihenmaschine, welche ebenfalls mit gleichmäßiger Geschwindigkeit läuft, dient dann nur dazu, die Spannungsverluste zu decken.

Diese Methode, welche auch anwendbar ist, wenn eine Maschine mit Eremd- oder Nebenschlußerregung anstelle der Magnetomaschine gesetzt wird, enthält die wesentliche Grundlage der Regulierung mit Zusatzmaschine (booster).

4. Nebenschluß- und Reihenschaltung.

Eine Maschine, die nach Eig. 48 gewickelt ist, so daß die Feldmagnete teilweise durch den Hauptstrom und teilweise durch einen abgezweigten Strom erregt werden, der von den Bürsten ausgeht, wurde von Brush schon im Jahre 1878 verwendet. Die Spannung hängt von dem Grade ab, bis zu dem der Magnetismus erregt ist, wenn der Nebenschluß allein bei offenem Hauptstromkreis wirkt. Diese Anordnung ist allgemein als Maschine mit gemischter Wickelung oder Kompoundmaschine bekannt.

Vermehrt man die Zahl der Hauptstromwindungen, so kann man nicht nur den Spannungsabfall ausgleichen, sondern sogar die Spannung mit wachsender Last steigern. Solche Maschinen nennt man überkompoundiert. Diese Methode ist in gewissen Fällen nützlich, wo auch der Spannungsabfall in einem Verteilungsnetz ausgeglichen werden soll, z. B. bei Stromerzeugern für elektrische Bahnen, um die Spannung an einem fernen Punkte, wo die Speiseleitungen anschließen, konstant zu halten.

Kapitel IV.

Gesetze des Magnetismus, magnetische Eigenschaften des Eisens.

Da alle dynamoelektrischen Maschinen in ihrer Wirksamkeit auf magnetischen Vorgängen beruhen, so ist ein volles Verständnis der magnetischen Gesetze erforderlich. Die Kenntnis der Beziehungen zwischen dem erregenden Strome und dem durch diesen erregten Magnetismus setzt uns in den Stand, eine Dynamomaschine zu entwerfen; denn diese Kenntnis ermöglicht die Berechnung der Größe des Feldmagnetes, der Stärke und Zahl der Windungen, welche die Maschine zu einer bestimmten Leistung geeignet machen. Zunächst werden verschiedene Begriffserklärungen notwendig, dann soll eine Übersicht über die Tatsachen, welche auf den magnetischen Kreis Bezug haben, sowie über die Eigenschaften verschiedener Eisen-und Stahlsorten gegeben werden.

Begriffserklärungen und allgemeine Eigenschaften *).

Magnetischer Einheitspol. Der magnetische Einheitspol ist ein solcher, welcher einen gleichnamigen und gleich starken Pol im Abstande von 1 cm (in der Luft) mit der Kraft von 1 Dyn abstößt.

Magnetische Feldstärke. Im Kapitel III wurde erläutert, daß jeder Magnet von einem »Felde« umgeben wird, in dessen Bereiche man die magnetische Kraft beobachtet.

i) Es wird dem Leser angelegentlich empfohlen, sich mit der elementaren Theorie des Magnetismus vertraut zu machen. Des Verfassers »Elektrizität und Magnetismus« (deutsch von Himstedt) enthält die Begriffe und grundlegenden Gedanken. Des Verfassers »Elektromagnet« (deutsch von Grawinkel) behandelt die magnetischen Eigenschaften des Eisens und den Entwurf und den Bau der Elektromagnete ausführlich. Ein vorzügliches Buch ist Ewings »Magnetische Induktion in Eisen und anderen Metallen« (deutsch von Lindeck). Vergl. auch Dubois, »Magnetische Kreise«.

Die Feldstärke in einem Punkte wird durch die Kraft gemessen, mit der das Feld in jenem Punkte auf die Einheit der magnetischen Polstärke, d. i. den Einheitspol, einwirkt. Die Einheit der Feldstärke ist daher diejenige, die mit der Kraft, einer Dyne auf die Poleinheit wirkt.

Hieraus geht hervor, daß in dem Abstande eines Centimeters

von dem Pole eines Magnetes mit der Stärke »eins« das Peld die Stärke »eins« besitzt.

Nehmen wir einen Magnetpol von der Stärke m und bringen ihn in einen Punkt eines Feldes, wo die Feldstärke £) herrscht, so wird die Kraft mmal so groß sein, als wenn der Pol die Stärke »eins« besäße. Die Kraft (in Dynen) wird dann durch Multiplikation der Polstärke und der Feldstärke erhalten,

so daß

f= m X $•

Die Einheit der Feldstärke heißt Gauß.

Magnetische Linien. In jedem magnetischen Felde läßt sich durch irgend einen gegebenen Punkt eine Linie in solcher Richtung ziehen, daß sie die Richtung der magnetischen Kraft in dem betrachteten Punkte angibt (Fig. 17, S. 45). Die Kurven, die man unter Zuhilfenahme von Eisenfeilspänen bei Magneten erhält, ergeben die Gestalt der sonst unsichtbaren magnetischen Linien. Wenn solche Linien auch nicht wirklich vorhanden sind, so dürfen wir sie doch voraussetzen, wir dürfen annehmen, daß der gesamte Raum des magnetischen Feldes von solchen Linien durchsetzt ist. Faraday war der erste, der dem Begriffe der magnetischen Linien eine quantitative Bedeutung gegeben hat. Es läßt sich damit nicht allein die Richtung, sondern auch die Größe der magnetischen Kräfte in folgender Weise bezeichnen: Zieht man ebenso viele Linien auf das Quadratcentimeter des Feldquerschnittes, wie Dynen (für die Poleinheit) an dem betreffenden Punkte wirksam sind, so bedeutet das Zeichen § entweder die Zahl der Dynen auf eine Poleinheit oder die Zahl der Linien auf das Quadratcentimeter Querschnitt der Luft, oder auch die Größe der magnetomotorischen Kraft auf 1 cm in der Richtung des Feldes.

Die Vorstellung der magnetischen Linien setzt uns nun auch in den Stand, klarer zu erkennen, was unter magnetischer Strömung zu verstehen ist; denn wir sehen in Fig. 16 die Linien von dem einen Pol des Magnets wie einen Strom ausgehen, den umgebenden Raum ausfüllen und zum anderen Pol hinfließen. Gleichwie die Gesamtzahl der Stromlinien einer Flüssigkeit auf dem ganzen Wege dieselbe bleibt, so bleibt auch die Gesamtzahl der magnetischen

Linien, welche durch irgend einen Querschnitt des magnetischen Feldes gehen, immer dieselbe, vorausgesetzt, daß der Schnitt quer durch das ganze Feld geht. Diese Gesamtzahl nennen wir die magnetische Strömung und bezeichnen sie mit CD.

Wenn die Fläche des Querschnitts dieses Kernes mit dem Buchstaben Q bezeichnet wird, so ist die Kraftliniendichte = CD : Q. Wird Q in Quadratcentimetern angegeben, so bezeichnet man die Kraftliniendichte (d. i. die Menge der Kraftlinien auf 1 cm²) mit 95. Die magnetomotorische Kraft, welche nötig ist, um irgend eine Kraftdichte im magnetischen Kreise einer Dynamomaschine zu erzeugen,, wird gewonnen durch einen elektrischen Strom, der um den Eisenkern herumgeschickt wird. Man findet, daß die magnetomotorische Kraft, die so hervorgebracht wird, proportional ist sowohl dem Strom {der in Ampere gemessen wird), als auch der Zahl, welche angibtT wie oft er um den Eisenkern fließt. In anderen Worten, die magnetomotorische Kraft (MMK.) ist proportional den Ampere-w in düngen. Der Kürze wegen werden wir häufig die Gesamtzahl der Amperewindungen einer Spule, die einen Kern umgibt, als »Erregung« bezeichnen. Es braucht nicht erst gesagt zu werden, daß, je höher die verlangte Kraftdichte und je länger das Eisen, durch welches die Kraftlinien zu treiben sind, desto stärker auch die erforderliche Erregung sein muß. Will man die Kraftlinien durch Luft treiben, so braucht man weit stärkere Erregung, als für gleiche Kraftdichte bei einer gleichen Länge in Eisen. Der Koeffizient, den man benutzt, um Luftzwischenräume im magnetischen Kreise zu berechnen, wird auf Seite 96 besprochen. Nehmen wir z. B. anr die MMK. sei in einem bestimmten Fall so groß, daß = 50 ist, so bedeutet dies, daß sie so stark ist, daß sie in einer Schicht Luft von 1 cm Dicke eine Kraftdichte (in der Luft) von 50 Kraftlinien auf 1 cm² erzeugen würde. In einer gleichen Eisenschicht würde die erzeugte Kraftdichte außerordentlich viel größer sein, weil Eisen magnetisch weit durchlässiger ist, als Luft. Das Verhältnis von 93 zu § in irgend einem Stoffe heißt dessen magnetische Durchlässigkeit oder Permeabilität.

Magnetische Einheiten. Die Linie ist die Einheit der magnetischen Strömung, und da sie eine sehr kleine Einheit ist, so gebraucht man sie oft mit den Vorsätzen Kilo und Mega. 1 Kilolinie bedeutet 1000 Linien, 1 Megalinie 1000000 Linien. Der Pariser Kongreß von 1900 setzte den Namen Gauß fest für die Einheit der Feldstärke, so daß 1 Gauß bedeutet 1 Linie auf 1 cm². Der gleiche

Kongreß benannte auch die Linie als 1 Maxwell, aber man gebraucht immer noch die Bezeichnung Linie.

Das American Institute of Electrica! Engineers hat den Namen Gilbert vorgescklagen für die CGS.-Einheit der magnetomotorischen Kraft, welche gleich ist 10/4 tc Amperewindungen. Um also Amperewindungen in Gilbert umzurechnen, muß man sie mit 0,4*t: oder

1,257 multiplizieren.

Magnetischer Kreis. In Fig. 17 verlaufen die Linien durch den Stabmagnet hin und durch den umgebenden Baum zurück, sie bilden so einen vollständigen magnetischen Kreis. Werden die Enden des Stabes rund gebogen und miteinander verbunden, so daß ein vollständig geschlossener Ring entsteht, so verlaufen die magnetischen Linien sämtlich im Metall des Magnetes, in die umgebende Luft treten keine aus. Wir bezeichnen einen solchen Ring als einen geschlossenen magnetischen Kreis. Bei den Dynamomaschinen suchen wir diesen magnetischen Schluß des Kreises so weit zu erreichen, als es die Rücksicht auf die Beweglichkeit der sich drehenden Teile irgend zuläßt.

Obwohl der Begriff der magnetischen Linie in der Luft verbunden ist mit der Vorstellung, daß jene eine Kraft auf einen magnetischen Pol ausübe, so ist es doch viel weniger diese Kraft-äußerung, welche uns bei der Betrachtung von Dynamomaschinen interessiert, als jene andere, vermöge deren in einem quer zur Richtung der Linien bewegten Leiter eine elektromotorische Kraft induziert wird. Obwohl wir vorher die magnetischen Linien als ununterbrochen fortlaufend in dem ganzen Kreise bezeichnet haben, so trifft dies doch genau genommen nur insofern zu, als ihre Eigenschaft, eine elektromotorische Kraft zu erzeugen, in Betracht kommt; denn die Kraft innerhalb eines magnetischen Materiales wie Eisen wird nicht durch die Zahl der magnetischen Linien auf das Quadrat-centimeter dargestellt, wie später bei der Betrachtung der magnetomotorischen Kraft gezeigt werden wird; nur in der Luft und gleich unmagnetischen Substanzen wird die Kraft dargestellt durch die Zahl der Linien auf das Quadratcentimeter. Wir wollen daher die Bezeichnung »magnetische Linien« nur dann anwenden, wenn es sich um die Strömung in einem magnetischen Material handelt, dagegen »Kraftlinien« diejenigen Linien nennen, welche in die Luft austreten. Beide verlaufen im magnetischen Kreis ohne Unterbrechung, und in der Luft werden die magnetischen Linien zu Kraftlinien. Wo die Linien, welche Richtung und Wert irgend einer Vektorgröße darstellen, wie z. B. magnetische Linien oder elektrische Stromfäden, in sich selbst geschlossen sind, sagt man, die Vektorgröße bilde einen Kreislauf. Die Zahl der in einem Quadratcentimeter Querschnitt eines magnetischen Materials vorhandenen magnetischen Linien nennen wir magnetische Dichte und bezeichnen sie mit dem Buchstaben 33. Die magnetische Kraft wird wie vorher mit § bezeichnet, worunter aber die Zahl der Kraftlinien zu verstehen ist, die in dem Raume vorhanden sein würde, wenn das magnetische Material durch Luft ersetzt wäre und dieselben Umstände, welche die Magnetisierung bewirkten, noch fortdauerten.

Die Vorstellung vom magnetischen Kreise war den Elektrikern schon vor mehr als 50 Jahren mehr oder weniger geläufig. Faraday²) hielt den Beweis für erbracht, daß jede magnetische Linie eine geschlossene Kurve bildet; daß der Weg dieser geschlossenen Kurven von der magnetischen Leitungsfähigkeit der benachbarten Massen abhänge; daß man die magnetischen Linien genau so wie die elektrischen Strömungslinien in einem geschlossenen Kreise ansehen könne. Nach seiner Ansicht verhielt sich ein von Luft umgebener Magnet wie eine in Wasser eingetauchte Volta-Batterie. Er erkannte sogar das Vorhandensein einer der elektromotorischen Kraft in einem Stromkreise ähnlichen Kraft, wenn auch die Bezeichnung »magneto-motorische Kraft« neueren Ursprunges ist. Dieselbe Vorstellung wird mehr oder minder in der letzten Hälfte der Abhandlungen über Magnetismus von Lord Kelvin in der zweiten Hälfte des Sammelbandes über Elektrostatik und Magnetismus anerkannt. Rowland³) wendete 1873 die Schlußfolgerungen und die Bezeichnung von Faraday bei der Bearbeitung einiger neueren Ergebnisse über magnetische Durchlässigkeit ausdrücklich an; er führte aus, daß die Strömung der magnetischen Kraftlinien durch einen Stab hindurch einer genauen Berechnung unterworfen werden könne. Das elementare Gesetz, sagt er, gleicht dem Gesetze von Ohm. Bezeichnen wir mit 9Î den Widerstand, den die Kraftlinien zu überwinden haben, mit $ die magnetisierende Kraft der Spule und mit O die Zahl der Kraftlinien an irgend einem Punkte des Stabes, so sollte für einen

5=81

besonderen Fall (Ringmagnet, also vollständig geschlossener Kreis) die Gleichung

gelten. Diese Gleichung des magnetischen Kreises wird jeder als eine dem Ohmschen Gesetze ähnliche Gleichung ansehen. Row-land wendete die Berechnungen zur Bestimmung der Durchlässigkeit gewisser Proben von Eisen, Stahl und Nickel an.

In den Jahren 1882a) und 1883 entwickelte Bosanquet⁴ 5) ähnliches in ausführlicherer Darstellung und wendete den sehr passenden Ausdruck »Magnetomotorische Kraft« an. Damit wird diejenige Kraft bezeichnet, welche die magnetischen Linien der Induktion durch den magnetischen AYiderstand des Kreises zu treiben bestrebt ist. In diesen Abhandlungen werden die Berechnungen systematisch durchgeführt und behandeln nicht allein die besonderen Eigenschaften des Eisens, sondern auch Aufgaben, die sich aus der Gestalt des Eisens ergeben. Bosanquet weist nach, wie man die verschiedenen Widerstände der einzelnen Teile des Kreises berechnet und durch deren Addition den gesamten Widerstand des magnetischen Kreises erhält. 1884 gab Rowland ähnliche Formeln für die Feldmagnete der Dynamomaschinen.

Im Jahre 1886 führten Gisbert Kapp⁶) und, unabhängig von ihm, J. und E. Hopkinson⁷) den Begriff des magnetischen Kreises bei der Berechnung von dynamoelektrischen Maschinen ein. Wir werden diese Methoden im nächsten Kapitel kennen lernen.

Wir sahen, daß Ob, die magnetische Strömung von einem Pole zum anderen, eine wichtige Größe für die Bestimmung der elektromotorischen Kraft einer Dynamomaschine ist. Da diese Strömung abhängig ist von der magnetomotorischen Kraft und dem Widerstande des magnetischen Kreises, müssen wir diese beiden Größen einer näheren Betrachtung unterziehen.

Magnetomotorische Kraft

oder gesamte magnetisierende Kraft eines in einer Wickelung kreisenden elektrischen Stromes.

Wenn ein Strom durch einen in mehreren Windungen um einen Kern gelegten Draht (Fig. 49) fließt und in dieser Weise auf einen damit verketteten magnetischen Kreis einwirkt, so ist die magnetisierende Kraft sowohl der Stromstärke als auch der Zahl der Windungen der Wickelung proportional. Die magnetisierende Kraft ist unabhängig von der Stärke und dem Materiale des Drahtes oder von dessen Gestalt; sie bleibt gleich, ob die Windungen dicht zusammen oder weit auseinander liegen. Bezeichnet N die Zahl der Windungen der Spule und i die Stromstärke in Ampere, so liefert das Produkt die Zahl der Amperewindungen. Man kann durch einen Versuch nachweisen, daß 20 Ampere, die durch fünf Windungen fließen, die gleiche magnetisierende Kraft hervorbringen, wie 1 Ampere, das lOOmal, oder wie 100 Ampere, die einmal um den Kern fließen.

In jedem dieser Fälle erhält man 100 Amperewindungen. Um hieraus den Wert für die magnetomotorische Kraft in absoluten CGS.-Einheiten zu berechnen, hat man die Ampere Windungen mit

10 “

plizieren. Demnach besteht die Beziehung:

M agnetomotorische Kraft=1,257Ni. Der Zahlenfaktor läßt sich

oder mit 1,257 zu multi-

Fig. 49. Magnetspule auf einem magnetischen Kreis.

entbehren, wenn man die Ampere-windungen selbst als magneto-motorische Kraft betrachtet. Dieser Weg wird tatsächlich bei praktischen Berechnungen eingeschlagen, und wir werden ihn weiter unten, im Kapitel VI, kennen lernen.

Die magnetomotorische Kraft wird auch von einigen Autoren *) als »Linienintegral der magnetischen Kräfte« bezeichnet, und zwar aus folgendem Grunde: In einem Felde von der Stärke § ruft ein magnetischer Einheitspol eine Kraft hervor, die numerisch gleich § ist; wenn der Einheitspol entgegen dieser Kraft einmal längs eines geschlossenen Weges (wie die punktierte Linie in Fig. 49) bewegt würde, so wäre die geleistete Arbeit gleich der magnetischen Kraft mal dem Integral des Weges. Daher ist die magnetomotorische Kraft auf einem Wege von der Länge l in einem Felde von der Stärke

1) Vergl. Maxwells Electricity and Magnetism, Bd. II, Art. 499; oder S. P. Thompsons Elementary Lessons on Electricity and Magnetism (Ausgabe 1900, S. 334).

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

gleich $Ql. Die Feldstärke einer regelmäßig gewickelten Rolle wird daher bestimmt aus der Formel

1,257 Ni.

mit anderen Worten: § ist proportional den auf die Längeneinheit entfallenden Amperewindungen.

Diese Formel würde uns in den Stand setzen, die Feldstärke § in der Mittellinie eines langen Solenoids zu berechnen, dessen Spule l cm lang ist und N Windungen eines Drahtes trägt, in dem ein Strom i fließt. Setzen wir diese Werte in die Formeln ein, so finden wir die Zahl der Amperewindungen auf 1 cm Länge

Ni 10 -~T~

Es ergibt also §, multipliziert mit 0,7958, die Amperewindungen auf 1 cm Länge des magnetischen Weges.

Beispiele: 1. Ein Solenoid von 60 cm Länge trägt 400 Windungen und wird von einem Strome von 16,5 Ampere durchflossen. Wie groß ist die Feldstärke in der Mitte der Röhre? Die magnetomotorische Kraft beträgt 6600 Amperewindungen oder 110 Amperewindungen auf 1 cm; die Feldstärke beträgt 138,3 Gauß.

2. Welcher Strom würde in dem obigen Solenoid ein Feld von 100 Gauß erzeugen? Dieses Feld würde 100-0,7958 = 79,58 Amperewindungen auf 1 cm erfordern oder 4775 Amperewindungen im ganzen, demnach einen Strom von 11,94 Ampere.

Es ist klar, daß wir einen Ausdruck, wie § = 50, auf verschiedene Weise lesen können. Er mag gelesen werden, 1. die Feldstärke sei 50 Gauß; oder 2. das Feld sei so stark, daß es eine Kraft von 50 Dynen auf den Einheitspol ausübte; oder 3. daß seine Stärke dargestellt werde durch 50 Kraftlinien auf 1 cm²; oder 4. daß eine magnetomotorische Kraft von 50 Einheiten auf 1 cm vorhanden sei; oder 5. daß man auf 1 cm Länge 50• 0,7958 Amperewindungen nötig habe.

Zwischen magnetischen und elektrischen Strömen besteht in mancher Beziehung eine Gleichförmigkeit, welche die Darlegung der für den Bau von Dynamomaschinen so wichtigen magnetischen Verhältnisse sehr vereinfacht⁸).

Gleichwie es Materialien gibt, die den elektrischen Strom besser leiten als andere, so gibt es auch Materialien, welche dem magnetischen Strome weniger "Widerstand bieten als andere. In beiden Fällen ist der Widerstand direkt proportional der Länge des Weges und dem spezifischen Widerstande des Materials, und umgekehrt proportional dem Queischnitt des Leiters. Wie die gesamte elektromotorische Kraft einer Batterie gleich ist der Summe der elektromotorischen Kräfte der einzelnen hintereinander geschalteten Elemente, so ist auch die gesamte magnetomotorische Kraft eines magnetischen Kreises gleich der Summe der magnetomotorischen Kräfte der einzelnen Drahtrollen. Wenn der magnetische Kreis verzweigt ist (wie bei den Fig. 62, Kr. 24 dargestellten Manchester-Dynamomaschinen), summieren sich nicht die Kräfte der verschiedenen Rollen, sondern sie sind parallel geschalteten Batterieen zu vergleichen.

Wir finden eine magnetische Potentialdifferenz zwischen den Enden des mit einer magnetisierenden Rolle bewickelten Magnetkernes, wie wir eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den Polklemmen eines Elementes haben. Yon einem Punkte eines magnetischen Kreises zu einem andern fällt das Potential um einen Betrag, der gleich ist dem Widerstand des Weges, multipliziert mit der Gesamtströmung. Man kann sagen, daß Eisen innerhalb einer Magnetisierungsrolle den Zweck hat, den »innern« Widerstand zu vermindern. Wir verwenden starke Eisenkerne bei unsern Dynamomaschinen, damit die magnetische Spannung ohne großen Yerlust auf den Anker übertragen wird.

Das magnetische Potentialgefälle in einer Luftsäule ist auf das Centimeter Länge numerisch gleich der magnetischen Dichte. Um die magnetomotorische Kraft zu bestimmen, welche nötig ist, um eine gewisse magnetische Dichte in einem bestimmten Luft-zwischenraume hervorzubringen, brauchen wir nur die magnetische Dichte mit der Länge des Luftzwischenraumes zu multiplizieren.

Um also eine magnetische Dichte von 10000 Linien auf das Quadratcentimeter in einem Luftzwischenraum von 1 cm Länge hervorzubringen, ist eine magnetomotorische Kraft von 10 000 erforderlich, wenn wir als Einheit die magnetomotorische Kraft

Punkte des Kreises zum anderen Energie übergeführt wird, in einem magnetischen jedoch nicht; Leiter des Magnetismus in dem Sinne, daß sie durch »freien Magnetismus« Energie fortzuleiten im stände wären, kennen wir noch nicht.

10 000 Linien in einem Lufträume von 1 cm Länge

ansehen, welche im stände ist, die Einheit der magnetischen Dichte in einem Luftzwischenraum von 1 cm Länge zu erzeugen. Da 1 Amperewindung eine magnetomotorische Kraft von 1,257 hervorbringt, so sind zur Erzeugung der magnetischen Dichte von

10000 U25Ï

8000 Amperewindungen erforderlich. Wir könnten daher die zur Erregung der Feldmagnete einer Dynamomaschine erforderlichen Amperewindungen berechnen, indem wir die magnetische Dichte mit der Gesamtlänge des Luftzwischenraumes multiplizieren und mit

1,257 dividieren, wobei noch einige Windungen zuzugeben sind, um das Sinken des magnetischen Potentials im Eisenkreis auszugleichen; es ist indessen gebräuchlicher, den gesamten Widerstand des Kreises zu ermitteln und ihn mit der Gesamtströmung zu multiplizieren, wie das in den Kapiteln VI und XIX gezeigt werden wird.

Widerstand des magnetischen Kreises.

Wir sahen früher, daß unter sonst gleichen Umständen der gesamte magnetische Strom in einem Kreise umgekehrt proportional ist dem spezifischen Widerstand des Materials, aus dem er besteht, oder direkt proportional der Durchlässigkeit, d. i. dem reziproken Wert des spezifischen Widerstandes.

Die Durchlässigkeit eines Materials ist diejenige Zahl, welche das Verhältnis der magnetischen Dichte 33 zur magnetischen Kraft £) angibt⁹). Wenn z. B. eine Luftsäule einer magnetischen Kraft ausgesetzt ist, so ist die magnetische Dichte 33 gleich das Verhältnis 33/V ist also gleich 1, d. h. die Durchlässigkeit der Luft ist 1.

Wenn wir ein Stück Eisen nehmen und unterwerfen es derselben magnetischen Kraft so finden wir, daß 33 viel größer ist.

Wurde z. B. eine bestimmte Eisensorte einer magnetischen Kraft ausgesetzt, die 50 magnetische Linien auf das Quadratcentimeter in der Luft erzeugen kann, so fand man, daß das Eisen von nicht weniger als 16062 magnetischen Linien auf das Quadratcentimeter durchdrungen wurde. Die Durchlässigkeit war also 16 062 : 50 = 321, d. h. die Durchlässigkeit des Eisens war 321 mal so groß als die der Luft. Die Durchlässigkeit oder das Verhältnis von iß zu § wird gewöhnlich mit dem griechischen p. bezeichnet. Die Durchlässigkeit unmagnetischer Körper, als Seide, Baumwolle und anderer Isolatoren, ebenso von Messing, Kupfer und aller unmagnetischen Metalle, wird = 1 gesetzt. Praktisch ist die Durchlässigkeit die gleiche wie für Luft.

Die Durchlässigkeit des Eisens ist aber sehr verschieden, je nach dem Grade der Magnetisierung. Bei allen Eisensorten nimmt die Magnetisierbarkeit nach Erreichung einer gewissen Größe der Magnetisierung ab; es besteht eine Neigung zur magnetischen Sättigung. Mit anderen Worten, wenn ein Stück Eisen bis zu einem gewissen Grade magnetisiert ist, wird es von diesem Augenblicke ab weniger durchlässig gegenüber einer Steigerung der Magnetisierung, und obwohl eine tatsächliche Sättigung nicht erreicht wird, tritt doch eine praktische Grenze ein, über welche hinaus eine stärkere Magnetisierung nicht gut erreicht werden kann. Die praktische Grenze der Magnetisierung 33 bei gutem Schmiedeeisen liegt bei ungefähr 20000 magnetischen Linien auf das Quadratcentimeter, bei Gußeisen ist dieser Wert ungefähr gleich 12000.

Der magnetische Widerstand oder die Reluktanz eines langen Stabes oder Zylinders aus Eisen ist hiernach proportional seiner Länge und umgekehrt proportional seinem Querschnitt; er ist außerdem umgekehrt proportional seiner Durchlässigkeit.

Ehe man bei der Konstruktion eines Elektromagnetes die Größe des zum Kern erforderlichen Eisenstückes berechnen kann, muß man die Eigenschaften des Eisenstückes kennen. Denn wenn das Eisen eine geringe magnetische Durchlässigkeit besitzt, so braucht man zur Erreichung derselben magnetischen Wirkung ein dickeres Stück, als wenn die Durchlässigkeit größer ist. Anderseits würde ein Stück von geringer Durchlässigkeit mehr Kupferdraht zur Wickelung erfordern.

Kurven der Magnetisierung.

Um in bequemer Weise die magnetischen Eigenschaften einer Eisensorte übersehen zu können, zeichnet man eine Magnetisierungskurve auf, d. h. eine Kurve, deren Abscissen die magnetische Kraft darstellen, und deren Ordinaten die zugehörige Magnetisierung 33 au sd rücken.

Hopkinson hat 35 verschiedene Eisensorten von bekannter chemischer Beschaffenheit geprüft. Die wichtigsten Sorten waren ein ausgeglühtes Schmiedeeisen und ein graues Gußeisen, die von

15000 --

10000

Stromdichte SP,

5000 --J

GUSSÜSÜi.

Magnetische Kraft

50

100

150

200

Fig. 50. Hopkinsons Magnetisierungskurven.

Math er und Platt bei Herstellung von Dynamomaschinen verwendet werden.

Die obere Kurve der Eig. 50 zeigt das Verhalten von aus-gegliihtem Schmiedeeisen¹⁰). Die aufsteigende Linie gibt die Beziehung zwischen der Größe der magnetischen Feldstärke § und der magnetischen Dichte 58 an, während von 0 bis 220 stieg; die absteigende Linie gibt dieselbe Beziehung während der Abnahme

der magnetischen Feldstärke bis 0 und während ihrer Umkehrung bis zur Yernichtung des magnetischen Rückstandes. Die untere Kurve zeigt das Verhalten von grauem Gußeisen.

53

ÖSE«

16000

aWF'CÆS—-

Æl

8000

^ZGUSSEJSEN

<#

.<É

ÄS

4000

0 5    10

20

30    40

50

Fig. 5 t. Magnetisierungskurven verschiedener Eisensorten.

Jede Eisenprobe wird bei der Untersuchung einen ähnlichen Satz von Beobachtungszahlen liefern, die zur Zeichnung einer Kurve verwandt werden können. Diese Kurve ist für das fragliche Verhältnis 53/£> charakteristisch. Die Kurven für Gußeisen und harten Stahl liegen tiefer als die für Schmiedeeisen. Wenn ein frisches (noch nicht magnetisiertes) Eisen- oder Stahlstück der allmählich steigenden Magnetisierungskraft unterworfen wird, so bemerkt man, daß der unterste, in der Nahe des Anfangspunktes befindliche Teil der Kurve leicht konkav ist (vergl. Fig. 50). Es deutet dies auf einen gewissen Zustand, in dem bei geringer magnetischer Kraft die Durchlässigkeit großer 12000 als im anfänglichen (unmagnetischen) Zustande ist. Bei hartem Eisen und bei Stahl prägt sich der konkave Teil deutlicher aus als bei weichem Eisen. Im einzelnen treten in den Kurven sogar bei verschiedenen Probestücken derselben Eisensorte Unterschiede hervor.

In Fig. 51 sind sieben Kurven dargestellt, welche sich auf weiches Eisen, gehärtetes Eisen, Flußeisen (vergl. S. 91), ausgeglühten Stahl, hart gezogenen Stahl, glasharten Stahl und Gußeisen beziehen.

Bei der Konstruktion von Dynamomaschinen ist es bequem, auf solche Kurven zurückzugreifen. Dieselben müssen durch sorgfältige Untersuchung von Proben des Eisens, das man zu verwenden gedenkt, gewonnen werden.

Tafel I gibt solche Kurven; sie stellen die Eigenschaften verschiedener Eisensorten dar. Eine Gruppe nahezu gleich verlaufender Linien beziehen sich auf Stahl- und Dynamoblechsorten deutscher Fabriken, nämlich: Fried. Krupp in Essen, Dynamostahlguß, eine ältere und eine neuere Probe, letztere aus Dynamostahlguß geschmiedet, und Flußeisen; Dynamostahl der Bergischen Stahlindustrie in Remscheid, des Phönix in Laar beiRuhrort, der Gelsen-kirchener Gußstahl- und Eisenwerke vorm. Munscheid & Co. in Gelsenkirchen und des Stahlwerks Mannheim in Rheinau bei Mannheim; Dynamoblech von Capito & Klein in Neurath a. Rh. und der Gewerkschaft Grillo, Eunke & Co. in Gelsenkirchen-Schalke. Diese Kurven rühren von Messungen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt her. Die weiteren Kurven betreffen: einen sehr weichen Magnetstahl von Hadfield in Sheffield; Gußstahl für Feldmagnete von Edgar Allen in Sheffield; weiches Eisenblech von Sankey, sogen. Lohys-Eisen; ein von Hopkinson untersuchtes Gußeisen, siehe Eig. 50; ein gewöhnliches Gußeisen mit etwa 0,2 Prozent gebundenem Kohlenstoff, nach einer Untersuchung von Parshall; einen amerikanischen Stahl von außerordentlich hoher Durchlässigkeit, nach dem sauren Ofenherdprozeß hergestellt, von H. S. Meyer untersucht; ein gewöhnliches weiches steirisches Eisenblech, geprüft von Bläthy. Den Kurven sind meist nicht die vollen Namen, sondern nur Abkürzungen beigesetzt worden. Ein Teil der Kurven ist nicht vollständig gezeichnet worden, weil sie mit anderen zu nahe zusammenfallen würden. Eine beigesetzte Tabelle gibt 33 für die höheren Werte von <p in Zahlen an.

Im Konstruktionsbureau einer jeden Dynamobauanstalt sollten ähnliche Kurven für alle besonderen dort verwendeten Eisen- und Stahlsorten aufgezeichnet sein. Alle zuverlässigen Lieferanten von Eisen und Stahl für Dynamobau werden derartige Kurven für die von ihnen erzeugten Sorten liefern. Die in Eig. 52 dargestellten beziehen sich auf Schmiedeeisen hei sehr hoher Kraftliniendichte; die eine ist von Parshall, die andere von Sankey für eine besondere, für Ankerbleche hergestellte Eisensorte ermittelt worden. Derartige Kurven finden hauptsächlich Anwendung bei der Berechnung der Amperewindungen für die Zähne von Schlitzankern, bei welchen oft sehr hohe Kraftliniendichten Vorkommen, müssen aber mit einiger Vorsicht benutzt werden, da zur Zeit unsere Kenntnisse auf diesem Gebiete noch nicht sehr umfangreich sind. Die Kurven in der unteren rechten Ecke der Tafel I beziehen sich gleichfalls auf Magnetisierung in sehr starken Feldern; die obere Kurve gehört zu einem Eisen, das von H. S. Meyer untersucht worden ist¹¹).

Nach Barrett¹²) hat eine besondere, von Hadfield, Sheffield, bezogene Stahlsorte mit 2¹¹ji Prozent Aluminiumgehalt eine höhere

Permeabilität, als irgend eine andere bekannte Eisensorte.

1600

Betrachten wir die Kurven auf Tafel I, so sehen wdr, daß, wenn wir z. B. in Schmiedeeisen eine Kraftliniendichte von 15 000 auf das Quadratcentimeter hervorbringen wollen, wir die dazu erforderliche Amperewindungszahl dadurch aus der Zeichnung entnehmen können, daß wir die Kurve für Schmiedeeisen bis zur Höhe von 15000 verfolgen und alsdann senkrecht unter diesem Punkte auf der horizontalen Teilung den zugehörigen Wert von § entnehmen, woraus wir durch Multiplikation mit 0,8 die Amperewindungen für 1 cm Eisenlänge erhalten.

Beispiel. Gesucht wird die Zahl der Amperewindungen, welche in einem gußeisernen Joch von 2000 cm² Querschnitt und 40 cm Länge eine Kraftlinienzahl von 12000000 hervorbringt. Es ist hier _12000000 ^ ~ 2000

hierfür entnehmen wir der j Kurve für Gußeisen den o

o c

Wert § == 39 und erhalten ^ ' 31 Amperewindungen für ^ c 1 cm Länge. Da das Joch 4( 40 • 31 = 1240 Amperewindunge

= 6000,

23000

;-MA

22000

21000

8 I

—t-i ^

I g

lot

O !—l .

tr ui

20000 cu 19000 g- 18000 S 17000

• pH

Ul

1400

1200

1000

800

009

oov

200

00091

■H

’S

CS

Fig. 52. Magnetisierung bei sehr hoher magnetischer Dichte.

Die Werte von 58, |x und § für Hopkinsons sorgfältig ausgeglühte Probe weichen Eisens sind in Tabelle I enthalten.

Tabelle I.

Ausgeglühtes Schmiedeeisen und graues Gußeisen.

Ausgeglühtes Schmiedeeisen

Graues Gußeisen

Y-

93

l¹-

800

5°°

5 000 9000 10000 II ooo 12000 J3OOO I4OOO 15000 lÖOOO 17000 l8000 I9OOO 20000

Bei Schmiedeeisen ist die Durchlässigkeit bei niederer magnetischer Dichte nicht sehr hoch, wächst aber, während die Dichte auf 5000 steigt; bei diesem Punkte ist |i == 3000. Eine Zunahme über diesen Punkt vermindert die Dichte, welche bei 58 = 16000 den Wert 400 und bei 58 = 20000 den Wert 100 erreicht. Es ist demnach nicht ökonomisch, mit 58 weit über 16 000 zu gehen. Tabelle II gibt ähnliche Werte für weichen Gußstahl oder Flußeisen.

Tabelle II.

Dynamogußstahl von E. Allen & Co.

3000

2250

2000

1692

1412

1083

823

161

90

54

30

2 ooo 4 ooo 8 ooo 12 ooo 14 ooo

M Tp LOVO 00"

Ol Ol

12

17

28,5

5°

ï°5

200

35°

666

V-

95²

1428

1634

1250

940

585

377

231

148

4000

5000

6000

7000

8000

9000

IOCOO II ooo

279

133

100

7i

53

37

10

21,5

42

80

127

188

292

SO Os 05 00 rt

In den flußeisernen Feldmagneten wird 58 ungefähr = 16000 gewählt, so daß die Durchlässigkeit bei diesem Punkte der kritische Wert für die Beurteilung verschiedener Eisensorten für Feldmagnete ist.

Betrachten wir nun die Kurve für Flußeisen wir, obgleich die Durchlässigkeit für magnetische Dichten von der

so sehen

Ordnung 10000 sehr viel niedriger ist, als die des Eisens, daß doch bei hoher magnetischer Dichte das Flußeisen ebenso gut oder noch besser ist als Schmiedeeisen. Da er außerdem erheblich billiger ist, so gebraucht man ihn allgemein für Feldmagnete und Polkerne. Obgleich dieses Material auch als weicher Stahl¹³) bezeichnet wird, so ist es seiner Zusammensetzung nach dem Eisen näher verwandt, denn es enthält nur 0,06 Prozent Kohle und kann nicht getempert werden.

Die Tatsache, daß es gegossen werden kann und leicht zu bearbeiten ist,- erleichtert die Herstellung der Maschinengestelle aus ■diesem Material. Mitisguß, eine Art gegossenen Schmiedeeisens — ein Schmiedeeisen, welches leicht schmelzbar gemacht wird durch ■einen geringen Zusatz von Aluminium — ist nach des Verfassers Untersuchungen leichter magnetisierbar, als Grußeisen und steht dem besten Schmiedeeisen nicht erheblich nach.

Eine Eisen- oder Stahlsorte, deren magnetische Durchlässigkeit in einem verhältnismäßig schwachen Felde bis 3000 oder 4000 steigt, und welche ihren Magnetismus nur mit geringer Kraft festhält, wird magnetisch weich genannt; eine Sorte dagegen, die nur eine Durchlässigkeit von 100 bis 400 erreicht, und dies erst in einem starken Feld, wird magnetisch hart genannt und zeigt eine große Kraft, ihren Magnetismus zu behalten.

Hämmern, Walzen, Abschrecken oder irgend ein anderer Vorgang, der geeignet ist, das Eisen zu härten, vermindert auch seine Durchlässigkeit, aber die nachteiligen Folgen solcher Vorgänge können beseitigt werden, wenn man das Metall zur Rotglut erhitzt und dann sehr langsam abkühlen läßt. Die Wirkung solchen Ausglühens ist aus den Kurven zu ersehen.

Die Kurve für Gußeisen ändert sich beträchtlich mit der Beschaffenheit des Eisens. Die Durchlässigkeit wird im allgemeinen vermindert im Verhältnis der Menge des im gebundenen Zustande vorhandenen Kohlenstoffs.

Eine Übersicht über die verschiedenen Methoden, die magnetischen Eigenschaften des Eisens zu messen¹⁴) und eine eingehende

Belehrung über die neuesten Sorten Eisen und Magnetstahl findet man in des Verfassers Buch »Der Elektromagnet«.

Eisenblech zeigt oft sehr verschiedene Eigenschaften in verschiedenen Teilen derselben Tafel. Nach Röhr¹) sind die Teile nach den Rändern der Tafel hin oft besser ausgeglüht als die Teile in der Mitte. Wiederholtes Anlassen macht die Bleche magnetisch gleichmäßiger. Das gleichmäßigste magnetische Material, das man bis jetzt hervorgebracht hat, ist geglühter Gußstahl.

Wirkungen des Luftzwischenraumes im magnetischen Kreise.

Sämtliche erörterten Ergebnisse betreffen ausschließlich die Vorgänge im Eisen selbst, wie auch die Kurven der Magnetisierung sich nur auf die magnetischen Materialien beziehen.

Befindet sich indessen im magnetischen Kreise ein Luftzwischenraum oder ein Zwischenraum, der mit einem unmagnetischen Stoffe angefüllt ist, wie Kupfer, Glimmer oder Papier, deren Durchlässigkeit derjenigen der Luft gleich ist [d. h. jjl = 1], so leuchtet ein, daß es einer Vermehrung der magnetisierenden Kraft bedarf, um die gleiche Zahl magnetischer Linien durch die Zwischenlage von geringerer Durchlässigkeit zu treiben.

Die Big. 53 erläutert das Gesagte. Die Kurve OcC stellt die Beziehung zwischen den erregenden Amperewindungen ($Ql: 1,257) und den von ihnen erzeugten magnetischen Linien im Eisen dar.

Stellung gibt Ewing in seinem Buch: Magnetic Induction in Iron and other Metals, London 1894; deutsch von Holborn und Lindeck, Berlin 1892.

Dr. J. Hopkinson, Abhandlungen in den Philosophical Transactions of the Royal Society, 1885 bis 1895. Die bedeutendsten davon sind abgedruckt in seinen Original Papers (1901), Bd. I.

H. J. G. du Bois, Magnetische Kreise, deren Theorie und Anwendungen.

Berlin 1894.

H. F. Parshall, Electric Generators, London 1900; auch Proc. Inst. Civil Eng., Bd. 126, 19. Mai 1896.

Dr. E. Schmidt, Die magnetische Untersuchung des Eisens, Halle a. S. 1900.

C. G. Lamb und M. Walker, Journal Inst. Elec. Eng., Bd. 30, S. 930, 1901. In dieser Abhandlung wird eine praktische Form eines Meßinstrumentes zur Bestimmung der Durchlässigkeit beschrieben.

C. V. Drysdale, ebenda, Bd. 31, S. 283, 1902. In dieser Abhandlung wird eine Methode angegeben, um die Durchlässigkeit von Eisen oder Stahl am ganzen Stück zu bestimmen, ohne erst Stäbe, Ringe oder Streifen zu schneiden.

1) Elektrotechn. Zeitschr., Bd. 19, S. 712, 1898.

Der Höhe c entspricht die Erregung 0.z\. In demselben Diagramm stellt die Linie ObB die Beziehung zwischen der Strömung der magnetischen Linien durch den Luftzwischenraum und den Amperewindungen dar, die notwendig sind, um die Linien hindurch zu treiben. Besäße der Zwischenraum 1 cm Länge, so würden 0,795 Amperewindungen des Stromes ein Feld = 33 = 1 hervorbringen. Im vorliegenden Falle ist der vorausgesetzte Zwischenraum von geringerer Länge als 1 cm, die Linie steigt so, daß ()x.₁ die Amperewindungen darstellt, die erforderlich sind, um die magnetische Strömung bis h zu steigern; dieser Punkt liegt mit c auf gleicher Höhe. Der gesamte Be- ^ trag der Erregung, der notwendig wird, um die Linien durch Luft und Eisen zu treiben, wird (abgesehen von der Zerstreuung von Linien) durch die Summe der Einzelbeträge gebildet ^

(Ox₁ -j- ()x₂ —Ox₃).

Hieraus ergibt sich der Punkt r durch die Summen der Entfernungen von c und b von der Ordinatenachse. Zeichnet man in dieser Weise eine Anzahl Punkte, so ergibt sich die resultierende Kurve OrR. Das Vorhandensein eines Zwischenraumes im magnetischen Kreise hat ersichtlich die Wirkung, daß die Kurve flacher wird, die Anfangssteigung wird durch den Luftzwischenraum bestimmt.

CZ

03

sz

s=

CU

CD

KZ

i3

G_

CD

JE

'S -

<£

EJ

“O

0 JCj

's.

sz

en

CD

*2    '*3

Fig. 53. Magnetisierung eines magnetischen Kreises mit Luftspalt.

Luftspaltkoöffizient. Bei der Rechnung ist es bequem, einen Luftspaltkoeffizienten zu benutzen. Wir haben aber gesehen, daß 0,795 (angenähert 0,8) Amperewindung nötig ist, um magnetische Linien mit einer Dichtigkeit von 93=1 längs eines Weges von 1 cm durch die Luft zu treiben. Diese Zahl kann demnach als

Koeffizient benutzt werden, um die erforderlichen Amperewindungen Xg zu bestimmen, die für eine andere Dichte 93ÿ oder Länge l erforderlich sind:

Xg = 0fi-18g-lg.

Wirkung von Verbindungsstellen.

Nachdem wir nunmehr die zusätzliche magnetisierende Kraft zu berechnen vermögen, die notwendig ist, um die magnetischen Linien durch einen Luftzwischenraum zu treiben, läßt sich ein bisher unerörterter Umstand behandeln, nämlich die Wirkung der Verbindungsstellen im Eisen auf den Widerstand des magnetischen Kreises.

Ewing¹⁵) untersuchte nicht nur die Wirkung von Durchschnitten, welche mit genau ebenen Flächen versehen waren, sondern benutzte auch verschiedene magnetisierende Kräfte und unterwarf ferner die Verbindungsstelle verschiedenem äußeren Drucke.

In nachstehender Tabelle sind die Ergebnisse zusammengestellt, die bei den Versuchen von Ewing ein Eisenstab lieferte, der zuerst querdurch in zwei, dann in vier, dann in acht Stücke zerschnitten worden war. Jeder Schnitt setzte die scheinbare Durchlässigkeit des Stabes herab.

Tabelle III.

Wirkung der Verbindungsstellen bei Schmiedeeisenstäben (nicht zusammengepreßt).

Mittlere Stärke des

Un-

geteilt

Zwei

Stücke

Vier

Stücke

Acht

Stücke

gleichwertigen Luftzwischenraumes für einen Schnitt

Stärke des Eisens von gleichwertigem Widerstand für einen Schnitt

cm

cm

Kitnw h O O O Oi <1

8 500 13400

LS 35°

16    400

17    100

6 900

11550

15    OOO 13 3OO

16    T20    15 200

0,0036

0,0030

0,0020

0,0013

0,0009

00 O 00 <N UO M rt- (N Th Cf M 0~ 0~

Angenommen, wir arbeiten mit einer Magnetisierung des Eisens von 16000 Linien für das Quadratcentimeter, die eine magnetische Kraft etwa von Jq = 50 erfordert, so ergibt sich aus der obenstehenden Tabelle, daß jede Verbindungsstelle im Eisen ebensoviel Widerstand bietet wie ein Luftzwischenraum von 0,0013 cm oder ebensoviel Widerstand hinzufügt, wie eine Eisenlage von 0,43 cm Länge.

Bei schwachen magnetischen Kräften bedeutet ein Schnitt mit guten Flächen dasselbe, als wenn ein Luftzwischenraum von vorhanden oder der Eisenkreis 2,5 cm länger wäre. Wendet man starke magnetisierende Kräfte an, so vermindert sich die Wirkung,

/ 30

mm

Quadratcentimeter erzeugen, wird ein Druck von 9 bis 16 kg auf das Quadratcenti- isood meter der Schnittflächen infolge der Anziehung ausgeübt, und die Widerstände werden dadurch beträchtlich vermindert, und zwar bis auf 10000 ungefähr ¹/₂₃ ihres Anfangswertes.

--4^

X$VV'

und zwar wahrscheinlich wegen der stärkeren Anziehung der Schnittflächen.

Bei hohen magnetisierenden Kräften oder 20000 Linien für das

die bis 15000

Die Ergebnisse von Ewing sind in der Fig. 54 dargestellt. Sobald die Schnittflächen sorgfältig eben bearbeitet waren, erschien die schädliche Wirkung der Schnitte sehr vermindert und bei Anwendung eines starken Druckes fast ausgeglichen.

5000

20

40

60

Fig. 54. Wirkung der Stoßstellen nach Ewing.

¹

Es kommt vor, daß Glühlampen zu zwei oder drei in Reihen, und solche Reihen parallel geschaltet sind. Seltener findet man parallel geschaltete Lampen im Stromkreis hintereinander befindlicher Bogenlampen, die einen gleichbleibenden Strom erfordern. Die Verteilung fällt aber stets unter eine der betrachteten Schaltungen.

²

   Experim. Researches, Bd. 3, Art. 3117, 3228, 3230, 3260, 3271, 3276, 3294 und 3361.

³

   Phil. Mag., Ser. 4, Bd. 46, August 1873. »On Magnetic Permeability and the Maximum of Magnetism of Iron, Steel and Nickel.«

⁴

   Proc. Roy. Soc., Bd. 34, S. 445, Dezember 1882.

⁵

   Phil. Mag., Ser. 5, Bd. 15, S. 205. März 1883. >On Magneto-motive Force«. Ebenda Bd. 19. Februar 1885, und Proc. Roy. Soc., Nr. 223. 1883. Vergl. auch Electrician, Bd. 14, S. 29 r. 14. Februar 1885.

⁶

   Journ. Soc. Telegr. Eng. and Electr., Bd. 15, S. 524 bis 529. 11. Nov. 1886. »On the Predetermination of the Charakteristics of Dynamos«.

⁷

   Phil. Trans. 1886, Teil 1, S. 331.

⁸

Es ist jedoch nicht außer acht zu lassen, daß, wenn wir auch zum Zwecke der Vereinfachung diese Parallele zwischen einem magnetischen und einem elektrischen Kreis ziehen dürfen, zwischen beiden doch der große Unterschied besteht, daß in einem elektrischen Kreise beständig von einem

⁹

Für diese drei Begriffe sind folgende Bezeichnungen gebräuchlich: 35: Zahl der magnetischen Linien auf i cm¹⁶ Querschnitt des Materials. Magnetische Stromdichte, magnetische Dichte. Innere Magnetisierung. Magnetische Induktion. Induktion. Stärke der Induktion.

¹⁰

Hopkinson, Phil. Transact. 1885, Teil II, S. 455.

¹¹

   Elektrotechn. Zeitschr. 1901, S. 769.

¹²

   Vergl. Journ. Inst. Electr. Engineers, Bd. 31, S. 709, 1902.

¹³

   Wegen näherer Angaben über Flußeisen und Mitisguß vergl.

G. Henrard, Lum. él., Bd. 33, S. 595. — Thompson, Knight und Bacon, Trans. American Instit. El. Eng., Bd. 9.    7. Juni 1892. — Ewing, Proc. Inst.

Civil Eng., Bd. 126, 1896. — Parshall, ebenda.

¹⁴

   Es wird empfohlen, folgende Werke zu Rate zu ziehen:

J. A. Ewing, Abhandlungen in den Philosophical Transactions of the Royal Society in den Jahren 1885 bis 1894. Eine vollständige Zusammen-

¹⁵

Philos. Magazine, September 1888.

¹⁶

§: Zahl der Kraftlinien auf i cm¹⁶, welche in Luft vorhanden sein würden. Magnetische Kraft an einem Punkte. Stärke der magnetischen Kraft. Gefälle des magnetischen Potentials für i cm. Magnetisierende oder magnetomotorische Kraft auf die Einheit der Länge der Kraftlinien, jr: Magnetische Durchlässigkeit (Permeabilität). Spezifisches Leitungsver-mögen für magnetische Linien. Magnetisches Vervielfältigungsvermögen des Materials.

Wirkungen der Erwärmung.

Wird Eisen in einem starken magnetischen Felde bis über 600 Grad C. erhitzt, so beginnt es seine magnetischen Eigenschaften zu verlieren; bei etwa 780 Grad C. verschwinden sie gänzlich. Bei Temperaturen zwischen 0 Grad und 100 Grad ist die Wirkung der Erwärmung so gering, daß sie für praktische Zwecke völlig vernachlässigt werden kann.

Rückständiger Magnetismus.

Es ist bekannt, daß verschiedene Arten magnetischer Materialien — Magneteisenstein, Stahl (besonders gehärteter Stahl) und harte Eisensorten — rückständigen Magnetismus zeigen, sobald sie magnetisierenden Kräften unterworfen worden waren. Es ist ebenso bekannt, daß geschlossene Kreise aus weichem Eisen — sogar dem weichsten — so lange einen Rückstand von Magnetismus zeigen, als der gebildete Kreis nicht unterbrochen wird.

Die Fig. 50 zeigt, daß bei allmählicher Zunahme der magnetischen Kraft von Kuli bis zu einem hohen Werte und darauf folgender allmählicher Abnahme bis Null die resultierende innere Magnetisierung 33 zunächst ein Maximum erreicht, dann abnimmt, aber nicht wieder bis Null fällt. Die vom Maximum absteigende Kurve fällt nicht mit der aufsteigenden Kurve zusammen. Wenn die magnetische Kraft wirklich ganz verschwunden war, so blieb bei der Probe ein Rückstand an Magnetismus von etwra 7300 Linien für das Quadratcentimeter. Diesen zurückbleibenden WTert von 53 kann man als Rückstand (Remanenz) bezeichnen. Zur Beseitigung dieses Rückstandes muß eine negative magnetische Kraft angewendet werden. Wird genügende magnetische Kraft angewendet, so fällt die Kurve ab und schneidet die Abscissenachse in einem Punkte links vom Anfangspunkte; bei stärkeren negativen magnetischen Kräften wird das Probestück mit magnetischen Linien durchsetzt, die in umgekehrter Richtung verlaufen. Der besondere Wert der negativen magnetischen Kraft, die erforderlich ist, um die zurückbleibende Magnetisierung auf Null herabzubringen, wurde von Hopkinson » Koërzitiv « - Kraft genannt.

Bei dem Probestück aus weichem Eisen (Fig. 50) beträgt die Koërzitivkraft in CGS.-Einheiten etwa 2. Man kann diese Kraft, die notwendig ist, um irgend ein Eisenstück von der zurückbleibenden Magnetisierung zu befreien, als ein Maß für das Bestreben des Eisens anséhen, je nach seiner besonderen Eigenschaft Dauermagnetismus zu behalten. Harte Eisen- und Stahlsorten zeigen stets größere Koërzitivkraft als weichere Eisensorten. Während die Kraft z. B. bei weichem Schmiedeeisen etwa 2 beträgt, stellt sie sich bei hartem Stahl auf mehr als 70.

Hysterese.

Die Fig. 55 zeigt einen solchen Kreislauf, der den

Ewing, der sich vorzugsweise mit der Erforschung von Nachwirkungen beschäftigt hat, die durch verschiedene Eigenschaften von Eisen und Stahl hervorgerufen werden, bezeichnete mit Hysterese das Bestreben der Wirkungen, hinter den sie erzeugenden Ursachen in der Phase zurückzubleiben. Man untersucht in geeigneter Weise die magnetische Hysterese, indem ein Probestück einem vollständigen Kreisläufe (oder einer Anzahl von Kreisläufen) von magnetischen Kräften unterworfen wird. Die magnetische Kraft beginne z. B. bei Null und wachse bis zu einem hohen Werte, etwa § = 200 an, falle dann wieder bis Null, werde dann in der Richtung umgekehrt, nehme einen hohen negativen Wert an und falle endlich wieder auf Null.

Untersuchungen von Ewing entnommen worden ist und sich auf eine Versuchsreihe mit einem Stück ausgeglühten Stahldrahtes (Klavierdraht) bezieht. Die Kurve beginnt in der Mitte des Diagramms. Wächst § nach der positiven Richtung, so steigt die Kurve zuerst konkav nach rechts an, biegt sich dann herüber und erreicht, sobald = 55 ist, einen etwas höheren Wert als 14000. Wird nun Jq bis auf Null vermindert, so fällt die Kurve nicht so schnell, als sie früher anstieg; wenn § = 20 ist, so ist erst der Wert von 12000 erreicht, und bei £) = 0 beträgt der Rückstand

33 16000 14-CQQ

12000

IOOOO

8000'

6Ç0Ç.

4000 i öd

-GO

2000

4-300 6000 gQQQ occc 2000

-14000 -16000

Fig. 55. Hysterese in Schmiedeeisen und Stahl.

noch etwa 8500. Ließe inan in diesem Punkte § wieder bis auf 55 anwachsen. so würde 33 wieder auf den Wert 14000 steigen. Wird indessen die Richtung der magnetischen Kraft von — 0 nunmehr umgekehrt und allmählich von 0 bis — 55 verstärkt, so fällt die Kurve nach links ab und schneidet die horizontale Achse bei —16; dies ist also der Wert der Koörzitivkraft. Verstärkt man die umgekehrte magnetische Kraft bis = — 55, so wächst die umgekehrte Magnetisierung bis 33 = — 14000 oder etwas höher an. Wird nunmehr die umgekehrte magnetische Kraft wieder auf Null gebracht, so kehrt die Kurve nach rechts hin wieder zurück und schneidet die Ordinate bei 33 = — 8500 (dem negativen Rückstände). Kehrt man bei diesem Punkte die magnetische Kraft abermals um, so findet man bei = 16 die Magnetisierung wieder gleich Null.

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Auü.

Bei weiterem Anwachsen von § steigt die Magnetisierung schnell an, folgt aber nicht der ersten Kurve, und gelangt bei § = 55 zu gleicher Höhe wie vorhin.

Kreisläufe der Magnetisierung.

Läßt man irgend eine Eisen- oder Stahlsorte die vorhin beschriebenen Kreisläufe der Magnetisierung durchmachen, so erhält man stets Kurven mit eingeschlossener Fläche, wie in der Fig. 55 Wie Warburg¹) und Ewing²) gezeigt haben, erhält diese Tatsache dadurch besondere Bedeutung, daß die umschlossene Fläche ein Maß für die Arbeit liefert, die bei einem vollständigen Kreisläufe der Magnetisierung verbraucht wird. Ebenso wie die Fläche auf einem Indikatordiagramm einer Dampfmaschine ein Maß für die in nutzbare Arbeit umgesetzte Wärme in dem Kreisläufe der Wirkung der Maschine bildet, ebenso ist in dem magnetischen Kreisläufe die von der Kurve umschlossene Fläche ein Maß für die in (nutzlose) Wärme umgesetzte Arbeit³).

In der Fig. 55 ist zur Vergleichung eine Kurve für Stahl und eine solche für Eisen dargestellt. In jedem Falle stellt die eingeschlossene Fläche die Arbeit dar, die verbraucht wird, wenn das Eisen diesen wechselnden magnetisierenden Kräften ausgesetzt wird. Die auf solche Weise erhaltene Schleife bildet also ein Maß für die Hysterese der untersuchten Eisensorte. Bei sehr weichem Eisen liegen die aufsteigenden und absteigenden Kurven dicht zusammen, die eingeschlossene Fläche ist klein, im magnetischen Kreisläufe wird sehr wenig Energie verbraucht. Bei hartem Eisen und besonders bei hartem Stahl besteht im Gegenteil ein erheblicher Zwischenraum zwischen den Kurven und ein großer Aufwand an Energie ist erforderlich.

1)    Wied. Ann., Bd. 13, S. 141. 1881.

2)    Proc. Royal Soc., Bd. 31, S. 22, 1881; Bd. 34, S. 39, 1884; Bd. 35, S. i, 1885; Phil. Trans. 1885, Teil 2, S. 523.

3)    Der Beweis dafür ist folgender: In einem magnetischen Felde von der Stärke § gebraucht man § Einheiten Arbeit, um die Einheit des Magnetismus auf eine Länge von 1 cm gegen die magnetisierenden Kräfte zu bewegen. Da auf jede magnetische Einheit nun 4 n Linien entfallen, so beträgt die während eines Kreislaufes in einem Kubikcentimeter geleistete

Arbeit ~~ j    Werden § und 93 in CGS.-Einheiten ausgedrückt, so

erhält man die Arbeit in Erg für das Kubikcentimeter. Multipliziert man diesen Wert mit der Anzahl der Kreisläufe in der Sekunde und dividiert durch io⁷, so erhält man die Zahl der verbrauchten Watt.

Verluste durch Erwärmung beim Ummagnetisieren. Es ist schon lange bekannt, daß das Eisen, wenn es in sehr rascher Folge magnetisiert und wieder entmagnetisiert wird, sich erhitzt. Diese Erwärmung stellt einen Energieverlust dar; sie ist die Folge einerseits von einer Eigenschaft des Eisens, der Hysterese, und anderseits von Wirbelströmen.

Unter Hysterese kann man sich eine Art magnetischer Trägheit vorstellen, deren Überwindung bei jeder Wiederkehr oder Umkehr der Magnetisierung einen Energieaufwand erfordert, der sich besonders bei allen härteren Sorten von Eisen und Stahl bemerkbar macht. Um diese Verlustquelle möglichst klein zu halten, muß man darauf achten, daß das zu den Ankerkernen verwendete Material eine möglichst geringe Hysterese aufweist.

Wirbelströme sind in der Masse des Eisenkernes selbst durch die magnetischen Veränderungen erzeugte (induzierte) Ströme. Sie können fast zum Verschwinden gebracht werden, indem man die Kerne blättert, d. h. sie aus dünnen Blechen aus Eisen oder weichem Spezialstahl aufbaut, deren Dicke meist zwischen 1 und 2 mm schwankt; in einzelnen besonderen Fällen geht man noch unter dieses Maß bis auf etwa 0,6 mm herab.

Berechnung der Wärmeverluste bei Eisenkernen. Die bei jedem Kreislauf verloren gehende Energiemenge hängt nicht nur von der Art des verwendeten Materiales, sondern auch davon ab, bis zu welchem Grade das Magnetisieren bei jedem Kreisläufe stattfindet, d. h. also von der Amplitude des Kreislaufes. Der Energieverlust wächst im Verhältnis stärker als die Magnetisierung; wird 53 verdoppelt, so ist der Energieverlust für jeden Kreislauf mehr als doppelt so groß.

C. P. Steinmetz¹) drückt die Beziehungen zwischen dem durch

Hysterese verursachten Energieverlust V in Erg auf das Kubikcenti-meter Eisen während eines Kreislaufes und der magnetischen Dichte 53 durch die Gleichung

F=t|53² 3’⁶

aus, worin ein von der Eisensorte abhängiger Koeffizient, der Koeffizient der magnetischen Hysterese ist. Die Gleichung gilt für Kreisläufe bis zu 200 in der Sekunde. Die Tabelle V gibt die Werte

des Koëffizienten 7j für verschiedene Materialienx) bei gebräuchlichen Wechselzahlen an.

Tabelle IV.

Koeffizient der magnetischen Hysterese für verschiedene

Materialien.

Material

Koeffizient rj

Material

Koeffizient V]

Barretts Aluminiumeisen Sankeys Lohys-Eisen Sehr weicher Eisendraht . Sehr dünnes weiches Eisenblech Dünnes gutes Eisenblech .    .

Dickes Eisenblech ....

0,00068

0,0012

0,002

0,0024

0,003

0,0033

Gewöhnliches Eisenblech. Weicher geglühter Gußstahl Weicher Maschinenstahl .    .

Gußstahl........

Gußeisen.......

Harter Gußstahl.....

0,004

0,008

0,0094

0,012

0,016

0,025

Hieraus ergeben sich folgende praktische Formeln: Her hyste-retische Verlust Wh beträgt bei n Perioden in der Sekunde: für 1 cm³ Eisen

Wn = 7] • n • 53 '>⁶ • 10~'⁷ Watt, Tj-W-Sö¹*⁶

W att.

u 1 kg (Dichte 7,77)

In Fig. 56 sind die Hystereseverluste eines Eisenbleches gewöhnlicher, guter Qualität für verschiedene Werte der Kraftliniendichte zusannnengestellt, und zwar in Watt für das Kilogramm bei einer Frequenz von 30 Perioden in der Sekunde.

7.77-10⁴

12

10

In gleicher Weise gibt Fig. 57 eine graphische Darstellung der H}rsterese-verluste in Watt für das Kubikcentimeter eines gewöhnlichen Ankerbleches; die Kurven sind hier für die Periodenzahl 1 in der Sekunde entworfen. Beispiel. — Man bestimme die Hystereseverluste im Ankerkern des im Kapitel XVIII berechneten achtpoligen Bahngenerators unter der Annahme, daß 33 = 10000, die gesamte Eisenmasse etwa

I²

°x~

4000    8000

12000 16000

Fig. 56. Magnetisierungsverlust in Eisen.

1) Wegen Einzelheiten überEwings magnetische Prüfvorrichtung zum Messen der Hysterese in Eisenblech vergl. J. Inst. Elec. Engineers, 25. April 1895, auch Eleçtrician, Bd. 34, S. 786.

267000 cm³, die Frequenz 10 Perioden in der Sekunde und die Hysteresekonstante = 0,002 sei. Aus der Fig. 56 ergibt sich, daß der Verlust für 1000 cm³ und 1 Periode in der Sekunde etwa 0,5 Watt beträgt.    Der

Gesamtverlust ist    also

= 267 • 10 0,5 = 1335 24 Watt.

2.2

Die folgende Tabelle V ergibt die Anzahl von Watt, 2° die durch Hysterese in ]g weichem, gut unterteiltem Schmiedeeisen bei schnei-lern Wechsel der Magnetisierung verbraucht werden. Zur Erleichterung ¹-2 der Rechnungen sind die Verluste für drei verschiedene Werte der Hysteresekonstanten zusammengestellt.

Diese Werte sind in den Kurven der Fig. 57 q,2 wiedergegeben; sie sind mit j der jeweiligen Perioden- w oc zahl zu multiplizieren.

Außer dem hystere-tischen Verlust entsteht in Umformerblechen noch ein Verlust durch Wirbelströme. Dieser Verlust ist proportional den Quadraten der

1.4

1,0

0.8

0,6

0,4

4000

8000

12000

.0,

16000

Fig. 57- Hysteretischer Verlust in Eisen.

Tabelle V.

7] = 0,002

Verluste für 1000 cmS und 1 Periode/Sekunde 7] = 0,003

7] = 0,004

8    000 10 000 12 000 T 4 000

tO h O CD Qn en OO tO tO h h 00<] 05 05^1 O 01 00 to 05H ^J4^O5M-^t0t0-4^t0ONO5

Th Th oovo OO lh"4- OO 0t (N h « OO tJ- ip

O O o" o" o" O H H H 4 H

\û<icn W Ovi CD OWO vO h cn H

M jO jO    H    H m    O    O O    O    O

4> OG    tO    O    O    ON4-    to    CO

OS tO    tO    004*    -1^    004-    to    tO

Eisendicke, der Wechselzahl und der magnetischen Dichte, berechnet sich nach folgenden Formeln:

Er

. . Ww = 0,162 d² n² 23² • 10~¹² Watt, , .    2,08 d² n² 23² • IO⁻¹²    „

Der Wirbelstromverlust Ww beträgt: für 1 cm³ Eisen .    .

» lkg

(Dichte 7,77)

d ist die Dicke des Kernblechs in Millimetern.

Zur leichteren Benutzung ist nachstehende Tabelle VI berechnet, die die Werte der Wirbelstromverluste in Blechen von vier verschiedenen Stärken bei einer Periode in der Sekunde angibt. Die entsprechenden Werte für andere Periodenzahlen ergeben sich durch Multiplikation mit dem Quadrate der Periodenzahl.

Tabelle VI.

Wirbelstromverluste in Eisenblech von der Dicke d in Watt für 1000 cm³ Eisen bei 10 Perioden/Sekunden.

58

d — 0,25 mm

°,5

1,0

i,5

4 oco 5000

6    000

7    coo

8    000 10 000 12 000 14 000

COK)N3^whOOOOO 00 ^3 Ol v£3 4^ O 0,4^- 00 tO h h. tovoo 0\müi\0 C\Oi Oi

CO — OvlUl-t* B H H H O 10 Oi CO 00 03 Q üi 'O 4, O 0\ 4^ 00 Ol 004^ vo Ol H Ol

0,20

0,40

°ö8

o,79

1,04

1,Ö2

2-34

3>J5

4.14

4,67

5,30

O ’p ■O Ol 03 JO j- m 0 p Öl üo O io OvOO Co Öo "O Ol

H to IO 0\4^ OO -J H H 43

11,02

Diese Werte sind in Fig. 58 graphisch aufgetragen.

Findet man für eine vorgeschriebene magnetische Dichte 23 und für Eisenblech von der Dicke d nun aus obiger Tabelle oder aus Fig. 58 den Wert w, so beträgt der Verlust im Eisenvolumen F bei der Frequenz n Perioden/Sekunden:

Ww — w • V-n² • 10—5.

Beispiel. — Man suche die durch Wirbelströme in dem Ankerkern (mit Ausschluß der Zähne) der vorerwähnten achtpoligen Dynamomaschine verbrauchte Leistung. Nehmen wir wieder 23 = 10000, die Frequenz zu 10 Perioden in der Sekunde, die Dicke der Kernscheiben zu 1 mm, die in Berechnung zu ziehende Eisenmasse zu 267 600 cm³ an, so findet man den gesuchten Wert in folgender Weise:

Man folgt der in Fig. 58 für d = 1 mm gezeichneten Kurve bis zu dem Punkte, der dem Werte von 23 = 10000 gegenüber liegt,

und liest auf dem anderen Maßstab 1,62 als die Zahl der Watt für 1000 cm³ bei 100 Perioden in der Sekunde. Dieser Wert von w ist in die letzte Pormel einzusetzen; wir erhalten:

1,62 • 267 600 • 10² • 10~⁵ = 434 Watt, als den Verlust durch Wirbelströme. Hätten wir die Kernscheiben nur halb so dick angenommen, so wäre der Verlust auf 109 Watt vermindert worden.

Für den gesamten Verlust für Hysterese und Wirbelströme in 1 cm³ Eisen ergibt sich:

W= Wa -|- TU«, = yj-53¹’⁶ -10_7-f- 0,162-d²n²33²- IO⁻¹² Watt in guter Übereinstimmung mit der Erfahrung.

Weitere Berechnungen 12 der durch Hysterese und Wirb eiströme — gewöhnlich kurz als Eisenverluste 10 bezeichnet

Ankerkernen von Gleichstrommaschinen hervor- 8 gerufenen Verluste findet man im Kapitel XIX.

Ewing fand Erschütterungen die Wirkungen des remanenten Magnetismus aufheben. Es 4 sind auch Anzeichen dafür vorhanden, daß der Verlust in jeder Periode bei sehr 2 raschem Wechsel kleiner ist, als er unter gleichen V erhältnissen bei langsamem W echsel sein würde.

in den

daß

cJ2r

4000

8000

12000

4-

0.25

nun

16000

Fig. 58. Wirbelstromverlust in Eisen.

Drehungshysterese. Wenn ein Ankerkern in einem starken Magnetfelde gedreht wird, so wird das Eisen ebenfalls ganz gleichmäßig einem magnetischen Kreisläufe ausgesetzt, aber in einer ganz anderen Weise, als wenn die magnetisierende Kraft selbst eine periodische Umkehrung erführe, wie es bei Transformatoren der Fall ist. Nach Mordey¹) sind die Hystereseverluste im ersten Fall

etwas geringer als im zweiten. Baily⁴) fand, daß die Hystereseverluste bei einer Dichte unterhalb 15000 etwas geringer waren bei der Drehung, als bei der periodischen Umkehrung, daß aber in einem stärkeren Felde die Verluste bei der Drehung wesentlich kleiner und bei 53 = 20000 nahezu Null wurden. Dina⁵) hat jedoch dieses Ergebnis nicht bestätigt.

Verzögerung des Magnetismus.

Man hat schon lange gewußt, daß in nicht unterteilten Kernen von Elektromagneten das Ansteigen und Fallen des Magnetismus durch Wirbelströme im Eisen verzögert wird, da die Außenseite des Eisens sich zuerst magnetisiert, wenn der Strom geschlossen wird, während der Magnetismus des inneren Teiles erst später anwächst, wenn die Wirbelströme in den äußeren Teilen bereits verschwinden. Es findet daher eine regelmäßige Durchdringung oder Fortpflanzung des Magnetismus von den äußeren Teilen des Kernes nach den inneren statt. Wenn der magnetisierende Strom aufhört, verliert das Innere des Kernes seinen Magnetismus zuletzt. Bei großen Dynamomaschinen mögen viele Minuten vergehen, bevor der Magnetismus sein Maximum erreicht. Aus diesem Grunde hielt es der Verfasser seiner Zeit für nützlich, Dynamomaschinen mit großen massiven Elektromagneten, die als Stromerzeuger für elektrische Eisenbahnen dienten, mit einer gemischten Wickelung zu versehen. Hopkinson⁶) zeigte, daß die Verzögerung sich mit dem Quadrate der linearen Abmessungen ändert.

Magnetische Dämpfung. Wenn ein Kraftlinienfluß im Eisen oder in freier Luft von einem geschlossenen Leiter umgeben ist, einem Kupferring z. B. oder einer Kupferröhre, oder auch von einer Kupferdrahtspule, deren Enden miteinander verbunden sind und so einen geschlossenen Kreis bilden, so kann die Kraftlinienmenge weder vergrößert noch verringert werden, ohne daß in dem umgebenden Leiter Ströme induziert werden. Diese induzierten Ströme suchen stets der Änderung der Kraftlinienzahl entgegen zu wirken, verzögern sie also. Es ist daher möglich, einen Pol gegen plötzliche Änderungen seines Magnetismus einfach dadurch zu schützen, daß man ihn mit einer kräftigen Kupferspule oder einem sonstigen geschlossenen Kupferkreis als magnetischen Dämpfer umgibt. Aus diesem Grunde umgab Brush 1878 die Enden seiner Feldmagnete mit einer kupfernen Röhre. Neuerdings haben Hutin und Le Blanc zum gleichen Zwecke eine Anordnung vorgeschlagen, die sie Amortisseur, d. i. Dämpfer, nannten, welche die Verzerrungen des Magnetfeldes unter den Polen hindern sollte. Aus dem gleichen Grunde legt die Westinghouse Gesellschaft Kupferdämpfer zwischen die Polspitzen ihrer Wechselstrommaschinen und Umformer. Ein Kupferring, rund um den Pol gelegt, kann also plötzliche Änderungen der eingeschlossenen Kraftlinienmenge verhindern, er kann aber Verschiebungen des Feldes innerhalb des umschlossenen Raumes von einem Teil der Poloberfläche zum anderen nicht verhindern. Hierzu oder wenigstens zu einer Abschwächung der Verzerrung des Feldes können eine oder mehrere Kupferschienen dienen, die quer in die Poloberflächen eingelassen und an den Enden durch Bänder verbunden werden. Da in massivem Eisen und Stahl ebenso wie in Kupfer Ströme induziert werden, können also bis zu einem gewissen Grade auch massive stählerne Polschuhe zu dem gleichen Zwecke als magnetische Dämpfer verwendet werden; sie sind natürlich weniger wirksam, als Kupferdämpfer.

Anwachsen des Magnetismus.

Ewing hat noch eine andere Art von Nachwirkungen gefunden, die er als »zähe Hysteres« (viscous hystérésis) bezeichnet. Es soll dieser Name das allmähliche Anwachsen der Magnetisierung aus-driicken, das eintritt, wenn eine magnetische Kraft mit völliger Stetigkeit auf ein Stück Eisen wirkt. Das allmähliche Anwachsen kann eine halbe Stunde oder länger stattfinden und einige Prozent der gesamten Magnetisierung betragen. Es ist das in der Tat eine verzögerte Magnetisierung, aber nicht mit der schon erörterten, als Hysterese bezeichneten Phasen Verzögerung oder mit der anscheinenden Verzögerung zu verwechseln, die der Verzögerung des magnetisierenden Stromes aus Anlaß der Selbstinduktion entstammt, oder ferner mit der anscheinenden Verzögerung, die bei ungeblätterten Eisenkernen beobachtet und durch die in der Masse des Eisens umlaufenden Wirbelströme hervorgebracht wird.

Langsame Veränderungen in den magnetischen Eigenschaften

des Eisens.

Wenn Eisen durch rasch wechselnde Ströme eine Zeit lang magnetisiert wird, erleiden seine magnetischen Eigenschaften eine kleine Veränderung dergestalt, daß die Energie, welche nötig ist, um es durch einen bestimmten Kreislauf zu bringen, größer wird. Diese Wirkung ist bei Wechselstrom-Transformatoren beobachtet worden und beruht auf einer physikalischen Veränderung des Eisens, welche seine Durchlässigkeit oder seine hysteretischen Verluste oder beides beeinflußt. Ob die Veränderung unmittelbar von dem beständigen Wechsel der Magnetisierung herrührt, oder ob sie eine Folgeerscheinung ist, welche von dem Warmwerden herrührt oder von der Kompression, die bei der Ausdehnung des Eisens unter dem Einfluß der Erwärmung stattfindet, ist noch nicht sicher festgestelit, aber eine Reihe von Versuchen, welche Mordey⁷) anstellte, geben

Grund zu der Annahme, daß die letztere Ursache eine genügende Erklärung für die Erscheinung darbietet.

Berechnung des magnetischen Kreises. Der folgende Rest dieses Kapitels hat nur noch historisches Interesse, da die darin untersuchten Methoden der Berech

nung jetzt überholt sind. Die neuere Methode wird eingehend im Kapitel VI dargestellt werden.

Fig. 59. Magnetischer Kreis.

Wenn wir die magnetischen Eigenschaften des Materials, das wir benutzen wollen, kennen, sind wir im stände, die Zahl der Amperewindungen zu berechnen, welche er-

forderlich ist, um eine gewünschte Strömung in dem magnetischen Kreise einer Dynamomaschine von beliebiger Bauart und Größe hervorzubringen. Die magnetisierende Kraft $ Gilbert, welche 1,257 mal der Zahl der der Amperewindungen A TU gleich ist, hängt ab von dem Widerstand des Kreises und von der verlangten Strömung O. Es ist daher allgemein

Da aber der Gesamtwiderstand aus den hintereinander geschalteten Widerständen der einzelnen Teile des Kreises besteht, in welchen nicht notwendigerweise die gleiche magnetische Strömung

vorhanden sein muß, so ist es besser, die einzelnen Teile des Kreises fiir sich zu betrachten.

Wie die schematische Darstellung des magnetischen Kreises einer zweipoligen Dynamomaschine drei Teile zu unterscheiden, nämlich den eisernen Ankerkern, die beiden Luftzwischenräume und die eisernen Feldmagnete.

Bezeichnen wir die mittlere Länge des Weges einer magnetischen Linie im Ankerkern mit Zl5 den Querschnitt mit A₁ und die

Fig. 59 — zeigt, haben wir

Durchlässigkeit mit jjlj, so ist der Widerstand im Anker gleich

(vergl. S. 84, 85). Die Kraftlinienmenge O im Anker, dividiert durch den Querschnitt A des letzteren gibt die magnetische Dichte 33, wonach |j.₁ aus der Kurve der Durchlässigkeit des benutzten Materiales be-

die magnetisierende Kraft

ID A

stimmt werden kann. Dann gibt

ID A

an, welche erforderlich ist, um die Kraftlinien durch den Ankerkern

2 Ol₂

die erforder-

zu treiben. In ähnlicher Weise erhalten wir in

liehe magnetisierende Kraft für die beiden Luftzwischenräume, wenn l₂ die Länge und A₂ den Querschnitt eines Zwischenraumes bezeichnen. Die Kraftlinienmenge in den Feldmagneten muß wegen der magnetischen Verluste größer sein als in dem Anker. Wie weiter unten gezeigt wird, können wir die Gesamtmenge oder die Gesamtzahl der magnetischen Linien im Feldmagnet durch v© aus-driieken, wobei v eine Zahl (gewöhnlich ungefähr 1,8) ist, welche aus der Form des Magnetes bestimmt werden kann (vergl. S. 134). Haben wir die Durchlässigkeit |i₃ des Materials der Feldmagneten gefunden, wenn der Strom durch den Querschnitt A₃ fließt, v ®/₃

ID A

wendige magnetisierende Kraft.

Im ganzen ist also erforderlich an Amperewindungen

so erhalten wir in

die für diesen Teil des Stromkreises not-

- —I

1,257    1,257 \₁l₁A₁

ID A f

Diese Rechnungsmethode ist im wesentlichen dieselbe, welche im Jahre 1886 von J. und E. Hopkinson, sowie auch von Kapp vorgeschlagen wurde; aber erstere gingen in ihren Untersuchungen noch weiter. Sie zeichneten für jeden Teil des magnetischen Kreises eine besondere Kurve auf, welche die Beziehungen zwischen der

magnetisierenden Kraft und der Magnetisierung darstellte, und erhielten durch Summation der einzelnen Kurven eine resultierende charakteristische Kurve. Dies geschah zunächst unter der Annahme, daß kein magnetischer Verlust vorhanden sei; nachdem so ein erster Näherungswert erhalten, wurde das theoretisch erzielte Resultat mit den wirklichen Versuchswerten verglichen und dadurch ein Mittel erhalten, die noch einzuführenden Korrektionen abzuschätzen.

Demgemäß kann man die magnetische Kraft im Anker-

(0 \

teile des magnetischen Kreises durch / ^ ^ j

Tn Wirklichkeit bestimmten die Gebr. Hopkinson die Formel allerdings etwas allgemeiner. Anstatt g für die verschiedenen Teile anzunehmen, begnügten sie sich mit der Annahme, daß die magnetische Induktion in jedem Teile eine Funktion der in demselben wirksamen magnetischen Kraft sein muß. Wenn nun 0 magnetische Linien durch die Schnittfläche von A cm² treten, so ist die Anzahl der Linien für das Quadratcentimeter, die magnetische Dichte iß, (l)

gleich —

• I. ausdrücken. Diese

Funktion läßt sich untersuchen und als Kurve darstellen. Die auf Seite 86 gezeichneten Magnetisierungkurven sind in der Tat nur Kurven, die eine Beziehung zwischen den magnetisierenden Kräften und dem von diesen induzierten Betrage an Magnetismus nacherhält man für die

weisen. Einen ähnlichen Ausdruck

magnetische Kraft, die im Feldmagnet wirkt; für die Zwischenräume

ist die magnetische Kraft dagegen

O

Ä₂

■l₂, denn für die Luft sind

magnetisierende Kraft und erzeugter Magnetismus einander proportional. Die gesamte magnetisierende Kraft oder das Integral wird durch Summierung der obigen Werte erhalten, die ergibt:

4 it AW 10 ’

Aus dieser Behänd lungsweise des Gegenstandes entspringen folgende Vorteile: 1. die Benutzung der Funktion, deren Wert aus einer Kurve oder Tabelle von Beobachtungen entnommen wird, wie solche in den vorigen Kapiteln zu finden sind, an Stelle des Gebrauches von g stellt den Ausdruck allgemeiner dar; 2. die Werte der einzelnen Ausdrücke werden verschieden durch die Streuung der magnetischen Linien beeinflußt; es wird nicht schwer, an jedem einzelnen eine Berichtigung besonders anzubringen.

Wenn wir nun für jeden der drei Ausdrücke Kurven aufzeichnen, welche die Anzahl der Amperewindungen darstellen, die erforderlich sind, um verschiedene Mengen magnetischer Linien durch jeden der drei Teile des Kreises hindurchzutreiben, so können wir die drei Kurven zu einer resultierenden vereinigen. Nachdem die Gebr. Hopkinson in dieser Weise eine charakteristische Kurve der Magnetisierung hergestellt hatten, gingen sie zur Berichtigung derselben durch Berücksichtigung der Streuungsverluste über. Sie ermittelten, daß bei der Yersuchsmaschine (Maschine von Edison-Hopkinson) nur etwa drei Viertel der in dem Feldmagnete erzeugten magnetischen Linien den Ankerkern wirklich durchsetzten, der Rest zerstreute sich entweder zwischen den Polstücken durch die Luft oder durch die Bodenplatte, oder er wendete sich von den Polstücken zu dem oberen Joch. Der Versuch ergab als Verhältniszahl der magnetischen Strömung in den Eisenkernen (an einem Punkte in der Mitte der aufrecht stehenden Kerne) zur Strömung im Anker den Wert v= 1,32.

In der Versuchsmaschine befand sich ein oberes Joch, dessen gekrümmter Längsweg und dessen Querschnitt war. Die entsprechenden Größen für die massiven Polstiicke mögen l₅ und sein. Nach Einfügung dieser Werte in die Gleichung erhält man:

= 4:t A Wj 10.

Diese fünf Ausdrücke, die fünf Kurven ergeben, sind zu berechnen (Fig. 60). Außerdem ist zu beachten, daß mit abfallenden magnetisierenden Kräften eine andere Kurve der Magnetisierung erhalten wird, als mit ansteigenden magnetisierenden Kräften. Die der Abhandlung von Hopkinson entnommene Fig. 60 zeigt, wie die fünf Kurven für ansteigende und abfallende Magnetisierung entworfen werden.

Die Kurve A bezieht sich auf den Anker, B auf die beiden Zwischenräume, C auf die Kerne des Feldmagnetes, G auf das Joch und H auf die beiden Polstücke. Um die resultierenden Kurven zu erhalten, müssen für jede Ordinate die zugehörigen Abscissen addiert werden. Z. B. erfordern für 12 Millionen magnetischer Linien die Luftzwischenräume (Kurve B) ungefähr 17 500 Amperewindungen, die Feldmagnete (Kurve C) 5000, das Joch (Kurve G) ungefähr 1000, der Anker (Kurve A) 300, zusammen also 23800 Amperewindungen; dieser Wert ist auf der Abscisse nach rechts hin abzutragen. Die resultierende Kurve ist durch die so berechneten Punkte gezogen. Die resultierenden Kurven der ansteigenden und abfallenden Magnetisierung sind beide gezeichnet. Sie stimmen recht gut mit den Punkten und Kreuzen überein, deren Lage aus Versuchen ermittelt wurde. Die punktierten Kurven und die in Kreise eingeschlossenen

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14

'B

13

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14

5000

10000

15000

20000

Fig. 60. Vorherbestimmung der Leerlauf - Charakteristik nach Hopkinson.

25000

Kreuze beziehen sich auf abnehmende Magnetisierung. Das Studium der ursprünglichen kurzen, aber sehr wichtigen Abhandlung, in welcher die Methode auf zwei verschiedene Maschinenformen angewendet wird, ist sehr zu empfehlen; sie ist in Hopkinsons »Original Papers« (Cambridge 1901) wieder abgedruckt.

Die Lage der magnetisierenden Wickelung im magnetischen Kreise ist noch von Wichtigkeit. Da die elektrischen und magne-tischen Kreise miteinander verschlungen oder verkettet sind, wird immer die gleiche magnetisierende Kraft entstehen, wo auch die Wickelung angebracht wird; aber mit Rücksicht auf die magnetische Streuung ist es vorteilhaft, die Wickelung möglichst nahe an demjenigen Teile des magnetischen Kreises anzubringen, wo die magnetisierende Kraft entstehen soll. Wie wir oben (Seite 68) gefunden haben, werden, wenn mehrere Wickelungen vorhanden sind, ihre magnetisierenden Kräfte sich nur summieren, wenn sie demselben magnetischen Kreise angehören; wenn also ein doppelter magnetischer Kreis angewandt wird (wie z. B. bei den Maschinen der Manchester-Gattung), muß jeder Zweig des Kreises mit genügenden Amperewindungen versehen werden, damit die verlangte magnetische Potentialdifferenz zwischen den Polen entsteht. Es kann sonst unter gleichen Umständen in den Feldmagneten das Doppelte an Kraft und mehr verloren gehen. Da indessen der Umfang jedes der beiden Zweige geringer ist, als wenn nur ein Kreis vorhanden wäre, so braucht man bei gleichem Verlust nicht ganz das Doppelte an Kupfer für die beiden Wickelungen als für eine Wickelung erforderlich wäre. In Fällen, wo mehrere magnetische Kreise vorhanden sind, wie bei vielpoligen Feldmagneten, ist es zuweilen zweckmäßig, nur eine magnetisierende Wickelung zu verwenden und sie mit allen magnetischen Kreisen zu verketten; eine solche Anordnung zeigt Fig. 68. Es wäre sogar möglich, den magnetischen Kreis mehreremal um den elektrischen Kreis zu schlingen.

Näherungsformel für das Gesetz des Elektromagnets.

Vor der Entdeckung des Gesetzes des magnetischen Kreises wurden viele Versuche gemacht, eine brauchbare Formel für die Größe des Magnetismus zu finden, welcher in einem gegebenen Elektromagnete durch einen gegebenen Strom erzeugt wird. Über diese Versuche ist in der zweiten und dritten Ausgabe dieses Werkes ausführlich berichtet worden. Da sie jetzt nicht mehr für den Entwurf von Dynamomaschinen benutzt werden, so kann man sie sehr kurz behandeln.

Die früheste Annahme von Lenz und Jacobi setzte ein einfaches Verhältnis zwischen dem erregenden Strome und dem erzeugten Magnetismus voraus. Hiernach würde die Magnetisierungskurve vom Anfangspunkte ab in einer geraden Linie ansteigen. Joule wies die Unrichtigkeit dieses Gesetzes nach und zeigte, daß bei genügender magnetisierender Kraft Sättigung eintrete.

Müller (und nach ihm v. Waltenhofen, Kappu. a.) schlugen eine Tangentenformel vor; sie nahmen an, wenn der erregende Strom durch die Länge einer als Tangente an einen Kreis gezogenen geraden Linie dargestellt werde, daß der entsprechende Bogen den Betrag des Magnetismus darstelle. Dies gibt eine Sättigungsgrenze, stellt indessen nicht die Tatsachen in den früheren Zuständen der Magnetisierung dar. Gestützt auf theoretische Betrachtungen, schlug Lamont eine Exponentialformel vor, aus der er einen Näherungswert herleitete unter der Annahme, daß die Durchlässigkeit in allen Stadien proportional sei dem Unterschiede zwischen dem wirklichen und dem überhaupt möglichen Höchstbetrage des Magnetismus.

Frölich⁸) nahm die Formel von Lamont wieder auf; sie wurde auch noch von anderen in verschiedenen Formen benutzt, so vom Verfasser dieses Werkes. Angenommen, die magnetische Strömung O werde bei dem Höchstwert </>' vollständige Sättigung erfahren, und die Magnetisierbarkeit des Magnetes in jedem Stadium sei dem für die magnetischen Linien gelassenen Baum, d. h. (D‘—O proportional. Bezeichnet dann N die Zahl der Windungen und i die Stromstärke, so bedeutet Ni die Zahl der erregenden Amperewindungen und (D/Ni das Verhältnis des Magnetismus zur erregenden Kraft oder die Magnetisierbarkeit. Dann kann man setzen

(D‘ — 0

Ni

wenn h eine Konstante für den betreffenden Elektromagnet bedeutet. Aus der Gleichung folgt (D = Q‘ •

Ni

Ni -j- h'

Es ist klar, daß h diejenige besondere Zahl von Amperewindungen bedeutet, durch welche die Magnetisierbarkeit auf die Hälfte ihres Anfangswertes zurückgeführt oder der Magnetismus auf die Hälfte der Sättigung gebracht wird.

Diese Zahl der Amperewindungen bezeichnete der Verfasser als »diakritische« und den Strom, welcher die halbe Sättigung hervorbrachte, als »diakritischen« Strom. Frölich benutzte unabhängig diesen Begriff und verwendete ihn in seiner Formel für Dynamomaschinen. Die Beweisführung gebührt ihm, die Bedeutung aber, in welcher er hier benutzt wird, dem Verfasser. Obwohl die Formel von Frölich nicht den Unterschied zwischen den ansteigenden und absteigenden Magnetisierungskurven in Betracht zieht, genügt [sie doch zu einer ersten Annäherung und ist daher von Nutzen. Ihre Richtigkeit beweist auch der Umstand, daß der Widerstand (oder der reziproke Wert der Durchlässigkeit) nahezu eine lineare Funktion von § ist, wie Fleming¹) und Kenelly²) gefunden haben.

1)    Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 15, S. 570. 1886.

2)    Electr. World, Bd. 17, S. 358. 1891.

Kapitel Y.

Formen der Feldmagnete.

Unter Zuhilfenahme des leitenden Grundsatzes vom magnetischen Kreise bieten sich nur geringe Schwierigkeiten für die Beurteilung des Wertes der verschiedenen Bauarten der Feldmagnete; man muß festhalten, daß der magnetische Kreis von höchster Durchlässigkeit eine möglichst gedrungene Gestalt, möglichst großen Querschnitt, das weichste Eisen und möglichst wenige Verbindungsstellen erfordert. In manchen Fällen muß indessen der Feldmagnet gleichzeitig den Rahmen der Maschine bilden, an dessen Bauart andere Bedingungen gestellt werden. Ferner ist es theoretisch besser, wenn bei einer einfachen zweipoligen Maschine nur ein magnetischer Kreis vorhanden ist, als wenn deren zwei bestehen (vergl. S. 111); in manchen Fällen ist indessen baulicher Gründe halber ein doppelter magnetischer Kreis vorzuziehen.

Der doppelte Kreis — wie er z. B. in den Formen Nr. 3 und 8 der Fig. 61 erscheint — besitzt im allgemeinen den Vorteil, daß er ein festeres Gestell gibt, und daß sein magnetisches Feld symmetrischer als das Feld Nr. 2 ist. Bei der Betrachtung der abgebildeten Formen sind diese Punkte wohl in Betracht zu ziehen. Nr. 1 zeigt die von Wilde zum Gebrauch für den Anker mit Längswickelung von Siemens benutzte Form. Zwei Eisenplatten werden an einem Ende durch ein Joch verbunden, am anderen Ende mit zwei massiven Polstücken verbolzt. Es sind demnach vier Verbindungsstellen vorhanden, außerdem die Zwischenräume am Anker; das Joch ist unzureichend. Nr. 2 zeigt die bei den zweipoligen Maschinen von Edison (Normalmuster) verwendete Form. Die aufrecht stehenden Kerne werden von starken Zylindern gebildet. Das Joch ist ungewöhnlich dick, die Polstücke sind massiv, die unteren Ecken sind abgeschnitten. Verbindungsstellen sind ebenso viele als bei der Wild eschen Form vorhanden; jedoch wird ein solcher Kreis mit Rücksicht auf den größeren Querschnitt eine weit höhere magnetische Leitungsfähigkeit als der Wild esche Kreis besitzen. Eine Schwierigkeit bietet die Frage, wie man einen solchen Kreis zweckmäßig auf einer Bodenplatte befestigen soll. Erfolgt die Befestigung auf einer .

ea

1:

Eisenplatte, so wird ein beträchtlicher Teil des Magnetismus vom Anker abgelenkt und durch die Platte kurz geschlossen, 1 wie im vorhergehenden Kapitel gezeigt worden ist. Bei der größeren ff von Edison benutzten S Form Kr. 10 ist die JBj Schwierigkeit durch BP Umlegung der Magnete » nur teilweise gehoben.

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Fig. 6i. Formen von Feldmagneten.

Bei manchen Ausführungen wird das Magnetgestell von der fff Bodenplatte durch ein m Zwischenstück aus Zink oder Kanonenmetall getrennt.

CM

Eine bevorzugte Form des Feldmagnetes mit doppeltem magnetischen Kreise und mit Folgepolen ist in Nr. 3 dargestellt; diese Form hat Gramme eingeführt. Man darf sie als eine Vereinigung von zwei Formen Nr. 1 mit gemeinschaftlichen Polstücken ansehen.

Die Nummern 3 bis 9 beruhen auf verschiedener Ausführung ein und derselben Idee. Nr. 4 zeigt im Grundriß die bei der Maschine von Brush angewendete Form; die beiden magnetischen Kreise werden durch den Ringanker voneinander getrennt. Eine ähnliche

Anschauung findet man bei vielen Formen der Flachringmaschine; jedoch werden bei den meisten davon die Pole zu beiden Seiten des Ringes mittels eines gemeinschaftlichen hohlen Polstückes verbunden; letzteres umfaßt einen Teil des Ringumfanges. Nr. 5 stellt die alte Siemenssche Form mit gebogenen schmiedeeisernen Stäben und mit Folgepolen in der Wölbung dar. Dieser Kreis besitzt einen unzulänglichen Querschnitt. Die Westonsche Form ersieht man aus Nr. 6, ähnliche Formen wurden von Crompton, sowie von Pater son und Cooper angewendet; der Querschnitt ist bei dieser Bauart eher genügend. Die hiervon sich nicht wesentlich unterscheidende Form Nr. 7 wird von Bürgin und Crompton angewendet. Sie besitzt insofern einen Vorzug, als die Zahl der Verbindungsstellen vermindert ist.

Die in Nr. 8 gezeichnete Form wird von Crompton, Kapp und anderen benutzt, Nr. 9 findet in dem kleinen Elektromotor von Griscom Verwendung. Die Abänderung in Nr. 18 rührt von Kapp her. Die mit Folgepolen ausgestattete Nr. 19 wird von Mc Tighe, von Joel, von Hopkinson (Manchester-Maschine), von Clarke, Muirhead & Co.(Westminster-Maschine), von C. E.L.Brown (Oerlikon) und bei einigen Motoren von Sprague benutzt,, jedoch mit kleinen Unterschieden in den Verhältnissen der Einzelteile. Der Hauptunterschied zwischen der Nr. 19 und der Nr. 6 besteht in der Lagerung der Wickelungen, Nr. 19 erfordert zwei, Nr. 6 vier Wickelungen. Nr. 20, nach der Bauart von El well und Parker, ist eine weitere Abänderung der Nr. 3 und würde durch größeren Querschnitt verbessert werden. Bei der Form Nr. 3 (Gramme) werden die Polstücke und Endplatten gewöhnlich ‘aus Gußeisen hergestellt, zu den Längskernen wird Schmiedeeisen verwendet.

Die erforderliche Polfläche muß durch irgend welche Mittel gewonnen werden; falls der Kern dünn hergestellt ist, wird entweder ein kräftiges Polstück verwendet (Nr. 1, 3, 4, 6, 7, 19, 20) oder der Kern derartig gebogen, daß die Seitenfläche als Pol dient. Nachdem man aber nunmehr den Vorteil, den kräftige Kerne bieten, erkannt hat, kann die nötige Polfläche ohne Hinzufügung irgend einer besonderen Verbreiterung oder eines »Ansatzes« lediglich durch entsprechende Ausformung des Kernes gewonnen werden (Nr. 8). Man darf dieses Verfahren nicht als Schmälerung des Magnetes betrachten; eine Schmälerung des Querschnittes irgend eines Teiles des magnetischen Kreises würde allerdings die magnetische Leitungsfähigkeit beeinträchtigen, vermindert man jedoch die Stärke, um den Anker besser in den Schließungskreis zu bringen, so erlangt man die entgegengesetzte Wirkung. Die horizontalen Leisten könnten oberhalb und unterhalb des Ankers in ihrer Mitte tatsächlich im Querschnitt beschränkt werden, soweit bauliche Rücksichten es zulassen. Bei allen solchen Formen mit doppeltem magnetischen Kreise kann man annehmen, daß jede Hälfte des Feldmagnetes für sich die entsprechende Zahl magnetischer Linien durch den Anker sendet. Die Nrn. 11 bis 15 zeigen Feldmagnete mit Polen, die man zum Unterschiede von Folgepolen vorspringende Pole nennen kann. Nr. 11 entspricht der Doppelmaschine nach Gramme von Deprez. Die Nrn. 12 und 13 sind zwei der zahlreichen von Gramme selbst herrührenden Muster. Beide Feldmagnete werden aus Gußeisen hergestellt; die Nr. 13 hat keine Verbindungsstellen, sondern ist aus einem Stück gegossen. Nr. 14 wird von Hochhausen verwendet; praktisch ist diese Form gleich der Nr. 21, abgesehen von der Lage der Drehungsachse. Die eisernen Seitenteile der Nr. 14 begünstigen wegen ihrer nahen Lage zu den Polen die Bildung eines gewissen magnetischen Kurzschlusses; auch ist der Querschnitt unzulänglich. Ähnlich verhält sich die von van dePoele angewendete Nr. 15. Nr. 16 besteht aus einem Gußstück und wurde vom Verfasser für kleine Triebmaschinen benutzt. Durch die Halbkreisform des Kernes sollte die Länge des magnetischen Kreises auf das geringste Maß beschränkt werden. Nr. 17 hat vorspringende Pole, welche durch andere Elektromagnete im Anker verstärkt werden. Nr. 21 zeigt den Schnitt der doppelten Röhrenmagnete der Maschine von Thomson-Houston; der kugelförmige Anker wird, ebenso wie der Anker in den Nrn. 12, 14 und 15, zwischen die beiden vorragenden Pole gebracht.

Eine eigentümliche Übereinstimmung besteht bei den Nrn. 21 und 19, hingegen unterscheiden sie sich wieder durch die Lage der Wickelungen. Von Kapp stammt die Nr. 22 mit zwei vorragenden Polen gleicher Polarität und zwei Folgepolen zwischen diesen; ein Paar Wickelungen genügt zur Magnetisierung des gesamten vierfachen Kreises. Diese Form wird von Schweizer Ingenieuren und von Kolben & Co. für kleine Maschinen viel verwendet. Beinahe gleiche Formen -wurden von Kennedy in der Eisenmantel-Maschine, Nr. 25, Fig. 62, verwendet. Lahmeyer und Wenström verwenden Eisenmantelformen, wie Nr. 15. Die Form von Wenström besitzt als Joch einen äußeren Eisenzylinder.

Die Form Nr. 23, Fig. 62, wurde schon früher von Sawyer und von Lontin benutzt, kam aber neuerdings wieder in Aufnahme und wurde fast gleichzeitig von Gramme (Type supérieur), von

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Fig. 62. Formen von Feldmagneten.

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Kapp, von Siemens (»H«-Form) und von anderen angewendet. Nr. 24 zeigt die sehr massive Form von Brown. Nr. 26 wurde von Professor Forbes entworfen. Das Eisengerüst besteht aus zwei Teilen; die gänzlich umschlossenen Wiekelungen sind so gelagert, dass sie den Anker unmittelbar magnetisieren, die eine Spule nimmt den ganzen verfügbaren Raum zwischen Feldmagnet und der oberen Ankerhälfte ein, die zweite denselben Raum in der unteren Hälfte. Nr. 27 ist eine vierpolige Form, die von Elwell, Parker und Crompton verwendet wurde. Die vielpolige Form Nr. 28 wird von Wille, Gramme und anderen benutzt, die den Ring umgebenden Pole haben abwechselndes Vorzeichen. Gegenwärtig wird sie vielfach bei Wechselstrommaschinen verwendet, z. B. bei den Maschinen von Westinghouse, Mather und Platt (Hopkinson) und anderen. Die Form von Thur y in Nr. 29 ist eine Abänderung der vorstehend genannten und zur Verwendung bei einer Maschine mit Trommelanker bestimmt. Die sechs nach innen gerichteten Pole werden durch Wickelungen magnetisiert, die auf dem äußeren sechsseitigen Gestell liegen. Nr. 30 zeigt die vor einigen Jahren von

Siemens & Halske verwendete Form; ein Ring läuft außerhalb eines sehr gedrängt und stark gebauten vierpoligen Elektromagnetes um. Ähnliche sechspolige Maschinen wurden von Ganz, Fein und anderen erbaut und werden in Deutschland für große Zentralstationen viel verwendet.

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Fig. 63. Formen von Feldmagneten.

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Nr. 31 (Fig. 63) stellt eine andere neuere Form eines Feldmagnetes aus einem einzelnen Hufeisen mit einer Wickelung dar. Dieselbe wurde vom Verfasser dieses Werkes zu Anfang 1886 angegeben und ist sehr viel von Goolden & Comp., von Greenwood und Batley und anderen englischen Konstrukteuren benutzt worden. Die Eisenmantelform in Nr. 32 ist gleichfalls für eine Maschine mit einer Wickelung * bestimmt. Ein neues Muster von Mordey ' für die Brush Company ist der Nr. 32 ähnlich, besitzt indessen einen äußeren Eisenzylinder zur Umschließung der Kerne.

Die Fig. 74 (Seite 130) stellt die Form des Feldmagnetes vonLahmeyer dar; dieser besitzt gleichfalls nach innen gerichtete Pole; wie die vorige, gehört sie zu den »Eisenmantel«-Maschinen, da die Magnet- s joche außen liegen.    \

Fig. 64.

Eickemeyers Maschine.

In der Maschine von Eickemeyer (Fig. 64) ist die Anregung von Forbes, die magnetisierenden Wickelungen über den Anker zu legen, verwirklicht worden. Die auf besondere Formen gewundenen Wickelungen werden in Nuten zwischen dem oberen und unteren Joch und den nach einwärts vorragenden Polstücken eingepaßt.

Die Fig. 65 zeigt einen vierpoligen Feldmagnet für die Victoria-Maschine (Mordey) der Brush Company; es sind doppelte magnetische

Kreise und Feldpole vorhanden. Die zur Aufnahme der Wickelungen bestimmten Kerne bestehen aus Schmiedeeisen, während die Endgestelle und Polstiicke gegossen sind. Man vergleiche diese Form mit dem 1887 von Brown entworfenen vierpoligen Magneten der Fig. 66, der in einigen großen Maschinen für 300 P zur Arbeitsübertragung verwendet wird.

Er ist ganz aus Gußeisen hergestellt und besitzt vorspringende Pole. In der

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Fig. 66. Vierpoliger Feldmagnet nach Brown.

Fig. 65. Vierpoliger Feldmagnet nach M o r d e y.

Figur ist der Verlauf der magnetischen Linien in diesen Magneten durch Pfeile bezeichnet.

Eine für Wechselstrommaschinen typische Form ist die in Fig. 67 dargestellte, welche von Wilde eingeführt, von Siemens, Ferranti und anderen benutzt wurde. Sie besitzt zwei Polkränze, deren ungleichnamigen Pole einander zugewendet sind. In neuerer Zeit ist eine Art von Wechselstrommaschinen sehr

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Fig. 67. Feldmagnet für Wechselstrom.

in Aufnahme gekommen, mit einer einzigen erregenden Wickelung, die allen Polen gemeinsam ist, und entweder fest angeordnet oder mit dem sich drehenden Felde verbunden ist. Diese ursprünglich von Mordey herrührende Art von Homopolarmaschinen wurde später von Brown weiter entwickelt, der die Magnete mit übergreifenden

Polen, sogen. Klauenmagnete einführte. Der Gedanke wurde später von Fynn zum Entwurf einer Anzahl vielpoliger Gleichstrommaschinen

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Fig. 68. Feldmagnet nach Fynn.

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benutzt. Eine derselben, ein geschlossener Motor, ist in Eig. 68 dargestellt. Die Erregerspule ist sichtbar, da die obere Hälfte des umschließenden Feldrahmens entfernt ist. Die Feldpole stehen wechselweise zu beiden Seiten des Ankers.

Bei dem Lundellschen Motor (Fig. 69) wird eine ähnliche Anordnung dazu benutzt, ein zweipoliges Feld zu erzeugen, und zwar dadurch, dass die Erregerwickelung schräg angeordnet ist.

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Fig. 69. Feldmagnet des Lundellschen Motors.

Bei einer so großen Zahl von Entwürfen entsteht die Frage nach der besten Bauart; indessen ist die für einen bestimmten Zweck beste nicht für alle Zwecke zu gebrauchen. Einige Entwürfe lassen sich passend in Gußeisen ausführen, andere in Schmiedeeisen; wieder andere, z. B. die in den Fig. 63, Nr. 31, und 65 angegebenen, sind eigens zur Zusammensetzung bestimmt, sie zeigen schmiedeeiserne Kerne für die Wickelungen und Gußstücke für die Polmassen. Es ist, wenn möglich, wünschenswert, einen zylindrischen Kern zu verwenden, da diese Form den geringsten Umfang bei ge-gebenem Querschnitt besitzt und daher sowohl eine Ersparnis an Kupferdraht als auch überhaupt eine Vereinfachung der Wickelung bietet. In neueren vielpoligen AusführungensowohlfürGleich-als auch für Wechselstrom wird die Anwendung runder Kerne erleichtert durch die Gepflogenheit, Anker zu bauen, deren Länge im Verhältnis zum Durchmesser gering ist. Gegenwärtig herrscht das Bestreben vor, für die Wickelungskerne ein Material von hoher Durchlässigkeit zu wählen, um durch die dadurch mögliche Verkleinerung des Umfangs eine Ersparnis an Kupfer und Eisen zu erzielen. Da die Wickelungen gewöhnlich auf besondere Hülsen gewickelt werden, muß die Form des Magnetgestelles ein bequemes Auf-und Abnehmen der Wickelung gestatten. Für kleine Maschinen ist ein einfacher Kreis jedenfalls zu empfehlen. Für große Maschinen wird es notwendig, mehrere Polpaare zu verwenden, für Wechselstrommaschinen sind die Vielfachformen zur Erlangung einer hinreichenden Wechselzahl der 'Ströme unvermeidlich.

Um einen Vergleich der verschiedenen Feldmagnetformen in Bezug auf das Kupfergewicht für gleiche Amperwindungszahlen zu erleichtern, sind in der nachstehenden Tabelle die entsprechenden Drahtlängen zusammengestellt, welche erforderlich sind zur Umwickelung verschiedener Querschnittsformen gleichen Inhalts. Der

Inhalt der einfachen Kreisform ist als Einheit genommen und die Dicke der Wickelung berücksichtigt worden.

Kreis..............

Quadrat.............

Rechteck (2:1)..........

Rechteck (3:1)..........

Rechteck (10:1).    .    ........

Oblongum, bestehend aus einem Quadrat

zwischen zwei Halbkreisen.....

Oblongum, bestehend aus zwei Quadraten

zwischen zwei Halbkreisen.....

Zwei Kreise nebeneinder.......

3,76,

4,28,

4,997

„    „    „    , wenn der Draht

Bei Polkernen elliptischen Querschnitts muss man sich daran erinnern, daß der Umfang einer Ellipse mit den Achsen a und b annähernd gleich dem eines Kreises ist, dessen Durchmesser gleich ⁵/₄ des arithmetischen Mittels weniger des geometrischen Mittels zwischen a und b ist.

4,10,

6,13,

7,09.

Symmetrische Anordnung der Feldmagnete.

Wie schon früher (Seite 114) gesagt wurde, ist das Feld bei zweipoligen Feldmagneten mit Einzelkreisen unsymmetrisch, es sind daher Formen mit doppeltem magnetischen Kreise, wie z. B. auch Nr. 15 und 24, denen mit einfachem Kreise wie nach Nr. 2, 23 und 31 in allen Fällen vorzuziehen, wo die Ankerreaktion groß ist. Denn bei Formen wie nach Nr. 23 ist das Feld zwischen den beiden oberen Polspitzen schwächer als zwischen den unteren. Infolgedessen wird der Anker mit großer Kraft abwärts gezogen. Ferner wird durch diese Ungleichförmigkeit des Feldes die quermagnetisierende Kraft des Ankers bei diesen Formen eine unsymmetrische Verzerrung hervorrufen. Als Folge davon tritt eine stärkere Funkenbildung an den Bürsten auf, die allerdings zum Teil in der Weise beseitigt werden kann, daß man die eine Bürste etwas mehr verschiebt als die andere, so daß also die Bürsten verschiedene Winkel zwischen sich einschließen. Bei stärker zu belastenden zweipoligen

Ankern ist es Tätlich, nicht nur doppelte Magnete zu verwenden, sondern auch noch die beiden Hälften durch ein Zwischenstück aus Messing magnetisch zu trennen.

Die Berechnung von Formen mit doppelten oder vielfachen magnetischen Kreisen wird in der Regel dadurch einfacher, daß man einen Teil des Ganzen betrachtet und auf diesen die Berechnung anwendet. Wie z. B. Fig. 70 darstellt, auf der die Häfte einer Maschine mit dem Feldmagnet Nr. 8 der Fig. 62 abgebildet ist, genügt es, wenn man den magnetischen Widerstand dieser Hälfte berechnet, um die Zahl der erforderlichen Amperewindungen zu bestimmen,

stücke.

Fig. 70. Die Hälfte einer Maschine mit doppeltem, magnetischem Kreis.

die gleiche Zahl würde dann auf der anderen Hälfte aufzubringen sein. Form der Pol-Einzelne Gleichstrom- und die meisten Wechselstrommaschinen haben keine besonderenPolschuhe; dagegen sind die meisten Gleichstrommaschinen mit besonders ausgebildeten Polstücken oder Polschuhen versehen, welche einen größeren Bogen umspannen als es das Ende des Polkernes allein tun würde. Der Formgebung dieser Polstücke, Avelche in einzelnen Fällen als für sich ausgebildete und mit den Kernen verbundene Schuhe erscheinen, ist viel Sorgfalt zugewendet worden. Man hat tatsächlich beobachtet, daß von der richtigen Form dieser Teile der funkenlose Lauf der Maschine wesentlich bedingt ist. Einiges über die Verschiedenheit der Formen findet man noch am Schluß des Kapitels X.

Ein wesentlicher Vorteil der Vergrößerung der Polstücke besteht darin, daß dadurch der Widerstand des Luftzwischenraumes vermindert, also an Erregerwicklung gespart wird. Anderseits bietet es auch gewisse Vorteile, wenn die Polstücke selbst stark gesättigt sind. Um beide Bedingungen zu erfüllen, sollte man die Polschuhe entweder aus weniger durchlässigem Material wählen als den Kern, also z. B. aus Gußeisen statt aus Schmiedeeisen oder Martineisen, oder aber man sollte sie, wenn man sie schon aus geblättertem Eisen oder

weichem Stahl machen muß, so gestalten, daß .wenigstens ihre induktiven Ränder gut gesättigt sind. Bekanntlich ist es für die Stromumkehrung, wenn sie bei allen Belastungen ohne Bürsten Verschiebung vor sich gehen soll, von Nutzen, daß ein vergleichsweise großer Teil der Erregerwicklung die Kraftlinien durch den Luftzwischenraum und durch die Zähne treibt. Zu diesem Zwecke den Luftzwischenraum groß zu machen, würde unvorteilhaft sein. Es ist besser, den Zwischenraum so weit als möglich mit hoch gesättigtem Eisen auszufüllen.

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Fig. 71. Verschiedene Jochformen.

Man kann hierzu mit gutem Erfolge die Poloberflächen (wenn sie geblättert sind) mit dicht nebeneinander liegenden Schlitzen versehen und den Luftzwischenraum so klein als möglich machen; man kann aber diesen Zweck billiger auf andere Weise erreichen. Eine Maschine mit hoch gesättigten Polschuhen regelt sich besser als eine mit weniger hoch gesättigten Polschuhen.

Jochformen. — Die Joche fast aller Maschinen mit mehr als 20 KW Leistung werden als Ringe ausgeführt, aus deren Innenflächen die Pole herausragen. Um eine größere Steifigkeit zu erzielen, wird der Querschnitt des Joches zuweilen mit äußeren Rippen versehen. Eig. 71 zeigt eine Reihe gebräuchlicher Formen, von denen A, B und C für Gußeisen geeignet sind. Die Form C wird bei den

Crocker-Wheelerschen vielpoligen Maschinen angewendet; D wird von Kolben und von Oerlikon benutzt; E von Parshall und der General Electric Co. Oftmals werden die Joche an den Lagern der Polkerne, wo eine größere Eisenstärke ohne Nutzen sein würde, buchtartig eingezogen und diese Stellen dann zuweilen wieder durch stärker vortretende Rippen versteift, wie dies Pig. 72 B zeigt. Bei abnehmbaren Polkernen ist der Sitz am Joch gewöhnlich abgeflacht, wenn die Kerne aus Stahlguß bestehen; sind sie aber aus Blechen zusammengesetzt, dann ist der Sitz im allgemeinen konzentrisch ausgebohrt, die Blätter werden dann oftmals durch eine quer verlaufende Schiene von Schwalbenschwanzform festgehalten. Der Verfasser empfiehlt als einfacher, die Schiene zylindrisch zu gestalten wie bei G Fig. 72. Gewöhnlich verwendet man zur Befestigung der

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Fig. 72. Befestigung der Polkerne am Gehäuse.

Kerne am Joch zwei Schrauben oder eine Schraube und einen festen Stift, damit die einzelnen Pole leicht abgenommen werden können, ohne daß der Anker entfernt werden muß. In ein fest zusammengepreßtes Blechpaket kann man auch ohne weiteres Gewinde schneiden, so daß es keiner Einlage mehr bedarf.

Teilung der Joche. — Um die Besichtigung oder Ausbesserung des Ankers zu ermöglichen, muß dieser entweder in Richtung seiner Achse herausziehbar oder das Joch muß in einzeln abnehmbare Teile zerlegt sein. Sehr oft wird das Joch nach einem horizontalen Durchmesser in eine obere und untere Hälfte geteilt; die untere sitzt an der Grundplatte oder besteht mit dieser aus einem Stück, während die obere mit einem oder mehreren Augenbolzen versehen ist, an denen sie aufgehoben werden kann. Die hierbei entstehenden Teilfugen bewirken, auch wenn sie noch so sorgfältig aufeinander gepaßt und verbolzt werden, immerhin eine Vergrößerung des magnetischen Widerstandes des Kreises. Wird eine sechspolige Maschine so gebaut, so sind die vier den Teilfugen benachbarten Pole zweifellos etwas schwächer wie die beiden anderen, wenn nicht ihre Erregerwicklung etwas vergrößert wird. Dieser Nachteil der Teilfugen kann verringert werden, wenn man die Berührungsflächen vergrößert, wie das an vielen Beispielen dieses Buches zu ersehen ist. In einzelnen Fällen ist die Teilung des Joches auch in vertikaler Ebene erfolgt, z. B. bei der achtpoligen Brownschen Maschine für metallurgische Zwecke (Tafel YII und Fig. 403).

Kapitel VI.

¹

Amer. Inst. Elec. Engineers, 19. Januar 1892; Electriciau, 12., 19.11118

²

26. Februar 1892. Der Exponent ist nicht immer genau = 1,6; er ändert

³

sich innerhalb der Grenzen 1,5 und 1,9.

⁴

   Phil. Trans., Bd. 187, S. 715, 1896.

⁵

   Elektrotechn. Zeitschr., Bd. 23, S. 43, 1902; Bd. 24, S. 674, 1903.

⁶

   Journ. Inst. Elec. Engineers, Februar 1895, und Phil. Trans. 1895.

⁷

Proc. Roy. Soc., Bd. 57, 1894; vergl. auch Allen, Electr. World, Bd. 41, S. 1048, Juni 1903, wegen einiger Ergebnisse von Versuchen der Bullock Co.

⁸

Elektrot. Zeitschrift 1881, S. 90, 139, 170, und 1882, S. 73. Vergl. auch Frölich: »Die dynamoelektrische Maschine«, Berlin 1886.

Magnetische Berechnung der Dynamomaschinen.

Gestützt auf die bereits in Kapitel IY behandelten allgemeinen magnetischen Grundsätze, können wir nun dazu übergehen, ihre Anwendung bei der Berechnung von Dynamomaschinen zu zeigen.

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Y.

Fig. 73. Streufeld einer zweipoligen Maschine.

Wir sahen, daß zur Hervorbringung einer bestimmten elektromotorischen Kraft durch eine- bestimmte Zahl der mit einer bestimmten Geschwindigkeit sich drehenden Leiter erforderlich ist, daß diese Leiter eine bestimmte Menge von magnetischen Linien schneiden. Es ist nun die Aufgabe des Eeldmagnetes einer Dynamomaschine, diese bestimmte Kraftlinienmenge hervorzubringen, die wir die wirksame nennen wollen, da diese allein von den Leitern geschnitten werden, und allein die elektromotorische Kraft erzeugen. Betrachten wir nun Fig. 73, die einen normalen zweipoligen Magnetkreis darstellt. Wir sehen, daß außer den -wirksamen, den Luftzwischenraum durchdringenden Kraftlinien noch an allen Teilen des Magnetkreises Streufelder vorhanden sind, die ebenfalls von den auf die Schenkel gewickelten Amperewindungen erzeugt werden müssen.

Wenn wir die gesamte von der Erregerwickelung im Magnetkern erzeugte Kraftlinienmenge (für jeden Pol) mit 05, die wirklich in den Ankerkern eintretende Kraftlinienmenge mit (0„, und das Streufeld mit Os bezeichnen, so ist

Das Yerhältnis zwischen Streufeld und Nutzfeld wird zuweilen die Streuung, das Yerhältnis zwischen der gesamten Kraftlinienmenge und dem Nutzfeld der Streuungskoëffizient genannt und mit v bezeichnet. Wir haben sonach

(D ®n'

Dieser Streuungskoëffizient ist demnach stets größer als 1, er schwankt bei den normalen Maschinentypen zwischen 1,15 und 1,7.

Beispiel. Bei einer achtpoligen Dynamomaschine für Bahnbetrieb betrage die ganze Kraftlinienmeuge im Magnetkern 18172000 Linien. Hiervon treten nur 15400000 in den Ankerkern, Avährend 2 772000 das Streufeld bilden. Der Streuungskoëffizient beträgt in diesem Palle v = 1,18, das Streufeld 18 Prozent des Nutzfeldes.

Obwohl das Streufeld keinen Energieverlust verursacht, ist es doch bei jeder Art von Maschinen schädlich wegen des größeren Materialaufwandes im Eeldsystem, den es nötig macht, denn es ist hierfür mehr Eisen im Joch und den Schenkeln des Magnetes aufzuwenden, wodurch wieder der Umfang jeder einzelnen Windung, also die Kupfermasse, vergrößert wird. Es ist daher wuchtig, die magnetischen Kreise so zu gestalten, daß die Streuung auf das geringste Maß beschränkt wird, damit die Ausgaben für das erforderliche Material möglichst klein werden. Die Größe des Streufeldes hängt ab 1. von der Form der Magnetschenkel, kreisförmige Querschnitte des Kreises werden weniger Streuung bewirken als rechteckige, weil die Seitenflächen kleiner sind; 2. von der Länge des Luftzwischenraumes, denn je größer dieser ist, um so größer ist der magnetische Widerstand und damit die Neigung der Kraftlinien, andere Wege einzuschlagen als durch den Anker; 3. von dem Grade der Sättigung, bis zu welchem das Eeldsystem erregt ist, denn die magnetische Leitungsfähigkeit der Wege des Streufeldes in der

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Luft bleibt konstant, während die des Eisens mit steigender Sättigung abnimmt. Es ist also klar, daß der Streuungskoëffizient nicht nur bei den verschiedenen Maschinenarten, sondern auch bei derselben Maschine je nach dem Grade der Sättigung des Eisens, also der Erregung, verschieden sein wird. Außerdem vergrößert noch die von der Verschiebung der Bürsten herrührende entmagnetisierende Wirkung des Ankers, wenn er einen verhältnismäßig starken Strom zu liefern hat, das Streufeld, weil dadurch eine entgegengesetzt gerichtete magnetomotorische Kraft unmittelbar in dem Wege der Kraftlinien entsteht, welche letztere seitwärts drängt.

*i

Mi

HMB

Fig. 74. Untersuchung der Streuung einer Dynamomaschine.

Eine Übersicht über die wirkliche Verteilung der Kraftlinien im Felde einer Gleichstrommaschine gewinnt man aus den Messungen, welche Lahmeyer an der in Fig. 74 dargestellten Maschine angestellt hat. Mit Hilfe einer gleich zu beschreibenden Methode maß er die Zahl der Kraftlinien durch den Anker bei A und an den Punkten 1 bis 5 des magnetischen Kreises. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.

Stelle im Magnetkreis

Galvanometer

Magnetlinien

780

IOO

788.5

IOI

86l

HO

876

112

850

IO9

749

96

bpalte 2 gibt die Ausschläge des Schwingungsgalvanometers, welches mit den Prüfspulen verbunden wurde, Spalte 3 die Magnetisierung an jeder Untersuchungsstelle, wenn diejenige von A (also das Nutzfeld) = 100 gesetzt wird. In der letzten Spalte sind die Streuungskoeffizienten aufgeführt, deren größter, also der von 3, als Koëffizient der Maschine zu nehmen ist.

Fig. 73 stellt das Streufeld einer von Niethammer untersuchten zweipoligen Maschine mit oben liegendem Anker von Siemens & Halske dar.

Am genauesten wird der Streuungskoeffizient einer Maschine durch direkte Versuche ermittelt. Zu diesem Zwecke bedient man sich bei einer zweipoligen Dynamomaschine einer an den Anker gelegten Prüfspule, deren Ebene rechtwinklig zur Richtung der Kraftlinien ist, und deren Enden mit einem ballistischen Galvanometer Dieses wird beim Öffnen und Schließen des Erregerstromkreises einen Ausschlag D₁ machen, der der von einem Pol zum anderen fließenden Kraftlinienmenge proportional ist. Legen wir nun die Prüfspule um den Schenkel, und zwar gerade an der Stelle, wo die Erregerwicklung beginnt, so erhalten wir einen zweiten Ausschlag ü₂ des Galvanometers, welcher proportional der ganzen

verbunden sind.

S(V

XI 2b

Uw

1b r—W Iw

Je

71b

Fig. 75. Untersuchung der Streuung einer Dynamomaschine.

von der Erregerwicklung hervorgebrachten Kraftlinienmenge ist. Wir erhalten dann den Streuungskoëffizienten für die benutzte Anordnung durch die Formel:

v A'

Vor jeder Ablesung ist das Feld einigemal umzukehren, damit ein etwa vorhandener magnetischer Rückstand entfernt wird. Um die Wirkung des Ankerstromes darzustellen, werden zweckmäßig einige Akkumulatoren an die Bürsten des Ankers gelegt und diesen eine entsprechende Verschiebung gegeben, wobei die Stromstärke und die Stromrichtung derart zu wählen sind, daß die entmagnetisierende Wirkung des Ankers auf das Feld die gleiche ist, wie bei voller Betriebsbelastung. Das Verhältnis des Maximalausschlages des Instrumentes zu demjenigen, welchen die Prüfspule des Ankers unter diesen Bedingungen zeigt, gibt den Streuungskoeffizienten bei voller Belastung an. Diese Methode hat den Nachteil, daß sie die Isolation der Magnetspulen stark in Anspruch nimmt. Sie kann im

9*

allgemeinen nicht bei Nebenschlußmaschinen angewandt werden; für diese ist eine Prüfspule von kleinerer Windungszahl (und entsprechend größerem Durchmesser) aufzuwickeln.

Diese Methode ist von Hopkinson angegeben, er bestimmte durch sie den Streuungskoöffizienten einer zweipoligen Dynamomaschine zu 1,32.

Eine andere Methode verwendet Wechselstrom. Man wickelt eine Prüfspule wie bei der vorhin angegebenen Methode, deren Windungszahl S₂ sei. Yerbindet man sie mit einem Spannungs-messer und schickt einen Wechselstrom von einer bestimmten elektromotorischen Kraft El (am besten von niedriger Wechselzahl) in die Feldwickelungen, deren Windungszahl Sl bekannt ist, so ist, wenn die Ablesung E₂ ergibt:

E₂

-, woraus v

s₂

Si

E] S2 E₂Si'

Die von dem Wechselfeld in den massiven Kernen erzeugten Wirbelströme beeinträchtigen die Messung nicht, können aber stören, wenn der Strom zu lange dauert.

Es gibt noch einen dritten Weg zur Bestimmung des Streuungskoöffizienten durch Versuche an der fertigen Maschine, deren Abmessungen und Windungszahlen bekannt sind. In folgendem soll diese Methode in Anwendung auf eine Nebenschlußmaschine dargelegt werden.

Man läßt die Maschine mit ihrer normalen Geschwindigkeit von n Umdrehungen in der Sekunde mit der vollen Belastung von Ia Ampere laufen und mißt den Strom im Nebenschluß In und die Klemmenspannung e. Ferner merkt man sich die Verstellung der Bürsten. Aus dem Ankerwiderstand (von Bürste zu Bürste) und dem Strom bei Vollast berechnet sich der ohmische Verlust zu

feld (Dn ==

sein, wo N die Zahl der Ankerleiter bezeichnet,

IVa X 1. Dieser Wert, zu e addiert, gibt die bei voller Belastung wirklich erzeugte elektromotorische Kraft E. Dann muß das Nutz-A7-1Q8 n-N

gemessen rings um den Anker herum.

. Nun berechnet man die Zahl der Amperewindungen, die erforderlich sind, um On Kraftlinien durch den ganzen magnetischen Kreis zu treiben. Sie sei =_X₁. Aus der bekannten Bürstenverschiebung und dem Ankerstrom berechnet man sodann den Wert der entmagnetisierenden Amperewindungen, wie später im Kapitel X gezeigt wird. Nach Abzug derselben von der Zahl SmIm Amperewindungen

•*i*

bei voller Belastung erhalte man einen Wert W₂, dann ist der Streuungskoeffizient annähernd v =

Um eine größere Annäherung zu erzielen, nehme man den berechneten Wert der entmagnetisierenden Amperewindungen, multipliziere ihn mit dem eben ermittelten Werte für v und ziehe das Produkt von SmIm ab. Hierdurch erhält man einen neuen Wert für _X₂, den man in die obige Formel einsetzen kann. Mit dieser Methode sind im ganzen genommen aber keine sehr genauen Ergebnisse zu erzielen.

In Schenectady wurde eine sehr eingehende Prüfung einer vielpoligen Dynamomaschine vorgenommen, um die in den verschiedenen Teilen vorhandenen Kraftlinienmengen festzustellen. Eine große Zahl von Prüf spulen wurde an der Maschine angebracht, wie aus der Eig. 75 zu ersehen ist. Die Ergebnisse sind in der Tabelle IX zusammengestellt.

Tabelle IX.

Kraftlinienmenge in den verschiedenen Teilen einer Dynamomaschine der General Electric Co. (Type MP —6—400 —500).

Nummer der Spule in Fig. 75.

Kraftlinienmenge in dem betreffenden Teil bei einer Stromstärke in der Feldwicklung von

10,5 Amp.

19,2 Amp.

32,4 Amp.

er

2 220000 2 284 ooo

2 670 ooo 2 770000

3 o6o ooo 3 ni ooo

cs Æ o

m 00    10 >0 in vo t>co

3 660 ooo

3    880 ooo

4    620 ooo

4 895 ooo 4 900 ooo 4750000

4 830 ooo 2 356 ooo 2 480 OOO

5465000

5    840 ooo

6    120 ooo

6 350 ooo 6 480 ooo 6 290 ooo

6 470000 3 120000 3 100000

6 180 ooo 6 615 ooo 6 950 ooo

7 400 ooo 7525000 7333000

7385000 3575000 3 470 ooo

10

11a

2    500 ooo

34000

3    910 ooo

3 120000 44 200 5 140 ooo

3 500 ooo 54000 6 180 ooo

11b

12a

12b

4 000 coo 498 ooo 473 ooo

5 200 ooo 731 ooo 728 O CO

6 115 ooo 985 ooo 934000

Betrachtet man die Angaben in der letzten Spalte, welche bei der größten Erregung gemessen wurden, so sieht man, daß die größte Kraftlinienzahl in den Polkernen vorhanden war 7 400 000 Linien. Hiervon traten etwa 6 180 000 Linien wirklich in

etwa

den Anker ein; die Summe der durch die Spulen la und lb ge

messenen Linien ergab eine gute Übereinstimmung mit denen der Spule 2. Das Joch war anscheinend zu schwach im Querschnitt, denn die Kraftlinienzahl der Spule 8 ergibt weniger als die Hälfte derjenigen der Spulen 5 oder 6. Wir sehen hieraus, daß der

Koeffizient der Streuung bei der stärksten Erregung v = = 1,19 ist.

7 400 000

6 180 000

Tabelle X.

Streuungskoöffizienten.

Maschinenform

Leistung in Kilowatt

Stehender Magnet

Pole oben, wie Nr. 23 der

Fig. 62.

Pole unten, wie Nr. 2 der Fig. 61

Ein-    Man-

spuliger chester-Magnet,    form,

wie

Nr. 31    Nr. 24

der

Fig. 63 Fig. 62

Eisengeschlossene

Form

wie

der

zweipolig, vierpolig, wie

Nr. 25    Nr. 22

der

Fig. 62    Fig. 61

wie

der

Doppelter Hufeisenmagnet, wie Nr. 6 der Fig. 61

Viel-poliger Magnet, wie Nr. 28 der Fig. 62

i —    5

5—    25

25 — IOO

IOO — 300 300 — IOOO

M H M

lo k> ” to CO

1,6

1.45

1.35

1.25

I>55

L4

1,32

H HM“1 1

1,3°

1,22

1,16

imoior' t> 10 ^ n

H M H H

IO

vq 10 -T

l-T H M

(N 00 (N <N

IO OO CS « H H M hl hT

In Tabelle X sind die Werte der Streuungskoeffizienten für Maschinen verschiedener Größen und Formen angegeben; die Werte der Tabelle sind als Höchstwerte anzusehen, da sie durch Rechnung und Yersuche unter Zugrundelegung der ungünstigsten Bedingungen ermittelt¹) worden sind.

Die magnetische Streuung wächst, wenn die Maschine kleiner wird, weil damit auch die Schwierigkeit zunimmt, das Feldsystem in geeignetster Weise zu bemessen. Sie ist ferner größer bei gußeisernen Magneten und Polstücken und, wie wir schon sahen, bei glatten Ankerkernen. Die angegebenen Werte können demnach für geschlitzte Anker und Magnete aus Schmiedeeisen oder Stahlguß als reichlich hoch angesehen Averden.

Berechnung der Streuung.

Vor der Ausführung einer Dynamomaschine läßt sich der wahrscheinliche Betrag der Streuung aus den Werkzeichnungen bestimmen. Die Berechnungen gründen sich darauf, daß die magnetische Strömung sich in einem verzweigten Kreise auf die einzelnen Wege im Verhältnis ihrer magnetischen Leitungsfähigkeit verteilt, ebenso wie ein elektrischer Strom sich beim Vorhandensein verschiedener Wege verzweigt. Das Gesetz des Nebenschlusses gilt auch für die magnetischen Linien. Man vergleiche hierüber die Untersuchungen von Ayrton und Perry²). Es folgt daraus, daß längs verzweigter Wege die gesamte Leitungsfähigkeit³) gleich der Summe der Leitungsfähigkeiten der einzelnen Wege ist.

Sind daher die Leitungsfähigkeiten der einzelnen Wege für die nutzbare und die nutzlose magnetische Strömung in einer Dynamomaschine bekannt, so läßt sich der Koeffizient v der Streuung aus dem Verhältnis der gesamten Strömung zur nutzbaren Strömung berechnen. Ist die Leitungsfähigkeit für die nutzbare Strömung u und für die nutzlose w. so ist

uAr-W V = -²--.

Jede der Größen u und w ist aus mehreren gleichartigen zusammengesetzt, so daß die vollständige Formel lautet:

v _ u\ ~f~ ui ~f~ u3 ~f~ • • • w\ wi ~f~ ws H~ ' * ‘ u\ -j- u₂ + «3 + • • •

Zur Bestimmung der einzelnen Leitungsfähigkeiten längs der Arerschiedenen Wege gehen wir auf einige von Korbes⁴) entwickelte Formeln zurück.

I. Leitungsfähigkeit zwischen zwei parallel gegenüherstehenden Flächen (Fig. 76).

II. Leitungsfähigkeit zwischen zwei gleichen, rechtwinkligen, in derselben Ebene liegenden Flächen (Fig. 77).

Es wird angenommen, daß die Linien in der Luft in Halbkreisen verlaufen.

a    d₂

- log nat -J.

III. Leitungsfähigkeit zwischen zwei gleichen rechtwinkligen, parallelen, in derselben Ebene liegenden Flächen. Angenommen

(L

<r-

lc-

Fig. 76.

f<- cb, » Fig. 77.

------)i

*-

<k

cl/j ■ ■ -

Fig. 78.

wird, daß die Linien in der Luft in Viertelkreisen verlaufen, die durch gerade Linien verbunden sind (Fig. 78).

k — ^ log nat ^ 1 -f

*(d₂ — di)\ d,₁    )

IV. Leitungsfähigkeit zwischen zwei gleichen, rechtwinklig zueinander liegenden Flächen.

Die Leitungsfähigkeit beträgt das Doppelte der nach II berechneten "Werte.

In diesen Formeln sind al5 dx und d₂ in Centimetern, Ax und A₂ in Quadratcentimetern auszudrücken.

Wenn man diese Kegeln zur Vorherbestimmung der Streuung durch die Schwungräder, Gestelle und Achsen anwendet, ist man im stände, aus den Werkzeichnungen das Ergebnis bis auf 2 Prozent anzugeben.

Der Verfasser hat in seinem Werke: »Der Elektromagnet« noch einige weitere Regeln gegeben, welche auch die Streuung zwischen zwei parallelen Zylindern behandeln.

Man vergleiche auch noch die bezüglichen Abhandlungen von Kapp¹), Wiener²) und Arnold³); der letztgenannte Autor behandelt diese Frage in sehr eingehender Weise.

Goldsborough⁴) hat den Satz aufgestellt, daß unter Voraussetzung einer überall gleichen magnetischen Potentialdifferenz zwischen der Oberfläche eines Pôles und der eines glatten Ankerkernes die Stärke des magnetischen Feldes an jedem Punkte der Ankeroberfläche proportional ist der Summe der reziproken Werte der Entfernungen jenes Punktes von allen Punkten, in denen eine Querschnittsebene, die durch den fraglichen Punkt gelegt wird, den Umfang des Pol-stiickes schneidet. Nach dieser Regel hat er in einzelnen Fällen die Kraftlinienverteilung in den Zwischenräumen berechnet.

<2>«

Nach der Definition ist der Streuungskoeffizient v

da das Nutzfeld und das Streufeld beziehentlich den magnetischen Leitfähigkeiten proportional sind, die die Nutzwege und Streuwege darbieten, so können wir, wenn wir die Leitfähigkeit im Luftzwischenraum und den Zähnen mit Pn und die Leitfähigkeit der Streuwege mit Ps

Pn+Ps

bezeichnen, auch setzen v ==

Pn

. Nun ist Ps konstant, weil

nur Luft in Frage kommt, wogegen Pn, das teilweise auf Luft, zum anderen Teile auf Eisen entfällt, kleiner wird, wenn sich die Sättigung der Zähne bei wachsender Belastung vermehrt. Dementsprechend nimmt auch v zu mit wachsender Erregung.

Bestimmung der Erregerwicklung.

Die Berechnung der Zahl der Amperewindungen, die erforderlich sind, um eine wirksame Kraftlinienmenge C0n durch den Luftzwischenraum einer Dynamomaschine zu treiben, ist eine ziemlich einfache Sache, wenn wir den Streuungskoëffizienten der Maschine und die magnetischen Eigenschaften des Materials kennen, etwa durch ähnliche Kurven dargestellt, wie sie Tafel I zeigt.

Man benutzt diese Kurven bei der Konstruktion von Dynamomaschinen in folgender Weise. Es sei gegeben:

0n die wirksame Kraftlinienmenge für jeden Pol;

1)    Elektromechanische Konstruktionen von G. Kapp, S. 9.

2)    Dynamomaschinen von A. Wiener, 1902, S. 217 bis 265 und 614

bis 628.

3) Die Gleichstrommaschinen 1902; siehe auch El. Engineer, ri. Sept.

1903, S. 395.

4) Trans. Amer. Inst. El. Eng., Bd. 15, S. 637, 1898.

die magnetischen Querschnitte (in Quadratcentimetern): q₁    des    Jochs;

q₂    der    Feldkerne;

q₃    des    Luftzwischenraumes;

</₄    der    Zähne unter    einem    Pol;

qb    des    Ankerkerns;

die magnetischen Längen (in Centimetern); lx des Jochs;

4 von zwei Feldkernen;

4 von zwei Luftzwischenräumen;

4 von zwei Zähnen;

Z₅ des Ankerkerns.

Es soll die Zahl der Amperewindungen für jedes Polpaar gesucht werden, die die wirksame Kraftlinienmenge (Pn im Luftzwischenraum zu erzeugen vermag.

Die gesamte Kraftlinienzahl ist O — v • CDn. Teilen wir diesen Wert durch q{, bezw. q₂, so erhalten wir mit ißj die Kraftliniendichte auf das Quadratcentimeter im Joch und mit 33₂ die Kraftliniendichte auf das Quadratcentimeter in den Feldkernen.

In gleicher Weise erhalten wir durch Division von </₃, qi und qb die Werte S3₃, 58₄ und 33₅ der Kraftliniendichten im Luftzwischenraum, in den Zähnen und im Ankerkern.

Die für die * einzelnen Teile notwendigen Amperewindungszahlen erhalten wir nun aus den Magnetisierungskurven des betreffenden Materials, indem wir den letzteren die Zahl der Amperewindungen entnehmen, die für die Längeneinheit erforderlich ist, wenn die einzelnen Teile die Kraftliniendichten 93₁, 33₂, 33₃, 33₄ und 93₅ haben sollen. Die so gefundenen Werte seien <4, 8₂, o₃, o₄ und <$₅, dann ist die Zahl der Amperewindungen für das Joch =4^1 und die entsprechenden Werte für die beiden Feldkerne der beiden Zahnsätze und den Ankerkern l₂Z₂, /₄<5₄ und Z₅S₅.

Bei der Ermittelung des Wertes für den Luftzwischenraum haben wir noch einen Koeffizienten zu berücksichtigen, der für das Centimeter als Einheit den Wert 10/4 tc = 0,8 besitzt. Demnach ist die für die Luftzwischenräume erforderliche Amperewindungszahl = o,8-S8₃-Z₃- Durch Addition dieser fünf Werte erhalten wir die insgesamt erforderliche Zahl der Amperewindungen.

Es ist vielleicht nicht unzweckmäßig, noch mit einigen Worten näher auf die magnetischen Abmessungen der Maschine einzugehen, d. h. auf die mittleren magnetischen Wege und die wirklich in

Betracht kommenden, von den Kraftlinien durchsetzten Eisenquerschnitte der einzelnen Teile.

a)    Das Joch. — Hier ist nur zu beachten, daß bei mehrpoligen Maschinen auf das Joch nur die Hälfte der gesamten Kraftlinienmenge entfällt, da sie sich beiderseits verzweigt. Die magnetische Länge ist die mittlere Länge des Weges.

b)    Die Magnetkerne. — Der magnetische Querschnitt ist der Querschnitt eines Kernes, die magnetische Länge Z₂ die der beiden Polkerne.

c)    Der Luftzwischenraum. — Die Länge ist das doppelte der Entfernung von Eisen zu Eisen. Was hier als magnetischer Querschnitt zu rechnen ist, ist stets mehr oder weniger Sache der Erfahrung wegen der Ausbreitung der Kraftlinien an den Polspitzen. Bei Maschinen mit glatten Ankerkernen, wo die Länge der Polstücke gleich ist der Länge des Ankers, ist die betreffende Größe gleich der Fläche eines Polstückes vermehrt um eine kleine Fläche, die gleich ist der Länge eines Zwischenraumes, multipliziert mit dem Umfang eines Polstückes. Bei Maschinen mit geschlitzten Ankern kann als magnetischer Querschnitt des Luftzwischenraumes das Mittel aus der Poloberfläche und der Oberfläche der unter einem Pol befindlichen Eisenzähne genommen werden. Die Zahl der unter einem Pol befindlichen Zähne ist hierbei zweckmäßig um einen oder zwei wegen der Ausbreitung des Feldes an den Polspitzen zu vermehren, je nach der Länge des Zwischenraumes, der Form der Ankerzähne und der in Betracht kommenden Kraftliniendichte. Wegen der Verzerrung des Feldes ändert sich der magnetische Querschnitt des Luftzwischenraumes mit der Belastung etwas, aber die vorstehend gegebenen Regeln werden im allgemeinen hinreichend genaue Werte ergeben.

d)    Der Ankerkern. — Hier wird ebenfalls der Kern, wenn die Maschine mehrpolig ist, nur die Hälfte der wirksamen Kraftlinienmenge führen. Die magnetische Länge ist das Mittel aus dem inneren und äußeren Durchmesser des Zahnankers. Der magnetische Querschnitt ist wegen der Isolation der Kernscheiben und Lüftungskanäle um 10 bis 25 Prozent kleiner als der äußere Querschnitt. Sind keine Lüftungskanäle vorhanden, was bei kleinen Ankern gewöhnlich der Fall ist, so nehme man 10 Prozent weniger bei gefirnißten Ankerscheiben und 15 Prozent bei solchen mit Papierisolation. Die Abmessungen der etwa vorhandenen Lüftungskanäle sind von dem äußeren Querschnitt abzuziehen. Bei Ankern mit Papierisolation und den üblichen Lüftungskanälen ist die Nettolänge

des Ankerkernes, gemessen in der Achsenrichtung, etwa gleich 65 bis 75 Prozent der Gesamtlänge.

e) Die Zähne. — Die Gesamtlänge ist gleich der Tiefe eines Schlitzes, multipliziert mit 2. Als Breite eines Zahnes kann die mittlere Breite gerechnet werden. Als Zahl der unter einem Pol liegenden Zähne gilt die in den Polwinkel fallende Zahl von Zähnen -f- 1 oder 2, je nach der Stärke des Luftzwischenraumes. Der in Betracht kommende Querschnitt eines Zahnes ist das Produkt aus der mittleren Breite und der Nettolänge des Ankers (d. i. die äußere Länge, abzüglich der Gesamtbreite der Lüftungskanäle und von 10 bis 15 Prozent für die Isolation). Hierbei ist jedoch noch zu beachten, daß, wenn die Kratfliniendichte in den Zähnen 16000 auf das Quadratcentimeter oder mehr beträgt, ein Teil der wirksamen Kraftlinien in den Kern durch die Schlitze gelangt, weil diese einen Nebenschluß zu den Zähnen bilden, dessen Leitfähigkeit bei derartig hohen Dichten in Betracht kommt. In solchen Fällen wird also die für die Zähne unter der Annahme, daß sie die gesamten Kraftlinien führen, berechnete Zahl der Amperewindungen ein wenig das richtige Maß überschreiten. Wir wollen nunmehr zeigen, wie man den wirklichen Wert der Kraftlinien dichte abschätzen kann, wenn man den scheinbaren Wert, den wir mit 33s bezeichnen wollen, ermittelt hat. Wir wollen ferner bezeichnen mit:

bx die mittlere Zahn breite;

„    „ Schlitzbreite ;

„ Netto-Länge des Ankers; h „ Tiefe der Schlitze;

f das Verhältnis der Netto-Ankerlänge zur ganzen Ankerlänge: <2)n die wirksame Kraftlinienzahl für den Pol, wie früher;

die Kraftlinien, die durch die Zähne wirklich hindurchgehen.

Dann ist der Eisenquerschnitt eines Zahnes — bx /, der Luft-

Der wirkliche Querschnitt des

querschnitt eines Schlitzes

b₂l

/“

Luftraumes für einen Schlitz, soweit er einen Nebenschluß für die Kraftlinien bildet, ist gegeben durch den Querschnitt eines Schlitzes vermehrt um die Fläche, die an einem Zahn durch die Isolation und die Lüftungskanäle verloren geht, also ist der Querschnitt des Luft-

b₂ -l

raumes für einen Schlitz

+ (!-/■)

bx l _ l(bx +b₂ — bxf)

Nun wird sich On auf Zahn und Schlitz in umgekehrtem Verhältnis ihrer Leitfähigkeit verteilen. Die Kraftlinienmenge im Luftraum ist

T /    1.

(Ün — <Z>₄. Hiernach ist <Z>₄ proportional —₅ wo ;x die Durchlässig

keit des Zahnes ist, wenn er die Kraftlinienmenge C0₄ führt. Dem-

l (bi ~\~    ~ b\ f)

nach ist On — <Z>₄ proportional

f-h

, und durch Division

©₄

d>n—0>₄

O,

= <Dn- f -b₁‘ ji. Demnach —-

Wn

oder Cb₄ (bx -f- b₂

bi f + b\ f \l)

^1+^2 bl t “f* bl f 1J-

Wie oben angegeben, ist ein gebräuchliches Verhältnis zwischen Netto- und Bruttolänge des Ankers bei Papierisolation und Lüftung

22

18

16000

18000

20000

22000    24000    26000

Fig. 79. Scheinbare und wirkliche magnetische Dichte in den Zähnen.

= 0,75. Setzen wir diesen Wert von f in die Gleichung ein, so

0,75-Vit

wird

1,34 b₂ -f 0,33 bx -f b{ |jl ‘

bi P-_

b₂ -f- 0,25 b₁ + 0,75 bx jx Um dies Ergebnis in die Praxis umzusetzen, nehmen wrir ein be

!Ö

stimmtes Verhältnis zwischen b{ und b₂ an, ebenso einen Wert für Ö4, ermitteln die entsprechenden Durchlässigkeiten aus einer Kurve, wie sie Pig. 52 zeigt, und berechnen hieraus 33s. Dann kann eine $8S und $ö₄ verbindende Kurve für das angenommene Verhältnis von bx zu b₂ aufgezeichnet werden, die zeigt, welches die wirkliche

Kraftliniendichte in den Zähnen ist, wenn die scheinbare (d. i. die Gesaintkraftlinienzahl für einen Pol, dividiert durch den Eisenquer-

Qn

schnitt der Zähne unter einem Pol, oder -—=33a irgend einen

?4

beliebigen Wert hat. Dies ist in Fig. 79 für drei Kurven geschehen, die bei gebräuchlichen Verhältnissen bi : b% der obigen Gleichung genügen. Weicht der Wert von f von dem angenommenen Werte 0,75 ab, so ist die Gleichung entsprechend zu ändern, und neue Kurven sind aufzuzeichnen, wenn große Genauigkeit gewünscht wird.

Beispiel der Berechnung.

Die Anwendung der vorstehend gegebenen Regeln in der Benutzung der Kurven möge an einem bestimmten Beispiel erläutert

"j

<r|

-I—

y/k' / /\

36!!

Fig. 8o. Magnetischer Kreis als Beispiel für die Rechnung.

werden. Fig. 80 stellt eine maßstäbliche Skizze eines Teiles einer neueren sechspoligen Maschine von 2000 Kilowatt dar. Wir wollen zunächst berechnen, wieviel Ampere wind ungen auf jeden Pol aufgebracht werden müssen, damit 12 500000 Kraftlinien den Luftzwischenraum durchdringen.

Aus der Tabelle auf Seite 134 entnehmen wir für den

Streuungskoëffizienten den angenäherten Wert v = l,18; daraus ergibt sich:

ermitteln.

0= On-1,18 = 14750 000.

Nunmehr sind die magnetischen Wege und Querschnitte zu Wir haben für das Joch einen Querschnitt von

ql = 44,45-12,7 = 565 cm². Die mittlere Länge des Kraftlinienweges greifen wir ans der Zeichnung ab oder berechnen sie aus:

4 = 12,7 -f i/e - (152,2 + 85 + 25,4) = 150 cm.

Mit Rücksicht auf die Abrundung der Ecken des Weges setzen wir lx = 146 cm. Die Magnetkerne sind kreisförmig, also beträgt der Querschnitt q₂ = tz- 18,1² = 1020 cm²; die Länge der beiden Pole einschließlich der Polstücke U = 2-42,5 = 85 cm. Der (doppelte) Luftzwischenraum hat eine Länge von 4 = 152,15 — 150,5 = 1,65 cm. Als Querschnitt nehmen wir, wie oben angegeben, das Mittel aus der Poloberfläche und der Summe der Oberflächen der vom Pol beeinflußten Zähne. Diese erhalten wir, da der Luftzwischenraum im vorliegenden Falle klein ist, indem wir zu der Zahl der vom Pol bedeckten Zähne einen Zahn hinzufügen. Wäre der Luftzwischenraum größer, so würden wir zwei Zähne mehr nehmen müssen *).

Aus der Zeichnung sehen wir, daß der Polwinkel 44,3° beträgt.

220-44,3 360

einem Pol bedeckt. Hierzu 1 addiert, gibt 28 als Zahl der von einem Pol beeinflußten Zähne. Die Oberfläche eines Zahnes ist gleich (36,2 — 3 • 0,95} • 0,9 • 1,08 = 32,4 cm², wo 0,9 das Verhältnis der Netto- zur Bruttoeisenlänge des Ankers, 0,95 die Breite eines Lüftungsschlitzes und 1,08 die obere Breite der Zähne ist. Die Gesamtoberfläche der Zähne ist also 28-32,4 = 907 cm². Die

44,3 360

Da 220 Zähne vorhanden sind, so werden

Poloberfläche ist = 33- n-152,2-

= 27 Zähne von

= 1940 cm², demnach ist der

magnetische Querschnitt des Luftzwischenraumes q% = = 1420 cm².

907 + 1940

Die Zahnhöhe ist = 4,2 cm, d aher 4 = 2 • 4,2 = 8,4 cm ; der mittlere Eisenquerschnitt der 28 Zähne ist g₄ = (36,2— 3-0,95)-0,9-1,02-28 = 860 cm², worin 1,02 die mittlere Stärke der Zähne ist.

142,2 + 97,8

Die mittlere Weglänge im Anker ist Z₅ = 22,2 + ¹j₆%-

= 85 cm, oder wegen der Abrundung der Ecken Z₅ == 83 cm. Die Fläche ist q₅ — (36,2 — 3-0,95)-0,9-22,2 = 670 cm².

i) Die Berücksichtigung der Streuung, soweit sie die Zahl der von einem Pol wirklich in den Anker eintretenden Kraftlinien vermehrt, ist Sache der Erfahrung. Fischer-Hinnen hat eingehende Regeln hierüber aufgestellt. Bei Ankern mit glatten Kernen ist es üblich, den seitlichen Bereich der Streuung gleich der Länge des Luftzwischenraumes anzusehen. Vergl. auch Sander, Zeitschr. f. Elektrot, Bd. 18, S. 562.

Aus diesen Werten läßt sich die folgende Tabelle aufstellen: On = 12 500000; ©= 14 750000; v = 1,18.

Maschinenteil

Material

Kraft- Wert von 0, Zahl der

Länge schnitt Lilien- aus Kurven Amperedichte ermittelt Windungen

Joch

Zwei Magnetkerne Zwei Luftzwischenräume Zwei Zähne Ankerkern

Dynamostahl 146 desgl.    85

Luft

Eisenblech

desgl.    83

HOO

565

1020

1420

860

670

13100 14500 8800 14500 9300

L hoho h

&

1330 1090 iiôoo

60

in

130

Gesamtzahl der Amperewindungen für jedes Polpaar 14 210

Die Kraftliniendichten ergehen sich durch Division der Kraftlinienmengen in den einzelnen Teilen durch die zugehörigen Querschnitte; da hier die Dichte in den Zähnen kleiner als 15000 ist, können wir 23s = setzen, da in diesem Falle alle Kraftlinien durch die Zähne gehen. Es sind hier also über 14000 Amperewindungen für ein Polpaar nötig, um 12,5 Millionen Kraftlinien durch das Eisen und den Luftzwischenraum zu treiben. Man würde praktisch wenigstens 15000 Amperewindungen nehmen, um Verschiedenheiten im Eisen und dergl. auszugleichen.

Durch ähnliche Berechnungen kann man die für andere "Werte von On erforderlichen Amperewindungen berechnen und die so erhaltenen Werte der Erregung mit den zugehörigen Werten von (Dn zu einer Kurve zusammensetzen, die man als die „Sättigungskurve“ des untersuchten magnetischen Kreises bezeichnen kann; deren Ordinaten stellen also .auch die entsprechenden Werte der induzierten elektromotorischen Kraft dar. Beispiele von derartig berechneten Kurven findet man am Schluß des Kapitels XIX.

Wir haben hier die für ein Polpaar erforderliche Zahl der Amperewindungen berechnet, da aber beide Hälften des magnetischen Kreises gleich sind, kann man auch ebenso gut die Zahl der Ampere-windung'en für einen Pol berechnen, indem man dann natürlich auch nur den halben Kreis berücksichtigt, also nur einen Luftzwischenraum, einen Polkern u. s. w., und vom Joch und dem Ankerkern nur die halbe Länge nimmt. Ein passendes Schema für diese Berechnungen findet man im Anhang an Kapitel XVIII.

1) Diese Zahl 0,804 4er Koëffizient des Luftzwischenraumes und stellt die Zahl der Amperewindungen dar für jedes Centimeter des Weges und eine Kraftliniendichte von einer Linie auf 1 cm². Wenn man diese Zahl mit der Kraftliniendichte und der Länge des Weges der beiden Luftzwischenräume multipliziert, so erhält man mit 0,804-88oo-1,65 = 11 600 die für beide Luftzwischenräume erforderliche Zahl der Amperewindungen.

Goldsborough !) hat in einer sorgfältigen Studie auf Grund theoretischer Erwägungen, die aber durch Versuche bestätigt wurden, gezeigt, daß im Anker einer mehrpoligen Dynamomaschine die Wege der Kraftlinien im Kern nicht symmetrisch liegen und auch nicht gleich dicht im Querschnitt des Ankers verteilt sind (Fig. 81), sie liegen dichter zusammen unmittelbar unter den Wurzeln der Zähne und weniger dicht am inneren Umfange des Kernes. Bei voller Belastung treten diese Ungleichheiten mehr hervor. Infolge hiervon wird jede Berechnung der hysteretischen Verluste im Kern, die unter der Annahme gleichmäßiger Verteilung angestellt ist, unter dem wirklichen Werte dieser Verluste bleiben.

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Fig. 81. Verteilung der Kraftlinien im Ankerkern.

In ähnlicher Weise hat Dettmar in der Elektrot. Zeitschrift 1900, S. 944 dargelegt, daß die Kraftlinien dichte im Kern nicht ganz im arithmetischen Verhältnisse von dem Maximum unter den Zahnwurzeln zu dem Minimum an der inneren Peripherie abnimmt. Sind die Polstücke nicht geblättert, so soll die Weite des Luftzwischenraumes nicht weniger als das l⁵/₂ fache der Schlitzweite sein, damit die ungleiche Verteilung der Kraftlinien in der Poloberfläche nicht störende Wirbelströme hervorruft.

Hele-Shaw und Hay haben in den Philosoph. Transactions, Bd. 195, S. 303, 1900 einen bemerkenswerten Aufsatz über Induktionslinien in einem magnetischen Felde veröffentlicht, deren Verteilung sie an einem hydraulischen Modell untersuchten, bei welchem Stromfäden in Glycerin die Kraftlinien unter verschiedenen Bedingungen darstellten. Unter anderem zeigen sie die Verteilung bei

IO

einem Zahnanker mit einem Luftzwischenraum, der ungefähr der Breite eines Zahnes gleich und ein wenig breiter als die Schlitzbreite ist. Im Zwischenraum weist die Dichte der Kraftlinien abwechselnd Maxima und Minima auf, die Linien selbst sind an den Enden der Zähne gekrümmt; darunter schwenken diejenigen Linien, die in den Schlitz eintreten, scharf um und treten seitlich in die Zähne ein (Fig. 82).

IlHI

Abgesehen von stark gesättigten Zähnen reicht die Tiefe des Feldes im Schlitz nicht tiefer als bis auf ein Maß gleich der Schlitzweite. Das Verhältnis der Feldstärke im Schlitz zu der im Zahn ist im ganzen dasselbe wie das Verhältnis der Länge des Luftzwischenraumes (von Eisen zu Eisen) zur Summe der Zwischenraumlänge und Zahnlänge.

Fig. 82. Eintritt der Kraftlinien in die Zähne.

Dick hat in der Elektrot. Zeitschrift, Juli 1901 gezeigt, daß die wirklich erforderliche Zahl der Amperewindungen, wenn die Kraftliniendichten an den Zähnen entlang berücksichtigt werden, wesentlich kleiner (nur etwa ²/₅) wird, als wenn die Zahl aus dem Mittel zwischen dem Höchstwert an den Wurzeln und dem Mindestwert an den Spitzen der Zähne ermittelt wird. In derselben Zeitschrift, Kovember 1901, zeigt Corsepius das Entwerfen von Ankern unter besonderer Berücksichtigung des Verhältnisses zwischen der Zalmbreite und der Schlitzweite.

Kapitel VIL

Kupferberechnungen: Spulenwindungen.

Reines Kupfer hat ein

Gewicht von Kupferdraht, spezifisches Gewicht von 8,9 bei einer Temperatur von 15 Grad C. Hiernach wiegt ein cm³ 8,9 g.

Ein Kupferdraht von 1 cm Durchmesser und 1 m Länge wiegt 0,7 kg; man kann also das Gewicht eines Kupferdrahtes in Kilogramm ermitteln, indem man den Querschnitt in cm² mit der Länge in Metern und dem Koeffizienten 0,7 multipliziert. Ein Draht von 1 mm Durchmesser und 1 m Länge wiegt also 7 g; ein Draht von d mm Durchmesser und l m Länge wiegt demnach = d²-1-0,007 kg. Beispiel: Wieviel wiegen 10 m Draht von 7,5 mm Stärke? Antwort:

7,52.10.0,007 = 3,94 kg.

Ein Barren von rechteckigem Querschnitt q in Quadratmillimeter und einer Länge von / Meter wiegt q-l- 0,0089 kg.

Elektrischer Widerstand des Kupfers. — Der Widerstand von reinem Kupfer nimmt mit steigender Temperatur etwas zu.

Der Widerstand eines Würfels reinen Kupfers von 1 Kubikcenti-meter Inhalt hat folgende Werte in Ohm:

bei o° C.

bei 15O C.

bei 30⁰ C.

bei 6o° C.

Weich

Hartgezogen

0,00000179559

0,00000183180

0,00000200401

0,00000204442

0,00000159039

0,00000162246

0,00000169259 0,00000172676

Die Widerstandsvermehrung ist'demnach ⁴/₁₀ Prozent für jeden’ Grad Celsius.

Ist der Widerstand eines Kupferleiters bei 0 Grad C. = i/₀, so ist sein Widerstand bei t Grad C. nach der Formel von Clarke, Forde und Taylor Rt= R₀ (1 -f 0,00426744 t -f 0,0000011193 t²).

Nachstehend sind einige Angaben über die Widerstände von Kupfer in gebräuchlichen Abmessungen zusammengestellt. Es ist vorausgesetzt, daß es sich um ausgeglühtes weiches Kupfer von hoher

Leitfähigkeit handelt. Bei hartgezogenem Kupfer ist der Widerstand um etwa 2 Prozent größer. Nach den Normalien des Verbandes Deutscher Elektrotechniker ist Kupfer, dessen spezifischer Widerstand bei 15 Grad C. größer ist als 0,0175, als Leitungskupfer nicht annehmbar.

Ein Kupferdraht von 1 mm² Querschnitt und 1 m Länge hat folgenden Widerstand:

0,0159039    Ohm bei    0 Grad C.

C.

© © Ui

C.

c.

Um also den Widerstand eines Drahtes von gegebenem Querschnitt, bezw. gegebenem Durchmesser und gegebener Länge zu ermitteln, sind die vorstehenden Werte mit der Länge zu multiplizieren und mit dem Querschnitt, bezw. dem Quadrate des Durchmessers zu dividieren.

Beispiele. — 1. Es soll der Widerstand eines Kupferbarrens von 10 m Länge und einem Querschnitt von 2X5 mm² bei 60 Grad C. bestimmt werden. Antwort: 0,0200401 • 10:10 = 0,0200401 Ohm.

2. Wie groß ist der Widerstand einer Nebenschlußspule von 3050 Windungen eines runden Kupferdrahtes von 1,5 mm Durchmesser bei 60 Grad C., wenn eine Windung eine Länge von 1,6 m hat? Der Widerstand von I m Länge dieses Drahtes ist bei 60 Grad C; = 0,0255148 : 15² = 0,0113399 Ohm, und da die Länge 4880 m beträgt, so ist der Gesamtwiderstand der Spule in warmem Zustande gleich 55,34 Ohm.

Elektrische Messung der Temperatur von Spulen. — Die Messung der Temperatur einer Feld- oder Ankerspule in der Weise, daß man auf die Spule ein mit Baumwolle bedecktes Thermometer legt und nach einiger Zeit abliest, ergibt einen wesentlich geringeren als den wirklichen Durchschnittswert der Spulentemperatur. Kennt man, wie fast ötets, den Widerstand R₀ der Spule bei 0 Grad oder bei 15 Grad C. und mißt den Widerstand im Betriebe R1: so ist der wirkliche Wert der mittleren Temperaturerhöhung = 237 (R, — R₀):Ro.

Kupferlitzen. — Kupferlitzen werden jetzt nicht mehr oft im Dynamobau verwendet, gelegentlich findet man sie noch bei Ankern mit glatten Kernen. Die Central London Railway hat bei den Zahnankern ihrer Motoren Leiter verwendet, die aus 49 einzelnen Drähten zusammengeflochten sind, und einen scheinbaren Querschnitt von 39 mm² haben. Nun hat jeder Draht einen Querschnitt von 0,65 mm², also alle 49 zusammen einen solchen von 31,9 mm²; es kann jedoch hieraus nicht ohne weiteres der Widerstand ermittelt werden, weil die Länge der einzelnen Drähte größer ist als die Länge der Litze. Durch Messung wurde festgestellt, daß der Widerstand dieser Litze gleich dem eines Leiters von 29,7 mm² Querschnitt ist.

Raumfaktor.

Wenn die Windungen einer Spule isoliert sind, so sind die Schlitze im Anker nicht ganz mit Kupfer ausgefüllt, sondern nur zum Teil; das Verhältnis des vom Kupfer wirklich ausgefüllten Raumes zum gesamten Schlitzraum wollen wir als Raumfaktor bezeichnen. Dieser Faktor hängt naturgemäß wesentlich von der Stärke der Isolation, aber auch von der Form der Schlitze und der Leiter ab.

Raumfaktor bei Ankern. — Die Isolation innerhalb des Schlitzes besteht aus zwei Teilen, aus der inneren Ausfütterung des Schlitzes und aus der die einzelnen Leiter voneinander trennenden Isolation. Die innere Ausfütterung muß verhältnismäßig stark sein, da sie den Ankerkern vor der vollen Spannung der Maschine schützen muß, während die Isolation der einzelnen Leiter dünner sein kann, da der Potentialunterschied zwischen zwei Leitern nur einen kleinen Teil dieser Spannung ausmacht. Hat jeder Leiter einen Schlitz für sich, so muß jeder Schlitz mit der dickeren Isolation versehen sein; sind dagegen mehrere Leiter in einem Schlitz vereinigt, so umgibt sie alle eine einzige stärkere Isolation, es wird demnach ein größerer Teil des Schlitzes mit Kupfer ausgefüllt sein. Der Raumfaktor ist in diesem Falle größer als im ersteren. Bei der später beschriebenen Lichtmaschine von Scott und Mountain von 250 Volt ist die Schlitzfläche 4,2 cm². Die Querschnittsfläche der vier im Schlitz befindlichen Leiter beträgt 1,99 cm², der Raumfaktor ist hier also = 0,473. Nehmen wir einen Leiter von 4X 12 mm, dessen Isolation 0,5 mm dick ist, so wird der Querschnitt dadurch auf 5 X 13 mm vergrößert. Ist zur Isolation des Leiters vom Kern ein Futter aus Papier und Glimmer von 2 mm Stärke erforderlich, so wird der Quer-

= 0,571 ansteigen.

schnitt des Schlitzes mindestens 9x17 cm sein müssen. In Wirklichkeit genügt dieses Maß nicht, da noch etwas Raum beim Packen und für die Bindedrähte verloren geht. Der Raumfaktor kann daher unmöglich über 0,315 hinausgehen. Legen wir aber vier solcher Leiter in einen Schlitz, so wird nunmehr der Schlitzquerschnitt auf 12 X 28 = 336 cm² vergrößert, während für die vier nackten Leiter nur 8 X 24= 192 cm² erforderlich sein würden. Der Raumfaktor

kann also hier im Maximum auf

192

336

Die Raumfaktoren betragen bei einigen ausgeführten 500 Volt-Maschinen 0,6, 0,727 und 0,8 bei Oerlikon; 0,6 bei Parshalls zehnpoligen Maschinen; 0,417 und 0,516 bei Kolbens sechs- und zehnpoligen Maschinen; 0,412 bei den sechspoligen Maschinen von Ganz & Co.; 0,46, 0,49 und 0,51 bei Hobarts großen Generatoren; 0,404 und 0,510 bei der Société Électricité et Hydraulique.

Bei einer größeren Zahl von 550 Volt-Maschinen, von Professor Short entworfen und von 200 bis 1100 IvW reichend, bewegte sich der Raumfaktor in den Grenzen von 0,423 bis 0,533, mit einem mittleren Werte von 0,45.

Bei Brown, Boveri & Co. findet man folgende Werte: 0,32 bei einer 350 Volt-Maschine; 0,214 bei der später beschriebenen 1000 Volt-Maschine und 0,505 bei einer Maschine von 120 Volt. Die ebenfalls später erwähnten Maschinen für metallurgische Zwecke von Tliury haben 0,53 und 0,57; die vierpoligen Maschinen von Kolben bei 260 Volt 0,506 und die 18 poligen bei 115 Volt 0,53 als Raumfaktor. Rothert hat an einer Reihe von 240 Volt-Maschinen von allen Größen gefunden, daß der Raumfaktor bei den Magnetspulen zwischen 0,5 und 0,7 lag.

Bei Maschinen für Hochspannung, besonders bei Wechselstromerzeugern, wird der Raumfaktor sehr klein, wie folgende von Kando herrührende neuere Ausführungen zeigen.

Die Pig. 83 zeigt drei verschiedene Fälle, wie Schlitze der gleichen Größe ausgefüllt werden können. Bei der für eine 500 Volt-Maschine bestimmten Ausführung liegen vier Leiter von je 103,5 mm2 Querschnitt, also im ganzen 414 mm² Kupferfläche im Schlitz. Die Isolation des einzelnen Leiters ist 1 mm stark, die Schlitzfläche = 668 mm², der Raumfaktor ist also gleich 0,62. In 6, für eine Maschine von 3000 Volt bestimmt, sind 24 runde Drähte von je 3 mm Durchmesser und einer 1 mm starken Isolierung eingelegt. Das Isolierfutter ist hier ungefähr 4 mm dick. Der Kupferquerschnitt ist nur 170 mm², demnach der Raumfaktor auf 0,25 gefallen. Bei c, für 10000 Volt bestimmt, sind 80 je 0,8 mm dicke, einzeln mit einer 0,8 mm starken Isolierung versehene Drähte vorhanden. Das Isolierfutter ist hier 6 mm dick, der Kupferquerschnitt 40 mm² und der Raumfaktor nur 0,06.

Bei Feldspulen hängt

Raumfaktor bei Feldmagneten, der Raumfaktor wesentlich davon ab, ob runde oder quadratische Drähte oder solche mit rechteckigem Querschnitt benutzt werden. Bei den letzteren ist die Ausnutzung des Raumes am günstigsten, vor allem deswegen, weil die zwischen den einzelnen Drähten sonst verbleibenden Hohlräume vermieden werden, die mit Luft oder Isolationsmasse ausgefüllt sind. Isoliermaterial ist stets ein schlechter

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Fig. 83. Ausnutzung des Schlitzraums bei verschiedenen Spannungen.

Wärmeleiter und verhindert, daß die innen erzeugte Wärme schnell nach außen abgeleitet wird. Yon allen Wärmeleitern ist ruhige, eingeschlossene Luft der schlechteste, wie Felle, Eiderdaunen u. s. w. beweisen. Es sollte also zur Vermeidung dieser mit Isoliermassen ausgefüllten Räume möglichst nur Draht von quadratischem oder rechteckigem Querschnitt verwendet werden.

Werden runde Drähte verwendet, so wird der Raumfaktor hauptsächlich von dem Verhältnis der Drahtstärke zur Drahtisolation beeinflußt; ferner auch durch die Nachgiebigkeit der Isoliermasse und durch die Lagerung der Drähte gegeneinander, ob die Lagen senkrecht übereinander oder jede obere in die Zwischenräume der unteren eingelegt ist. Im ersteren, in Fig. 84 dargestellten Falle, wo die Drähte im Querschnitt quadratisch zueinander angeordnet sind, würde, wenn der Durchmesser des bloßen Drahtes = d, und der des umsponnenen = dx ist, der Raumfaktor

f=

°,7⁸54-

11 d²

4 d,²

sein; auch bei einer unendlich dünnen Isolation könnte f nie über 0,7854 hinausgehen.

Bei dem zweiten in Fig. 85 dargestellten Falle liegen die Drähte im Querschnitt wie die Zellen einer Honigwabe nach dem Hexagonal-

(jr2

System geordnet, hier würde der Raumfaktor f = 0,906 y-^, also bei

unendlich dünner Isolation f — 0,906 sein.

Bei gleichmäßig isolierten rechteckigen Kupferstreifen — Flachdrähten — gibt es einen verlorenen Raum nur an den Enden einer Lage, wo der Streifen in die nächste Lage übergeht. Sind a und ö, bezw. »j und bi die Breite und Dicke des nackten, bezw. isolierten

. Hochkantig gewickelter

a₁ bl

Flachdraht hat den höchsten Raumfaktor, nach Ferranti liegt er zwischen 0,83 und 0,93.

Der praktisch erreichbare Vorteil des Einlegens in die Zwischenräume bei runden Drähten ist nur sehr gering. Einige Autoren

Drahtes, so ist der Raumfaktor einfach

haben 10, ja auch 15 °/0 angenommen. Das ist bei weitem zu viel. Besonders

Fig. 84. Quadratische Anordnung.

Fig. 85. Sechsecks-Anordnung.

bei Spulen von dünnen Drähten bereitet es Schwierigkeiten, den Draht in die Zwischenräume einzulegen; da die Lagen abwechselnd von links nach rechts und von rechts nach links gewickelt werden, so muß jede Windung an einer Stelle über eine untere V indung hinwegsteigen. Selbst ein sehr geübter Wickler wird selten mehr als 3 °/₀ Vorteil beim Einlegen erreichen. Am sichersten geht man, wenn man annimmt, daß ein Einlegen überhaupt nicht stattfindet, und den Raumfaktor nach den oben gegebenen Formeln berechnet, falls nicht etwa Erfahrungssätze zu Gebote stehen.

Bei den Nebenschlußwicklungen von Maschinen üblicher Form und für etwa 500 Volt ist der Raumfaktor selten kleiner als 0,45. Diesen Wert hat z. B. auch die auf Tafel V dargestellte sechspolige Maschine von Scott & Mountain; die auf Tafel XVIII dargestellte Spule der zehnpoligen Maschine von Kolben hat 0,6.

an.

& Coulson geben für ihre Maschinen die Werte 0,43 bis 0,505

Wheeler hat für verschiedene Drähte mit verschieden starken Isolierungen Angaben gemacht, die in der Fig. 86 graphisch dargestellt sind. Die ausgezogenen Linien bezeichnen die beobachteten Werte, die gestrichelten die aus den Formeln sich ergebenden, wenn man annimmt, daß kein Einlegen stattfindet. Man sieht, daß bei stärkeren Drähten das Einlegen sich etwas bemerkbar macht und den wirklichen Raumfaktor gegenüber dem berechneten ein wenig erhöht.

Ö.S

7 f»/m Z

<3

Fig. 86. Raumfaktor für Drähte verschiedener Stärke.

Berechnung der Spulen. — Der Raumfaktor ist von Einfluß auf eine andere wichtige Eigenschaft der Wicklungen, nämlich auf ihren Widerstand für ein Kubikcentimeter, d. h. auf den gesamten Widerstand der Wicklung, dividiert durch den Raum in Kubikcenti-metern, welchen sie einnimmt. Wenn ein isolierter Draht von 2,5 mm ₀j Durchmesser (einschließlich Isolation) zu einer Spule aufgewickelt wird, ^ so liegen vier Drähte nebeneinander auf 1 cm Länge und, unter der Annahme, daß kein Ein- O# legen stattfindet, auch vier Lagen übereinander auf 1 cm Höhe, demnach auf die Fläche eines Quadrat-centimeters 16 Drähte und im Raum von 1 cm³ 16 Drähte zu 1 cm Länge, wenn man von der Krümmung der Drähte absieht. Würden diese 16 Drähte hintereinander verbunden, so wäre der Widerstand der Wicklung auf 1 cm³ =16 mal dem Widerstand eines Centi-meters. Dieser Wert beträgt, wie oben angegeben, wenn d₁ der Durchmesser des umsponnenen Drahtes in Millimetern ist:

bei 15 Grad C. = 0,000215499 : dx²,

„ 30    „ C. = 0,000228614 : dx²,

„ 60    „ C. = 0,000255148 : dx².

Ist der Durchmesser des nackten Drahtes d, des umsponnenen dx mm, so ist der Widerstand eines Ivubikcentimeters der Wicklung durch die Formeln gegeben:

0,000215499

d²-dx²

bei 15 Grad C.

0,000228614

d²-d²

bei 30 Grad C.

0,000255148

d²-dx²

bei 60 Grad C.

60 Grad p =

0,000107 Ohm. Ist die mittlere Länge

Hierbei ist, wie schon gesagt, quadratische und nicht hexagonale Anordnung der Drähte vorausgesetzt, der Raumfaktor demnach zu

TZ tL

— angenommen.

Ist die Zahl der Windungen einer Spule = 2V, und die Querschnittfläche der Wicklung b-li, so ist die Zahl der auf 1 cm² der

Multiplizieren wir das Quadrat

Fläche entfallenden Drähte

b-li

dieser Zahl mit dem Widerstande eines Kubikcentimeters Kupfer und dividieren mit dem Raumfaktor /*, so erhalten wir den Widerstand eines Kubikcentimeters der Wicklung in anderer Form:

p = 0,00000169

W²

b²h²f

bei 15 Grad C., bezw.

p = 0,00000180

iV²

b²h²f

bei 30    ,, C. und

p = 0,00000200

N²

bei 60 „ C.

b² h² f

Bei einer Spule von gegebenem Wicklungsraum und gegebener Windungszahl wird natürlich sich der Widerstand auf 1 cm³, also auch der Gesamtwiderstand im umgekehrtem Verhältnis zum Raumfaktor ändern.

Beispiel. Eine Spule, deren reiner Wicklungsraum 25 cm lang und 3,8 cm hoch ist, besteht aus 540 Windungen. Nehmen wir den Raumfaktor zu 0,6 an, so wird der Widerstand für 1 cm³ bei 0,000002-5402 25²-3,8²-0,6

einer Windung =110 cm, so ist der Gesamtinhalt = 25 X 3,8 X HO = 10450 cm³ und der Gesamtwiderstand B = 10450 X 0,000107 = 1,118 Ohm.

Ermittelung des Drahtdurchmessers, bei welchem ein gegebener Wickelungsraum einen bestimmten Widerstand erhält. — Teilt man den gegebenen Widerstand durch den verfügbaren Raum, so erhält man den Widerstand für das Kubikcentimeter. Man ermittelt den geeigneten Draht aus Tabellen, die diesen Widerstand für die verschiedenen Drahtsorten mit verschieden dicken Isolierungen enthalten; eine derartige Tabelle wird im Anhang gegeben. Diese Ermittlung ist erforderlich bei Reihenmotoren, wo der zulässige Widerstand abhängig ist von der Leistung, welche die Spule in Form von Wärme ausstrahlen kann (vergl. S. 167). Teilt man den zulässigen Verbrauch durch das Quadrat des Stromes, so erhält man den Höchstwiderstand der Spule.

= 0,88 Ohm und der Widerstand 0 88

Beispiel. Eine Spule von 57 200 cm³ Inhalt soll 50 Ampere führen, der zulässige Wärmeverlust in Watt sei 2200. Dann darf der

2200

Gesamtwiderstand der Spule

2500

eines Kubikcentimeters den Wert —~= 0,000 0154 Ohm nicht

5 i 200

übersteigen. Danach ist aus der Tabelle die passende Drahtstärke zu wählen; man findet 6 mm.

Ermittelung des passenden Drahtes bei gegebener Stromstärke. — Man kann eine geeignete Drahtnummer auch aus der zulässigen Stromdichte ermitteln. Diese beträgt bei feststehenden Spulen etwa 1 bis 1,5 Ampere auf 1 nun². Man kann also für 1 Ampere ²/₃ bis 1 mm² rechnen.

Beispiel. Es sei ein für 6 Ampere geeigneter Draht zu finden. Bei einer Stromdichte von 1 (1,5) Ampere auf 1 mm² würden also 6 (4) mm² Drahtquerschnitt erforderlich sein.

Bei kleinen Maschinen kann die Stromdichte in den Nebenschlußwicklungen 1,6 Ampere/mm² übersteigen und selbst 2,3 Ampere/mm2 erreichen. Bei den später erwähnten Generatoren von Scott und Mountain schwanken sie zwischen 1,1 bis 2,2 Ampere/mm².

Es sei gegeben die Zahl der Amperewündungen, die mittlere Länge einer Windung und die Spannung; gesucht werde die Drahtnummer, der Widerstand, die Windungszahl und der Wicklungsraum. Diese Aufgabe wird oft bei der Berechnung von Nebenschlußspulen gestellt. Die Zahl der Amperewindungen betrage i iV, wobei jedoch wreder i noch N für sich allein bekannt sei. Die Klemmenspannung sei V Yolt. Mit m bezeichne man die (vorläufig oft nur annähernd bekannte) mittlere Länge einer Windung und mit r den Widerstand für 1 cm Länge, dann läßt sich der Widerstand R der ganzen Spule auf zweierlei Weise ausdrücken: (1) woraus V = m-r-iN und

(2)

1 n (i N)'

Hieraus ist die Drahtstärke zu ermitteln.

Crocker gibt als brauchbare Kegel an

(2 a)

q = 0,0062-^^5 mm².

Beispiel. Eine Nebenschlußmaschine mit acht Spulen hintereinander und mit 200 Yolt arbeitend erfordere 5200 Amperewindungen

Erregung für jeden Pol. Die runden Polkerne haben einen Durchmesser von 25 cm; die Wicklung wird vorläufig als 7,5 cm tief angenommen. Hiernach wird der innere Durchmesser der Wicklung 27,5, der äußere 40 cm, also die-mittlere Länge einer Windung m, etwa 106 cm betragen. Hier ist V — 200:8 = 25 Yolt, i N — 5200, m = 106; daraus ergibt sich nach Gleichung (2) r = 25 : (106 • 5200) = 0,00004536 Ohm für 1 cm oder 4,536 Ohm für 1000 m. Aus der Tabelle im Anhang ergibt sich ein Draht von 2,4 mm Durchmesser, der bei 60 Grad C. 4,43 Ohm für 1000 m besitzt. Ist die Drahtstärke ermittelt, so wählt man eine Isolation von geeigneter Stärke und stellt den Widerstand p für das Kubikcentimeter der Wicklung fest. Die Tabelle im Anhang ergibt bei einer Isolation von 0,15 mm einfacher

Stärke zu dem gewählten Draht 0,00051 •

== 0,00060 Ohm/cm³ bei

4,43 3/74

60 Grad C. Wählt man statt dieses Drahtes, dessen Dicke (besponnen) — dy sei, einen anderen von gleichem Kupferquerschnitt und vom äußeren Durchmesser d₂, so ist die gefundene Zahl noch zu multiplizieren mit djjdj. Besser noch benutzt man Tabellen, die nach ausgeführten Wicklungen aufgestellt sind. Ist p so bestimmt, so ist R = p mal dem Inhalt des Wicklungsraumes. Ist dieser gegeben '), so ist damit R bekannt und aus R/mr erhält man die Zahl der Windungen N. Oder man erhält die für die Spule erforderliche Drahtlänge aus R/r.

Ist der Wicklungsraum nicht bekannt, so müssen wir in anderer Weise vorgehen. Nehmen wir die in Wärme umgesetzte Zahl der Watt als bekannt an; diese kann entweder (wie später gezeigt wird) in Prozenten von der Gesamtleistung, oder aus der geschätzten Gesamtabkühlungsfläche und der zulässigen Temperaturerhöhung (vergl.

S. 167) geschätzt werden. Nennen wir die in Wärme umgesetzte Leistung in Watt Wa. Dann ist

(3)

F2

Wa = i F=^K = —

und da jß = p-Inhalt, so ergibt sich der letztere

(4)

?Wa p i

Hiernach kann also der Wicklungsraum berechnet werden, -wenn entweder der Wärmeverlust oder die Stromstärke gegeben sind.

Ist auch die zulässige Temperatur vorgeschrieben, so ist damit auch der zulässige Verbrauch auf das Quadratcentimeter Kühl-

i) Vergl. auch die Formeln von Löwit, Elektrot. Zeitschrift, Bd. 21,

S. 88i, 1900.

fläche bestimmt und hierdurch wieder die Oberfläche der Spule festgestellt. Ergibt die Berechnung, daß die Oberfläche zu klein ist, so. muß der Entwurf geändert werden, indem man entweder die Länge der Spule, oder den Inhalt, oder das Kupfergewicht vergrößert. Sind derart die Dimensionen geändert, so muß ein neuer Wert für die mittlere Länge einer Windung ermittelt und die Berechnung wiederholt werden.

Man muß stets bedenken, daß bei Nebenschlußwicklungen, wenn die mittlere Länge einer Windung und die Zahl der Amperewindungen vorgeschrieben sind, alles von dem Widerstand einer Windung, also von der Drahtstärke abhängt. Eine Nebenschlußwicklung bestehe aus 1000 Windungen eines bestimmten Drahtes, habe also einen bestimmten Widerstand, so ist bei einer gegebenen Spannung die Zahl der Amperewindungen bestimmt. Nehmen wir nun an, daß die Hälfte der Windungen ausgeschaltet wTird, wobei die mittlere Länge einer Windung dieselbe bleibe, dann werden die verbleibenden 500 Windungen nur den halben Widerstand besitzen, aber den doppelten Strom führen, so daß die Zahl der Amperewindungen die gleiche bleibt wie zuvor; der Wärmeverlust i²R wird jedoch doppelt so groß sein. Verlängert man also die Spule unter Beibehaltung derselben Wicklungstiefe und desselben Drahtes, so kann man die verlangte Erregung mit geringerem Energieverlust erhalten.

Sind die Spannung, der Wärmeverlust in Watt im ganzen und für 1 cm² der Abkühlungsfläche, die mittlere Länge einer Windung und der Widerstand p für 1 cm³ gegeben, so findet man die Länge L der Spule in Centimetern aus der Formel

Wa

(5)

~v²\

-Tir" ) : m j

p! TVJ

wo Wa der zulässige Wärmeverlust im ganzen, £ derjenige auf 1 cm2 ist, letzterer abhängig von der zulässigen Temperaturerhöhung.

Die Drahtstärke läßt sich aus der Spannung, der Zahl der Amperewindungen und der mittleren Länge einer Windung in folgender Weise berechnen: Ist k der Widerstand eines Drahtes von 1 mm Dicke und 1 cm Länge, also = 0,000255 bei 60 Grad C., dann ist

₇ mN

wenn die Drahtstärke d in Millimetern, die mittlere-

Windungslänge m in Centimetern gemessen wird. Hieraus ergibt sich

(6)

l'k-i-N-m

Beispiel. Es sei wie vorher F =25, ^    = 5200 ; m — 106,

k = 0,000255, dann ergibt die Formel

d _ |/0,000255 • 5200 • 106

25

= 2,36 mm.

Bei quadratischer Anordnung der Drähte im Querschnitt kann die Zahl der Windungen in einer Lage und die Zahl der Lagen, die eine Spule von N Windungen eines Drahtes vom äußeren Durchmesser dl mm und von einer Nettolänge des Wicklungsraumes l cm einnimmt, aus den folgenden Formeln entnommen werden:

Zahl der Windungen einer Lage =10//^;

Zahl der Lagen = N-dl/l0 l;

in Centimetern.

Danach würde die radiale Tiefe T der Spule sein Ndi2 10 l

Wegen des Eindrückens der Lagen ineinander wird T etwas kleiner sein. Übrigens ist es nicht ohne weiteres angängig, die Zahl der Windungen in einer Lage aus der Formel zu entnehmen, wenn man die Drahtstärke mittels eines Kalibers mißt. Besser ist es, ein Stück der Spule mit dem fraglichen Draht zu bewickeln. Wickelt man wenige Windungen auf einen Kern auf und mißt die Länge genau, die etwa zehn Windungen einnehmen, so erhält man durch Division mit 10 einen genaueren, der Wirklichkeit besser entsprechenden Wert von d

Kurven zur Erleichterung der Berechnung von Magnetwindungen hat Wood in der Electrical World, Bd. 25, S. 503 und 529 (April 1895) öffentlicht.

Kapp hat für die Kupfergewichte von Spulen folgende Formeln gegeben, worin Wa den zulässigen Gesamtwärmeverlust in Watt, D den mittleren Durchmesser in Centimetern, m die mittlere Länge einer Windung in Centimetern (für Spulen mit nicht kreisförmigem Kernquerschnitt) und iN die gegebene Amperewindungszahl bedeutet:

(?)

(8)

G = 0,169 • 10-Ä-^

W a

(i N)² m²

kg oder

G — 0,172-10~⁶-

Wa

kg.

¹

Vergl. Dynamomaschinen von A. Wiener, 1902. Frühere Angaben über StreuungsVerluste bei Dynamomaschinen: Hering, El. Rev., Bd. 21, S. 186 u. 205, 1887; Carhart, Electrician, Bd. 23, S. 644, 1889; Wedding, Elektrot. Zeitschr., Bd. 13, S. 67, 1892; Mavor, Electr. Engin., Bd. 12, S. 428, 1894; Esson, Journ. Inst. Electr. Engin., Februar 1890; Puffer, Technolog}' Quarterly, Bd. 4, S. 205,    1891. Neuere Mitteilungen über magnetische

Streuung: Rothert, Elektrotechn. Zeitschr., 26. Mai 1898; Picou, Bull. Soc. Internat, des Électriciens, Juni 1902, S. 425. Über Versuche zur Verminderung der Stromverluste vergl. Kelly, Electr. World, Bd. 32, S. 161, 1898; Guilbert, L’Éclairage Électrique, Bd. 18, S. 298, 1899.

²

   Journ. Soc. Telegr. Engin, and Electr., Bd. 15, S. 530, 1886.

³

   Die Leitungsfähigkeit (auch magnetische Kapazität genannt) ist der reziproke Wert des Widerstandes, wie bei elektrischen Leitern.

⁴

   Journ. Soc. Telegr. Engin., Bd. 15, S. 551, 1886.

⁵

Trans. Amer. Inst. El. Engineers, Juni 1899, S. 461.

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Wickeln von Spulen.

Feldmagnetwicklungen werden entweder auf Spulen aufgewickelt oder über Formen gewickelt. Über die erste Methode ist keine

weitere Erläuterung zu geben, als höchstens über die Art, wie die Enden befestigt und herausgebracht werden. Wenn die Tiefe der Wicklung über 2,5 cm hinausreicht, sollte man des besseren Kaumfaktors wegen stets rechteckigen Draht verwenden, und zwar, wenn angängig, ihn hochkantig wickeln.

Feldmagnetspulen. — Die Spulen werden aus verschiedenen Materialien hergestellt, aus Messing mit Messingflantschen, aus Eisenblech mit Messingflantschen, aus sehr dünnem Gußeisen, zuweilen auch aus Zink. Zuweilen wird dünnes Metall für den Körper und Hartholz für die Flantschen benutzt. Beispiele für die verschiedenen Ausführungen bieten die später beschriebenen Maschinen. Mit großer Sorgfalt ist darauf zu achten, daß die Spule überall zweckmäßig mit Isoliermaterial, wie Preßspan, Vulkanfiber oder gefirnißter Preßpappe umkleidet wird. Ebenso sorgsam ist das innere Ende der Wicklung

«nniill nun»

Fig. 87.

Fig. 88.

herauszuführen und zu befestigen. Wird eine Spule einfach auf einer Drehbank bewickelt, so muß das innere Ende so herausgebracht werden, daß ein Kurzschluß mit einem Draht der oberen Lagen beim (iberkreuzen vermieden wird. Am einfachsten wird das dadurch erreicht, daß man die Wicklung in zwei Hälften aufspult und die inneren Enden miteinander verbindet, so daß beide Enden der fertigen Spule in der äußersten Lage liegen. Fig. 87 zeigt eine solche Spule. Die Windungen werden durch Bänder in ihrer Lage gesichert. Nach dieser Herstellungsart hat man Jahre hindurch die Sekundärspulen von Induktionsrollen angefertigt, bei denen es erwünscht ist, daß die Enden sowohl vom Kern wie von der Primärspule möglichst fern gehalten werden. Brown;spulte die Windungen konisch auf (Fig.89) und vermied somit Flantschen; für Hochspannungsspulen vereinigte er diese Methode mit der vorher beschriebenen, indem er zwei konische Wicklungen innen vereinigte, so daß beide freien Enden außen lagen (Fig. 90). Fig. 88 zeigt die Anwendung der Methode bei flachen Streifen, wie sie für Bahnmotoren oft verwendet werden.

Alioth hat die abnehmbaren Polkerne selbst als Spulen benutzt und sie, nachdem sie mit Isolation versehen waren, auf der Drehbank bewickelt (Eig. 91). Auf Formen hergestellte Magnetwicklungen werden auf einem passenden Holzblock aufgewunden, der seitlich mit abnehmbaren Wangen versehen ist, die den Draht während des Wickelns Zusammenhalten '). In solche Wicklungen werden kräftige Messingstreifen zwischen die Lagen eingelegt und in Zwischenräumen

:•

il

Fig. 90.

Fig. 89.

an den Enden über die Windungen umgebogen, um sie zusammenzuhalten. Bei Bahnmotoren werden diese Messingstreifen wegen der starken Beanspruchungen besonders kräftig genommen; die fertige Spule wTird dann noch mit zwei gefirnißten Lagen von Messingblech

Iltta

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“fl

SS

Hi

Fig. 91.

umgeben, nochmals ganz in Firnis getaucht und dann im Ofen getrocknet. Zweckmäßig werden sie hierbei durch einen hineingesandten, entsprechend starken Strom auch von innen erhitzt. Auf diese Weise wird die ganze Spule durch und durch trocken und

1) Einen illustrierten Aufsatz über die Anwendung von Formblöcken beim Wickeln findet man im »Electr. Engineer« (London), Mai 1902.

hart. Man sollte alle Feldmagnetwicklungen, ob auf Spulen oder auf Formen hergestellt, in Firnis tauchen und im Ofen trocknen.

Das Ausbringen und Befestigen der Enden. — Die Fig. 92 bis 94 stellen verschiedene Arten dar, wie die Enden aus der Spule herausgeführt werden. In Fig. 92 ist ein Kupferstreifen, der hinter einer Endscheibe aus Isolationsmaterial eingelegt ist, mit dem inneren Ende der Wicklung verbunden, wie der untere Teil der Fig. 92 zeigt, während im oberen Teile zu sehen ist, wie ein in ähnlicher W eise angelegter zweiter Streifen gleichzeitig zur mechanischen Befestigung und zur elektrischen Verbindung dient. Diese Anordnung rührt von Kapp her.

Eine von Ganz & Co. verwendete Befestigungsart ist in den Fig. 93 und 94 dargestellt.

Fig. 92.

Eine sehr einfache Befestigung des äußeren Endes der Wicklung besteht darin, daß man ein nach Fig. 95 geformtes Endstück auf die Wicklung so legt, daß die letzten drei oder vier Windungen über den Fuß des Stückes gewickelt, sodann an der Berührungsstelle von der Isolation befreit und mit dem Stück sorgfältig verlötet werden.

Isolation der Feldmagnetwicklungen. — Es ist nicht durchaus erforderlich, Glimmer zur Isolation der Feldmagnetspulen zu verwenden, meist genügt Papierisolation. Wenn man mehrere Lagen Papier bis zur Dicke von etwa 2,5 mm übereinander legt, so wird das fast immer genügen. Als Unterlage ist gefirnißtes Leinen zweckmäßig, als Futter Preßspan oder Vulkanfiber. Wichtig ist es, die Verbindung zwischen dem zylindrischen Teil und den Flantschen zu schützen. Als Beispiel einer sorgfältigen Isolierung mag die Art und Weise näher beschrieben werden, wie die General Electric Co. in Schenectady die Magnete der zweipoligen Edisonmaschinen für 100 bis 125 Volt isoliert. Endringe von Hartgummi werden mit

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Glimmer auf den Eisenkernen befestigt. Wird natürlicher Glimmer benutzt, so werden die Blätter in Stücke von etwa 4 cm Breite und wenigstens 8 cm Länge geschnitten; bei Verwendung von künstlichem Glimmer werden die Stücke wenigstens 13 cm breit genommen und durch Erhitzen nach der Form des Kernes gekrümmt. In jedem Falle steht die Glimmerbekleidung an der inneren Seite des Ringes

o))B

ir "Hl

ij

Cb

ttj

fff

Fig. 94-

Fig- 93-

um wenigstens 3 cm vor. Dann wird um den Kern eine Lage von gefirnißtem Musselin etwa 1 mm dick und genau auf den Abstand zwischen den Endringen zugeschnitten gelegt und darüber zwei Lagen

Gl

Fig- 95-

von l/₂ mm dicker Preßpappe aufgebracht, die um etwa 3 cm breiter sind als die Entfernung zwischen den Endplatten beträgt. Die Enden sind mit V-förmigen, etwa 1% cm tiefen Einschnitten versehen, so daß die Enden sich leicht aufbiegen und Ränder bilden, die sich gegen die Flantschen anlegen, wobei die Schnitte beider Lagen einander überdecken. Die Gesamtstärke der Isolation des Kernes ist demnach etwa 2 mm. Zwischen je vier Wicklungslagen wird noch ein Blatt Papier gelegt. Zwischen Nebenschluß- und Hauptwicklung bei Maschinen mit Verbundwicklung wird die Isolation ebenso sorgfältig hergestellt, wie zwischen Wicklung und Kern. Die fertige Wicklung wird mit zwei Lagen Preßpappe belegt, mit einem kräftigen Bindfaden befestigt und das Ganze gefirnißt.

Bei Maschinen bis zu 250 Yolt werden über den Musselin vier Lagen geölter Preßpappe gelegt. Bis zu 500 Yolt und mehr werden drei Lagen geölter Leinwand mit nicht aufgebogenen Rändern über den Musselin gelegt, darüber kommen zunächst vier Lagen von geöltem Preßpapier, darüber zwei Lagen von Preßpappe, deren eingeschnittene Ränder aufgebogen werden. Das Ganze bildet eine 4 mm starke Isolation. Zwischen je drei Lagen Windungen kommt eine Papierzwischenlage und außen werden drei

Lagen Preßpappe befestigt.

Fig. 96.

Die nach außen überstehende Bedeckung der fertigen Spulen ist nicht in jeder Beziehung von Vorteil, da sie die Wärmeabführung erschwert.

Befestigung der Magnetwicklungen. — Die Spulen werden gewöhnlich durch die vorspringenden Polschuhe an ihrem Platze festgehalten. Meist sind die Polschuhe abnehmbar; ist dies nicht der Fall, bilden sie also mit dem Kern ein Ganzes, so ist dieses vom Joch zu lösen. Sind keine Polschuhe vorhanden, so müssen die Wicklungen durch besondere Mittel festgehalten werden. Hierzu dienen entweder schmale, mit dem Ende des Kerns verschraubte oder verbolzte Bügel, oder es werden dreieckige Hartholzstücke, Fig. 96, die sich mit zwei zusammenstossenden Seiten gegen die Endflächen zweier nebeneinander liegender Wicklungen stützen, durch Bolzen mit dem Joch verbunden. Fig. 97 zeigt eine von Lahmeyer & Co. benutzte Anordnung.

Schaltung der Magnetwicklungen. — Fast stets werden die Wicklungen in Reihe geschaltet, sowohl bei besonders erregten wie bei Reihen- und bei Nebenschlußmaschinen. Die Verbindung muß so sein, daß abwechselnd Nord- und Südpole entstehen. Sind alle Spulen in Bezug auf die Klemmen gleich gewickelt und gleich gestellt, d. h. daß die Windungen von der der Polfläche nächstliegenden Klemme aus bei allen Spulen in derselben Richtung verlaufen, also alle rechtsgängig oder alle linksgängig sind, dann sind die Verbindungen abwechselnd am Polende und am Jochende herzustellen (vergl. Fig. 98 und die Tafeln, besonders Tafel XVI). Kompoundwicklungen werden untereinander in entsprechender Weise in Reihe geschaltet.

Lüftung der Feldmagnete. — Es ist nicht üblich, die Feldmagnete zu lüften; zuweilen macht man bei den Magneträdern von

-e=2r

,nSii

Fig. 97.

Wechselstrommaschinen die Wicklungen länger (in der Richtung parallel zur Achse gerechnet) als den Polkern und schafft dadurch Lüftungskanäle. Auch zwischen der Reihen- und den Nebenschlußwicklungen bei Kompoundmaschinen läßt man hin und wieder etwas Abstand behufs

Lüftung.

Sil

Fig. 99.

Erwärmung der Spulen. — Die im Kupfer durch den Strom erzeugte Wärme wird durch die Isolation hindurch teils an die äußere Oberfläche geleitet, wo sie durch Strahlung und Leitung an die Luft abgegeben wird, teils an den Kern und durch diesen in das Joch geführt, dessen Oberfläche sie an die Luft abgibt. Bei großen vielpoligen Maschinen überwiegt die letztere Wirkung diejenige der äußeren Spulenoberfläche.

Einige allgemeine Bemerkungen über die Erwärmung der Spulen mögen hier eingeschaltet werden. Unter der Annahme, daß die Isolierung zum Drahtdurchmesser in einem bestimmten gleichbleibenden Verhältnis steht, würde das Kupfergewicht einer Spule von bestimmten Abmessungen von der Drahtdicke unabhängig sein. Der Widerstand dieser Spule würde sich aber mit dem Quadrate .der Windungszahl ändern, denn würden 100 Windungen eines Drahtes

von gegebenem Querschnitt durch 200 Windungen eines Drahtes vom halben Querschnitt ersetzt, so wäre der Widerstand vier mal so groß als vorher. Der Widerstand der Spule ist also umgekehrt proportional dem Quadrate des Querschnitts, und da dieser proportional dem Quadrate des Durchmessers ist, ist der Widerstand umgekehrt proportional der vierten Potenz des Drahtdurchmessers.

Die in der Sekunde in der Wicklung erzeugte Wärmemenge ist gleich dem Produkt aus dem Widerstand und dem Quadrate der Stromstärke. Um also Verluste durch Wärme zu vermeiden, muß der Widerstand in Hauptstromspulen möglichst gering gehalten werden. Bei einer Spule von gegebenen Abmessungen ist der Wärmeverlust bei gleicher magnetischer Kraft unabhängig von der Zahl der Windungen, also vom Drahtdurchmesser. Die Wärmemenge ist = i*R, die magnetisierende Kraft — iN; da R bei demselben Spuleninhalt proportional dem Quadrate von N ist, so ist die Wärmemenge auch proportional i²N², also dem Quadrate der magnetisierenden Kraft. Ist also diese bei gleichen Spulen gleich, so ist auch der Wärmeverlust derselbe, gleichgültig wie die Wicklung beschaffen ist. Um die Feldmagnete einer Maschine in demselben Grade zu erregen, ist der gleiche Energieaufwand bei Parallelschaltung wie bei Reihenschaltung erforderlich, vorausgesetzt, daß der Spuleninhalt und der Raumfaktor derselbe ist. Eine Vergrößerung des Raumfaktors ist gleichbedeutend mit einer Vergrößerung des Inhalts oder der Verwendung eines Drahtes von geringerem spezifischen Widerstande. Mit einem höheren Raumfaktor ist also eine Verminderung des Wärmeverlustes gleichwertig, und hierin beruht, wie schon oben erwähnt, der Vorteil der Verwendung eines quadratischen oder rechteckigen Drahtquerschnittes.

Man kann sich dies leicht klar machen, wenn man sich vorstellt. daß nur eine Windung vorhanden wäre mit einer Stromstärke gleich der Zahl der Amperewindungen. Dieser Strom, geteilt durch den Kupferquerschnitt, gibt also die Stromdichte. Hieraus ergibt sich, daß für gleiche Spulen (von gleichem Kupfergewicht) die magnetisierende Kraft proportional ist der Stromdichte, also der Wärmeverlust proportional dem Quadrate der Stromdichte ist. Die folgende Tabelle XI (siehe S. 166) gibt den Wärmeverlust für verschiedene Stromdichten bei 30 Grad C. an, wobei der Widerstand eines Kubikcentimeters Kupfer zu 0,18-10“⁶ genommen ist.

Wird der Wicklungsraum (und das Kupfergewicht) vergrößert, so wird bei gleichbleibender Magnetisierung der Wärmeverlust ent-

Tabelle XI.

Wärmeverluste der Kupferleiter bei verschiedenen Stromdicliten.

Stromdichte in Ampere auf i cm²

In Wärme umgesetzte Leistung in Watt

auf i kg Kupfer

auf i cm³ Kupfer

6o

80

IOO

120

I40

l6o

l8o

200

25O

3°0

400

500

600

0,0064

0,0113

0,0178

0,0256

0,0342

0,045

0,058

0,071

0,111

0,160

0,284

°>444

0,640

0,72

1,27

2,00

2,88

3.83

5.05

6,50

7.95

12,5

18,0

32

5°

72

sprechend vermindert. Es habe z. B. eine Nebenschlußspule den Widerstand r bei Z Windungen und den Wärmeverlust ri². Wickeln wir noch Z gleiche Windungen hinzu, so wird die Magnetisierung nicht geändert, denn durch die Verdoppelung der Windungszahl wird die Stromstärke auf die Hälfte vermindert, aber der Wärmeverlust

(ö-

ri²

ist nur noch halb so groß wie vorher, denn 2 r-

Die bisherige Annahme, daß der Drahtdurchmesser in einem gleichbleibenden Verhältnis zur Dicke der Isolation stehe, trifft nicht zu, vielmehr haben die dünneren Drähte eine verhältnismäßig stärkere Isolation, als die dickeren Drähte. Wir erhalten also nicht ganz die doppelte Zahl der Windungen, wenn wir den Drahtdurchmesser nur halb so groß nehmen, sondern etwas weniger. Übrigens sollte man ihn beim Entwerfen von Dynamomaschinen stets so wählen, wie er am günstigsten für den gegebenen Fall ist, ohne Rücksicht auf etwa vorhandene Modelle, und lieber neue Kerne mit einem genügenden Wicklungsraum bauen als vorhandene mit zu kleinem Raum benutzen.

Jede Wicklung muß zur Vermeidung des Überhitzens eine genügend große Oberfläche haben. Hierbei sind die Verhältnisse bei Feldmagnet- und Ankerspulen durchaus verschieden, wir müssen sie daher gesondert betrachten.

Feldmagnete und feststehende Wicklungen allgemein. — Es bezeichne wieder Wn die in den Feldspulen bei voller Belastung in Wärme umgesetzte Leistung, also

Wa = i²R.

A die Gesamtoberfläche aller Spulen in Centimeter ohne die End-flantschen und die (wenn vorhanden) innere Oberfläche. t°m die Maximalerwärmung über die umgebende Luft, dann ist tm pro-

worin h ein

W,

portional Wa und umgekehrt proportional A, also t°m = A-——

von der Tiefe der Wicklung, von der kühlenden Wirkung des Ankers und von dem Bewegungszustande der Luft abhängiger Koeffizient ist. Nach Esson kann h für gewöhnliche Feldspulen = 355 genommen werden, d. h. also eine Wärmeausstrahlung von 1 Watt auf 1 cm2 wird eine Steigerung von 355 Grad C. herbeiführen. Soll die Temperaturerhöhung 30 Grad nicht übersteigen, so muß die Spule 11,8 cm2 Oberfläche für 1 Watt Wärmeverlust haben. Dieser Wert erscheint neueren Ausführungen gegenüber niedrig. Es ist hierbei vorausgesetzt, daß die Messung der Temperatur durch ein auf der Oberfläche der Spule aufgelegtes und mit einem Pflock Baumwolle bedecktes Thermometer geschieht¹). Eiir die üblichen Formen und Abmessungen der Feldspulen, besonders von mehrpoligen Maschinen,

jjr

gibt die Formel f = 485 —-r- gute Werte. Für umkleidete (und

die sogen, iron-clad- oder Panzer-)Maschinen ist der Wert der Wärme-konstanten noch höher zu nehmen.

Bei Nebenschlußspulen gibt diese Formel zugleich den zulässig höchsten Strom bei bestimmter Temperaturerhöhung an. Denn Wa= Vim = im²R, woraus

(10)

't'm -

I -I c-.i.

\ Ji r

oder, wenn wir h — 485 setzen und die Erregung und die Temperatur gegeben sind, erhalten wir die erforderliche Oberfläche aus der

wa

Formel tm— 485 zu

(H)

485 • Wa

Bei Wicklungen aus hochkantig gestelltem Flachdraht wird die Temperatur weniger hoch steigen, als diese Formeln ergeben, weil die Wärme hierbei besser von innen nach außen geleitet wird. Ferranti fand die Temperaturerhöhung bei einer solchen Wicklung einer 1200 KW-Maschine mit 150 Umdrehungen nach sechsstündigem Betriebe zu nur 16 Grad C., obwohl die Stromdichte 1,42 Ampere auf das Quadratmillimeter betrug. Bei einer 150 KW-Maschine mit 380 Umdrehungen und 1,86 Ampere/mm² 3 Stromdichte betrug die Temperaturerhöhung nach 6 Stunden nur 14,5 Grad C. Dagegen war bei einer Maschine von nur 1,24 Ampere/mm³ Stromdichte, bei welcher aber die Spulen zwei durch Isolation getrennte Lagen hochkantig gewickelten Flachdrahtes enthielten, nach nur fünfstündigem Betriebe die Temperaturerhöhung über 28 Grad C.

Die Maschinenfabrik Oerlikon rechnet bei einer Erwärmung von 30 Grad C. eine Wärmeabgabe von 0,07 Watt auf 1 cm³, oder 14,2 cm³ Kühloberfläche für 1 Watt Wärmeverlust. Dies würde einem Wert der Konstanten h — 426 entsprechen.

Lassen wir eine Temperaturerhöhung von 50 Grad C. zu, so ist für

eine Nebenschlußspule die zulässig höchste Stromstärke im = 0,375 j/ ^ die zulässige Klemmenspannung = 0,375lC4-i?.

Neuere Messungen über das Steigen und Fallen der Temperatur in Feldspulen sind von Brown¹) und von Neu, Levine und Havill³) ausgeführt. Browns Beobachtungen an einer zweipoligen Siemens-Maschine zeigten, wie wirksam in der Nähe befindliche Metallmassen waren. Er empfahl, die Spulenköpfe aus möglichst guten Wärmeleitern herzustellen und jeden Zwischenraum zwischen Polkern und Wicklung mit ebensolchem Material auszufüllen. Da ferner die größte Wärme-Entwicklung in der Mitte der Spulen stattfindet, sollten diese dort weniger tief sein, also der Form einer Sanduhr gleichen. Die Electric Construction Co. wellt das Profil ihrer Feldmagnete zumZweck des besseren Abkühlens. Neu, Levine und Havill untersuchten an einem Crocker-Wheelerschen Motor die Temperaturverteilung im ganzen Querschnitt der Wicklungen durch Messung der Steigerung des elektrischen Widerstandes der einzelnen Wicklungsteile und maßen gleichzeitig die scheinbare Erhöhung durch Thermometerablesungen. Sie zeichneten diese Ergebnisse in Kurven gleicher

Temperatur auf, welche die Wärmeverteilung zeigten, wenn die Wicklung 1. frei in der Luft hing; 2. auf einem Tisch stand; 3. an der stillstehenden und 4. an der normal belasteten Maschine sich befand; die Dauer jedes Versuchs betrug 6 Stunden. Im Falle 1 zeigte sich die stärkste Erwärmung, obwohl man hätte erwarten sollen, daß durch den Tisch im Falle 2 die Luft gehindert würde, die Spule genügend zu kühlen. Die Erwärmung betrug durchschnittlich in den vier Fällen bezw. 37,5, 33,9, 22,7 und 28,3 Grad C. Im Falle 3 führte der Kern mehr Wärme ab als die Oberfläche, während der Punkt der größten Erwärmung näher der Oberfläche als dem Kerne lag. Sie beobachteten an der Maschine im Betriebe bei voller Belastung eine Steigerung der Temperatur um 710 Grad C. bei Stillstand um 645 Grad C. bei einem Verlust von 1 Watt für 1 cm² der zylindrischen Oberfläche der Spule. Dies würde die Formel ergeben:

Wa

(12)

4=710

hieraus ergibt sich, daß nicht weniger als 23,5 cm² Oberfläche für jedes Watt Wärmeverlust notwendig war, wenn die Grenze 30 Grad C. betrug. Es schien, daß die Oberfläche, wenn sie mit Eisen in Berührung stand, doppelt so wirksam war, als bei Berührung mit Luft; hieraus würde sich für diesen Fall ergeben:

t°m — 2200-

Wa

Ai -j- 1,8 Ae'>

wo Ai die der Luft ausgesetzte und Ae die in Berührung mit Eisen befindliche Oberfläche ist.

Sie fanden die wirkliche Temperaturerhöhung um 1,4 bis 1,6 mal so groß als die durch Thermometern]essung bestimmte mittlere Erhöhung.

Einige Berechnungen über die größere Erwärmung der inneren Lagen sind von Joyce im Journ. Inst. Electr. Engineers, Bd. 19, S. 248, 1890 veröffentlicht.

Bei umkleideten Maschinen ohne besondere Kühlungsvorrichtungen ist es schwer, die Erwärmung unter 100 Grad C. zu halten. Diese Maschinen werden von einigen Firmen mit äußeren radialen Bippen zur besseren Abkühlung versehen. Nach Niethammer kann man bei solchen Maschinen die Erwärmung gleich etwa 600 bis 900 mal dem Gesamtverlust, dividiert durch die Gesamtoberfläche in Quadratcentimeter, rechnen.

Erwärmung umlaufender Spulen. — Hier hängt die Erwärmung im wesentlichen von folgenden Verhältnissen ab:

1.    Von der Kühloberfläche A₂. Hier hat man die der Luft ausgesetzte äußere Oberfläche zu nehmen und nach Erfahrung auch einen gewissen Teil der inneren hinzuzufügen.

2.    Die Umfangsgeschwindigkeit v m/sek. der Wicklung. Bei kleinen Ankern und Ringwicklung ist die mittlere Umfangsgeschwindigkeit aus dem mittleren Durchmesser des Ankers zu bestimmen.

3. Dem Verhältnis der Kühloberfläche zur Poloberfläche. Ein Anker, der fast völlig von den Polflächen umgeben ist, kann natürlich

70° 60

o

50

o

10

5**/seA io

15

20

25

Fig. 99. Erwärmungskurven.

seine Wärme weniger gut abgeben, als ein solcher, dessen aus-strahlende Oberfläche freier liegt.

Die Erwärmung eines Ankers, dessen Eisen- und Kupfer Verluste (in Form von Wärme) insgesamt = TUa sind, kann aus der Formel bestimmt werden:

(U)

Wo

A₂ 1 -j- b •v⁾

worin a und b Konstanten sind, deren Wert von der Art der Maschine abhängig ist.

Die Konstante a schwankt bei neueren Ausführungen zwischen 320 und 580, b zwischen 0,08 und 0,18. Die in Fig. 99 dargestellten Kurven sind jedoch bequemer und besser zu benutzen, da sie Ergebnisse neuerer Ausführungen sind. Die Kurve A ist für

500°

too⁰

300⁰

ZOO"

J m/ôe/f. 10

Fig. 99. Erwärmungskurven.

15

20

25

30

kleine, nicht ventilierte Anker zu benutzen, sie rührt von A. H. und C. E. Timmermann¹) her. Die Kurven B und C sind für kleine, gut gelüftete Anker und größere, mehr oder weniger der Schwungradform entsprechende bestimmt.

Man findet hieraus die Temperaturerhöhung tm in folgender Weise: Man teilt die verbrauchte Leistung durch die Oberfläche in Quadratcentimeter und liest tm von der in Betracht kommenden Kurve ab, unter Berücksichtigung der Umfangsgeschwindigkeit.

Bei den Oerlikonwerken wird gerechnet, daß bei einer Umlaufsgeschwindigkeit von 10 m in der Sekunde und einer zulässigen Erhöhung von 30 Grad jedes Quadratcentimeter der äußeren Ankeroberfläche zwischen 0,002 und 0,0025 Watt abgibt; oder daß für 1 Watt 4 bis 5 cm² Oberfläche erforderlich ist. Nimmt man an, daß 4 Prozent der Leistung im Anker in Wärme verloren gehen oder 40 Watt auf 1 KAU, dann muß die erforderliche Ankeroberfläche etwa 160 bis 200 cm² für jedes Kilowatt der Leistung sein.

Beim Stillsetzen einer Dynamomaschine hört die kühlende AA'irkung der bewegten Luft auf, man beobachtet dann sofort eine erhebliche Steigerung der Erwärmung. Die britische Admiralität läßt daher nur 70 Grad F. = 38,8 Grad O. als maximale Temperaturerhöhung, gemessen 1 Minute nach einem sechsstündigen Betriebe unter voller Belastung, zu. Dies ist allerdings nicht die wirklich vorhandene Erwärmung, schon weil das Thermometer nach 1 Minute noch weiter steigt, immerhin erscheint diese Grenze unnötig niedrig, da selbst in den heißesten Maschinenräumen das doppelte Maß noch völlige Sicherheit gewähren würde.

Die Normalien des Arerbandes deutscher Elektrotechniker schreiben als Begel vor, dass die Temperaturzunahme (bei einer Außentemperatur von höchstens 35 Grad C.) folgende Werte nicht übersteigt:

a)    an isolierten Wicklungen und Schleifringen bei Baumwoll-isolierung 50 Grad C., bei Papierisolierung 60 Grad C., bei Isolierung durch Glimmer, Asbest und deren Präparate 80 Grad C.; für ruhende AVicklungen sind um 10 Grad höhere Werte zulässig;

b)    an Kollektoren 60 Grad C.;

c)    an Eisen von Generatoren und Motoren, in das Wicklungen eingebettet sind, je nach der Isolierung der Wicklung die Werte unter a.

i) Trans. Amer. Inst. Electr. Engineers, Bd. io, 1893.

Kapitel VIII.

Isolationsmaterialien und deren Eigenschaften.

Als Isolationsmaterialien kommen außer der Luft und den Gasen

folgende in Betracht:

1. Glas, einschließlich Lack, Vitrit und ähnliche Arten von

Schlacken.

2.    Steine, wie Schiefer, Marmor, Glimmer, Asbest, Kieselgur, Steingut und Porzellan.

3.    Knochen und Elfenbein.

4.    Harze, wie Schellack, Kopal und andere Harze.

5.    Bitumen, Asphalt und Pech.

6.    Wachs, Paraffin, Ozokerit und dergl.

7.    Gummi, natürlicher und vulkanisierter, Guttapercha, Ebonit.

8.    Verschiedene Öle und Eette, sowohl tierische als auch pflanzliche und mineralische.

9.    Cellulose, einschließlich trockenes Holz und Papier; Baumwolle, Papiermaché, Preßspan, vegetabiles Pergament, Vulkanfiber, Celluloïd, Willesden-Papier u. a.

10.    Seide und ähnliche tierische Erzeugnisse, wie z. B. Catgut.

11.    Schwefel.

Aus diesen Materialien wird durch Mischung eine große Zahl von Erzeugnissen hergestellt, die unter den verschiedensten Bezeichnungen in den Handel kommen, wie Ambroin, Megohmit, Stabilit, Mikanit, Vulkasbeston u. a.; ebenso verschiedene Firnisse, wie Armalack, Japanlack, Lackfirnis, Sterlings Firnis, Scotts Gummifirnis.

Dielektrischer Widerstand. — Fast alle Isolationsmaterialien haben geringe mechanische Festigkeit. In ihrem spezifischen Leitungswiderstande und ihrem Widerstande gegen Durchschlagen durch einen Funken weisen sie außerordentlich große Unterschiede auf. Sie haben sämtlich die Eigenschaft, bei steigender Temperatur ihre

isolierenden Eigenschaften zum Teil außerordentlich rasch zu verlieren, sogar im allgemeinen gute Leiter zu werden, sobald eine chemische Veränderung beginnt. Selbst Glas, Marmor und Porzellan beginnen unter der Eotglut als Elektrolyte den Strom zu leiten. Einige sind mehr oder weniger hygroskopisch und verlieren nach einiger Zeit ihre isolierende Eigenschaft.

Am Avichtigsten ist für den Dynamomaschinenbau ihr Verhalten gegen die Durchschlagskraft eines elektrischen Punkens, ferner ob sie hygroskopisch sind, oder unter dem Einfluß der Wärme zerfallen oder mit derZeit sich verschlechtern. Porzellan und Steingut werden

25000-----

o-ooo

20000

15000

ex

3»oo

10OOO

20 00

5000

Pott.

100c

Voll

0,5    /    1'3    2,0    2,5

1 tnytn 2

Fig. 100. Durchschlagsfestigkeit von Glimmer und Oelleinen.

Fig. 101. Durchschlagsfestigkeit von Mikanit.

vorwiegend für Isolatoren und Klemmenstützen benutzt. Trockenes Holz und Papiererzeugnisse werden nur für niedrige Spannung und als sekundäre Isolatoren, d. h. als die Leiter mechanisch gut zusammenhaltende Form für die mechanisch schlechteren, aber elektrisch besseren primären Isolatoren, wie Glimmer und dergl verwendet.

Versuchsergebnisse über die isolierende Kraft der genannten Materialien werden öfter veröffentlicht. Nachstehend sollen einige angegeben werden. Fig. 100 stellt die Ergebnisse der Versuche der Oerlikonwerke über reinen Glimmer und über Ölleinen verschiedener Stärke dar. Die Versuche wurden in der Weise angestellt, daß Lagen dieser Materialien zwischen die Elektroden gebracht wurden, worauf die Spannung allmählich so lange erhöht wurde, bis eine Zerstörung des Materials eintrat.

Fig. 101 zeigt das Verhalten von Mikanit, sogen, künstlichem Glimmer, d. h. dünnen Glimmerplättchen, die durch ein Klebemittel,,

wie Schellack, miteinander zu größeren Platten vereinigt sind. Bei diesem Material zeigte sich, daß bei einer gewissen Spannung, die sich nach der Stärke der Platte richtete, ein Strom liindurchfloß, welcher das Klebemittel verbrannte und dadurch eine rasche Zerstörung der Isolation der Platte herbeiführte. Mikanit ist jedoch selbst bei 150 Grad C. noch ein vorzüglicher Isolator. Reiner Glimmer in durchsichtigen klaren Blättern, gleichgültig, ob sie weiß, braun oder grünlich gefärbt sind, ist außerordentlich widerstandsfähig gegen Durchschlagen; bei einzelnen Beobachtungen haben solche Glimmerscheiben mehr als 200000 Yolt für 1 mm Dicke ausgehalten.

Mikaleinen besteht aus kleinen, etwa ¹/₂₀ mm dicken Glimmerschuppen, die, einander überdeckend, zwischen zwei Leinwandlagen mit Schellack verklebt werden; das fertige Produkt hat etwa l^mm Dicke und widersteht noch einer Spannung von 3000 Yolt (Wechselstrom).

Diese Produkte müssen bei der Herstellung wenigstens 24 Stunden lang in einem Ofen gedörrt werden.

Die in der nachstehenden Tabelle XII angegebenen Werte sind nur als angenäherte anzusehen, da das Material zum Teil an sich und auch je nach der Temperatur große Verschiedenheiten aufweist. Nimmt man die Angaben als für die normale Lufttemperatur gültig an, so würden die Werte bei einer Erhöhung um 30 Grad meist um die Hälfte niedriger sein, wobei reiner Glimmer sehr viel weniger, paraffiniertes Papier mehr als die übrigen Materialien verliert. Bezüglich des Glimmers scheinen die Angaben der Tabelle (32 000 bis 320000 Volt für 1 mm) und von Oerlikon (8800 Yolt) auseinander zu gehen, es ist jedoch zu beachten, daß die Oerlikonsche Angabe sich auf das Erhitzen bezieht, welches den Beginn des Durchschlagens anzeigt, während die Tabelle die Spannung beim Durchschlagen durch einen Funken angibt. Manche Firmen nehmen 500 Yolt für 1 mm.

Trockenes Holz wird bei Ankern als Unterlage zum Verhindern des Brechens der Wicklung beim Umbiegen um scharfe Kanten gebraucht, Schiefer, der übrigens frei von metallischen Adern sein muß, nur für Schalttafeln. Vulkasbeston, im wesentlichen eine vulkanisierte Mischung von Asbest mit etwas Gummi, hat den Yorzug, schmelzbar zu sein und seine Isolierfälligkeit auch bei 300 Grad C. nicht zu verlieren. Stabilit, das in Platten und Röhren hergestellt wird, soll 10000 bis 15000 Yolt bei 1 mm Stärke widerstehen. Es ist nicht hygroskopisch und kann geschmolzen werden. Der gemessene Widerstand ist etwa 100000 Ohm für 0,1 mm und 1 cm². Megohmit ist ein Glimmerpräparat und kann ebenfalls geschmolzen werden. Alle

Tabelle XII.

Dielektrizitätswerte von Isolationsmaterialien.

Material

Megohm

Dielektrizitätswert für i cm² und in Volt für i mm

0,01 mm Dicke

Bemerkungen

Glimmer, klar und eben

Mikanit.....

Trockenes

32 OOO — 200 OOO 76 OOO 36 OOO — 48 OOO 2 5OO OOO 2 4OO —    2 800    760 OOO

12 000 - 32 000 760OOO

12 000—    IÖOOO    25O

32 000 — 40 000 25 OOO OOO

20 OOO — 36 OOO 3400 2 OOO —    5 OOO 50

4800

6000 800

Je nach der Qualität.

10

5°

Schiefer

Mahagonil oder Ahorn f

600

200

40

Hygroskopisch.

Weich in warmem Zustande. Aus reinem gekochtenLeinöl. Kartonpapier. Trocken, nicht lackiert. Wie bei doppelt umsponnenen Drähten.

Je nach Qualität. Hygroskopisch.

Dicke etwa ¹/₅ mm.

1,2

1,2

In Paraffin zu kochen.

Paraffinpräparate haben einen sehr hohen Isolationswiderstand, sind aber völlig unbrauchbar, sobald die Temperatur auf 30 Grad steigt. Karton, in erhitztem Zustande mit Schellack oder dergl. überzogen, bildet ein ausgezeichnetes Material zum Ausfüttern von Ankerschlitzen. Für alle Spannungen über 500 Yolt ist eine Glimmer enthaltende Masse vorzuziehen und über 1000 Volt unerläßlich.

Harz, Schellack und diese Stoffe enthaltende Firnisse scheiden, wenn sie warm werden, vegetabile Säuren aus, die sehr bald das Kupfer angreifen. Man hat daher Firnisse gesucht, die diese Eigenschaft nicht haben, dahin gehören Sterling-Firnis und Lackfirnis. Die Pittsburg Insulating Co. bringt eine Reihe von Fabrikaten in den

Tabelle XIII.

Durchschlagversuche.    #

Material

Bezeich

nung

Dicke in Millimeter

Durchschlag bei einer Spannung von Volt

Garantierter Widerstand gegen Volt

Bondpapier (dicht) Lumpenpapier . Rotes Hanfpapier.

Papier.....

Papier.....

Papier.....

Leinen.....

Leinen.....

Leinen.....

0,1

— 0,125 0,150 — 0,175 0,224 — 0,2^0 0,150 — 0,175 0,225 — 0,250 0,30 —0,35 0,150 — 0,175 0,250 — 0,275 0.375 — 0.400

5 000 — 9 000

8    000 — 10 000

9    000 — 11 000 8 000 — 10 000

14 coo — 16 000 20 000 — 25 000 5 000 — 9 000 13 000 — 15 000 18 000 — 20 000

10 000 15 000

10 000 15 000

Handel, die mit Sterling-Firnis imprägniert sind und die in der Tabelle XIII angegebenen Verhältnisse aufweisen sollen.

Schwefel in geschmolzenem Zustande mit gepulvertem Glas, Kieselguhr und dergl. gemischt, läßt sich als Isolationsmaterial zum Ausgießen von Löchern in Sockeln und dergl. verwenden.

Isolation von Kernscheiben.

Die Ankerkernscheiben werden zuweilen gefirnißt, zuweilen mit zwischengelegten dünnen Papierblättern aufgebaut. Neuerdings beklebt man das Blech auf einer besonderen Maschine mit Papier und stanzt dann erst die Scheiben aus. Auch ein Überzug von Lack und Wasserglas ist versuchsweise angewendet worden. Eine hohe Isolation ist nicht nötig, sie muß nur die Temperaturerhöhung aushalten können.

Isolierung der Kernkörper. — Wenn der Kernkörper aus den einzelnen Blechen zusammengereiht und auf seiner Achse befestigt ist, muß er isoliert werden, damit kein Kurzschluß mit einem der aufgelegten Leiter entsteht. Obwohl diese für sich noch isoliert sind, ist die Isolation des Kernes als doppelter Schutz durchaus notwendig. Glatte Kerne werden sowohl auf dem zylindrischen Teil wie auf den Endflächen isoliert. Zahnanker werden an den Endflächen und innerhalb der Schlitze isoliert. Die Kernkörper von Ringankern werden auch auf der inneren Peripherie des Kernes isoliert.

Isolation der Schlitze. — Bei Maschinen unter 500 Volt ist eine Auskleidung von J/₂ mm starkem gefirnißten Papier oder Pappe genügend, wenn die Isolation der Leiter oder der Leitergruppen sorgfältig durch 1 bis 1,25 mm starkes Mikanit erfolgt. Zuweilen benutzt man auch Mikanitpapier zum Auskleiden. Bei höheren Spannungen werden aus Mikanit hergestellte Futter verwendet.

Ein sehr empfehlenswertes Verfahren besteht darin, die Leiter für alle Spannungen 0,5 mm dick mit Isolierband zu umwickeln und für die Isolierung die Schlitze bei 100 Volt 1,5 mm, bei 250 Volt 2 fnm und für 500 Volt wenigstens 2,5 mm vorzusehen, wobei am Boden des Schlitzes sowie zwischen den oberen und unteren Wicklungen jedes Schlitzes noch eine besondere Isolierung vorgesehen ist.

Isolierung der Leiter. — Für Drahtwicklungen wird gewöhnlich doppelt umsponnener Draht verwendet, der mit Firnis getränkt und im Ofen getrocknet ist. Falls die Anker stark beansprucht werden, bevorzugt man dreifach umsponnene Drähte, die in einen besonderen Asphaltlack getaucht sind, der nach dem Trocknen nicht so spröde ist und die Drähte biegsamer läßt. Auf Formen hergestellte Wicklungen werden gewöhnlich trocken gewickelt, und mit

Band umwickelt, bevor sie gefirnißt werden; vorher ist aber sorgfältig jede Spur von Feuchtigkeit zu entfernen, sei es durch Trocknen im Ofen oder besser im Vakuumschrank, weil dabei keine so hohe Erwärmung nötig ist. Wegen eingehender Belehrung wird auf folgende Quellen verwiesen:

Steinmetz: Note on the Disruptive Strength of Dielectrics. Trans. Amer. Inst. Elec. Engineers, Bd. 10, S. 85, 21. 2. 1893.

Maschinenfabrik Oerlikon: Sur le Calcul de Machines électriques, Juni 1900.

Sever, Monell und Perry: Effect of Température onlnsulating Materials. Trans. Amer. Inst. Elec. Engineers, Bd.13, S.225, 20.5.1895.

Baur: On the Electric Strength of Insulating Material. Elec-trician, Bd. 47, S. 758 u. 1000. 1901.

O. Gorman: Insulation of Cables. Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 30, S. 608. 7. März 1901.

Parshall und Hobart: Electric Generators (1900).

Canfield und Robinson: The Disruptive Strength of Insulating Materials. Electrical Engineer (N.Y.), Bd. 17, S. 277, 28.3.1894.

Kapitel IX.

Wirkungen und Gegenwirkungen im Anker.

In dem vorliegenden Kapitel sollen hauptsächlich Gleichstrom-maschinen mit Ankern der Ring- und Trommelform in einfachem magnetischen Felde behandelt werden, wie es von dem früher bei kleineren Maschinen dieser Art durchweg verwendeten zweipoligen Feldmagnet hervorgebracht wird. Meistens jedoch lassen sich

die nachfolgenden Betrachtungen auch auf vielpolige Maschinen anwenden.

Fig. io2. Endansicht eines Ringankers zwischen zwei Polen.

Es werde ein nach rechts umlaufender Anker (von dem Ende aus gesehen, an dem der Stromabgeber befestigt wird) vorausgesetzt; ferner werde angenommen, daß derNord-pol des Feldmagnetes rechts liege, wie in den Fig. 114 bis 116, so daß die magnetischen Linien von rechts nach links verlaufen. Auch die Wicklung der Ankerkerne sei nach rechts herum aufgewunden. Hält man dies als Regel fest, so läßt sich sehr leicht ermitteln, wie ein Wechsel in einer dieser Bedingungen die Induktion der elektromotorischen Kraft beeinflußt.

Die Fig. 102 stellt die Endansicht eines Ringankers dar. Die vom Nordpol austretenden magnetischen Linien gehen durch den Zwischenraum von rechts nach links und dringen in das Eisen des Ankers, dieses durchsetzend, verlaufen dann durch den Zwischenraum zur Linken und treten zum Südpol des Feldmagnetes über (Fig. 119). Sowie die Kupferdrähte oder Leiter des Ankers einer nach dem anderen in den Zwischenraum übertreten, schneiden sie die magnetischen Linien. Jeder Leiter tritt oben aus dem Zwischenräume aus, bewegt sich über dem höchsten Teile des Ankers von links nach rechts und schneidet wieder die magnetischen Linien, indem er rechts in dem Zwischenräume sich abwärts bewegt. Bei Anwendung der auf Seite 43, Anmerkung 1, erwähnten Regel finden wir die Richtung der induzierten elektromotorischen Kräfte in den umlaufenden Leitern in folgender Weise: In den Leitern, die in dem linken Zwischenräume emporsteigen, ist die elektromotorische Kraft gegen den Beobachter gerichtet, während sie in den Leitern, die im rechten Zwischenräume abwärts sich bewegen, von dem Beobachter weg ihre Richtung nimmt. Setzen wir voraus, daß diese elektromotorischen Kräfte Ströme erzeugen *), so läßt sich sagen, daß die Ströme in denjenigen Leitern nach dem Beobachter hin fließen, die im linken Zwischenräume emporsteigen, und in denjenigen, die im rechten Zwischenräume niedergehen, in der Richtung vom Beobachter weg fließen. Ist der Anker als Ring gewickelt, so fließen die Ströme, die in der einen Richtung im Zwischenraum verlaufen, in der anderen Richtung an der Innenseite des Ringes wieder rückwärts. Ist der Anker als Trommel gewickelt, so treten die Ströme am Ende des Kernes durch die zu diesem Zwecke vorhandenen Verbindungsleiter von einer Seite quer herüber zur andern.

Betrachten wir nun die Art und Weise, wie die Wickelungen auf dem Anker miteinander verbunden werden. Ob es sich um eine Ring- oder um eine Trommelwickelung handelt, in jedem Fall sind die Leiter symmetrisch um einen symmetrischen Kern gewickelt und zu einer geschlossenen Wickelung miteinander verbunden, während in regelmäßigen Abständen Verbindungsstücke zu den einzelnen Stäben des Stromabgebers führen. Die Fig. 37 auf Seite 58 stellt eine einfache Ringwickelung dar, die aus 32 Windungen zu 8 Gruppen besteht, so daß jede Gruppe 4 Windungen enthält. Das Ende jeder Abteilung ist mit dem Anfänge der nächsten Abteilung verbunden. Der Stromabgeber besteht aus 8 Stäben; jede Wickelungsabteilung ist mit ihren Endpunkten zu zwei nebeneinander liegenden Stäben des Strom-

i) In allen als Stromerzeuger verwendeten Maschinen verlaufen die von den elektromotorischen Kräften erzeugten Ströme in derselben Richtung wie die erzeugenden Kräfte. Dagegen werden in Maschinen, die als Elektromotoren dienen, die Ströme durch eine überwiegende elektromotorische Kraft von außen her eingeleitet, und die im Anker der Triebmaschinen induzierten elektromotorischen Kräfte verlaufen stets in einer der Richtung des herrschenden Stromes entgegengesetzten Richtung.

12*

abgebers geführt. Die Bürsten sind so gezeichnet, daß sie den höchsten und niedrigsten Stab des Stromabgebers berühren. Da die Wickelungen auf dem Ringe rechtsgängig gewunden sind, so ergibt sich in Übereinstimmung mit den vorhergehenden Paragraphen, daß die induzierten Ströme in den aufsteigenden Windungen der linken Hälfte des Ringes vom niedrigsten Punkte zum höchsten aufsteigen, und die Ströme in der rechten Hälfte des Ringes auch vom niedrigsten Punkte zum höchsten Punkte verlaufen. Die beiden Ströme werden sich am oberen Ende des Stromabgebers vereinigen und zusammen in die obere Bürste abfließen (die man dementsprechend positiv nennt); danach gelangt der Strom in den äußeren Kreis, kehrt zur unteren, negativen Bürste zurück und tritt am untersten Stabe des Stromabgebers wieder in den Anker ein, teilt sich in zwei Teile und fließt in den beiden Hälften der Wickelung zurück. Wären die Leiter auf dem Anker linksgängig gewunden (oder entsprechend verbunden), so würde die untere Bürste die positive, die obere die negative sein. Diese Darlegung paßt auch für eine Trommelwickelung; mit Rücksicht auf das Übergreifen der beiden Hälften der Windungen sind die Stromwege aber nicht so bequem zu übersehen.

Es ist noch zu bemerken, daß der Strom nach dem Eintritt in die Ankerwickelungen, und nachdem er sich auf zwei Wege verteilt hat, von einer Abteilung der Wickelung in die nächste fließt, ohne daß er in einen Stab des Stromabgebers gelangt, bis sich beide Teile an der entgegengesetzten Seite vereinigen und in den Stab des Stromabgebers übertreten, der gerade unter der Bürste sich fortbewegt. Zu den Zeitpunkten, in denen einer der Stäbe des Stromabgebers gerade außer Kontakt mit der Bürste treten will, der andere aber gerade mit der Bürste in Berührung kommt, liegt die Bürste an zwei benachbarten Stäben an und führt für einen Augenblick einen Kurzschluß einer Abteilung der Wickelungen herbei. Während dieses Vorganges fließen die beiden durch die Wickelungen gelangenden Stromteile zu. den beiden Stäben des Stromabgebers und vereinigen sich, indem sie in dieselbe Bürste fließen.

Es ist einleuchtend, daß für einen Strom, der an irgend einem Punkte eines geschlossenen Stromkreises (z. B. der Windungen eines Ringankers) eingeführt und an einem anderen Punkte herausgeführt wird, zwei Stromwege vorhanden sind. Bei vielpoligen Maschinen sind, wie wir später sehen werden, in vielen Fällen mehr wie zwei

Stromwege vorhanden, und der Strom verzweigt sich mehrfach auf seinem Wege durch die Ankerwickelung.

Wenn die Kraftlinien in einem Teile des Zwischenraumes dichter zusammenliegen als in einem anderen Teile, so ist klar, daß die in den einzelnen Windungen bei dem Durchschneiden der magnetischen Linien erzeugten Kräfte ungleiche Größe besitzen; die größte elektromotorische Kraft wird in denjenigen Leitern erzeugt, die durch einen Teil des magnetischen Feldes sich bewegen, wo die Linien den Zwischenraum in größter Dichte kreuzen. Da die einzelnen Leiter schließlich alle miteinander verbunden sind, so ist einleuchtend, daß die gesamte elektromotorische Kraft in jeder Wickelungshälfte von Bürste zu Bürste gleich der Summe der elektromotorischen Kräfte der einzelnen Wickelungsabteilungen sein muß.

Induktion in einem gleichförmigen wagerechten magnetischen Felde.

Für eine ideale einfache Dynamomaschine ist gezeigt worden, daß die Induktion in der sich drehenden Schleife oder Wickelung in derjenigen Lage Null ist, in der die Wickelung sich im Durchmesser der Stromwendung befindet, und daß die Induktion bis zu ihrem Maximum bei ungefähr 90 Grad anwächst (wie der Sinus des Winkels) [vergl. Fig. 23, Seite 51J. Dies trifft für den idealen Fall zu, daß die magnetischen Linien gerade und wagerecht mit überall gleicher Dichtigkeit verlaufen. In wirklichen Maschinen ist die Verteilung der magnetischen Linien in dem Zwischenräume verschieden und nicht stets symmetrisch. Die Fig. 103, die eine Sinuskurve darstellt, gibt uns in deren Höhen ein Bild des Ganges der Induktion von 10 zu 10 Grad während einer Drehung. Besitzt beispielsweise ein Ringanker 36 Abteilungen, so daß die Abteilungen sich auf je 10 Grad erstrecken, so befinden sich die am geringsten wirkenden Abteilungen bei 0 und 180 Grad, die wirksamsten bei 90 und 270 Grad. In allen gewöhnlichen, mit geschlossener Wickelung versehenen Ankern werden die einzelnen Abteilungen indessen so verbunden, daß die in der ersten Abteilung induzierte elektromotorische Kraft sich zu der in der zweiten und die in der dritten induzierte sich zu den beiden addiert und so weiter im Kreise herum, bis zur anderen Bürste. Die einzelnen elektromotorischen Kräfte summieren sich ebenso wie die einer galvanischen Batterie, deren Zellen hintereinander geschaltet sind (Fig. 104).

Ein Kreis so vereinigter Zellen, deren eine Hälfte derart angeordnet ist, daß der Strom in ihnen den entgegengesetzten Weg im Kreise zu durchlaufen bestrebt ist, bildet eine passende Darstellung der Induktion in den Abteilungen eines Ringankers.

Nachdem wir nun wissen, wie die Induktion in den einzelnen Wickelungen, bezw. Abteilungen um den Ring herum steigt und fällt, wollen wir, um die gesamte Wirkung zu finden, das Ergebnis der Summierung der einzelnen elektromotorischen Kräfte suchen.

Wir haben die Wirkung aller Abteilungen von der negativen Bürste bei 0 Grad auf der einen Seite bis zur positiven bei 180 Grad

i)0‘

—H-

■■< * ■« ■ >■

2 |70*

Fig. 103. Kurve der induzierten elektromotorischen Kraft.

Fig. 104. Zwei gleiche Batterieen in Parallelschaltung.

auf der anderen Seite zu addieren; wegen der Symmetrie wird das Ergebnis in jeder Hälfte des Ringes das gleiche sein.

Nehmen wir die Seite von 0 Grad durch 90 Grad bis 180 (in den Fig. 23 und 102 links). Betrachtet man die Kurve in Fig. 103, so stellt die Größe der punktierten Linien den Betrag der Induktion dar; die gesamte Wirkung erhält man durch Summierung der Längen aller der Linien von 0 bis 180 Grad; diese Summe ist ebenso groß als die Summe der negativen Längen zwischen 180 und 360 Grad. Wir müssen aber noch einen anderen Weg einschlagen, der uns außer dem Endergebnisse erkennen läßt, wie die Summe durch Hinzufügung jeder Länge nach und nach wächst. Wir werden dann finden, daß die Summe zuerst langsam, dann schnell und dann wieder langsam wächst, wenn sie sich ihrem höchsten Werte nähert. Die Summe der Wirkungen würde in der Tat in der Weise wachsen, wie es in Fig. 105 in kleinerem Maßstabe dargestellt ist.

Die Summierung einer Reihe von stetig veränderlichen Größen wird in der Mathematik mit dem Namen »Integration« bezeichnet. Die Fig. 105 wird durch Integration der Werte in der Kurve der Fig. 103 zwischen den Grenzen 0 und 180 Grad erhalten. In der Dynamomaschine wird die Integration durch die Natur des Vorganges selbst bewirkt, weil jede Abteilung mit ihren beiden Nachbarn in Verbindung steht.

Durch einen Versuch kann man beide Wirkungen erforschen⁴): die Induktion in den einzelnen Wickelungen und die gesamte, integrierte Spannung.

Verschiedene Methoden sind zur Messung der elektromotorischen Kräfte angegeben worden.

Methode der Hilfsbürsten. Die in einer einzelnen Abteilung induzierte elektromotorische Kraft kann bei irgend einer besonderen

90°

180°

Fig. 105. Summenkurve der' Spannung.

Fig. 106. Spannungsmessung am Kollektor.

Lage der Abteilung mittels eines Spannungsmessers auf folgende Art geprüft werden.

S. P. Thompsons Methode. Zwei kleine Metallbürsten werden auf einem Holzstücke befestigt, und zwar in einer Entfernung voneinander, die der Breite zweier aufeinander folgender Teile des Stromabgebers entspricht. Die Bürsten werden durch Drähte mit den Klemmen des Spannungsmessers verbunden und, wie Fig. 106 zeigt, gegen den Stromabgeber gehalten, während er sich dreht; da sie an jedem beliebigen Punkte des Umfanges angebracht werden können, so zeigt der Spannungsmesser die Größe der elektromotorischen Kraft in derjenigen Abteilung des Ankers an, Avelche durch die der Lage der Bürsten entsprechende Stelle des Feldes hindurchgeht.

Mordeys Methode. Das Ansteigen des gesamten (d. h. des integrierten) Potentials um den Anker herum kann durch einen Versuch nach einer zuerst von Mordey angegebenen Methode ebenfalls unter Verwendung einer Hilfsbürste und eines Spannungsmessers ermittelt werden.

Eine Klemme des Spannungsmessers wird mit einer der Bürsten A verbunden (Fig. 107); von der anderen Klemme führt ein Draht zu einer kleinen Metallbürste «, die gegen den sich drehenden Strom-

\K

/P

Fig. 107. Mo r dey s Methode, die Spannungsverteilung am Kollektor zu untersuchen.

abgeber an jedem beliebigen Teile seines Umfanges angedrückt werden kann. In einer zweckmäßig angeordneten Gleichstrom-maschine findet man bei Messung der Spannung zwischen der negativen Bürste und den folgenden Stäben des Stromabgebers, daß das Potential regelmäßig nach beiden Seiten auf dem Wege um den Stromabgeber steigt, und auf der entgegengesetzten Seite bei der positiven Bürste am größten wird.

Die Verteilung bei schlecht gebauten Maschinen ist unregelmäßig.

Swinburnes Methode. Eine vortreffliche Abänderung der vorgenannten Methode wird durch Einschaltung eines hohen Widerstandes zwischen die Klemmen der Maschine gewonnen. Mittels eines Galvanometers findet man diejenigen Stellen des den Widerstand bildenden Drahtes, die dasselbe Potential wie das der verschiebbaren Bürste besitzen. Da die Methode eine Kulimethode ist, so liefert sie genaue Ergebnisse.

Jouberts Methode. Eine andere Art zur Bestimmung der in jedem Punkte bei dem Umlauf induzierten elektromotorischen Kraft ist von Joubert⁵) angegeben worden. Er setzte auf die Achse der Dynamomaschine ein Paar isolierter Metallringe, mit denen die Enden der Ankerwickelung verbunden wurden. Jeder Eing besaß ein vorspringendes Kontaktstück, das bei jeder Umdrehung der Achse einen Augenblick eine Feder berührte. Der Zeitpunkt, zu dem die Berührung stattfindet, hängt von der Stellung der Berührungsfedern ab; sie konnten an verschiedenen Punkten eingestellt werden, und so vermochte man die Werte der elektromotorischen Kräfte in allen verschiedenen Lagen des Ankers zu bestimmen. Die Methode von Joubert wurde mit einigen Abänderungen sehr viel zur Beobachtung der besonderen Form der Strom- und Spannungskurven von Wechselstrommaschinen benutzt, worauf im zweiten Teil dieses Werkes noch näher eingegangen werden wird.

Mordeys statische Methode. Eine andere Methode, die bei stillstehenden Maschinen mit stromlosem Anker anwendbar ist, besteht darin, daß die Feldmagnete besonders erregt werden, während die Ankerwickelungen, oder eine derselben, mit einem passenden ballistischen Galvanometer (Galvanometer mit großer Schwingungsdauer der Nadel) verbunden werden. Man beobachtet dann den Ausschlag, der infolge der plötzlichen Unterbrechung des Stromes in dem Erregerkreise entsteht. Wird diese Beobachtung für eine Anzahl von Stellungen des Ankers zu dem Feldmagnet angestellt, so erhält man ein Maß für die Stärke der magnetischen Strömung, die der jedesmaligen Lage des Ankers entspricht. Die als Kurve dargestellten Ergebnisse zeigen die Verteilung des Magnetismus im FVlde. Die Verteilung wird aber, wie wir sehen werden, durch den Strom im Anker gestört, sobald die Maschine in Betrieb gesetzt worden ist.

Die Ablesungen können um einen den Umfang des Stromabgebers darstellenden Kreis aufgezeichnet werden. Die Fig. 108 und 109, die den Vorlesungen des Verfassers entstammen, sollen zeigen, wie das Potential in einer guten Gr anime sehen Maschine vom niedrigsten bis zu seinem höchsten Werte allmählich steigt.

Wie man sieht, steigt das Potential ganz regelmäßig von der im tiefsten Punkte befindlichen negativen Bürste bis zu einem Maximum an der positiven Bürste. Die in der Fig. 108 um den Kreis gezeichneten Werte sind als Ordinaten in Fig. 109 aufgetragen. Das mehr oder minder steile Ansteigen der Kurve an verschiedenen Punkten ist selbst der Maßstab für die größere oder geringere Wirksamkeit der Spulen in den zugehörigen Teilen des Feldes.

ein geringer Unterschied des Potentials, ein

nur

Das Ansteigen des Potentials ist zwischen je einem Paar Stäben des Stromabgebers nicht gleich, denn sonst würde die Kurve nur aus zwei schrägen geraden Linien bestehen, die redits und links von dem Punkte des höchsten, bezw. niedrigsten Potentials ansteigen. Im Gegenteile ist zwischen denjenigen Stäben des Stromabgebers, die zu den in dèr Zone des schwachen magnetischen Feldes liegenden Spulen gehören

großer dagegen dort, wo die Kurve am steilsten ist, in einer Lage von nahezu 90 Grad von den Bürsten, also an dem Teile des

Stromabgeberumfanges, der in Verbindung mit den die wirksamste Lage durchlaufenden Spulen steht. Wenn das magnetische Feld,

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jljîjiRïl.

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Fig. 108. Spannungsverteilung am Kollektor einer Gramme-schen Maschine.

Fig. 109. Spannungsverteilung am Kollektor einer G ramm eschen Maschine.

in dem der Anker sich dreht, gleichförmig und parallel wäre, so würde die Kurve eine wirkliche Sinuskurve sein. Die Zahl der durch eine Spule tretenden Kraftlinien würde proportional dem Cosinus des Winkels sein, den die Senkrechte zur Ebene der Spule mit der resultierenden Richtung der Kraftlinien im Felde bildet, und die Zahl der in der Zeiteinheit geschnittenen Kraftlinien müßte dem Sinus dieses Winkels proportional sein.

Der Cosinus wird aber ein Maximum, wenn der Winkel = 0 Grad ist; sobald demnach die Spule parallel zu den Kraftlinien steht, d. h. 90 Grad von den Bürsten, wird der Zuwachs des Potentials am größten.

Aber bei gewöhnlichen Dynamomaschinen mit Poloberflächen, die den Anker auf beiden Seiten dicht umschließen, wie in Fig. 102, hat das Feld — wenigstens wenn es nicht durch Anker-Rückwirkung verzerrt ist — in dem Zwischenraum nahezu strahlenförmige Anordnung. In dem zwischen den Polecken liegenden Raume treffen fast gar keine Kraftlinien den Anker; daher werden die umlaufenden Spulen wirksam, sobald sie in den Zwischenraum eintreten, bleiben nahezu gleichmäßig, solange sie sich in diesem befinden, und werden

nahezu wirkungslos, wenn sie zwischen die Polecken kommen. In solchem Palle wird die Untersuchung der Potentiale nach der ersten Methode das Diagramm A der Fig. 110 ergeben. Das Diagramm des Gesamtpotentials, nach der zweiten Methode aufgenommen, wird durch B derselben Figur dargestellt.

Wenn die Bürsten unzweckmäßig gestellt, oder wenn die Polansätze nicht richtig geformt sind, wird das Ansteigen des Potentials unregelmäßig; die Maxima und Minima des Potentials treten dann an anderen Punkten auf.

Wie wir sehen werden, wirkt der Strom im Anker auf das magnetische Feld zurück und stört die Verteilung der Kraftlinien im Zwischenräume.

Die beschriebene Methode zur Untersuchung der Verteilung des Potentials um den Stromabgeber hat sich als sehr nützlich für die Praxis erwiesen, denn sie klärt verschiedene verwickelte und unregelmässige Ergebnisse auf, die man vorher nicht zu deuten vermochte.

Ähnliche Kurven, wie die erläuterten, können von dem Stromabgeber irgend einer Gleichstrommaschine mit geschlossener Ankerwickelung entnommen werden. Die Maschinen mit offener Wickelung für Bogenlicht ergeben Darstellungen von ganz verschiedener Art mit Rücksicht auf die besondere Anordnung ihrer Stromabgeber. Zu beachten bleibt auch, daß das Vorhandensein von Bürsten, die einen Strom von irgend einem Punkte des Stromabgebers entnehmen, die Verteilung des Potentials an letzterem ändert; die Art und Größe der Änderung hängt von der Stellung der Bürsten Menge des entnommenen Stromes und der Bauart 'der Maschine ab.

Kurven, aus denen man die durch Gegenwirkung des Ankers herrührenden Verzerrungen ersehen kann, haben Gaisberg¹), Kohlrausch²) und M. E. Thompson³) geliefert; auch Ryan⁴) und Shephardson⁵) haben auf diesem Gebiete gearbeitet.

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1)    Elektrot. Zeitschr., Bd. 7, S. 67, Februar 1886.

2)    Centralbl. f. Elektrot., Bd. 9, S. 419, 1887.

3)    Electrical World, Bd. 17, S. 392, 1891.

4)    Trans. Amer. Inst. Electr. Engineers, Bd. 7, S. 3, 1890.

5)    American Electrician, Bd. 10, S. 453, 1898.

¹

Die Normalien des Verbandes deutscher Elektrotechniker enthalten über diese Temperaturmessung folgende Bestimmung: (§ 14) Wird ein Thermometer zur Messung der Temperatur verwendet, so muß eine möglichst gute Wärmeleitung zwischen diesem und dem zu messenden Maschinenteil herbeigeführt werden, z. B. durch Stanniolumhüllung. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten wird die Kugel des Thermometers und die Meßstelle außerdem mit einem schlechten Wärmeleiter (trockener Putzwolle und dergl.) überdeckt. Die Ablesung findet . erst statt, nachdem das Thermometer nicht mehr steigt.

²

   Journ. of the Inst. Electr. Engineers, Bd. 30, S. 1159, 1901.

³

   Electr. World, Bd. 38, S. 56 vom 13. Juli 1901.

⁴

Es möge hiermit auf die vom Verfasser 1883 vor der Society of Arts gehaltenen Cantor Lectures verwiesen werden, ferner auf die von Gaugain gewonnenen Induktionskurven (vergl. Ann. de Chimie et de Physique), ebenso auf die Untersuchungen von Isenbeck (Elektrot. Zeitschr., August 1883). Die neuen Untersuchungen an Wechselstrommaschinen von Ryan, Fleming und anderen werden später eingehend berücksichtigt werden.

⁵

Ann. de l’Ecole Normale, Bd. io, S. 131. 1881.

Gegenwirkungen der Ströme im Anker.

Während des Ganges einer Dynamomaschine tritt eine Reihe gänzlich neuer Erscheinungen auf, und zwar infolge der magnetischen und elektrischen Wechselwirkungen zwischen Anker und Feldmagnet und zwischen den einzelnen Abteilungen der Ankerwickelung. Der im Anker kreisende Strom bringt magnetisierende Wirkungen hervor, die mit den Wirkungen der erregenden Ströme des Eeldmagnetes Zusammentreffen. Es können auch in den Metallmassen Wirbelströme hinzutreten, die das magnetische Feld stören. Diese Gegenwirkungen •des umlaufenden Ankers offenbaren sich in verschiedener Weise. Die wichtigeren Wirkungen sind folgende:

1.    Bestreben, den Anker quer zu den Kraftlinien des Feldes zu magnetisieren;

2.    Neigung zur Funkenbildung an den Bürsten; daher entsteht

3.    die Notwendigkeit, die Bürsten um einen gewissen Winkel bis zu einem Punkte zu verschieben, an dem die Funkenbildung aufhört;

4.    Die Neigung des Ankerstromes, zu entmagnetisieren;

5.    Änderungen der Funkenbildung und der neutralen Punkte, wenn der Strom, den die Maschine abzugeben hat, sich ändert;

6.    Erhitzung der Ankerkerne und der Wickelungen;

7.    Erhitzung der Polstücke des Feldmagnetes;

8.    Verschiedenheit zwischen dem Betrage der mechanische Arbeit, die an der Achse aufgewendet wird, und dem Betrage der elektrischen Arbeit, die in dem elektrischen Kreise geleistet wird. Die Art dieser Gegenwirkungen erfordert sorgfältige Beachtung.

Quermagnetisierende Wirkung des Ankerstromes.

Wir sahen (S. 18 L und 182 und Fig. 104), daß ein Anker mit geschlossener Wickelung in seiner Wirkung wie eine Doppelbatterie, und die zwei Spulensätze wie zwrei Reihen parallel geschalteter Elemente betrachtet werden können. Wir wollen nun zeigen, daß ein Ringanker auch als ein Doppelmagnet anzusehen ist.

Es sei ein eiserner Halbring (Fig. 111) von einer stromführenden Wickelung umgeben. Dann wird der Ring ein Magnet, mit einem Nordpole am einen, mit einem Südpole am anderen Ende. Wird ein vollständiger Ring ähnlich, aber mit einer endlosen Wickelung umgeben und wird nun Strom aus einer Batterie oder einer anderen Stromquelle einem Punkte zugeführt, so daß der Strom die beiden Hälften bis zu einem Punkte an der entgegengesetzten Seite durchläuft und von dort ans in einen Leiter weiterfließt, so wird jede Ringhälfte magnetisiert. Wenn der Strom in der Richtung der Pfeile in Fig. 112 kreist, wird ein doppelter Südpol an dem Eintrittspunkte und ein doppelter Nordpol am Austrittspunkte des Stromes entstehen. Die einen Gramm eschen Ring umfließenden Ströme werden also den Ring in der beschriebenen Weise zu magnetisieren suchen.

Fig. ui. Pole am Halbring.

Betrachten wir die Verteilung der Magnetisierung im Ringe selbst. Fig. 113 zeigt im allgemeinen den Verlauf der magnetischen Kraftlinien im Eisen; wo sie in die Luft treten, befinden sich die wirklichen Pole des als Magnet betrachteten Ringes. Man vergleiche nun genau die Fig. 113 und 112; obgleich die Mehrzahl der Kraftlinien nach außen am Umfange des Ringes in die Luft Übertritt,

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Fig. ii2. Stromrichtungen in der Ringwickelung.

Fig. 113. Magnetisierung durch den Ankerstrom.

so nehmen doch einige Kraftlinien ihren Weg durch den inneren Raum vom Nord- zum Südpole. Dieser Teil des magnetischen Feldes würde in einer Dynamomaschine schädlich wirken, wenn die Zahl seiner Kraftlinien nicht gering wäre. Die Gegenwart der äußeren Eisenmassen an den polaren Teilen des Feldmagnetes veranlaßt die magnetischen Linien, ihren Weg nach außen zu nehmen.

Es ist klar, daß die Quermagnetisierung eine Verzerrung des magnetischen Feldes in den Polstücken und in dem Zwischenräume hervorbringen wird; falls die Bürsten genau an den Endpunkten eines zu den beiden Polen des Feldmagnetes symmetrisch liegenden Durchmessers bleiben könnten, so würde die Wirkung des Querfeldes auf die elektromotorische Kraft der Maschine unmerklich sein.

Die Bürsten müssen aber, um die Funkenbildung zu vermeiden, um einen Winkel verschoben werden; der Durchmesser der Stromwendung liegt schräg, wenn die Bürsten sich an den neutralen Punkten befinden. Ist dies aber der Fall, so wirkt der Strom des Ankers, wie wir sehen werden, nicht nur quermagnetisierend, sondern auch entmagnetisierend; hierdurch wird die elektromotorische Kraft aber geschwächt.

Fig. 114¹) stellt die magnetische Strömung durch den ruhenden Anker hindurch dar, falls die Feldmagnete besonders erregt werden.

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wenn in letzterem

Fig. 114. Magnetische Linien im Anker, kein Strom fließt.

Die Breite des Zwischenraumes ist vergrößert dargestellt, die Drahtleiter sind sowohl auf dem Anker als auf dem Feldmagnete im Schnitte gezeichnet, als wenn sie aus einer einzelnen Lage starker runder Drähte beständen. Leiter, in denen ein Strom gegen den Beobachter zu fließt, sind durch einen Mittelpunkt gekennzeichnet; Leiter, in denen der Strom von dem Beobachter fort fließt, sind durchkreuzt. Der Leser mag annehmen, daß der Punkt die Spitze eines Pfeiles sei, der gegen ihn gerichtet ist, während das Kreuz die Fiederung am Pfeilende bedeute. Stromlose Leiter sind weiß gelassen.

Man sieht, daß die magnetischen Linien recht gleichförmig verteilt sind, und zwar sowohl in den Zwischenräumen als in den Polteilen des Feldmagnetes. Der Anker besitzt eine Trommelwickelung, die Drähte liegen nur an der Außenseite. Die magnetisierende Wirkung eines Stromes wird ebenso wie diejenige sein, die vorhin bei einem Anker mit Kingwickelung gezeigt wurde, obgleich sie weniger stark ist.

man an

Es möge der Strom in der Wickelung des Feldmagnetes unterbrochen, dagegen ein Strom lediglich durch die Ankerwickelung geleitet werden, um die Wirkung des beim Betriebe der Maschine erzeugten Stromes darzustellen. — Sind nun die Verbindungen derartig, daß die Wickelung als rechtsgängige wirkt, läuft die Maschine ferner rechts herum, so steigen die Ströme in beiden Wickelungssätzen nach oben zu, so daß die obere Bürste die positive ist, und der bei B erzeugte Doppelpol wird ein Nordpol sein. Nimmt daß die Bürsten, durch die der Strom ein- und austritt,

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Fig. 115. Quermagnetisierung durch den Ankerstrom.

an den höchsten und niedrigsten Punkten liegen, wie die Fig. 115 darstellt, so können die punktierten Linien angesehen werden als Darstellung der Kraftlinien, welche von dem durch die Ankerwickelung geleiteten Strome erzeugt werden. Da deren Zahl von der Güte des AVeges, den sie zu durchlaufen haben, abhängt, so ist klar, daß das querliegende Feld, welches von einem in einer gegebenen Zahl von Leitern fließenden Strome erzeugt wird, um so stärker sein muß, je enger der Zwischenraum ist, und je ausgedehnter der Bogen ist, der durch die Polmassen des Eisens ²) auf jeder Seite gebildet wird. Es ist dabei zu beachten, daß die Kraftlinien den Zwischenraum auf jeder Seite des Ankers zweimal kreuzen müssen.

Sobald in der Dynamomaschine ein Strom erzeugt wird, treten beide magnetisierende Tätigkeiten gleichzeitig auf. Ein annäherndes Bild der Sachlage erhalten wir aus der Fig. 116.

Wir nahmen zunächst an, daß die Bürsten zwei Punkte des senkrechten Durchmessers berühren. Die Peldmagnete suchen den Ring so zu magnetisieren, daß der am weitesten links liegende Punkt ein Nordpol wird, die Ankerströme streben dahin, daß der höchste Punkt, wo die Bürste liegt, ein Nordpol wird. Die Folge davon ist eine resultierende Magnetisierung in schräger Richtung.

Der Magnetismus wird so in der Richtung des Umlaufes verschoben (bei Triebmaschinen in der entgegengesetzten Richtung), als

EM

.....s'

Fig. 116. Vereinigte Wirkung der Ströme im Feldmagnet und Anker; die Bürsten sind nicht verschoben.

wrenn der Umlauf des Ankers tatsächlich den Magnetismus etwas herübergezogen hätte. Die Stelle des höchsten Potentials wird demnach etwas nach der Drehungsrichtung zu verschoben werden.

cb Aus den vorhin gegebenen Gründen darf nun \ aber der Durchmesser, an dessen Enden die

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Fig. 117. Diagramm des Magnetfeldes einer strom-liefemden Maschine.

/ | Bürsten sich befinden, nicht symmetrisch zu o'o den Polschuhen liegen, sondern muß um einen kleinen Winkel in der Richtung der Bewegung nach vorwärts verschoben werden. Daher liegt auch das Querfeld schräg und sucht eine weitere Verzerrung herbeizuführen.

Zieht man die Linie OF (Fig. 117) als Darstellung der erregenden Amperewindungen des Feldmagnetes, und die Linie OB als Darstellung der Größe und Richtung der erregenden Amperewindungen des Ankers, so wird die Diagonale OB die Größe und Richtung der resultierenden magnetisierenden Kraft geben.

Ein übertriebenes Bild der Verschiebung der Kraftlinien bei einer Maschine mit Ringwickelung gibt Fig. 118.

Eine Betrachtung der Fig. 115 und 116 zeigt aber auch, daß der Magnetismus des Ankers auf den Magnetismus der Polstiicke zurückwirkt. Die Kraftlinien werden in dem Eisen des linksseitigen Polstückes gegen die obere Ecke aufwärts und im rechts liegenden Polstück gegen den unteren Teil gedrängt, als wenn die Polarität nach einer Seite aufwärts und nach der anderen Seite abwärts gerichtet wäre. Auch die Dichtigkeit des Feldes ist gänzlich gegen die in Fig. 114 dargestellte verändert. Die Kraftlinien an der oberen linken Seite sind zusammengedrängt. Der resultierende Nordpol des Ringes — mit nnn bezeichnet, von dem aus die Kraftlinien vom Ringe austreten — zieht den Südpol — mit sss bezeichnet, von dem aus die Linien in den Feldmagnet eintreten — an, und die

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Fig. 118. Magnetische Rückwirkungen zwischen Feldmagnet und Anker beim Stromerzeuger.

treibende Dampfmaschine muß stark arbeiten, um den Anker gegen diese Anziehungen herum zu drehen. Je stärker der Strom im Anker wird, desto kräftiger werden die Pole im Anker, desto stärker wird die Anziehung von nnn gegen sss, und um so stärker muß die Maschine arbeiten, um ihre Geschwindigkeit zu erhalten.

In Betreff der Figur, die sich auf eine Ringmaschine bezieht, muß noch bemerkt werden, daß einige von den Kraftlinien, die vom Ankerstrome herrühren — zwei von denselben sind in der Figur punktiert — quer durch den Innenraum laufen und zum äußeren Felde nichts beitragen. Die schräge Richtung dieses inneren Feldes bezeichnet den Winkel der Bürstenverschiebung. Hervorzuheben ist, daß die innersten Lagen des Eisens im Ringe anders als die Außenlagen magnetisiert werden, denn der W-Pol der äußeren

13

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Eisenlagen nimmt schräg nach links Stellung, während der Nordpol der inneren Lagen rechts von dem höchsten Punkte liegt.

Alle diese Erscheinungen — die Verschiebung des Feldes — dessen Verstärkung an der Austrittskante eines Polschuhes (wo die

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Fig. 119. Feld einer zweipoligen Dynamomaschine.

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Ankerwindungen unter dem Pol austreten) — dessen Schwächung an der Eintrittskante — das schwache innere Eeld — der Unterschied zwischen der Lage der induzierten Pole an den inneren und äußeren Seiten des Ringes, können sämtlich bei einer in Bewegung befindlichen Maschine beobachtet werden. Fig. 119 zeigt die Gruppierung von Eisenfeilspänen bei einem Versuche, bei welchem ein magnetischer Ring mit den Polen ns zwischen die Pole NS eines Feldmagnetes gebracht wurde, der in dem Ringe die Pole n‘s‘ zu induzieren suchte. Der Verlauf der Kraftlinien ist hieraus klar zu ersehen. Man mag dieses Bild mit den Fig. 116 und 118 vergleichen.

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Fig. 120. Das durch die Ankerrückwirkung verzerrte Feld.

Bei Trommelankern sind die Erscheinungen, wenn sie auch in derselben Art auf treten, weniger deutlich zu erkennen. Infolge der Überwickelung der Windungen an der Außenseite des Ankers werden die Ströme in einigen Windungen in ihrer magnetisierenden Wirkung auf den Kern teilweise durch diejenigen neutralisiert, welche querüber laufen, und deshalb ist die dem Strome entsprechende Polarität nicht so klar zu erkennen, als bei Ringankern. Ebenso wenig kann ein inneres Feld vorhanden sein. In der Tat unterliegen Trommelanker weniger als Ringanker den Induktionsstörungen jeder Art. Mit diesen Ausnahmen treffen jedoch dieselben Betrachtungen zu, die wir vorhin angestellt haben.

Ein Blick auf Fig. 115 zeigt, daß die von der Ankerwickelung herrührenden Kraftlinien zweimal auf jeder Seite den Luftzwischenraum kreuzen, einmal in derselben Eichtling wie die Kraftlinien des Hauptfeldes, das zweite Mal aber in entgegengesetzter Richtung; deshalb muß unvermeidlich eine Schwächung des Hauptfeldes in denjenigen Teilen des Zwischenraumes eintreten, wo die Kraftlinien gegeneinander wirken, eine Verstärkung des Feldes aber, wro sie gleiche Richtung haben; gleichsam als wenn die sich drehenden Kupferleiter die Kraftlinien beim Durchgänge mit sich fortrissen.

erhält man

Die Verzerrung der Kraftlinien hat natürlich eine ähnliche Verzerrung der Induktionskurven zur Folge. Wenn man mit der Hilfsbürste und dem Spannungsmesser untersucht Kurven, welche von den bei stromlosem Anker erhaltenen abweichen. Fig. 120 zeigt die Form der Induktionskurven bei Vorhandensein von Ankerströmen und ist zu vergleichen mit der in Fig. 110 dargestellten Kurve bei stromlosem Anker.

.    Neutrale Punkte.

Seit der ersten Benutzung der Dynamomaschinen fand man, daß zur Verminderung der Funkenbildung auf das geringste Maß die Bürsten in bestimmte, durch Versuche gefundene Lagen — neutrale Punkte genannt — gebracht werden müßten. In gewöhnlichen zweipoligen Dynamomaschinen liegen die beiden neutralen Punkte an entgegengesetzten Enden eines Durchmessers, der aus diesem Grunde die neutrale Linie genannt wird. Daneben soll der Ausdruck »Durchmesser der Stronwendung« ausschließlich die von den Bürsten wirklich eingenommene Lage bezeichnen oder die Lage der Wickelungen, die an den Bürsten Vorbeigehen, mögen letztere am neutralen Punkte liegen oder nicht. Die Erfahrung zeigt, daß fast in allen Fällen die neutrale Linie nicht genau rechtwinkelig zu der die Mitte der Polstücke verbindenden Linie läuft, sondern (bei einem Stromerzeuger) schräg herüber um einige Grade nach der Drehungsrichtung zu verschoben ist. Früh fand man, daß bei vielen Maschinen die Lage des neutralen Punktes sich mit der Leistung der Maschine änderte. Wenn die Bürsten so lagen, daß beim Betriebe einer bestimmten Zahl von Lampen keine Funkenbildung stattfand, so gab die Maschine bei Änderung der Lampenzahl Funken, so lange die Bürsten nicht wieder auf die neuen neutralen Punkte eingestellt wurden. Daraus entsprang die Praxis, die Bürsten an Hebeln oder »Rückern« zu befestigen, mittels deren die Berührungs-

13*

stellen vorwärts und rückwärts zum neutralen Punkte verlegt werden konnten. Der praktischen Aufgabe, wie inan die Veränderungen des Verschiebungswinkels vermeiden könne, ist natürlich allseitig große Beachtung geschenkt worden.

Funkenbildung am Stromabgeber.

Wenn eine Dynamomaschine oder ein Elektromotor fehlerhaft entworfen oder ausgeführt ist, besonders wenn ein zu starker Strom durch den Anker geht, entstehen am Stromabgeber an den Spitzen der Bürsten glänzende Funken von blauer oder grüner Farbe. Die letztere Färbung rührt her von der Verflüchtigung sehr kleiner Kupferteilchen. Starke Funkenbildung zerstört den Stromabgeber in sehr kurzer Zeit. Die Frage der funkenfreien Stromumkehrung ist aber so wichtig, daß sie im nächsten Kapitel gesondert betrachtet werden soll. Einstweilen mag der Hinweis genügen, daß die Bedingung funkenfreien Laufes bestimmend für den Entwurf einer Dynamomaschine sein muß, und daß hierbei die Wirkungen der Gegen- und Entmagnetisierung, die man unter der Gesamtbezeichnung Ankergegenwirkungen zusammenfassen kann, von der größten Wichtigkeit sind. Wichtige Beiträge hierzu sind von Potier in l’Éclairage Électrique, Bd. 19, S. 241 bis 246, 1899, geliefert worden; ferner von Bessey in Electr. Engineer (N. Y.), Bd. 25, S. 511, 1898; von Picou in Bull. Soc. Internat, des Électriciens, Bd. 16, S. 160, 1899 und

Bd. 19, S. 425, 1902; von Bauch in Elektrot. Zeitschrift, Bd. 23, S. 611, 1902.

Tote Umläufe.

Die verschiedenen Gegenwirkungen des Ankers, die von der Geschwindigkeit der Drehung abhängig sind, bewirken, daß die elektromotorische Kraft einer Maschine, welche durch einen konstanten Strom erzeugt wird, nicht genau proportional der Geschwindigkeit zunimmt, sondern bei größerer Umdrehungszahl etwas zurückbleibt. Die Maschine arbeitet alsdann, als wenn eine gewisse Zahl der Umdrehungen nicht wirksam wäre. Unter der Bezeichnung »Tote Umläufe« wollen wir also diejenige Zahl verstehen, um welche die wirkliche Umdrehungszahl größer ist, als sie zur Erreichung einer gewissen elektromotorischen Kraft zu sein brauchte, wenn zwischen beiden Größen strenge Proportionalität herrschte.

Scheinbarer Widerstand.

Die Selbstinduktion der Ankerwickelungen hat noch eine andere Wirkung im Gefolge. In jeder Abteilung will der Strom fortdauern, und tatsächlich dauert er während einer kurzen Zeit, nachdem die Bürste erreicht worden ist, fort. Dann wird die Energie des Stromes in der Abteilung zur Erwärmung des Kupferdrahtes während der Zeitdauer des Kurzschlusses verbraucht; danach muß wiederum Energie aufgewendet -werden, um den Strom in umgekehrter Richtung in der Wickelung entstehen zu lassen. Alle diese Gegenwirkungen beeinträchtigen natürlich die Abgabe von Strom aus der Maschine, besonders aber der Verlust infolge des Kurzschlusses. Joubert³) hat gezeigt, daß der nur aus der Umkehrung des Stromes in den Abteilungen eines Ringankers entspringende Energieverlust gleich

Ti/ Tj'i g, ^

—in der Sekunde ist, wenn n die Zahl der Umdrehungen in 4

der Sekunde, L den Koeffizienten der Selbstinduktion für den ganzen Ring und ia den ganzen Ankerstrom bedeutet.

Ayrton und Perry⁴) haben gezeigt, daß die Sache auf anderem Wege bequemer zu entwickeln ist.

Da die Energie eines den Widerstand r durchfließenden Stromes gleich ri⁴ in der Sekunde ist, so ist klar, daß der von der Selbstinduktion herrührende Energieverlust ebenso betrachtet werden kann,

YlJj

als wenn ein Widerstand vom Werte r=- im Anker hinzugefügt

wird. Ein in Bewegung befindlicher Anker besitzt daher einen scheinbaren Zuwachs an Widerstand, der proportional der Geschwindigkeit ist. Dieser von der Selbstinduktion herrührende Zuwachs kann durch Vermehrung der Abteilungen in der Wickelung nicht fortgeschafft werden. Eine Verminderung ist möglich durch Anwendung einer größeren Menge Eisens im Anker und einer geringeren Windungs-zahl des Drahtes. Der angegebene Wert für den scheinbaren Widerstand gründet sich auf die Annahme, daß während des Kurzschlusses der Strom in der betreffenden Abteilung verschwindet. Wird aber der Strom durch Einführung einer elektromotorischen Gegenkraft angehalten und umgekehrt, so verringert sich der Wert des scheinbaren Widerstandes. Das Vorhandensein eines scheinbaren, mit der Geschwindigkeit veränderlichen Widerstandes wurde zuerst von Cabanellas⁵) nachgewiesen.

Wirbelströme.

Noch zwei andere induktive Gegenwirkungen im Anker sind zu betrachten. Wenn Teile des Gestelles, das den Anker trägt, geschlossene Kreise bilden, die von magnetischen Linien geschnitten werden können, so entsteht eine Gelegenheit zur Bildung verderblicher Nebenströme, die in den Teilen umlaufen, diese erhitzen und Arbeit verbrauchen. In dem Eisen der Ankerkerne können, wenn sie nicht gut geblättert sind, innere Wirbelströme (sogen. Foucault-Ströme) entstehen, die Energie verbrauchen und schädliche Wärme erzeugen; derartige Ströme können sogar in den Leitern, von denen die Wickelung des Ankers gebildet wird, hervorgerufen werden, wenn diese, wie die Stäbe der Maschinen zur Lieferung starker Ströme, massiv sind.

Erölich wies 1880 ]) die Wirkung dieser Ströme nach; er schrieb ihnen nicht allein den sonst unerklärten Verlust an Arbeit zu, die elektrisch von einem Stromerzeuger auf eine Triebmaschine übertragen wurde, sondern auch die Verminderung des wirksamen Magnetismus (vorhin als Ergebnis der quer wirkenden Magnetisierung-erklärt und von Erölich auf 25 °/₀ des gesamten Magnetismus bestimmt), die bei starken Strömen und großen Geschwindigkeiten bemerkt worden war.

Zweifellos sind derartige Ströme vorhanden; die durch sie verbrauchte Energie ist nahezu dem Quadrate der Geschwindigkeit proportional⁶ 7)-; jedoch können sie durch besondere Blätterungr Isolation und Zusammensetzung des Ankers unbeschränkt vermindert werdefi.

Wirbelströme in den Kernscheiben, Polflächen und Kupferleitern können indessen für sich allein nicht den ganzen beobachteten Verlust erklären. Eine weitere Quelle des letzteren besteht in der ungleichen Stromverteilung zwischen den verschiedenen Stromkreisen, wenn di& Pole aus irgend einem Grunde nicht genau gleich stark sind. Hierüber haben Blathy, Mordey und andere in Electrician, Bd. 37, S. 375, 420 und 446 Untersuchungen veröffentlicht.

Bd. 2,

Blätterung.

Die Regeln zur geeigneten Blätterung bei Herstellung des Ankers sind für die verschiedenen Teile auch verschieden. Für den Ankerkern wird zu verlangen sein, daß jede Strömung, die parallel den Ankerleitern induziert werden könnte, vermieden wird; für die Ankerleiter ist es erwünscht, daß eine Strömung von einer Seite oder dem Rande des Leiters zur anderen Seite ausgeschlossen werde. Die Ebenen der Blätterung müßten folglich so angeordnet werden, daß sie rechtwinkelig zu derjenigen Richtung liegen, in der die störenden Ströme entstehen könnten. Da nun die Richtung der induzierten elektromotorischen Kraft, die Richtung der Bewegung und der magnetischen Linien in rechten Winkeln zueinander liegen (vergl. S. 43), so genügt in jedem Falle zur Kennzeichnung der Ebene der Blätterung zu bestimmen, zu welcher die drei genannten Richtungen der Ebene senkrecht stehen soll. Die beiden anderen Richtungen fallen dann in diese Ebene oder stehen zu ihr parallel.

Richtung

Richtung der Blätterungs-Ebenen

in den Ankerkernen in den Ankerleitern

in den Polmassen

der Bewegung der magnetischen Linien der induzierten EMK.

parallel

parallel

senkrecht

parallel

parallel

senkrecht

senkrecht parallel parallel

Zu bemerken ist, daß die Blätterung für die Polstücke die gleiche ist wie für den Kern, so daß die Polstücke eigentlich Fortsetzungen der Kernscheiben sind.

Die Notwendigkeit, die Kerne der Trommel- und Ringanker (falls diese zylindrisch, nicht scheibenförmig sind) in Kernscheiben zu zerlegen, kann man in folgender Weise erklären: In jedem Leiter, der im linken Zwischenraum sich aufwärts bewegt, wird eine elektro^ motorische Kraft erzeugt, deren Richtung nach vorn zeigt. Wenn daher der Kern aus massivem Eisen bestände, so würde ein Strom auf dem äußeren Teile der linken Seite des Kernes vorwärts fließen und seinen Rückweg längs der Oberfläche zur Rechten nehmen. Die Zerteilung des Kernes in Scheiben wird derartige Ströme auf das geringste Maß zurückführen. Diese Anordnung verhindert indessen das Entstehen der Ströme nicht gänzlich; wie aus der Fig. 121 hervorgeht, die einen Durchschnitt der Kernscheiben darstellt, besteht für die Wirbelströme die Möglichkeit, in der Masse der Scheiben selbst zu fließen. Man findet in der Tat, daß eine Erwärmung des Ankers eintritt, wenn die Scheiben zu dick oder ungenügend voneinander isoliert sind; sie findet hauptsächlich in der Außenfläche des Kernes statt, wo die Wirbelströme am stärksten sind. Als allgemeine Regel kann man festhalten, daß die Kernscheiben keine größere Stärke als 1,25 mm besitzen sollen. Die gebräuchlichen Stärken liegen jetzt zwischen 0,3 bis 1,0 mm. Vielfach baut man die leicht isolierten Kernbleche in Blöcke von etwa 25 mm Dicke zusammen und legt zwischen diese Blöcke eine stärkere Isolierschicht in Form einer Scheibe aus Fiber oder gefirnißtem Karton.

Entsteht ein magnetisches Streufeld von den Seiten der Polmassen bis zur Oberfläche der Endscheiben der Kerne, so treten auch in letzteren Wirbelströme auf. Man beugt diesem Übelstande

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Fig. i2i. Wirbelströme in den Ankerkernscheiben.

vor, indem man die Achsenlängen des Ankerkernes etwas größer herstellt als die Länge der Polmassen, die parallel zur Achse sind.

Bei Ringankern mit innerem Felde (S. 193) werden Wirbelströme in der Triebachse und in den metallischen Haltern, die zur Unterstützung der Kernscheiben dienen, erzeugt; auch hier wird Arbeit verbraucht und ln Wärme umgewandelt.

Wirbelströme in den Polstücken.

Sind die Eisenmassen im Anker derartig angeordnet, daß während der Drehung die Verteilung der Kraftlinien in dem engen Felde zwischen Anker und Polstück sich stetig ändert, so werden Wirbelströme in den Polstücken erregt und bringen eine Erwärmung hervor, wenn auch der gesamte Betrag des Magnetismus im Feldmagnet unverändert bleibt.

Die Fig. 122 bis 124 zeigen diesen Vorgang, der die Wirkung eines wie im Pacinottischen Ringe vorspringenden Zahnes auf die

Fig 127.

Fig. 126

Verteilung des Magnetismus des Polstückes erkennen läßt. Fig. 125, 126 und 127 (entsprechend den Fig. 122, 123 und 124) stellen je ein Paar Wirbelströme dar. Der stärkste Strom fließt zwischen den Wirbeln und befindet sich gerade unter dem vorspringenden Zahne, wo der Magnetismus am kräftigsten ist; er folgt dem Zahne aufwärts.

S ßß

SM

Fig. 122.

Änderungen des Magnetfeldes, welche durch die Bewegungen des eisernen Ankerkems hervorgerufen werden.

Fig. 123.

Fig. 124.

Die Fig. 127 zeigt den Vorgang, der sich abspielt, w⁷enn der Zahn sich von dem Polstücke entfernt. Diese Wirbelströme dringen, wenngleich nicht sehr tief, in das Eisen ein. Offenbar sind sie

1IS

Cs-*

Fig. 125.

Wirbelströme in den Polstücken, welche durch die Bewegung des eisernen Ankerkems hervorgebracht werden.

am stärksten in dem Teile des Polstückes, in dem die magnetischen Störungen am stärksten und sehr plötzlich auftreten. Ein Blick auf die Eig. 125, 126 und 127 belehrt uns, daß dies an einem Eckstücke des Polansatzes der ström erzeugend en Maschine der Fall sein wird. Tatsächlich findet man dies bestätigt bei jeder Dynamomaschine mit hornförmigen Polstücken (wie bei der Maschine von Gramme), -wenn sie einige Zeit als Stromerzeuger in Betrieb gewesen ist. Die Eckstücke, welche sich in der Richtung der Bewegung hin erstrecken, findet man heiß, während die gegen die Drehung gerichteten Hörner verhältnismäßig kühl bleiben. Wird die Maschine als Triebmaschine benutzt, so erfolgt das Umgekehrte, die mit der Bewegung verlaufenden Hörner sind kalt, die gegen die Bewegung gerichteten werden heiß. Ein Blick auf das magnetische Feld der Triebmaschine, wie es im Kapitel XXY gezeichnet ist, erklärt den letztgenannten Fall.

Mit dieser Wirkung steht eine andere in naher Verbindung, die dem Verfasser zuerst von Cabanellas auseinandergesetzt wurde. Eine Magnetomaschine von Gramme mit Dauermagneten verlor an Leistung während ihres Gebrauches als Triebmaschine; die Feldmagnete nahmen an Stärke ab; sobald sie aber als Stromerzeuger benutzt wurde, gewannen die Feldmagnete ihren Magnetismus wieder. Die Wirkung wird erklärlich *j, sobald der magnetisierende Einfluß der Wirbelströme in Betracht gezogen wird.

Zug auf die Ankerwickelung.

Liegt ein stromführender Leiter in einem magnetischen Felde quer zur Richtung der magnetischen Kraftlinien, so erfährt er einen mechanischen Angriff. Eine Kraft sucht den Leiter zur Seite aus dem Felde zu ziehen, sie wirkt rechtwinkelig zu den magnetischen Linien und rechtwinkelig zum Leiter selbst. Von verschiedenen Schriftstellern sind Regeln gegeben worden, um die Beziehung zwischen der Richtung der Kraftlinien des Stromes und der resultierenden Kraft dem Gedächtnis einzuprägen. Die bequemste Regel hat Fleming gegeben, nach der die drei Richtungen durch den Zeigefinger, den Mittelfinger und den Daumen der linken Hand bezeichnet werden⁸ 9). Mit Ausnahme der Fälle, wo die Leiter in

Schlitzen oder Löchern der Ankerscheiben eingebettet sind, wirkt der Zug auf die Leiter selbst. Bei einer Triebmaschine ist es der auf die Leiter ausgeübte Zug, der den Anker umtreibt. Bei der stromerzeugenden Maschine wirkt der Zug der Triebkraft der Dampfmaschine und der Drehung entgegen. Wenn man eine Dynamomaschine vom rein mechanischen Standpunkte aus betrachtet, so ist es wohl schwielig, zu verstehen, weshalb für die Maschine eine so große Triebkraft erforderlich wird. Man sieht, wie der Anker mit genügendem Spielraum zwischen den Polflächen des Feldmagnetes umläuft. Die Keibung in den Lagern verzehrt nur einen kleinen Bruchteil der von der treibenden Maschineabgegebenen Kraft. Man sieht ferner, wie die Bürsten gegen den kupfernen Stromabgeber pressen, weiß aber, daß ihre Reibung ebenfalls vernachlässigt werden kann; überhaupt versteht man sehr bald, daß die Reibung bei der Tätigkeit der Maschine keine Rolle spielt. Wo bleibt die aufgewendete Arbeit? Weshalb wird ununterbrochen eine solche Kraft zur Aufrechterhaltung des Umlaufes erforderlich? Die Antwort darauf lautet: Es besteht ein fortwährender Zug der unsichtbaren magnetischen Linien auf die Leiter, durch die der Strom fließt; die Erzeugung des Stromes hängt davon ab, daß die Leiter durch das Feld getrieben werden, das einen Zug ausübt. In jeder Form eines Apparates, der mit Hilfe der Magnetinduktion Ströme erzeugt, rufen die erzeugten Ströme eine mechanische Gegenwirkung hervor; diese sucht die Bewegung zu hemmen, welche die Ströme erzeugt.

Sir

Fig. 128. Magnetisches Feld um einen geraden stromführenden Leiter.

Der Zug eines magnetischen Feldes auf einen stromführenden Leiter möge nun vom magnetischen Standpunkte aus betrachtet werden. Wie früher erwähnt, wird ein derartiger Körper von einem Wirbel magnetischer Linien umgeben. Um einen langen, geraden, nicht im magnetischen Felde befindlichen Leiter bilden die magne-

Hand, wenn, es sich um einen Stromerzeuger handelt, und der linken Hand, wenn es sich um eine Triebmaschine handelt, um die Beziehung zwischen Magnetismus, Strom und Bewegung darzustellen.

tischen Linien ein System konzentrischer Kreise (Fig. 128), die in der Nähe des Leiters dicht zusammen und entfernter von ihm weiter auseinanderliegen, wie die Fig. 128 im allgemeinen veranschaulicht. Wenn der Strom gegen den Beobachter zu oder aufwärts gerichtet ist, so ist in der Figur, die einen Querschnitt des Leiters darstellt, die positive Richtung längs der magnetischen Linien nach links oder entgegengesetzt dem Zeigergange einer Uhr gerichtet. Wird ein

solcher Leiter in ein gleichförmiges magnetisches Feld gebracht, z. B. zwischen einen starken Nordpol zur

V'«

Fig. 129. Stromführender Leiter im magne-«    tischen Feld.

Fig- 130. Magnetisches Feld um einen Leiter in einem magnetischen Zwischenraum.

Rechten und einen Südpol zur Linken, so entsteht ein zusammengesetztes Feld, das aus der Vermischung der magnetischen Linien des Leiters mit denen des Feldes herrührt. Bei der Betrachtung des gestörten magnetischen Feldes hat man festzuhalten, daß die entstehenden mechanischen Wirkungen stets bekannt sein werden, wenn man die magnetischen Linien als elastische Fäden ansieht, die sich verkürzen können. Es herrscht in der Tat längs der magnetischen Linien eine Spannung und rechtwinkelig zu ihnen ein Druck; beide Größen sind in jedem Punkte dem Quadrate der Dichtigkeit der Linien proportional.

Ein Blick auf die Linien in Fig. 129 zeigt, daß ein resultierender Zug auf den Leiter in der Richtung des punktierten Pfeiles vorhanden ist. Das um einen leitenden Draht in einem Zwischenräume zwischen zwei Polen erzeugte magnetische Feld, wie man es mittels Eisenfeilspänen untersuchen kann, stellt die Fig. 130 dar. Dieses Bild gibt annähernd das wieder, was in einer Dynamomaschine oder einer Triebmaschine vorgeht, und zwar in jedem der beiden Zwischenräume zwischen dem Ankerkern und der benachbarten Polfläche. In derselben Weise wird jeder Leiter des Ankers von einer Kraft angezogen, die der magnetischen Feldstärke und der Stromstärke proportional ist.

Wirkung des Einbettens der Ankerleiter.

Uh

Op

Wenn die Leiter in Schlitzen oder Löchern im Ankereisen eingebettet sind (vergl. Fig. 131 und 279), wirkt der Zug nichf auf die Kupferleiter, sondern auf das Eisen, da das magnetische Feld zwischen Ankerkern und Poloberflächen durch den Strom im eingebetteten Leiter verzerrt wird. In der Tat liegt in diesem Falle der Leiter nicht mehr in einem kräftigen magnetischen Felde, da die meisten Kraftlinien zu beiden Seiten neben ihm direkt in das Ankereisen treten und nur wenige Linien ihn schneiden. Fig. 131 mag dies veranschaulichen. Es scheint paradox, daß der so eingebettete Leiter, obwohl er gegen mechanischen Zug und ebenso gegen Wirbelströme geschützt ist, weil er sich nicht im Felde befindet, trotzdem bei seiner Umdrehung all die Kraftlinien Fig-131- Magnetisches Feld gerade so schneidet, als wenn er nicht geschützt wäre. Die Wirkung ist so, als wenn die Kraftlinien von Zahn zu Zahn quer durch die Schlitze übersprängen, anstatt sie mit der gewöhnlichen Winkelgeschwindigkeit zu überschreiten. Zu den bereits erwähnten Vorteilen dieser Konstruktionsformen kommt noch das sehr wichtige hinzu, daß hierbei die Breite des magnetischen Zwischenraumes auf das geringste Maß beschränkt werden kann. Einige Untersuchungen von Mordey über den Zug auf eingebettete Leiter sind im Journ. Inst. Electr. Eng. 1897, Bd. 26, S. 564, beschrieben. Wegen einer weiteren Mitteilung über die mechanischen Beanspruchungen von Schlitzankern vergl. den Vortrag von Heidt in Electr. World and Engineer 1899, Bd. 33, S. 699.

Drehmoment und Geschwindigkeit.

Die Leistung einer Kraft läßt sich stets durch das Produkt zweier Faktoren ausdrücken. Handelt es sich um eine geradlinige Bewegung, so ist die Leistung gleich dem Produkt aus Kraft und

Geschwindigkeit. Wirkt z. B. eine Kraft, die gleich einem Gewichte von 30 kg ist, längs eines Eiemens ]), und beträgt die Eiemengeschwindigkeit 600 m in der Minute, so stellt sich die Leistung auf 18000 Kilogrammeter in der Minute oder auf 4 Pferd.

Die Leistung läßt sich aber ebensogut durch das Drehmoment und die Winkelgeschwindigkeit ausdrücken; bei der Übertragung Yon Arbeit durch eine umlaufende Welle eignen sich diese Größen besser zur Rechnung. Das Drehmoment bezeichnen wir mit I). WTirkt eine Kraft F am Radius r, so ist das Drehmoment D = Fr. Ist F in Dynen, r in Centimetern gegeben, so erhält man D in Dynen - Centimeter.

Zur Umrechnung Yon

Dynen-Centimeter in Gramme-Centimeterist zu dividieren durch 981,

» 981-105.

»    »    » Kilogram meter

Die Winkelgeschwindigkeit wird gewöhnlich durch die Zahl der Umläufe in der Minute oder auch in der Sekunde ausgedrückt. Auch läßt sie sich in Radianten für die Sekunde darstellen, indem man als Einheit den Winkel wählt, dessen Bogen gleich dem Radius ist, so daß 2 - Radianten eine Umdrehung oder 360 Grad ausdrücken.

Die Winkelgeschwindigkeit werde mit to bezeichnet; bedeutet n die Zahl der Umläufe in der Sekunde, so ist co == 2 tc n.

Zur Umrechnung Yon

»    » Minute

Umläufen in der Sekunde in Radianten in der Sekunde ist zu multiplizieren mit 2 7c, » ist zu dividieren durch 9,55,

Radianten in der Sekunde in Umläufe in der Minute ist zu multiplizieren mit 9,55.

Zwischen der linear wirkenden Kraft JE, der linearen Geschwindigkeit v, dem Drehmoment Z), der Winkelgeschwindigkeit o>, dem Radius r, den Umläufen in der Sekunde n und der Leistung P bestehen folgende Beziehungen:

P — v F — — X Fr = (o D = 2 t: n D. r

Die Leistung P wird in Erg für die Sekunde ausgedrückt sein, wenn v in Centimeter für die Sekunde und F in Dynen, oder wenn I) in Dynen-Centimeter gegeben ist.

i) Oder genauer ausgedrückt: ist der Unterschied der Spannungen im ziehenden und dem gezogenen Trum gleich 30 kg.

Zur Umrechnung von

Erg    in    der    Sekunde    in    Watt (W) ist    zu    dividieren durch

»    »    »    »    »    kgm i. d. Sek. »    »

»    »    »    »    >>    Pferd    »    »

10‘,

»    9,81-10*,

»    736-10*,

Watt in Pferd »    » Kilowatt

736.

» 1000.

Leistung von Dynamomaschinen und Motoren.

Eine gute Dynamomaschine kann über 90 Prozent der aufgewendeten mechanischen Leistung in elektrische Leistung umsetzen. Ebenso kann eine gute Triebmaschine über 90 Prozent der aufgewendeten elektrischen Leistung wieder in mechanische Leistung umsetzen. Elektrische wie mechanische Leistung können beide durch dieselben Einheiten ausgedrückt werden, entweder durch Pferd oder Watt oder Kilowatt.

Angenäherte Berechnungen der mechanischen Leistung, die zum Betriebe einer Dynamomaschine von vorgeschriebener elektrischer Leistung notwendig werden, sind ohne Schwierigkeiten anzustellen. Man multipliziert die zu liefernde Stromstärke i Ampere mit der Spannung e Yolt des Stromes und erhält damit die elektrische Leistung in Watt (Voit-Ampere). Diese Zahl durch 736 dividiert, ergibt die elektrische Leistung in Pferd, die etwa 90 Prozent der mechanischen, an der Welle der Dynamomaschine verfügbaren Leistung beträgt.

Beispiel: Eine Dynamomaschine soll für 600 Glühlampen 300 Ampere bei einer Spannung von 105 Yolt liefern. Die Leistung beträgt 31500 AYatt = 42,8 Pferd (elektrisch). Dazu müssen 47,5 eder rund 48 Pferd (mechanisch) aufgewrendet werden.

Umgekehrt stellt sich die Berechnung der erforderlichen elektrischen Leistung für einen Elektromotor.

Beispiel: Ein Motor soll 5 Pferd liefern. Die Multiplikation mit 736 ergibt 3680 Watt, die etwa 90 Prozent der aufzuwendenden elektrischen Leistung betragen, letztere stellt sich daher auf 4089 Watt. Besitzt der Betriebsstrom 200 Yolt Spannung, so beträgt die erforderliche Stromstärke etwas mehr als 20 Ampere.

Drehmoment und Stromstärke.

Da die vom Anker einer Dynamomaschine erzeugte Leistung das Produkt aus Spannung und Stromstärke — Yolt und Ampere — und die an die umlaufende Welle abgegebene Leistung ebenso das Produkt aus Geschwindigkeit und Drehmoment ist, so besitzt die Beziehung zwischen diesen Größen eine Bedeutung.

Bezeichnet E die im Anker erzeugte Spannung, ia den Strom im Anker, so besteht die Beziehung:

Eia — 2 ~ n D X 9,81,

wenn D in Kilogrammetern ausgedrückt ist und n die Zahl der Umläufe in der Sekunde bedeutet. Bei gleichbleibendem Magnetismus ist E proportional der Geschwindigkeit, und die Grundgleichung für eine zweipolige Maschine lautet:

E — n O N: 10⁸.

wenn N die Anzahl der Leiter um den Anker und CD die magnetische Strömung im Kerne bedeutet. Demnach ist:

O Nia

9,81 X 108 O Nia

0 Nia

2 * X 9,81 X 10⁸    61,6 X 10⁸

kgm.

(1)

Wenn in einer gegebenen Maschine der Magnetismus gleichbleibend ist, so erhellt aus vorstehender Formel, daß das Drehmoment lÿcht von der Geschwindigkeit abhängt, sondern nur von der Stärke des Stromes im Anker und vom Magnetismus. Setzen

wir der Abkürzung halber M—

, so ist

CD N

10⁸

(2>

Dies ist die Grundformel für alle Motorberechnungen. Die Gleichungen gelten ebensowohl für Dynamomaschinen als für Elektromotoren. Sie zeigen, daß man zur Herstellung von Maschinen für geringe Umlaufszahl für ein sehr starkes magnetisches Feld sorgen muß; denn nur dadurch, daß man CD groß macht, vermag die Maschine bei geringer Geschwindigkeit die erforderliche Spannung zu liefern, oder der Elektromotor das notwendige Drehmoment zu entwickeln.

Die Beziehungen zwischen Geschwindigkeit und Drehmoment lassen sich durch Kurven — mechanische Charakteristiken — darstellen; eine Anzahl solcher Kurven für verschiedene Fälle findet man in Kapitel XXY.

Zug auf die Ankerleiter.

Wir sind nunmehr im stände, einzusehen, daß wirklich Zug auf die Ankerleiter ausgeübt wird. Sehen wir jetzt für einen Augenblick von dem Falle ab, daß wir es mit Leitern zu tun haben, die ins Ankereisen eingebettet sind, so können wir den Betrag des Zuges

ermitteln. Es gibt drei Methoden zu diesem Zwecke; zwei beruhen auf Rechnung mit elektrischen, eine beruht auf Rechnung mit mechanischen Größen.

Methode I. In der letzten Rechnung wurde das Drehmoment bestimmt; hieraus wird die am gesamten Umfange wirkende Kraft durch Division mit dem bekannten Radius des Ankers gefunden. Die Kraft für einen Leiter erhält man durch Division mit der Zahl der wirksamen Leiter.

Als Beispiel diene eine Maschine von Edison-Hopkinson, in der ia — 326, N= 80, $ = 10850000, der Radius = 0,14 m. Hieraus findet man D — 45,9 kgm und durch Division dieses Wertes durch den Radius die gesamte am Umfang wirkende Kraft = 328 kg. Da sich aber nur 58 Leiter zu gleicher Zeit im magnetischen Felde befinden, so entfällt auf jeden Leiter eine durchschnittliche Kraft von 5,66 kg. Ist das magnetische Feld in den Zwischenräumen nicht gleichförmig, so erleiden diejenigen Leiter den größten Zug, die im stärksten Felde liegen.

Methode II. Der Zug auf einen Leiter von der Länge l cm in einem magnetischen Felde von der Stärke beträgt bei einer Strom-

H cs

f (in Dynen) =

f (in kg)

stärke i

oder

(»)

981 X 10⁴’

(4)

Die Formel ist nur anwendbar, wenn §, die Dichtigkeit des Feldes in dem Zwischenräume, bekannt ist.

Es werde das gleiche Beispiel wie vorher gewählt. Der Strom in jedem einzelnen Leiter ist = x/₂ ia = 163 A (wegen der Verzweigung), die Länge l eines Leiters sei = 50,8 cm, die Fläche des Zwischenraumes so, daß auf 1 cm2 etwa 6710 Kraftlinien entfallen. Man erhält dann aus der Formel (3)

oder aus (4) wie vorhin 5,66 kg.

/«= 5,56 • io⁶ Dynen

Methode III. Man bestimmt die wirkliche Leistung in Pferd am Anker, multipliziert sie mit 75 X 60 = 4500, um Kilogrammmeter in-der Minute zu erhalten und dividiert das Ergebnis durch die Umfangsgeschwindigkeit (in Meter für die Minute). Um den Zug auf einen Leiter am Anker zu erhalten, hat man noch mit der Anzahl der Leiter zu dividieren.

Es werde dasselbe Beispiel wie vorher gewählt. Da ia = 326 A und

326 X 108,5 ₌

736

Radius = 0,14 ist, so ergibt sich ein Umfang von 0,88 m, und bei 750 Umdrehungen in der Minute ein Weg von 660 m in der Minute. Sind, wie vorhin angenommen, 58 Leiter tätig, so beträgt die Kraft auf jeden Leiter 48,0 X 45°°

660 X 5⁸

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

E — 108,5 V ist, so ist die Leistung in Pferd

48,0. Da der

— = 5,64 kg,

Eine bequeme Regel für angenäherte Berechnung ist folgende: Nimmt man als rohen Durchschnitt für das magnetische Feld in dem Zwischenräume eines Stromerzeugers oder einer Triebmaschine 6300 Linien auf das Quadratcentimeter an, so beträgt der Zug für jedes Ampere Strom auf die Länge eines Centimeters des Leiters 0,000635 kg. In Wechselstrommaschinen ist die Feldstärke selten mehr als halb so groß.

Einen solchen Zug übt ein magnetisches Feld auf nicht eingebettete Ankerleiter aus; es muß indessen bemerkt werden, daß dieser Zug kein stetiger ist. Sobald der Leiter aus dem Zwischenräume hervortritt, besteht in ihm zwar noch ein Strom, der magnetische Zug hat jedoch aufgehört. Während jedes Umlaufes wird der Zug zweimal plötzlich aufgehoben und plötzlich erneuert, wobei jedesmal die zerrende Wirkung ausgeübt wird. In Wechselstrommaschinen verwickelt die Beziehung der Phase der Ströme zu den magnetischen Feldern die Sachlage; statt zu verschwinden, wird der Zug je zweimal in jeder vollen Periode umgekehrt. Die Ankerleiter werden getrieben, während ein rückwärts gerichteter Zug auf sie einwirkt, erhalten dann einen nach vorwärts gerichteten Zug und streben in der Richtung der Drehung voran, werden von neuem angetrieben und streben bei der Umkehrung des Stromes wiederum zu treiben. Wenn die Wechselstrommaschine als Stromerzeuger arbeitet, so sind die zwischenliegenden Antriebe nach vorwärts leicht und von kurzer Dauer; wirkt die Maschine als Motor, so sind die nach rückwärts gerichteten Antriebe von kurzer Dauer.

Sind die Leiter versenkt, so wird dieser Zug statt auf die Leiter auf die Eisenzähne ausgeübt; sind jedoch die Zähne magnetisch stark gesättigt, so entfällt noch ein meßbarer Teil des Zuges auf die Kupferleiter.

Hilfsmittel für den Antrieb.

Es ist einleuchtend, daß unter den erläuterten mechanischen Bedingungen, wenn die Leiter nicht im Ankerkern eingebettet sind, das Bedürfnis vorliegt, in zuverlässiger Weise die Triebkraft von der Welle auf die Leiter zu übertragen. In der Dynamomaschine sind es die Ankerleiter, die angetrieben werden sollen, im Elektromotor sollen die Ankerleiter die Welle umtreiben.

Für den Bau entsteht ein noch schwierigerer Umstand insofern, als die Kupferleiter in mechanisch zuverlässiger Art, aber nicht metallisch mit der Welle verbunden werden müssen, es ist

sogar eine gute Isolierung von der Welle Bedingung. Verschiedene Erbauer befolgen verschiedene Methoden zur Erreichung des Zweckes. Einige setzen auf die Welle eine starke Nabe mit Speichen, die vor der Oberfläche der Kernscheiben vorragen, von diesen durch Zwischenlagen von Isolierungsmaterial getrennt sind und zum Antrieb der Kupferleiter dienen. Andere befestigen die Kernscheiben mechanisch an der Welle und treiben Keile aus Holz oder harter Fiber in Einschnitte an der Peripherie, die dann als Mitnehmer für die Leiter dienen. Werden gezahnte Kernscheiben verwendet, so sind andere Hilfsmittel für den Antrieb nicht erforderlich. Im Kapitel XIV werden die in neuerer Zeit angewendeten praktischen Methoden näher erläutert.

Kraftverluste.

Bisher ist vorausgesetzt worden, daß die an der Welle zum Umtrieb des Ankers aufgewendete mechanische Arbeit gleich der im Anker wirklich hervorgebrachten elektrischen Arbeit sei. Die erstere ist indessen stets größer als die letztere. Zunächst entsteht ein Verlust durch Reibung in den Lagern u. s. w. Die dann wirklich auf den Anker übertragene Arbeit wird aber nipht ganz in elektrische Arbeit umgewandelt. Außer der Reibung in den Lagern und an den Bürsten gibt es noch drei Verlustquellen, und zwar:

1.    Luftreibung,

2.    Hysterese,

3.    Wirbelströme.

Der Verlust durch die erste Ursache ist unbedeutend, ausgenommen in den Fällen, in denen gekrümmte Speichen zu dem Zwecke verwendet werden, um den Anker als Gebläse wirken zu lassen; sogar dann ist der Verlust gering. Der Verlust aus der zweiten Ursache kann nicht vernachlässigt werden, bedingt aber selten die Erhöhung der Triebkraft um mehr als 1 oder 2 Prozent. Der Verlust aus der dritten Ursache ist der bedeutendste, besonders bei großen Maschinen. In allen bewegten Metallmassen, die magnetische Linien schneiden, treten, wenn die Metallmassen nicht geblättert sind, Wirbelströme auf. Treten magnetische Linien in die Welle ein, so kann sogar aus diesem Umstande ein Verlust entstehen. Die Art und Weise, wie man die einzelnen Verlustquellen untersucht, wird im Kapitel XXVII: Prüfung von Dynamomaschinen und Elektromotoren, beschrieben werden. All diese Verluste bedingen die Vermehrung des Arbeitsverbrauchs; denn die aufgewendete Arbeit

14*

muß gleich der Summe der im Anker wirklich in elektrische Arbeit umgesetzten und der in der bezeichneten Weise nutzlos aufgewendeten Arbeit sein.

Notwendigkeit kräftiger Feldmagnete.

Nach der Grundgleichung der Dynamomaschine, vergl. Seite 208, ist die Spannung einer Maschine bei gegebener Geschwindigkeit proportional dem Produkt aus CP und N. Man würde also die Leistung der Maschine vergrößern können sowohl durch Vermehrung von O als von N. Nun ist bei gegebenem Strome die Ankergegenwirkung, die die Ursache des Funkens ist, proportional N. Um also die Ankerwirkungen klein zu halten, muß N klein sein und deshalb ist CP groß zu wählen. Die Maschine muß also große und stark erregte Feldmagnete besitzen.

Kapitel X.

Stromumkehrung; Bedingungen zur Vermeidung des Funkens.

Da die Bewegung der Ankerspulen vor den Magnetpolen vorbei notwendigerweise Wechselströme erzeugt, so ist ein Stromwender, der diese Ströme gleichrichtet, ein notwendiges Zubehör einer Gleichstrommaschine. Die Stromwendung bedarf daher einer sehr eingehenden Untersuchung. Ist sie bei irgend einer Gleichstrommaschine, sei es Generator, Motor oder Umformer, nicht sorgfältig ausgeführt, so macht sich das durch Funken bemerkbar, das unter solchen Umständen die Folge von verschiedenen Ankerwirkungen ist.

Ursache des Funkens.

Die Funkenbildung, welche infolge fehlerhafter Anlage oder Bürstenstellung eintritt, entsteht gerade unter den Bürstenspitzen.

Wenn ein neuer oder neu abgedrehter Stromabgeber Funken gibt, so wird eine Untersuchung zeigen, daß die Bänder vieler oder aller Segmente wie verbrannt aussehen. Diese Erscheinung zeigt sich — gleichgültig, ob wir es mit einer Dynamomaschine oder mit einem Motor zu tun haben — nur an denjenigen Segmentkanten, welche zuletzt mit den Bürsten in Berührung waren; die in der Richtung der Drehung vorderen Kanten zeigen keine Spur von Verbrennung. Dieser Umstand beweist, daß der schädliche Funke gerade in dem Augenblicke entsteht, wenn das unter der Bürste hinweggleitende Segment außer Kontakt mit ihr kommt. Die Ursache der Funkenbildung ist die folgende: In allen Ankerleitern wechselt der Strom bei jeder Umdrehung mehrfach seine Richtung, bei zweipoligen Maschinen zweimal, bei mehrpoligen mehr als zweimal. — In dem in Fig. 116 dargestellten Falle fließt der Strom in allen auf der linken Seite aufsteigenden Ankerleitern auf den Beschauer zu, er fließt von demselben weg in den Drähten, welche auf der rechten

Seite sich abwärts bewegen. Ein Richtungswechsel findet jedesmal statt, wenn der Leiter oder das mit ihm verbundene Segment unter einer Bürste vorbeigeht. Das Entstehen oder Nichtentstehen von Funken hängt nun von den Umständen ab, unter welchen der Stromrichtungswechsel stattfindet, und ist eine Folge der Selbstinduktion,, einer Eigenschaft, welche davon herrührt, daß jeder stromführende Leiter ein eigenes magnetisches Feld um sich verbreitet, und in Folge deren es unmöglich ist, plötzlich einen Strom in voller Stärke in Gang zu setzen, ihn anzuhalten oder umzukehren.

Die Stromumkehrung.

Betrachten wir eine aus mehreren Teilen zusammengesetzte Ringwickelung. Jeder Teil bestehe aus einer oder zwei Leiterwindungen. Der Strom wechselt seine Richtung in den einzelnen Teilen nacheinander, sowie sie an die neutralen Punkte gelangen. Die eine Hälfte des Stromes fließt aufwärts in die Wickelungen der linken Ringhälfte und die andere Hälfte des Stromes aufwärts in die Wickelungen der rechten Ringhälfte. Wenn die positive Bürste nahe dem obersten Teile steht (Fig. 132), so fließt der Strom von links nach rechts durch die Abteilungen X und W links von der Bürste und von rechts nach links durch die Abteilungen T und U zur Rechten der Bürste. Dreht sich der Anker, so gelangen die Stäbe des Stromabgebers nacheinander in Berührung mit der Bürste. In der Fig. 132 sind die Stäbe c und d bereits unter der Bürste weggegangen, der Stab e verläßt eben die Bürste und f beginnt an ihr vorbeizugehen. Für eine kurze Zeit liegt die Bürste an beiden benachbarten Stäben e und /*, die Abteilung V wird deshalb einen Augenblick kurz geschlossen.

Die Dauer des Kurzschlusses hängt offenbar von der Geschwindigkeit des Umlaufes ab, sowie von der Breite des isolierenden Zwischenraumes zwischen den Stäben des Stromabgebers und von der Breite der Berührungsfläche der Bürste. Die Abteilung V gehörte vorher einen Augenblick zur linken Ringhälfte; ist sie aber unter der Bürste weggegangen, d. h. hört e auf, die Bürste zu berühren, so gehört V zur rechten Ringhälfte. Es ist klar, daß während des Vorbeigehens an der Bürste der in der Abteilung V kreisende Strom anhält und danach wieder in entgegengesetzter Richtung durch die Wickelung zu fließen beginnt. Jede Abteilung des Ankers tritt bei ihrem Vorbeigehen an der Bürste aus der einen Ringhälfte zur anderen über, der Strom in der Abteilung kehrt sich um. Dies ist der Vorgang der Stromwendung. Nehmen wir die Anordnung so an, daß die Stromwendung genau an demselben Punkte erfolgen würde, an dem die Wickelungen keine magnetischen Linien schneiden, so daß demnach während des Kurzschlusses der Wickelung diese nicht den Sitz einer induzierten elektromotorischen Kraft bildet. Der Strom in der Wickelung verschwindet dann ganz; wenn sie unter der Bürste hervorkommt, so gelangt sie als vollständig untätige Wickelung zur rechten Kinghälfte, in der ein Strom gegen die Bürste

rv/

II

§!

//

9.

'rv

Fig. 132. Vorgang der Stromwendung in einer Ankerabteilung.

zu fließt. Ehe der Stab e sich von der Bürste trennt, gelangt der durch T und U kommende Strom über e zur Bürste; sowie sich e fortbewegt hat, muß der Strom plötzlich seinen Weg durch die Wickelungen V nehmen. Der Strom vermag indessen wegen der Selbstinduktion in der untätigen Wickelung V nicht augenblicklich zu voller Stärke anzusteigen; ehe deshalb V wirklich in Tätigkeit gelangt, geht der Strom unter Funkenbildung zwischen e und der Bürste über.

Theorie der Feldumkehrung.

was auch ein-

Wir hatten hier vorausgesetzt, V sei eine vollständig untätige Wickelung; nehmen wir nun an, daß dies nicht der Fall sei, sondern daß noch magnetische Linien geschnitten werden treten würde, wenn die Bürste nicht zum neutralen Punkte nnx vorwärts geschoben wäre, sondern rückwärts weiter nach links

stände — dann ist während des Kurzschlusses bei dem Vorbei-gange der Wickelung an der Bürste in ersterer eine elektromotorische Kraft wirksam. Wenn diese auch gering ist, so kann sie doch für den Augenblick einen starken Strom erzeugen, weil der -kurz geschlossene Widerstand klein ist. Deshalb tritt die Funkenbildung stärker auf, als wrnnn die Wickelung ganz untätig wäre.

Es möge nun die Bürste eben so weit in der anderen Richtung — im Sinne der Drehung des Ankers¹) — verschoben werden, so daß, wenn die Wickelung an der Bürste vorbeigeht, sie eben beginnt rechts nahe der Polecke in das Feld einzutreten. Dann schneidet die Wickelung die magnetischen Linien so, daß sich ein Strom entgegengesetzter Richtung zu bilden sucht. Die ideale Anordnung wird erreicht, wenn die Bürsten gerade so weit jenseits des Punktes des Maximums der elektromotorischen Kraft verschoben werden, daß in den Abteilungen, während sie unter der Btilste Weggehen und kurz geschlossen werden, tatsächlich eine geringe entgegengesetzt gerichtete elektromotorische Kraft induziert würde. Diese Wirkung sollte in jeder folgenden Abteilung gerade so lange währen, um den noch kreisenden Strom zu hemmen, einen Strom in entgegengesetzter Richtung zu erregen und ihn in seiner Stärke dem in der anderen Hälfte des Ankers kreisenden Strome, der sich mit dem ersteren vereinigen will, entsprechend anwachsen zu lassen. Könnten diese Bedingungen erfüllt werden, so entstände keine Funkenbildung. Ein magnetisches Feld von der Stärke, welche erforderlich ist, um die * Umkehrung in der umgeschalteten Abteilung des Ankers zu erzielen, läßt sich in der Regel gerade außerhalb der Spitze des Polstückes finden, denn hier besitzen die magnetischen Linien eine Dichtigkeit, die sehr schnell zunimmt. Da zur Umkehrung stärkerer Ströme ein stärkeres Feld erforderlich ist, als für schwächere Ströme, so folgt, daß der Verschiebungswinkel für die Bürsten bei stärkeren Strömen etwas größer sein muß, als für schwache Ströme.

Für die Umkehrung des Stromes ist eine gewisse Zeit erforderlich; die Bürsten dürfen daher nicht so dünn sein, daß sie nur eben die Breite der zwischen den Stromwenderstäben befindlichen Isolierschicht überschreiten. In der Tat kann zuweilen die Funkenbildung einfach durch Verwendung dickerer Bürsten verhindert werden, wodurch die Zeit des Kurzschlusses der Ankerabteilungen etwas verlängert wird.

i) Bei einem Motor müßte die Verschiebung im entgegengesetzten Sinne stattfinden, vergl. Kap. XXV.

Sind die Bürsten zu dünn oder sind sie nicht genügend weit vorwärts geschoben, so bilden sich Funken. Werden sie über die neutralen Punkte hinaus verschoben, so ist die Funkenbildung im allgemeinen geringer. Danach herrscht also in der Kegel starke Funkenbildung, wenn die Verschiebung zu gering ist, geringe Funkenbildung bei zu großer Verschiebung, während die Funkenbildung bei richtiger Verschiebung verschwindet. Ist die Verschiebung größer als notwendig, so entsteht ein Energieverlust. Dieser beruht auf der Erzeugung eines unnötig starken umgekehrten Stromes in der kurz geschlossenen Wickelung. Wenn die Verschiebung über den neutralen Punkt hinausgeht, so äußern überdies alle Wickelungen, die zwischen dem neutralen Punkte und dem Durchmesser der Stromwendung liegen, elektromotorische Gegenkräfte, so daß das Potential an den Bürsten unter das Maximum fällt.

¹

Die Figuren 114, 115 und 116 sind mit einigen Abänderungen der Abhandlung vonEsson in Journ. Inst. Electr. Engineers, Bd. 19, S. 135, 1890 entnommen.

²

Vergl. Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 20, S. 290, 1891.

³

   Compt. rend., 23. Juni 1880; 9. Januar 1882; 5. März 1883; L’Electricien, April 1883.

⁴

   Journ. Soc. Telegr. and Electr., Bd. 12, Nr. 49. 1883.

⁵

   Compt. rend., 9. Jaftuar 1882 und 24. November 1884; vergl. auch Picou, Manuel d’ Electrométrie, S. 123, und Lodgein Electrician, 31. Juli 1885.

⁶

   Berl. Akad. Ber., 18. November 1880 und Elektrot. Zeitschr.

S. 174, Mai 1881, ferner Bd. 9, November und Dezember 1888.

⁷

   Clausius hat für dieWirkungen derWirbelströme in seinen Gleichungen (Wied. Ann., Bd. 20, S. 354 1883; und Phil. Mag., Ser. 5, Bd. 17, S. 46 u. 119, 1883) Werte eingeführt. Auch sind sie durch Lorberg theoretisch behandelt worden (Wied. Ann., Bd. 20, S. 389, 1887).

⁸

   Vergl. die vom Verfasser auf der internationalen Konferenz der Elektriker zu Philadelphia 1884 gegebene Erklärung (Bericht in Electr. Review, 13. Dezember 1884).

⁹

   Im Gegensätze zu Seite 44, wo für den in einer Maschine erzeugten Strom die rechte Hand benutzt wird. Man muß festhalten, daß in einer Dynamomaschine die Stromrichtung mit der Richtung der induzierten elektromotorischen Kraft übereinstimmt, während in einer Triebmaschine der Strom gegen die induzierte elektromotorische Kraft fließt. Im weiteren wirkt in der Dynamomaschine der mechanische Zug gegen die Richtung der Bewegung, während in einer Triebmaschine der Zug die Bewegung in seiner Richtung selbst hervorbringt. Deshalb bedingt die Règel den Gebrauch der rechten

Stromabnahme durch feste Bürsten.

- Die oben für die Vorgänge während der Stromabnahme gegebene Erklärung darf nur als eine im allgemeinen lichtige angesehen werden. Neuere Maschinen, sowohl Stromerzeuger wie auch Motoren, sind bei allen Belastungen gleich funkenfrei, wobei die Bürsten auf die Durchschnittsleistung fest eingestellt sind. Wir sahen nun, daß es für funkenfreien Lauf Bedingung ist,- daß der Strom in den kurzgeschlossenen Spulen umgekehrt werden muß, d. h. zunächst auf Null und dann in der entgegengesetzten Richtung auf denselben Wert gebracht werden muß, den er hatte, bevor die Spule kurz geschlossen wurde. Wir sahen ferner, daß dieser Bedingung dadurch entsprochen wird, daß die Stromumkehrung in einem geeigneten umgekehrten Felde stattfindet, dessen Wert von der Größe der umzukehrenden Stromstärke abhängig ist. Sind die Bürsten nun fest, so kann diese Bedingung natürlich nur für eine einzige bestimmte Belastung erfüllt werden. Stünden z. B. die Bürsten so, daß die Maschine bei s/₄ Belastung funkenlos liefe, so würde bei x/₄ Belastung das umkehrende Feld kleiner sein müssen, wenn der Strom in der kurz geschlossenen Spule in richtiger Weise umgekehrt werden soll. Es wird also in diesem Falle die umkehrende elektromotorische Kraft zu groß sein, wenn die Bürsten nicht so weit zurückgeschoben werden, daß die Stromumkehrung in einem schwächeren Felde stattfindet. Genau so wird bei voller oder Überbelastung eine stärkere elektromotorische Kraft zur Umkehrung des Stromes erforderlich, welche durch das verfügbare umkehrende Feld nicht hervorgebracht werden, ja infolge

der vermehrten Verzerrung sogar noch schwächer als vorher sein kann. Kurz, wir sehen, daß, wenn die Bürsten in einer mittleren Stellung stehen, das umkehrende Feld nur für eine dieser Stellung entsprechende Belastung richtig, für jede andere Belastung falsch bemessen ist, also stärker, wenn es schwächer sein sollte, und umgekehrt. Es ist also klar, daß, um die Vorgänge bei funkenloser (oder praktisch funkenloser) Stromabnahme mit festen Bürsten zu erklären, noch ein anderer Faktor in Betracht zu ziehen ist, und dies ist einfach der Potentialunterschied, der von dem wechselnden Kontaktwiderstand der Bürsten herrührt.

Theorie des Kontaktwiderstandes.

Die oben gegebene Theorie des umkehrenden magnetischen Feldes kann also nicht erklären, wie in einzelnen Fällen funkenlose Stromabnahme möglich ist, ohne daß die Bürsten verschoben werden, wobei die Spulen im Augenblick der Stromumkehrung kein umkehrendes Feld durchlaufen. Dies ist bei Bahnmotoren der Fall, deren Bürsten genau an den neutralen Punkten anliegen, so daß der Anker vorwärts oder rückwärts laufen kann.

Für die Stromabnahme ohne Verschiebung und ohne umkehrendes Feld müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: 1. müssen Kohlebürsten verwendet werden, die einen gleichmäßigen Kontaktwiderstand geben, und 2. muß die Dauer des Stromumkehrungsvorganges, oder mit anderen Worten die Breite der Bürsten groß genug sein, um zwei, drei, oder auch vier Segmente des Kommutators zu bedecken.

Kohlenbürsten

Wir wollen hier einige Angaben über den Kontaktwiderstand von Bürsten und seine Abhängigkeit von der an der Oberfläche des Kontaktes herrschenden Stromdichte einschalten, werden in der Praxis verwendet bei Stromdichten von ungefähr 6V₂ A/cm² bei Maschinen mittlerer und großer Leistung; bei kleinen Maschinen kann man über dies Maß bedeutend hinausgehen, doch sollte das zulässige Höchstmaß 13 A/cm² nicht überschreiten. Bei Kupferbürsten geht man dagegen im allgemeinen bis auf 24 bis 32 A/cm² oder mehr.

Nach Versuchen von Arnold¹) nimmt der Kontaktwiderstand sowohl bei Kupfer- wie bei Kohlebürsten mit der Zunahme der Stromdichte stark ab im Verhältnis zur Peripheriegeschwindigkeit,

i) Vergl. Elektrotechnische Zeitschr. Nr. i, 1899; ferner: Kahn, der Übergangswiderstand von Kohlebürsten (Stuttgart 1902) und Moores Versuche an Parshall und Hobarts elektrischen Generatoren (London 1900) S. 271.

und zwar bei Kohlebürsten etwas mehr. Nach diesen Versuchen kann der Kontaktwiderstand von Kohlebürsten bei Stromdichten von 8 bis 5 A/cm² und Umlaufsgeschwindigkeiten von 400 bis 800 m in der Minute zu 0,144 bis 0,244 Ohm/cm² Berührungsfläche genommen werden. Bei Kupferbürsten betragen die betreffenden Werte 0,0046 bis 0,0144 Ohm/cm². Als Höchstwerte des Kontaktwiderstandes auf das Quadratcentimeter können wir sonach annehmen: für Kohlebürsten 0,25 und für Kupferbürsten 0,015 Ohm. Diese Berechnungen setzen uns in den Stand, die durcli den Kontaktwiderstand irgend einer Maschine hervorgebrachten Kommutatorverluste leicht zu berechnen.

Beispiel: Bei einer großen Dynamomaschine von Brown für metallurgische Zwecke mit einer Leistung von 4000 Ampere, sind etwa 1000 cm² Bürstenoberfläche vorhanden oder 500 cm² für den Eintritt und 500 cm² für den Austritt, so daß etwa 4 A/cm² entfallen. Nehmen wir den Kontaktwiderstand auf 1 cm² zu 0,125 Ohm

8000 Watt.

an, so erhalten wir den gesamten Ri²-Verlust zu 2-4000-4000.0,125

500

Unter der positiven Bürste, d. h. derjenigen, an welcher der Strom zur Bürste überfließt, ist der Kontaktwiderstand etwas größer als unter der negativen, wo der Strom von der Kohle zum Kupfer übergeht. Dies gibt möglicherweise die Erklärung für den Umstand, daß bei einer Überlastung die negativen Bürsten im allgemeinen eher zu funken beginnen, als die positiven.

Der Kontaktwiderstand ist nicht konstant, sondern ändert sich annähernd umgekehrt mit der Stromdichte; so ist bei einem Druck von 0,1 kg/cm² der Widerstand ungefähr gleich 0,04, wenn die Stromdichte 3 A/cm² beträgt, und geht herunter auf etwa 0,02, wenn die Dichte auf 6 A/cm², steigt. Daraus folgt, daß der von diesem Kontaktwiderstand herrührende Spannungsabfall nahezu bei allen Belastungen konstant ist, und zu etwa 0,8 bis 1 Volt auf jeder Seite des Kommutators, also zu 1,6 bis 2 Volt an der ganzen Maschine angenommen werden kann.

Nehmen wir den oben betrachteten Fall einer Maschine, deren Bürsten so gestellt sind, daß bei ³/₄ - Belastung kein Funken entsteht und betrachten wir im einzelnen die Wirkungen einer Überund Unterbelastung.

I. Belastung über ³/₄. Hier ist, wie wir sahen, das umkehrende Feld nicht stark genug, den Strom in der kurz geschlossenen Spule umzukehren. Wenn wir Fig. 132 betrachten, so sehen wir, daß die von links kommenden Spulen unter die Bürsten gelangen mit einem Strom, welcher zunächst auf Null, und dann wieder auf seinen ursprünglichen Wert gebracht werden muß, und den er beim Verlassen der Bürste gerade erreicht haben muß. Wenn das Segment f gerade unter die Bürste kommt, wird letztere nahezu dasselbe Potential haben wie das Segment e, weil das Segment e (in einer ausgeführten Maschine) nahezu von der Bürste bedeckt wird. Der von der rechten Seite des Ankers kommende Strom geht dann durch die Bürste und die Berührungsfläche mit dem Segment e in den äußeren Stromkreis. Der Strom von der linken Seite des Ankers hat zwei Wege zur Verfügung, um in die Bürste zu gelangen, einen durch die Berührungsfläche mit dem Segment /", den andern durch die Spule V zum Seg^-mente und durch die Berührungsfläche zwischen Bürste und Segmente in die erstere. Der diesen zweiten Weg einschlagende Stromteil ist es, der erst auf Null und dann wieder auf die frühere Spannung gebracht werden muß. Wenn wir noch die Bewegung der Spule V in demselben Augenblicke ins Auge fassen, so sehen wir, daß in dem Moment, wo sie in das Peld des hinteren Polhorns eintritt, in ihr eine entgegengesetzte elektromotorische Kraft induziert wird, welche wir die umkehrende elektromotorische Kraft nennen wollen. Diese elektromotorische Kraft hat das Bestreben, den Strom in der Spule f zu vermindern und wird hierin unterstützt durch den Widerstand der Spule. Durch das Fallen des Stromes in der Spule V wird wieder eine elektromotorische Kraft (elektromotorische Kraft der Selbstinduktion) hervorgebracht, die das Fallen der Stromstärke zu verhindern sucht. Auch der durch die Kontaktflächen der Bürste und des Segments e fließende Strom veranlaßt ein Fallen des Potentials an dieser Fläche, welches aber klein ist, da die Oberfläche groß ist. Das Umgekehrte ist der Fall an der Berührungsstelle zwischen Bürste und Segment f\ weil hier die Berührungsfläche in dem betrachteten Augenblicke sehr klein ist. Im nächsten Augenblicke dagegen ist die Berührungsfläche zwischen der Bürste und dem Segment f vergrößert und die mit Segment e vermindert, folglich ist auch das Potential der Berührungsfläche zwischen Bürste und Segment e größer als zwischen Bürste und Segment f. Es fließt daher ein Strom von e nach /*, d. h. eine elektromotorische Kraft wird einfach durch den wechselnden Kontaktwiderstand hervorgerufen und unterstützt die umkehrende elektromotorische Kraft in ihrer Wirkung.

Während der Bewegung des Kommutators unter der Bürste wird der Potentialunterschied zwischen den beiden Segmenten beständig wachsen und die Gesamtwirkung dieser elektromotorischen Kraft, der umkehrenden elektromotorischen Kraft und des Widerstandes der Spule, wird den Strom in der letzteren auf Kuli bringen. Dies ist der Fall, wenn die Berührungsflächen zwischen der Bürste und jedem Segment gleich sind. Wenn die kurzgeschlossene Spule ihren Nullwert überschritten hat, gelangt sie unter den direkten Einfluß der Kraftlinien des rückwärts gelegenen Polhorns, welches in ihr eine elektromotorische Kraft induziert, die einen dem vorigen entgegengesetzt gerichteten Strom hervorbringt. Dieser Strom muß auf den ursprünglichen Wert gebracht werden und wird hierbei durch die induktive elektromotorische Kraft verzögert, die-durch sein Magnetfeld und den Widerstand der Spule hervorgerufen wird. Aber die durch die Aenderung der Berührungsfläche hervorgerufene elektromotorische Kraft unterstützt ihn im Wachsen, da die Kontaktfläche zwischen Segment e und der Bürste noch fortwährend kleiner und das Potential zwischen Segment e und der Bürste gleichmäßig größer wird als das Potential zwischen f und der Bürste. Endlich hat, gerade wenn das Segment e die Bürste verläßt, die vereinigte Wirkung der umkehrenden elektromotorische Kraft und der von der Änderung des Kontaktwiderstandes herrührenden elektromotorischen Kraft den Strom in der Spule auf seine ursprüngliche Stärke gebracht, und das Segment e verläßt demnach die Bürste ohne einen Funken.

Belastung unter ³/₄. — Bei dieser ist, wie wir sahen, die umkehrende elektromotorische Kraft zu groß. Wir können die Vorgänge hierbei leicht übersehen, wenn wir daran denken, was bei ³/₄-Belastung stattfindet, wenn die Bürsten durch Probieren in die rechte Lage gebracht worden sind, nämlich, daß die vereinigte Wirkung der umkehrenden elektromotorischen Kraft und der von der Änderung des Kontaktwiderstandes herrührenden elektromotorischen Kraft es ist, welche die Bedingungen eines funkenfreien Laufes erfüllt. Diese letztere elektromotorische Kraft war naturgemäß dem Strom proportional, d. h. dem Strom bei ³/₄-Belastung. Nehmen wir nun ^-Belastung an, so ist diese elektromotorische Kraft entsprechend kleiner und trägt daher auch weniger zu der gesamten elektromotorischen Kraft bei, die für die Umkehrung erforderlich ist; folglich vermindert sich die gesamte elektromotorische Kraft mit der Belastung. So regelt sich also für jede Unterbelastung die gesamte umkehrende elektromotorische Kraft mehr oder weniger selbsttätig. Bei größeren Belastungen ist die umkehrende elektromotorische Kraft proportional stärker und regelt sich selbsttätig durch das Fallen wegen der Kontaktwiderstände. Diese Erklärung bezieht sich auf den Vorgang der Stromumkehrung¹) bei festen Bürsten. Natürlich wird in 4er Praxis bei sehr kleinen und bei sehr großen Belastungen immer ein geringes Funken stattfinden (und findet auch wirklich statt). Ja, es ist bei Überlastungen ein gewisser Stromwert vorhanden, über welchen man, -ohne daß Funken stattfindet, nicht hinausgehen kann. Dies ist natürlich derjenige Punkt, wo die starke Ankerrückwirkung das Hauptfeld in solchem Maße ändert (d. h. das Feld unter dem hinteren Polhorn so stark schwächt), daß funkenfreie Umkehrung unmöglich wird.

Man kann auch die Kontaktoberfläche zwischen Bürste und Kommutator so ansehen, als wäre sie der Sitz einer entgegengesetzt gerichteten elektromotorischen Kraft, welche bei Kohlebürsten etwa 0,7 bis 1 Volt beträgt. Wahrscheinlich ist dort in Wirklichkeit keine gegeuelektromotorische Kraft vorhanden, aber wenn, wie das beim Überspringen eines elektrischen Funkens der Fall ist, an der Stelle ein Widerstand entsteht, welcher sich wegen der Änderung der Berührungsflächen in annähernd umgekehrtem Verhältnis zu dem hindurchgehenden Strom ändert, so wird dieser Widerstand gerade so wie eine entgegengerichtete elektromotorische Kraft wirken. Es ist unmöglich, ohne eine derartige Annahme die funkenfreie Stromabnahme zu erklären, welche tatsächlich an solchen Maschinen mit Kohlebürsten ohne irgend eine Verschiebung, ja sogar trotz einer negativen Verschiebung beobachtet wird.

Widerstand während der Umkehrung.

Wir wollen annehmen, daß während der Umkehrung der Kontaktwiderstand umgekehrt proportional der Berührungsfläche zwischen Bürste und Kommutator ist. In Fig. 133 sei die Abscisse die Zeit und die Ordinate der umzukehrende Strom in der Spule. Wenn wir mit 0 den Zeitpunkt bezeichnen, mit dem die Stromumkehrung beginnt, und mit T den Zeitpunkt, wo die Umkehrung endigt, und den

Anfangswert des Stromes in der Spule mit ia, dann ist die Aufgabe, den Wert ia in den Wert — ia während der Zeit T umzuwandeln. Der Idealfall würde der sein, daß diese Umkehrung durch eine gleichförmige Änderung stattfindet, oder daß die Stromkurve sich gleichmäßig von Anfang bis zu Ende als gerade Linie erstreckte,

T

wobei der Strom in der Zeit — auf Null gebracht wäre; aber dies

Li

trifft selten zu. Über die wirkliche Kurve der Stromumkehrung ist wenig bekannt. Everett und Peake fanden an einer besonderen Maschine²), daß die Kurven die in Fig. 134 gezeichneten Formen besaßen. Die Kurve A zeigt ein anfängliches Ansteigen (das bei

-c

\\

\\

\\

\\

Fig. 133. Kommutierungskurve: Idealfall.

Fig. 134. Kommutierungskurve nach Beobachtungen von Everett und Peake.

leichten Belastungen stattfinden kann) mit einem ovalen Yerlauf nach dem Ende zu. Kurve B zeigt eine Unterkommutierung mit ungenügender Verschiebung. Kurve C zeigt zuerst, bei vermehrter Belastung, eine sehr rasche Umkehrung, aber nach dem Ende der Periode zu eine Unterkommutierung. Kurve D endlich zeigt ein allmähliches, gegen das Ende der Umkehrung abgeschwächtes Fallen. Wäre keine Selbstinduktion vorhanden, die den Wechsel des Stromes verzögert, so könnte man eine gerade Linie wohl erhalten, wie nachstehende Erwägung zeigen wird. Betrachten wir eine Kohlebürste, die breit genug ist, um gerade ein Segment zu bedecken; die Dicke der aus Glimmer bestehenden Isolation, die sehr gering sein kann, wollen wir der Einfachheit halber vernachlässigen. Die Segmente seien je 1,25 cm breit, und die Gesamtlänge der Bürste parallel zur Achse gemessen, sei 5 cm, so daß der Querschnitt der Bürstenoberfläche 6,25 cm² beträgt. Es seien 40 Ampere Strom abzunehmen. Diese 40 Ampere setzen sich zusammen aus 20 Ampere, die aus den

40

40

a) Augenblick vor dem ' Beginn der Kommutierung in der Spüle AB.

Uo

20 20 20

,*r'

b) Ende des ersten Viertels der Kommutierungsperiode in der Spule A B.

.10    |3o

5> 20 'O 20

\\

20

c) Ende des zweiten Viertels der Kommutierungsperiode in der Spule A B.

20 K20

40 '

\\

IO 10'

d) Ende des dritten Viertels der Kommutierungsperiode in der Spule A B.

io

io

Ï0 20 ¹⁰ 20^

40

\\

41

, e) Augenblick nach Be-7 endigung der Kommutierung in der Spule AB.

>40

20 20 20

Fig. 135. Vorgang der Kommutierung.

Spulen der rechten Seite kommen, und 20 aus denen der linken. Fig. 135 a zeigt den Stand der Dinge, wenn das Segment A gerade unter der Bürste steht. Die Spule ABy welche durch die Segmente A und B verbunden ist, führt 20 Ampere, die von links nach rechts fließen; die Periode der Umkehrung ist gerade im Begriff zu beginnen. Fig. 135 b zeigt die Sachlage, wenn der Kommutator sich um ein Viertel der Breite eines Segments vorwärts bewegt hat. Die Berührungsfläche mit dem Segment A ist auf 4,69 cm² vermindert, während die Fläche des Segments B auf 1,56 cm² gestiegen ist. Nehmen wir den Widerstand der Spule AI? als vernachlässigbar klein an, im Vergleich zu den Kontaktwiderständen, so wird der Strom sich zwischen den beiden möglichen Wegen im Verhältnis ihrer Flächen teilen, d. h. 30 Ampere werden durch

A, 10 Ampere durch B gehen. Dies bedingt, daß der durch die Spule AB gehende Strom von 20 auf 10 Ampere vermindert ist. Wenn die Bürste bis auf die Hälfte des Segments B weitergelangt ist, so sind die Berührungsflächen mit A und B gleich, und nun (immer vorausgesetzt, daß keine Selbstinduktion vorhanden ist) werden 20 Ampere durch A und 20 Ampere durch B fließen. Hierdurch wird, wie in Fig. 135 c gezeigt ist, der Strom in der Spule AB auf Null gebracht werden. In der nächsten Stellung, wo der Kommutator sich auf drei Viertel der Segmentbreite vorwärts bewegt hat, sind die Berührungsflächen, wie in Fig. 135 d dargestellt, 1,56 und 4,69 cm² und der durch A fließende Strom ist auf 10 Ampere vermindert, während der durch B fließende auf 30 Ampere gestiegen ist. Nunmehr führt also die Spule AH 10 Ampere in umgekehrter Richtung. Nach einer weiteren Viertelperiode ist die Stromumkehrung in dieser Abteilung beendet und, wie Fig. 135 e zeigt, ist das Segment A unter der Bürste vorbeigegangen. Die gesamten 40 Ampere werden jetzt vom SegmentH aufgenommen, und der Strom in der Spule AB ist bis zum vollen Werte von 20 umgekehrten Ampere gestiegen. Der Vorgang wird graphisch dargestellt durch Fig. 136. Die Strecke OT stellt entweder die Zeit während der Stromumkehrung oder die wirkliche peripherische Geschwindigkeit durch die Breite der Bürste dar, und die Höhe der Ordinate an irgend einer Stelle der Linie BQ den Stromwert in der Spule in dem entsprechenden, auf OT gemessenen Zeitpunkte. So würde z. B. zur Zeit t der Stromwert von OP auf j gefallen sein.

Wir haben nun noch zu prüfen, wie dieser Idealfall beeinflußt wird durch die Tatsache, daß die Spule AB Widerstand und Selbstinduktion besitzt. Wenn der Widerstand der Spule gegenüber dem Berührungswiderstand an den Oberflächen nicht vernachlässigbar ist, werden die unter den Bürsten übergehenden Ströme nicht genau proportional den Flächen sein. Denn aus Fig. 135 b sieht man, daß, wenn der Strom von AB nicht gleich Null ist, der Widerstand auf dem Wege des durch A gehenden Stromes nicht gleich einem Drittel desjenigen von B ist. Nehmen wir den Kontaktwiderstand von A zu 0,04 Ohm, und den von B zu 0,12 Ohm und den Widerstand einer Spule zu dem außergewöhnlich hohen Werte von 0,01 Ohm an, so teilt sich der Strom in dem Verhältnis 29,4 und 10,6 Ampere statt 30 und 10 Ampere. Kurz, der Spulenwiderstand bewirkt, daß die Kurve der Stromumkehrung die in der Fig. 136 gezeichnete Form annimmt.

Die Wirkung der Selbstinduktion ist dem Betrage nach schwierig zu berechnen, sie sucht stets das Abfallen und Umkehren des Stromes zu verhindern und gibt der Stromkurve eine Form, wie sie die Linie PLY Q in Fig. 137 darstellt; oder bei stärkerer Selbstinduktion gleich PL₂ Q. Ist zur Zeit ¹/₂ T der Strom nicht gleich Null, so ist natür-

Fig. 136. Kommutierungskurve: Einfluß des Spulen Widerstandes.

lieh die Stromdichte in den Berührungsflächen nicht an allen Stellen unter der Bürste gleich. Beträgt er z. B. 5 Ampere, so ist die Stromdichte in B und A nicht je 20, sondern 15 und 25 A/cm² beziehentlich. Und da mit der größeren Stromdichte in A der Kontakt-

Fig. 137. Kommutierungskurve: Einfluß der Selbstinduktion.

widerstand abnimmt, so steigert, sich die Ungleichheit noch mehr. Wenn dann noch wegen dieser Verzögerung der Strom am Ende der Periode T nicht völlig umgekehrt ist, dann wird im letzten Augenblicke, wenn die Berührungsfläche zwischen A und der Bürste auf Null fällt, der Kontaktwiderstand mit außerordentlicher Geschwindigkeit steigen und das Produkt dieses Widerstandes in den noch nicht umgekehrten Stromteil — graphisch durch die Linie QU in

Fig. 137 dargestellt — eine elektromotorische Kraft hervorrufen zwischen der Spitze der »Bürste und dem darunter hinweggehenden Rand des Segmentes A. Diese elektromotorische Kraft ist es, die ein Runken hervorruft, wir wollen sie kurz die funkengebende elektromotorische Kraft nennen. Beim Fehlen eines umkehrenden Feldes, das eine Umkehrung erzwingt, indem es eine elektromotorische Kraft erzeugt, die die Verzögerung der Selbstinduktion bekämpft, sind die einzigen Mittel, diese funkengebende elektromotorische Kraft zu vermindern, 1. die Verlängerung der Umkehrungsperiode durch Verwendung einer breiteren Bürste; 2. die Verminderung der durch die Selbstinduktion bewirkten Verzögerung durch Änderung des Entwurfs (Verkürzung der axialen Länge des Ankerkernes oder grössere Sättigung der Zähne), so daß die Induktanz jeder Spule vermindert wird; oder endlich 3. künstliche Vergrößerung des Bürstenwiderstandes während des letzten Teiles der Umkehrung.

Nach G-erault³) ist die Bedingung für funkenfreie Strom-umkehrung, wenn die Breite der Bürste gleich der eines Segmentes ist, daß RiT/L größer als 1 ist; wobei Rx der Kontaktwiderstand unter einer Bürste und L der Selbstinduktionskoöffizient der in der Umkehrung befindlichen Spule ist Dieser Ausdruck ist nur annähernd richtig., er wird beeinflußt durch die Zahl der in jedem Schlitz befindlichen Leiter und durch die gegenseitige Induktion der benachbarten Leiter. Es ist ganz klar, daß gegebenenfalls die Stromumkehrung durch Vergrößerung von R{ oder T verbessert werden kann. Weitere Abhandlungen theoretischer Art hierüber haben Arnold und Mie in der Elektrotechn. Zeitschr., Bd. 20, S. 97, und Hawkins, op. citât, gegeben. Boy la Tour hat über Stromumkehrung eine Reihe von Artikeln in L’Industrie Electrique, Februar und März 1902, veröffentlicht. Die neueste Theorie ist die von Gallußer, Bd. 3 der Sammlung elektrotechnischer Vorträge, 1902.

Man sieht, daß hierbei der ganze Vorgang von den Veränderungen des Widerstandes abhängig ist, die von der Zu- und Abnahme der unter der Bürste weggleitenden Berührungsflächen abhängig sind. Diese schneiden sozusagen den Strom von der Spule im Vorbeigehen ab und führen einen umgekehrten Strom in sie hinein. Der Vorgang hat daher eine gewisse Ähnlichkeit mit der Wirkungsweise des Steuerschiebers einer Dampfmaschine, wo eben-

Die Vergrößerung der Bürstenbreite bewirkt mithin nicht nur eine Verlängerung der Periode der Umkehrung, sondern sie veranlaßt auch, daß. sie beginnt in "einer Spule, ehe sie in der vorhergehenden zu Ende geführt ist. Dies kann ebenfalls durch Betrachtung der aufeinanderfolgenden Stufen des Vorgangs (Fig. 138) erkannt werden. Wir nehmen hieran, daß die Bürstenbreite gleich der Breite von zwei Segmenten von je 1,25 cm und die Länge der Bürste in der Achsenrichtung — 7,5 cm war, so daß die Berührungsfläche = 18,75 cm² ist. Die Stromstärke betrage 120 Ampere gleich

falls die Änderung der Öffnungsfläche der Kanäle den Ein- und Austritt des Dampfes in den Zylinder bestimmt.

120

60

60

a) Augenblick [Il y    Beginn der Kommu-

«J’ tierung in der Spule AB.

60 / "

vor dem

60'

3O 60 30

b) Ende des ersten Viertels der Kommutierungsperiode in der Spule A B.

cjf

A |30 I⁶⁰ ho T-

³9, t?o eg

120

lc wWbr

c) Ende des zweiten Viertels der Kommutierungsperiode in der Spule A B.

60)^

120

3O 60 30'

d) Ende des dritten Viertels der Kommutierungsperiode in der Spule A B.

"V p⁰ I⁶⁰ ho V

120

60

60

e) Augenblick nach Beendigung der Kommutierung in der Spule A B.

60 «60

⁰ -fO

Fig. 138. Vorgang der Kommutierung; die Bürste bedeckt zwei Kommutatorstege.

6,4 Ampere auf 1 cm². Hiervon fließen 60 Ampere aus den Spulen zur Rechten und 60 aus denen zur Linken. Fig. 138a zeigt zwei Segmente A und Z unter der Bürste; die Berührungsflächen sind gleich groß, also auch ihre Widerstände; es fließen also 60 Ampere durch A und Z und durch die A und B ver-

bindende Spule, bei der in diesem Augenblicke die Stroin-umkehrung beginnt. In Fig. 138b sind die Berührungsflächen bei B und Z nur halb so groß wie bei A, demnach gehen 60 Ampere durch A und je 30 durch B und Z. Der Strom in der Spule Ai? ist also nur 30 Ampere. In Fig. 138 c sind A und B von der Bürste bedeckt, so daß 60 Ampere durch A und 60 durch B fließen, der Strom iw AB ist also gleich Null. In der Stellung Fig. 138 d fließen 30 Ampere durch A und C und 60 durch B, die Spule AB führt also jetzt 30 Ampere in umgekehrter Richtung. In der nächsten Stellung ist A unter der Bürste weggegangen, so daß B und C jede 60 Ampere führen; daher führt nun die Spule AB 60 Ampere in umgekehrter Richtung, und die Umkehrung in ihr ist vollendet. In diesem Falle, wo die Bürste zwei Segmente bedeckt, beginnt die Umkehrung in einer Spule, wenn sie in der vorhergehenden zur Hälfte beendet ist. Die gegenseitige Induktion zwischen zwei Spulen wird hierbei die Stromumkehrung nicht wesentlich unterstützen. Selbstinduktion verzögert hier, wie in jedem Falle, die Umkehrung. Wenn die Spule aus mehr als einer Windung besteht, läßt sich die

Selbstinduktion vermindern, indem man die aufeinander folgenden Windungen in verschiedenen Schlitzen unterbringt, eine Anordnung, die Fynn patentiert und von Parshall und Hobart experimentell und theoretisch untersucht ist. Rothert¹) gibt für den Fall, daß die Bürste nur ein Segment bedeckt, die Differentialgleichung: di

1j

+ i (U + r₂ + *s) — i₀ K — r₂),

wo L der Koëffizient der Selbstinduktion der kurzgeschlossenen Spule, i die Stromstärke in einem gegebenen Augenblicke, iQ der Anfangswert des umkehrenden Stromes, r₁ und r₂ die beiden Kontaktwiderstände, die sich mit der Zeit ändern, und r₃ der Widerstand der Spule bedeutet. In dem Idealfalle, wo die Kurve der Stromumkehrung

2 i

der Strom i zur Zeit t ist gleich

iQ (1—4/7), wo f die Frequenz der Stromumkehrung, d. h. gleich dem reziproken Wert von P ist. Rothert hat auch bewiesen, daß die funkengebende elektromotorische Kraft unter der Bürstenspitze kleiner wird, wenn der Kontaktwiderstand der Bürste so verteilt werden kann, daß er gegen das Ende der Umkehrung größer wird.

Über den Vorgang der Stromumkehrung in dem Falle, daß in mehreren Segmenten gleichzeitig von einer breiten Bürste der Strom

i) Elektrotechu. Zeitschr., Bd. 23, Oktober 1902.

dt

eine Gerade ist, ist

di

dt

umgekehrt 'wird, haben Parshall und Rothert Abhandlungen geschrieben.

Verwendung von Kohlebürsten.

Stromerzeuger, welche mit gleichbleibender Voreilung der Bürsten arbeiten sollen, haben stets Kohlebürsten; sie funken stets erheblich, wenn an deren Stelle Metallbürsten verwendet werden, und dies wird durch die obigen Darlegungen erklärlich. Die Kohlebürsten haben einen weit größeren spezifischen Widerstand, und daher ändert sich auch der Übergangswiderstand erheblich mit der Änderung der Berührungsfläche. Maschinen mit festen Bürsten haben daher auch geringeren Wirkungsgrad und sind kostspieliger, weil der Wärmeverlust im Kommutator bedeutender ist und die Abmessungen • des letzteren vergrößert werden müssen, um die größere Wärmemenge abführen zu können. Zwischen Maschinen mit Rebenschluß-und solchen mit gemischter Wicklung ist hierbei ein Unterschied zu machen. Bei den letzteren wird die magnetische Erregung selbsttätig vergrößert, wenn der umzukehrende Strom größer wird, und dadurch wird die Stärke des umkehrenden Feldes aufrecht erhalten.

Bei solchen Maschinen kann es Vorkommen, daß bei keiner Lage der Bürsten eine funkenlose Stromabnahme möglich ist, und zwar, weil entweder erstens das Feld an sich oder infolge von Verzerrung zu schwach, oder zweitens die Induktanz der kurzgeschlossenen Spulen zu groß ist. Ist letzteres der Fall, so ist auch, wenn das umkehrende Feld kräftig genug ist, der Vorgang der Stromumkehrung nahezu unabhängig von der durch die Änderung des Übergangswiderstandes beeinflußten elektromotorischen Kraft; der Widerstand verursacht nur einen Energie Verlust, und zwar hauptsächlich beim Beginn und am Ende der Umkehrungsperiode, wodurch die Ränder der Segmente stark erhitzt werden, so daß oft das Kupfer schmilzt und ein Lichtbogen entsteht.

Außer der gewöhnlichen Ursache der Funkenbildung, die wir soeben kennen gelernt haben, gibt es noch einige besondere Veranlassungen. In Dynamomaschinen (besonders solchen für Bogenlicht), die für hohe Spannung von etwa 1000 Volt oder darüber gebaut sind, tritt zuweilen eine Erscheinung ein, die man als »Überblitzen« bezeichnen kann. Ein langer blauer Funke springt bei einer plötzlichen Änderung des Widerstandes im Stromkreise um den Umfang des Stromwenders von Bürste zu Bürste. Dieser, sich mehr in der Art eines Lichtbogens zeigende Funke stört wenig, wenn es sich um Maschinen mit Stromwendern aus wenigen, durch

Luftzwischenräume getrennten Teilen handelt; er ist dagegen sehr schädlich für solche Maschinen, die Stromwender gewöhnlicher Art, etwa mit Glimmerisolierung zwischen den Stäben, besitzen; denn letztere werden durch den Funkenbogen leicht kurz geschlossen.

Praktische Folgerungen.

Die vorstehenden Darlegungen lassen die Mittel zu einer möglichst funkenlosen Stromabnahme erkennen. Diese sind:

1.    Man halte die Induktanz der Ankerspulen klein, teile also die Ankerwicklung in viele Teile, und gebe dem durch den Kurzschlußstrom der Spule hervorgerufenen magnetischen Felde einen möglichst großen Widerstand. Eine Vergrößerung des Luftzwischenraumes ist ebenfalls ein Mittel zur Verminderung des Funkens, wobei jedoch die Erregung entsprechend verstärkt werden muß, so daß die Feldstärke die gleiche bleibt.

2.    Man nehme die Bürsten aus passendem Material und von genügender Dicke.

3.    Man halte die Verzerrung des Hauptfeldes klein, damit die Kraftliniendichte an den hinteren Polhörnern w'enig Avechselt.

4.    Kommutator, Bürsten und Bürstenhalter müssen die geeignete Form und Abmessung besitzen.

5.    Die Vorrichtung zur Führung und Bewegung der Bürsten muß in sich steif und mechanisch kräftig ausgeführt sein, während die einzelnen Bürsten für sich leicht gehoben und gesenkt werden können.

6.    Man halte die Oberfläche des Kommutators stets sauber.

Zur Erfüllung der dritten Bedingung sind die verschiedensten

Vorschläge gemacht worden, von denen auch einige praktische Erfolge gehabt haben. Bevor wir aber hierauf im einzelnen ein-gehen, müssen wir zunächst noch eine Eigenschaft des belasteten Ankers betrachten, nämlich die direkt entmagnetisierende Wirkung des Ankerstromes.

Entmagnetisierende Wirkung des Ankers.

Verschiebt man bei einer Dynamomaschine die Bürsten nach vorwärts, um die Funkenbildung zu hemmen, so entsteht daraus eine andere Gegenwirkung: es tritt eine Neigung zu entmagnetisieren, eine »entmagnetisierende Kraft« auf. Daß der Ankerstrom in dieser Art wirkt, ersieht man leicht aus der Fig. 139.

Feldmagnet und Anker sind wie früher dargestellt, die Bürsten haben eine nach vorwärts gerichtete oder positive Verschiebung erhalten, die neutrale Linie nnl liegt schräg. In den Ankerleitern links von der neutralen Linie fließen die Ströme gegen den Beobachter, rechts von der Linie von dem Beobachter weg. Die beiden Linien ad und bc seien quer über den Anker durch die Punkte der Stromwendung entsprechend den beiden Bürsten gezogen. Diese Linien schneiden die Außenlinie des Ankers in vier Punkten. Die Zeichnung enthält 32 Leiter um den Ankerkern. Ist dieser als Trommel gewickelt, so sind die Verbindungen an den Endflächen etwa wie in Fig. 140 angegeben, gestaltet; jeder Leiter ist quer über die Endfläche durch eine doppelt gekrümmte Verbindung zu dem

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Fig. 139. Entmagnetisierende Wirkung des Ankerstromes in einem Stromerzeuger.

Leiter geführt, der dem entgegengesetzt liegenden sich zunächst befindet*). Soweit magnetisierende Wirkungen in Betracht kommen, bedingen die Endverbindungen keinen Unterschied, vorausgesetzt, daß sie mit dem in Fig. 139 dargestellten Stromlauf vereinbar sind, d. h. der Strom muß in den 16 Leitern links von nnl nach vorwärts und durch die 16 Leiter rechts von nnx zurückfließen. Nehmen wir an, daß die vier Leiter mit den Nummern 29 bis 32 (zwischen d und c) über die Endflächen²) hinweg mit den Leitern 13 bis 16 (zwischen b und a) verbunden sind (Fig. 140), die Leiter 1 bis 12 (c bis b) seien mit den Leitern 17 bis 28 (a bis d) in Verbindung. Die Ankerwindungen sind nunmehr in zwei Abteilungen zerlegt, eine

x) Wegen der verschiedenen Arten von Trommelwickelungen vergl.

Kapitel XIII.

2) Swinburne, Journal of tbe Institution of Electrical Engineers, Bd. 15, S. 542. 1886.

wagerechte mit 12 Windungen, die den Anker quer zu magnetisieren sucht, und eine senkrechte Abteilung von vier Windungen, die zu entmagnetisieren sucht; man erkennt, daß die Eichtung des Stromes um die letztere Abteilung herum entgegengesetzt ist der Eichtung des Stromes in den magnetisierenden Windungen. Die Breite der entmagnetisierenden Abteilung steht im Verhältnisse zu dem Verschiebungswinkel der Bürsten, da sie den doppelten Winkel umfaßt. Führt der Anker 100 A Strom, so nimmt, da zwei Stromwege im Anker vorhanden sind (S. 181/2 und 188), jeder Leiter 50 A auf. Die Zahl der Amperewindungen der quermagnetisierenden Kraft beträgt daher 50X12 — 600, die Zahl der Amperewindungen der entmagnetisierenden Kraft 50 X ^ = 200. Wie wir gesehen haben,

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Fig. 141. Quer- und entmagnetisierende Leitergürtel.

Fig. 140. Verbindungen am Ende einer T rom melwickel ung.

stört die quer magnetisierende Wirkung das Feld und vermindert an sich etwas die magnetische Strömung, die den Anker von einer Seite zur anderen durchdringt, weil bei der schrägen resultierenden Kichtung der Magnetisierung die gesteigerte Strömung eine größere Sättigung in den Polecken herbeizuführen sucht.

Über die Wirkung der Quermagnetisierung findet man Untersuchungen von Siemens und von Schultze in Wiedemanns Annalen, Bd. 14, S. 634, 1882 und Bd. 24, S. 663, 1885 *). Schultze fand bei 24 Versuchen, daß die Quermagnetisierung eines Eisenkernes stets die Längsmagnetisierung verminderte. Neuere Versuche über diese Wirkungen sind von Frölich, Kenelly⁴ 5) und Stromberg⁶) angestellt worden.

Bei einer von Ayrton¹) geprüften Manchestermaschine waren 5846 erregende Amperewindungen erforderlich, wenn keine Lampen eingeschaltet waren und 10000, wenn die Maschine ihren vollen Strom abgab; von der 4154 Amperewindungen betragenden Differenz entfielen 1754 auf Ausgleichung des Spannungsverlustes (hervorgerufen durch den inneren Widerstand und verminderte Durchlässigkeit), und 2400 auf die Ausgleichung der entmagnetisierenden Wirkung des Ankerstromes, welche durch die zur Vermeidung der Funkenbildung notwendige Verschiebung der Bürsten hervorgerufen wird.

Je weiter man die Bürsten in einer als Stromerzeuger benutzten Maschine verschiebt, desto größer wird die entmagnetisierende Wirkung des Ankerstromes. Bei Triebmaschinen ist die Richtung des Ankerstromes entgegengesetzt zu der einer Dynamomaschine,, zur Vermeidung der Funkenbildung muß man die Bürsten daher rückwärts verschieben; diese Verschiebung ruft ebenfalls eine entmagnetisierende Wirkung hervor. Falls den Bürsten eines Stromerzeugers eine negative Verschiebung (d. h. eine Verschiebung vom neutralen Punkte in dem der Drehungsrichtung entgegengesetzten Sinne) gegeben wird, hat die magnetisierende Wirkung der Ankerströme das Bestreben, die Magnetisierung des Kernes zu unterstützen.

J. und E. Hopkinson²) haben sogar nachgewiesen, daß bei Rückwärtsverschiebung der Bürsten eine Maschine sich lediglich durch die Ankerströme erregen kann; in solchen Fällen entsteht aber eine verderbliche Funkenbildung. Die entmagnetisierende Wirkung ist proportional der Zahl der den magnetischen Kreis umgebenden wirksamen Amperewindungen des Ankerkreises und deshalb proportional der wirksamen Zahl der Amperewindungen, die, wie wir sahen, in einer Zone von der doppelten Winkelbreite des Verschiebungswinkels liegen³). Nach Kapp ist die Zahl der zum Ausgleich erforderlichen Amperewindungen in der Praxis etwas kleiner.

Diese Störungen lassen sich auch noch in anderer Weise betrachten. Die Zahl der »Ampereleiter« unter einer Poloberfläche,

1)    Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 19, S. 175. 1890.

2)    Phil. Trans. 1886. Teil 1, S. 347.

3)    Nach Peuckert, der indessen den Verschiebungswinkel nicht berücksichtigt, ist die entmagnetisierende Wirkung des Ankerstromes der Potenz ⁴/s des Ankerstromes proportional. Centralbl. f. Elektrot., Bd. 9, S. 484. 1887. Nach Karpen (Compt. rend., Bd. 134, S. 827, April 1902) erreicht die entmagnetisierende Wirkung einen Höchstwert bei einem bestimmten Werte der Erregung.

d. h. die Zahl der unter einem Pol befindlichen Leiter multipliziert mit der Zahl der Ampere, die jeder führt, ergibt multipliziert mit 4 TT

— die quermagnetisierende, magnetomotorische Kraft. Ebenso erhalten wir in dem Produkt aus der Zahl der zwischen zwei benachbarten Polspitzen liegenden Leiter in die von jedem geführte Stromstärke die Zahl der entmagnetisierenden »Ampereleiter«, wrenn wir annehmen, daß die Umkehrung des Stromes gerade an der Polspitze stattfindet.

Die Rückwirkung des Ankers auf die Magnetisierung der Feld-magnete kann auch untersucht werden mit Hilfe der charakteristischen Kurven der Dynamomaschinen (vergl. Kap. XII), die man zur Darstellung des Ansteigens der elektromotorischen Kraft der Maschine im Yerhältnis zu der Stromstärke benutzt, da dieses Ansteigen der Magnetisierung des Ankers proportional ist. Die charakteristischen Kurven fast aller Reihenmaschinen zeigen aber eine entschiedene Neigung, nach der Erreichung eines Maximums-abzufallen; bei einigen Maschinen, z. B. bei Maschinen mit Gußeisenring der älteren Porm von Brush, tritt diese Wirkung deutlich hervor. Die elektromotorische Kraft vermindert sich, obwohl die magnetisierende Wirkung der Eeldmagnet-Wickelung wächst. Zum Teil stammt die Wirkung von der Verzerrung des magnetischen Feldes her, meist aber von dem entmagnetisierenden Einflüsse, welchen eine größere Verschiebung der Bürsten ausübt. Es ist mindestens bezeichnend, daß bei der älteren Form der Maschine von Brush,. wo das Herabsinken der elektromotorischen Kraft bedeutend ist, auch eine große Menge Eisen sich im Anker befindet und die Verschiebung der Bürsten stark veränderlich ist.

In dem oben angeführten Vortrag von Hopkinson*) wird die Theorie der Ankerrückwirkung in folgender Weise behandelt. Ziehen wir eine geschlossene Kurve AB CA längs des magnetischen Kreises, die also durch die Magnetisierungsspulen geht (Fig. 142), so⁷ ist das Linienintegral der magnetisierenden Kräfte dieser Linie entlang gleich 0,4-mal der Zahl der Amperewindungen in den Rollen (S. 81). Eine gleiche magnetomotorische Kraft wird um die geschlossene-Kurve DE FD sein, obwohl die Kraftlinienmenge auf diesem Wege wegen des größeren Widerstandes geringer ist. In ähnlicher Weisewird, wenn die Bürsten um einen Winkel 1 vorgeschoben werden, die Zahl der Leiter in der entmagnetisierenden Zone ein Bruchteil 2 'x

⁼— der Gesamtzahl der Leiter N auf dem Anker sein, und da jeder

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Leiter den halben Strom führt, ist (für Trommelwickelungen) die Zahl der entmagnetisierenden Amperewindungen ^ia^l₂N-21 liaN

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und die entmagnetisierende magnetomotorische Kraft gleich 0,2\iaN. Ferner kann die Neigung zur Quermagnetisierung berechnet werden, indem wir eine durch die Spitzen eines Polstückes gezogene

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geschlossene Kurve HAG DU betrachten. Nennen wir den Polwinkel <j>, so ist die Zahl der von dieser Kurve eingeschlossenen

Leiter = das Linienintegral der quer-2 TT

magnetisierenden Kräfte =

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Fig. 142. Ankerrückwirkung.

==0,1^4A⁷. Da der Widerstand dieses Weges, soweit er im Eisen liegt, gegenüber dem der beiden Luftzwischenräume A und D vernachlässigbar gering ist, so können wir den obigen Betrag als allein auf A und D entfallend betrachten; die magnetische Potentialdifferenz wird also bei A um die Hälfte dieses Betrages vermindert, bei D um ebensoviel vermehrt. Da irgend eine kleinere geschlossene Kurve, z. B. ad eine geringere Zahl von Leitern einschließt, wird dort eine entsprechend geringere störende Wirkung hervorgebracht. Das Feldminimum, welches wegen der Stromwendung zwischen den Polspitzen erforderlich ist, hängt ab von der Stärke des zu wendenden Stromes, der hierzu vorhandenen Zeit und von der Selbstinduktion der Abteilung. Die Querkraft, welche das F’eld in der Umgegend um A zu vermindern strebt, darf dieses aber nicht bis unter das notwendige Minimum schwächen.

Dies ist Hopkinsons Theorie vom umkehrenden Feld. Sie ist jedoch nur zum Teil richtig; wäre sie völlig richtig, so könnte keine Maschine bei allen Belastungen mit festen Bürsten funkenlos laufen, noch wäre es möglich, daß Maschinen funkenlos laufen, bei -denen die Bürsten keinerlei Verschiebung haben, wie dies bei manchen Bahnmotoren und einigen sogen, »booster«-Maschinen der Fall ist. Die Theorie berücksichtigt nämlich nicht den Bürstenwiderstand und seine Veränderlichkeit, welche, wie wir oben sahen, eine wesentliche Rolle bei dem Vorgang der Stromumkehrung spielt.

Gleichwohl ist diese Theorie von Nutzen beim Studium der quermagnetisierenden und entmagnetisierenden Gegenwirkungen. Wir müssen uns erinnern, daß die entmagnetisierende Gegenwirkung (welche proportional 1 ist) das Feld im allgemeinen zu schwächen sucht, während die quermagnetisierende Gegenwirkung (welche proportional 4» ist) das Feld unter den mit der Bewegung verlaufenden Polspitzen zu schwächen, unter den gegen die Bewegung gerichteten Polspitzen dagegen zu stärken bestrebt ist. Damit es nun möglich ist, auch sehr starke Ströme funkenlos umzuwenden, müssen wir das Feld so stark machen, daß wenigstens das Feldminimum an den Polspitzen trotz dieser beiden Gegenwirkungen verbleibt. Sehen wir dann, daß das Q.uerfeld doch noch ein funkenloses Stromwenden schwierig macht, bleibt nur übrig, hierfür durch andere Hilfsmittel Abhilfe zu suchen. Diese Hilfsmittel können entweder bei den Feldmagneten oder beim Anker zur Anwendung kommen. Im ersten Fall können wir noch zwei verschiedene Wege einschlagen ; wir können das Querfeld beeinflussen entweder durch Vermehrung des magnetischen Widerstandes oder durch Einführung einer kompensierenden magnetomotorischen Kraft.

Vermehrung des magnetischen Widerstandes.

Jeder in den geschlossenen Weg HAGDH des Querfeldes eingefügte Luftzwischenraum wird das letztere schwächen; daher würde schon eine Erweiterung des Zwischenraumes zwischen Ankerwicklung und Polfläche bis zu einem gewissen Grade helfen, aber dann müssen mehr Windungen auf den Feldmagneten angebracht werden. Ferner kann man die Eisenmasse der Pole hinter den Stirnflächen durch eine V-förmige Vertiefung nahezu teilen und damit die quer verlaufende Strömung der magnetischen Linien schwächen; bei den Magneten der Manchestertype (Nr. 24, Fig. 62) und bei ähnlichen Formen mit doppelten magnetischen Kreisen (wie Nr. 8, Fig. 61 und Fig. 70) ist das durch eine in verständigen Grenzen gehaltene Verminderung der Stärke, oder (wie in Nr. 27, Fig. 62) durch gänzliche Trennung der rechts und links liegenden Teile der Pole geschehen. Um eine Schwächung der Konstruktion in mechanischer Hinsicht zu vermeiden, ist häufig, wie in Fig. L43, eine dünne Rippe

im Guß zur Verstärkung angeordnet. Noch eine andere Methode, ■die’.vom Verfasser vor einigen Jahren angegeben wurde, besteht darin, die Feldmagnete aus Eisenstücken mit Längszwischenräumen aufzubauen, wie in Fig. 144 dargestellt.

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Fig. 143. Feldmagnet mit V-förmigen Einschnürungen und Ausgleichspolen.

Diese und ähnliche Gedanken sind in vielen neueren Ausführungen, besonders in einigen der neuesten Bahnmotoren der Westinghouse-Gesellschaft verkörpert worden.

Eine weitere vom Yerfasser angegebene Abänderung ist die in Fig. 145 dargestellte Anbringung eines schräg im Polstück angebrachten

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Fig. 144. Feldmagnete mit Längsschlitzen.

Fig. 145. Feldmagnete mit schrägen Schlitzen.

Schlitzes; dadurch wird der hintere Teil des Polstückes stark gesättigt, bietet großen Widerstand und hindert die Verzerrung des Beides.

Die auf Tafel XIII dargestellte Anordnung rührt von Fischinger her; die nach vorn liegende Polspitze besteht aus Gußeisen und ist mit dem Stahlgußpolkern schräg verbolzt.

Anbringung einer besonderen Wickelung.

Eli hu Thomson schlug vor, eine Wickelung auf einen besonderen, den Anker umgebenden Rahmen aufzubringen und sie in

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(d) Fischer-Hinnen.

(c) S. P. Thompson.

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(h) Hutin & Leblanc.

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Fig. 146. Verschiedene Anordnungen zur funkenlosen Stromabnahme.

(a) Swinburne.

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(e) Sayers.

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einer gegen die Umdrehungsrichtung schräg liegenden Eichtling zu neigen, damit sie teilweise dem Querfelde entgegenwirkte. S winburne⁸) riet, eine kleine (in Reihe geschaltete) Hilfswickelung auf die Polspitzen zu bringen, wie in Pig. 146a dargestellt, welche an dieser Stelle ein entgegengerichtetes Feld erzeugen sollte. Math er⁹), Housman¹⁰) und Swinburne¹¹) befürworteten auch die Verwendung von Hilfspolen, welche, rechtwinklig zu den Hauptpolen gerichtet und mit Hauptschluß Wickelung versehen, der Ankerkraft entgegenwirken sollten (Fig. 143). Verfasser dieses Buches schlug eine zusammengesetzte Wickelung vor, bei der Hauptschluß- und Hebenschlußpole unter spitzen Winkeln angeordnet waren (Fig. 146 c), so daß in dem Maße, wie die Gegenwirkung des Ankers das Feld vorwärts zu verschieben strebte, letzteres sich selbsttätig rückwärts verschieben sollte. Menges¹²) schlug 1884 eine Wickelung vor (Fig. 146 6), bei der die HilfsWindungen so angebracht waren, dass sie ein rechtwinkelig gegen das Hauptfeld gerichtetes Nebenfeld erzeugten. Er gab noch eine Anordnung an, wobei in Reihen geschaltete Windungen auf den Polteilen einer Maschine mit doppeltem magnetischen Kreise angeordnet waren (Fig.146/'). Fischer-Hinnen¹³) bringt diese Hilfswickelung in einer im Mittelpunkt der Poloberfläche (Fig. 146 d) liegenden Nut an, eine Bauart, welche unabhängig von ihm auch Forbes, Mordey und der Verfasser ersannen.

Elihu Thomson¹⁴) hat kürzlich eine andere Lösung vorgeschlagen, bei welcher er im rechten Winkel zum Anker unbewickelte Pole anwendet, durch welche er die Querströmung ab- und von hinten in die bewickelten Pole hineinleitet, dadurch das Feld stärkend, statt es zu schwächen.

Die vollständigste Lösung hat indessen Ryan¹⁵) gegeben. Er legt eine Anzahl Windungen in Schlitze ein, die in die Poloberflächen parallel der Achse eingeschnitten sind, und welche in Reihen hintereinander verbunden annähernd eine neutralisierende Lage von Wickelungen bilden, mit einem Stromumlauf gleich und entgegengesetzt gerichtet dem Ankerstrome. Fig. 147 zeigt eine neuere Aus-

Fig. 147. Ryans Maschine mit querliegender Hilfswickelung.

führung von Ryan mit den in Schlitzen untergebrachten Wickelungen; vergl. auch Fig. 482. Bei solchen Maschinen fällt weder die Magnetisierung mit wachsender Belastung, noch verschiebt sich der neutrale Punkt. Ferner kann der Luftzwischenraum sehr klein gemacht und so

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Fig. 148. Ryans Ausgleichsmethode.

das Gewicht der Feldmagnete vermindert werden. Der gänzliche Fortfall jeder Störung des Feldes bei allen Belastungen ist ein Gewinn; es scheint aber für eine vollständig funkenlose Stromabnahme besser zu sein, ein geeignetes Feld besonders vorzusehen, als sich von der Möglichkeit abhängig zu machen, ein solches irgendwo in der Nähe der Polspitzen zu finden. Dies schlägt Ryan vor, in der in Fig. 148 gezeigten Weise auszuführen, daß der Raum zwischen den Polen C

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Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

und D durch eine Eisenkonstruktion überbrlickt wird, die bei klninop Aufnahme einer Ausgleichswickelung geschlitzt und mit einem besonderen, dem Zwecke der Stromumkehrung dienenden Zinken g in der Mitte dieser Wickelung versehen ist. Ist die Maschine unbelastet, so ist dieser Zinken ohne Magnetismus; sobald aber die Belastung steigt, strebt die Zahl der Amperewindungen in dieser Ausgleichswickelung, soweit sie über die Zahl der das Querfeld erzeugenden Amperewindungen des Ankers hinausreicht, den Zinken in der Richtung des Pfeiles zu magnetisieren, so ein zur Stromwendung geeignetes Feld schaffend, welches fast dem umzuwendenden Strome proportional ist. Déri hat diesen Vorschlag wieder aufgenommen; er benutzte als Feldmagnet eine dem Ständer eines Zwei phasenmotors gleichende geblätterte Konstruktion.

zur

Hutin und Le Blanc haben vorgeschlagen, die Funkenbildung zu hindern durch Anwendung einer von ihnen » ammortisseur « ge-genannten Vorrichtung, welche darin besteht, daß eine Reihe von Kupferstäben durch Löcher in den Polstirnflächen gesteckt und an den beiderseitigen Enden durch zwei Kupferringe miteinander verbunden, also kurzgeschlossen wird (Fig. 146/^). Diese Anordnung soll Schwankungen in der Richtung der Kraftlinien verhindern, die bei der Stromumkehrung eintreten. Sie findet auch mit Hutzen Anwendung bei Wechselstrommaschinen, wo sie einen guten Parallel betrieb erleichtert.

Zusammendrängung des Feldes.

Es gibt noch einige andere Methoden, an dem führenden Rande der Pole die erforderliche Konzentration des Feldes zu sichern. Es ist natürlich wünschenswert, daß das Feld magnetisch starr, d. h. nicht leicht zu verzerren sei. Diese Steifigkeit des Feldes kann zum Teil durch    sorgfältige Formgebung    der    Polstücke    erreicht

werden. Eine einfache Ausbuchtung in den Polflächen, wie in der Fig. 146 e dargestellt, bewirkt eine Konzentration des Feldes an der Spitze. Wenn die    Spitze selbst nahezu gesättigt    ist, kann    die Verzerrung nicht so    groß werden, als wenn    dies    nicht der    Fall ist.

Spitzen, welche, wie in Fig. 149 a, weit ausgedehnt sind, sind nicht immer gut, selbst wenn sie dünn sind. Es ist dann besser, sie so breit auszugestalten, daß sie fast Zusammentreffen, wie in Fig. 149 6, so daß sie sich noch durch das zerstreute Feld sättigen, oder sie sonst abzuschneiden, wie in Fig. 149 c. Dobrowolsky empfiehlt, die Pole wie in    Fig. 149 d zu gestalten,    bei    welcher Form die

Wickelung vollständig von Eisen umgeben ist.

In den 80er Jahren schlug Gravier die in Fig. 150 dargestellte unsymmetrische Polform vor, bei welcher das vordere Horn verlängert, das hintere verkürzt war. Bei kleinen Belastungen ist hierbei das Feld im Zwischenraum nahezu gleichmäßig, bei starken

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¹

Vergl. Housman, Journ. Inst. El. Engin., May 1893 und E.Thomas, Electrician, Februar 1898. Wegen einer ausführlicheren theoretischen Behandlung vergl. die beiden Abhandlungen von Hawkins (teilweise im Electrician 1897, 1898 abgedruckt) über Ankerreaktion und die Theorie der Stromumkehrung, London 1897 und Die Theorie der Stromumwendung, London 1898. Ferner Arnold: Die Gleichstrommaschine 1902. Endlich sind noch Rothers Artikel in der Elektrotechnischen Zeitschrift wichtig.

²

Vergl. Electrician, Bd. 40, S. 861 (22. April) und Bd. 42, S. 328 {30. Dezember 1898).

³

Bull. Soc. Internat, des Électriciens, Bd. 15, S. 183, März 1898.

15*

⁴

   Vergl. auch Ob erb eck, Habilitationsschrift, 1878.

⁵

   Electrician, Bd. 25, S. in. 1890.

⁶

   Stromberg, Centralblatt für Elektrotechnik, Bd. 9, S. 282. 1887.

⁷

Hopkinson, Phil. Trans. 1886; auch in Hopkinsons Original Papers 1893, S. 105.

⁸

Journ. Soc. Telegr. Eng., Bd. 15, S. 542. 1886.

⁹

   La Lumière Electrique, Bd. 19, S. 404. 1885.

¹⁰

   Journ. Inst. El. Eng., Bd. 20, S. 299. 1891,

¹¹

   Vergl. Swinburne (Journ. Inst. El. Eng., Bd. 30, S. 105. 1890); und Housman (ebenda Bd. 20, S. 299. 1891), welcher behauptet, daß, wenn 33 = 7000 unter dem Polstück, das Hilfsfeld wenigstens gleich 3000 sein muß.

¹²

   D. R. P. Nr. 34465.

¹³

   Berechnung elektrischer Gleichstrommaschinen (Zürich, 1892).

¹⁴

   Electrical Review (N. Y.), Bd. 27, vom 18. Juli 1895.

¹⁵

   ,,On a Method of Balancing Armature Reaction“, Sibley Journal of Engineering, Bd. 7, vom 17. Oktober 1892; vergl. auch Ryan und M. E. Thompson, Amer. Inst. of. Electr. Engin. 1895, wo die Ergebnisse von Untersuchungen solcher Maschinen gegeben sind: abgedruckt im Electrician, Bd. 34, S. 765, vom 19. April 1895. Vergl. ferner einen Artikel von Fischer-Hinnen über diesen Gegenstand im Electrician, vom 14. Januar 1898.

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Fig 149. Verschiedene Formen von Polspitzen.

Belastungen mit störenden Gegenwirkungen werden die Kraftlinien in das vordere Horn zusammengedrängt, dessen kleinerer Querschnitt dadurch stärker gesättigt wird und der Verzerrung mehr entgegenwirkt.

Fig. 150. Unsymmetrische Pole.

Lund eil vereinigte mit dieser Anordnung das Schlitzen der Pole und gab denselben die aus der Fig. 151 erkennbare Form, welche sehr zweckentsprechend sein und eine Feststellung der Bürsten ermöglichen soll. Ein noch einfacherer Vorschlag geht dahin, die Polschuhe aus Gußeisen und die Polkerne aus Stahlguß oder aus geblättertem Eisen zu machen.

Die beschriebenen Formen weichen außerordentlich voneinander

ab, was den Baum anbetrifft für die Ausbreitung des magnetischen Feldes zwischen den Spitzen. Es ist von Vorteil, wenn das Feld da, wo die Leiter eintreten, einen Raum darbietet, wo die Kraftdichte von Null bis zu einem hohen Werte anwachsen kann. Ist dieser Raum zu gering, so wird zwar der neutrale Punkt sehr scharf bestimmt sein, aber die Bürsten müssen alsdann auch sehr genau eingestellt werden. Ist dieser Raum zu groß, so wird auch die Bürsten-

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Verschiebung bei verschiedenen Belastungen zu groß. Ein Weg, einen genügenden Spielraum für die Ausbreitung des Feldes zwischen den Spitzen und gleichzeitig eine genügende Steifigkeit gegen Verzerrung zu erreichen, besteht darin, die Poloberflächen nach einem größeren Radius auszudrehen, so daß der Zwischenraum am mittleren Teile enger ist als an den Polspitzen, wie in Fig. 152 dargestellt ist. Eine andere Methode, welche Brown bei seinen vielpoligen Maschinen (Fig. 403) als gut erkannt hat, besteht darin, die innen

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Fig. 152. Exzentrisch ausgebohrte Polflächen

Fig. 151. Lund élis Polschuh.

vorstehenden Pole zwar kreisförmig auszudrehen, jedoch von Polschuhen oder Polerweiterungen völlig abzusehen. Die Endfläche der Pole bietet, wenn sie ausgedreht ist, eine genügende Ausdehnung der Spitzen dar und sichert ein wohl abgemessenes Peld von genügender Steifigkeit. Yergl. auch Fig. 450.

Fig- 153 c.

Polschuhe mit schrägen, vieleckigen und gezahnten Rändern.

Fig. 153 a.

Fig- I53b-

Eine andere Anordnung zur Sicherung eines allmählichen Eintritts der Leiter in das Feld besteht darin, daß dem hinteren Rande-des Polschuhes eine schräge Kichtung gegeben wird. Diese Anordnung ist in Fig. 153a, ferner bei der Maschine von Kolben (Tafel XVIII) und manchen Maschinen von Schuckert zu sehen. Die Polschuhe werden auch wie bei der Maschine von Parshall (Fig. 153 b> und Tafel X) mit polygonalen, oder wde bei der Maschine der English, Electric Manufacturing Co. (Fig. 442 und 153 c) mit gezahnten Enden versehen. Eine neuere, von Ganz & Co. angewendete Form mit geblätterten Polen, deren Spitzen in abwechselnden Lagen weggeschnitten sind, ist in Tafel XXIII dargestellt. Bei den beiden, letztgenannten Ausführungen unterstützt die starke Sättigung der Spitzen das Unterdrücken der Verzerrung.

Marshall¹) schlug vor, diese Sättigung dadurch zu erreichen daß die Poloberflächen aus Gruppen von kurzen geblätterten Eisenplatten hergestellt werden, die zwischen sich schmale Zwischenräume besitzen, wodurch der Nettoquerschnitt vermindert wird unter annähernder Aufrechterhaltung der wirksamen Poloberfläche.

Selbstausgleichende Wickelungen.

Wenden wir uns nun zu denVersuchen, den Anker selbst zur Ausgleichung zu benutzen, so finden wir auch hier verschiedene Vorschläge. Swinburnes Sehnenwickelung (Kap. XIII, Pig. 207) vermindert die entmagnetisierende, nicht aber die quermagnetisierende Kraft. Sie hat den Nachteil, daß die beiden Enden jeder Abteilung nicht im gleichen Moment in das umkehrende Feld gelangen, und ist daher bei Maschinen mit grosser Leistung und geringem Spielraum zur Verschiebung der Bürsten nicht bequem zu behandeln. Ihre Aufgabe ist, eine Maschine zu liefern, welche bis zur Grenze der Funkenbildung eine so geringe entmagnetisierende Gegenwirkung hat, daß es nicht notwendig ist, die Erregung zu steigern, wenn die Belastung wächst. Mordey²) hat eine abgeänderte Hilfswickelung vorgeschlagen, die bei geschlitzten Ankern viele Vorteile bieten soll.

Die besten Vorschläge stammen von Sayers³), welcher die Stäbe des Stromabgebers mit passenden Punkten der Ring- oder Trommelwickelung verbindet, und zwar nicht direkt durch gewöhnliche radiale Verbindungsstücke, sondern durch Ausgleichswickelungen, welche ebenfalls auf den Anker aufgewickelt sind. Eine dieser Stromabgeberwickelungen ist in Fig. 154 dargestellt; das eine Ende ist mit der Verbindungsstelle zwischen zwei Hauptwickelungs-spuien vereinigt, das andere an eine Stromabgeberschiene gelegt. In dem Augenblick, bevor die Schiene mit der Bürste in Kontakt tritt, wird der ganze Ankerstrom durch eine oberhalb der dargestellten Wickelungsabteilung liegende Stromabgeberwickelung aufgenommen. Wenn die Kante der Bürste den Stromabgeberstab berührt, befindet sich das linke Ende der zugehörigen Stromabgeberwickelung gerade unter der Polspitze, so daß sie bereit ist, den

Strom aufzunehmen; während nun die Stromabgeberspule vorrückt, gelangt ihre rechte Seite gerade unter den Hilfspol, wodurch das Bestreben entsteht, den Strom anzuhalten und ihn in dem zwischenliegenden Teil der Hauptwickelung umzukehren.

Die Stromabgeberwickelung hat in der Fig. 154 gerade den Strom aufgenommen. Im nächsten Augenblicke wird ihre rechte Seite unter den Hilfspol kommen, der den Strom in ihr anhalten und ihn zur nächsten Stromabgeberwickelung führen wird. Zuweilen ist der Hilfspol gewickelt wie in Fig. 143. Der Hauptvorteil der

Stütze aus Messing

Ijiii^iiiilSg

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\\\

ll

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Fig. 154. Kompensationswickelung von Sayers mit Kommutatorspulen.

Wickelung von Sayers besteht darin, daß man bei ihr den Bürsten, statt sie vorwärts zu verstellen, eine nach rückwärts liegende Stellung geben kann, wodurch der Ankerstrom eine günstige magnetisierende Wirkung ausübt, so daß die Notwendigkeit einer Yerbundwickelung auf den Feldmagneten entfällt.

Hobart⁴) hat eine Untersuchung über die Beziehung zwischen Bürstenstellung und Ankerrückwirkung angestellt, in welcher er die Möglichkeit begründet, die Stromerzeuger durch eine Bückwärts-verschiebung der Bürsten selbstregelnd zu machen.

Es ist eine offene Frage, ob irgend eine der oben beschriebenen Anordnungen jemals zur allgemeinen Anwendung kommen wird, ausgenommen vielleicht für kleine Maschinen. Denn die Prüfung der

größten neueren Maschinen, über deren günstige Leistung kein Zweifel bestehen kann, zeigt, daß in allen Fällen die Grenze der Erwärmung eher erreicht ist als der Punkt, bei welchem das Funken beginnt. Das Funken wird bei diesen Maschinen durch sorgfältigen Entwurf und vielpolige Bauart vermieden.

Die wichtigsten zu beobachtenden Punkte sind folgende:

1.    Die Zahl der Amperewindungen darf für Maschinen bestimmter Form einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Dies bedingt vielpolige Bauart. Im Mittel darf die Zahl der Amperewindungen des Ankers nicht über 10000 für einen Pol herausgehen, vorausgesetzt, daß die mittlere Spannung zwischen zwei Stromabgeberstäben 10 Volt nicht übersteigt; oder 20000, wenn die letztere Spannung 5 Volt nicht übersteigt.

2.    Größere Luftzwischenräume sind nicht erforderlich, wenn die Ankerzähne sehr hoch gesättigt sind, denn dadurch wrerden Ent-und Quermagnetisierung herabgedrückt. Eine Kraftliniendichte von 20000 bis 23000 (scheinbaren) Linien auf 1 cm² ist meist passend.

3.    Die Anker sind in axialer Richtung möglichst kurz zu halten ; vergl. S. 227, Bedingung 2.

4.    Die Induktanz der kurzgeschlossenen Spulen muß im Verhältnis zum Kontaktwiderstand klein sein, gleichzeitig die Stromdichte in den Bürsten gewisse genau bestimmbare Grenzen nicht überschreiten. Naturgemäß sind diese Größen nicht voneinander unabhängig

Reaktanz Spannung.

Parshall¹) legt einer Größe, die er Reaktanzspannung^ nennt, eine sehr große Bedeutung bei, er hält sie für die entscheidende bei der Frage, ob eine neu entworfene Maschine ihren Strom funkenfrei kommutieren wird oder nicht. Sein Gedankengang ist der folgende:

Während der Umkehrung muß der Strom jeder Spule auf Null, dann in seiner Richtung umgekehrt und wieder auf den früheren Wert gebracht werden. Dies erfordert eine gewisse Zeit, denn jeder Änderung der Stromstärke in einem Leiter wird durch die Selbstinduktion entgegengewirkt, und wenn die Leiter, wie bei Ankern meist, von Eisen umgeben sind, so wird die Selbstinduktion der Leiter die Spule wie eine Drosselspule wirken lassen und die Umkehrung des Stromes durch gegenelektromotorische Kräfte verzögern. Wie man nun bei Drosselspulen die von der Reaktanz bei einem Wechselströme von gegebener Frequenz herrührende Spannung be-

rechnen kann, so können wir auch hier unter der Annahme, daß die Stromänderungen während der Umkehrung als eine halbe Periode eines Wechselstromes angesehen werden können, die Reaktanzspannung berechnen, wenn der Koeffizient der Selbstinduktion der Leiterspule, deren Strom umgekehrt werden soll, bekannt ist. Bei einer Drosselspule, deren Selbstinduktionskoëffizient L Henry beträgt, ist die Reaktanzspannung für einen Strom von i Ampere und n Perioden in der Sekunde = 2r.niL.

Um diese Berechnung auf den vorliegenden Fall anzuwenden, müssen wir zunächst wissen, wie a) die gleichwertige Frequenz der Umkehrung und b) der Selbstinduktionskoëffizient zu ermitteln sind. .Teilen wir die Breite einer Bürste durch die Umfangsgeschwindigkeit des Kommutators, so erhalten wir die für eine Stromumkehrung erforderliche Zeit; verdoppeln wir diese, so erhalten wir die gleichwertige Periode, deren reziproker Wert die entsprechende Frequenz ist. Wenn wir ferner die Zahl der Kraftlinien, die von 1 A in 1 cm Länge des Leiters in dem umgebenden Raum (Luft und Eisen) erzeugt werden *), kennen, so erhalten wür daraus die Zahl der selbstinduzierten Linien der wirklichen Schleife durch Multiplikation mit der Stromstärke und der Länge der eingebetteten Teile. Werden gleichzeitig mehrere Windungen unter der Bürste kommutiert, so ist auch noch mit der Zahl der Windungen zu multiplizieren. Dividieren wir diese Zahl der Kraftlinien durch 10⁸, so haben wir die Selbstinduktion in Henry ausgedrückt. Aus diesen Angaben ist nun die Reaktanzspannung leicht zu berechnen.

Beispiel: Der später beschriebene Bahnmotor von Parshall (500 KW) hat einen parallel gewickelten Anker mit 300 Schlitzen von je sechs Leitern und führt 100 Ampere. Der Kommutator hat 900 Segmente mit je einer Windung, sein Durchmesser ist 218 cm, sein Umfang 690 cm und seine Umfangsgeschwindigkeit bei 90 Umdrehungen in der Minute gleich 1020 cm in der Sekunde. Die Kohlenbürsten sind etwa 2 cm breit und bedecken daher etwa drei Segmente, so daß also gleichzeitig drei Schleifen oder sechs Leiter kurzgeschlossen werden. Die Bruttolänge des Kernkörpers ist etwa 52 cm.

Nehmen wir an, daß zehn Linien auf 1 Ampere und 1 cm Leiterlänge erzeugt werden, so werden auf 52 cm Länge 520, und

l) Nach Parshall sind vier Linien für i Ampere und x cm Länge des •eingebetteten Leiters und o,8 Linien bei einem von Luft umgebenen Leiter zu rechnen. Rothert gibt 8 Linien für i Ampere und i cm Länge des eingebetteten Leiters an.

bei sechs Leitern rund 3120 Linien für 1 Ampere erzeugt. Dies durch 10⁸ dividiert, ergibt 0,0000312 Henry als den Selbstinduk-tionskoëffizienten der Spule. Die zur Umkehrung des Stromes verfügbare Zeit ist —1,9 (d.h. 2 cm weniger der Dicke eines Isolationsstückes) geteilt durch die Umfangsgeschwindigkeit von 1020 cm, also

gleich 0,00186

5ÏÔ ^e^un^e‘ Eine Umkehrung ist gleich einer

halben Periode, die Dauer einer Periode ist demnach =

2Yq Sekunde,

also die gleichwertige Frequenz der Umkehrung = 270 in 1 Sekunde. Hieraus ergibt sich die Reaktanzspannung

E= 2 izniL = 2-3,1416.270.100-0,0000312 = 5,3 Volt. Wenn nun während der Stromumkehrung in einer Schleife ■eine solche Reaktanzspannung erzeugt wird, muß zur Überwindung dieser der Umkehrung entgegenwirkenden Spannung in der Schleife •eine wenigstens ebenso große elektromotorische Kraft erzeugt werden. Diese umkehrende elektromotorische Kraft ist eben die, welche durch die in dem von den Polspitzen ausgehenden Streufelde stattfindende Umkehrung herrührt. Um sicher zu sein, dass die Umkehrung auch wirklich in der verfügbaren Zeit stattfindet, wird die umkehrende elektromotorische Kraft erheblich größer genommen als die Reaktanzspannung. In dem obigen Beispiel betrug letztere 5,3Yolt, die gegenelektromotorische Kraft für ein Segment dagegen 6,1 Volt.

Ein Hindernis für die Einführung des Begriffes der Reaktanzspannung bildet der Umstand, daß er auf einer Annahme begründet ist, die in Wirklichkeit nicht gerechtfertigt ist, daß nämlich der Strom während der Zeit der Umkehrung dem Sinusgesetz folgt. Die Untersuchungen von Everett und Peake⁵), und von Allen⁶) zeigen, daß das Gesetz der Änderung viel verwickelter und die Reaktanzspannung im allgemeinen höher ist, als sie die Berechnung auf Grund der genannten Annahme ergibt. Ferner ist das Vorhandensein einer genügend starken Gegenspannung nicht von der durchschnittselektromotorischen Kraft eines Kommutatorsegmentes abhängig, sondern von der elektromotorischen Kraft, die in der einzelnen Schleife induziert wird, während sie gerade das Feld an der Polspitze durchläuft.

Nach Hobartx) kann die Selbstinduktion des freien (also nicht eingebetteten) Teiles der Ankerwickelung beträchtlich sein. Bei manchen vielpoligen Ankern ist die Länge dieses Teiles das Drei-bis Vierfache des eingebetteten Teiles, und da die Induktanz für 1 Ampere und 1 cm des freien Teiles = ⁷/4; bis ⁷/₆ von der des eingebetteten Teiles ist, kann die wirkliche Induktanz des freien Teils 25 bis 40 Prozent der gesamten Induktanz einer Schleife sein.

Roth er t⁸) gibt folgende Regel zur Berechnung der Reaktanz

£.(ET).P'-f-0,lP'₂)

(D-p-c

X⁸-(l“ -\- 0,1 l“₂)iln

spannung

und

er = 20,8 •

er = 20,8 • 10~⁸

worin S die Drahtzahl für eine Ankerspule, N die gesamte Drahtzahl, EI die Leistung der Maschine in Watt, ix der Strom in einem Draht, l‘‘ die in Eisen gebettete, P₂ die freie Länge eines Ankerdrahtes, CD die Kraftlinienmenge für einen Pol, p die Zahl der Polpaare, c die Zahl der parallelen Stromwege im Anker, n die Tourenzahl (für die Minute) und K die Lamellenzahl bedeuten.

Die Ansicht der Ingenieure scheint zu sein, daß beim Gebrauch der Kupferbürsten die Reaktanzspannung nicht größer sein darf, als die Hälfte der mittleren elektromotorischen Kraft für ein Segment, während bei Kohlebürsten sie für Stromerzeuger 1,2 mal, bei Motoren sogar 1,8 mal so groß werden darf.

Merkmale einer guten Stromumkehrung.

Wer sich auf Erfahrungen an ausgeführten, bestimmten Maschinenformen stützen kann, ist wohl im stände, aus den Zeichnungen und Konstruktionsangaben eines Entwurfs mit Sicherheit vorherzusagen, ob die Stromumkehrung bei der bestimmten Belastung funkenfrei erfolgen wird oder nicht. Solche empirische Regeln sind bei vorsichtiger Verwendung oft von großem Werte. Eine vielbenutzte und bequeme Regel ist die, daß die Kraftliniendichte unter dem rückwärts gelegenen Polhorn auf 1 cm⁸ mindestens 3100 Linien bei Ringankern und 2000 Linien bei Trommelankern erreichen soll. Wenn Xe die Zahl der Amperewindungen für jedes Polpaar und den doppelten Luftzwischenraum bezeichnet, und Xq die

Zahl der quermagnetisierenden Amperewindungen (gleich der Zahl der unter einem Pol liegenden Leiter multipliziert mit der in ihnen fließenden Stromstärke), so ist ^Xe — Xq

>2000 bis 3100

-Xe

zu nehmen, worin S3e die Kraftliniendichte im Luftzwischenraum ist.

Bei Bahn- und sonstigen Motoren, bei denen die Drehungsrichtung umkehrbar sein muß, muß dieser Wert höher bemessen werden, und zwar von 4000 bis 4600. Solche empirische Kegel kann sich bei Maschinen von bestimmter Bauart, deren Wicke-lungs- und magnetische Verhältnisse sich mit der Größe der Maschine nicht stark ändern, recht nützlich erweisen, ihr Anwendungsgebiet ist aber naturgemäß begrenzt.

Eine für große Generatoren von 400 bis 600 Volt Spannung für Beleuchtungs- und Zugzwecke recht bewährte Regel ist folgender Ist die von jedem Bürstensatz aufzunehmende Stromstärke nicht höher als 200 Ampere, ist die Kraftliniendichte durchschnittlich in den Luftzwischenräumen nicht geringer als 6200 Linien auf 1 cm² und sind ferner die Zähne gut gesättigt, so wird die Maschine funkenfrei arbeiten, wenn die Zahl der Ampereleiter 250 auf 1 cm des Ankerumfanges nicht übersteigt. Diese Zahl schwankt bei den in diesem Werke beschriebenen Maschinen zwischen 140 und 280. Parshall berichtet, daß bei einer zwölfpoligen Maschine dieser Wert = 285, und bei einer zehnpoligen Maschine sogar 330 betrug, diese Maschinen würden aber nicht bei allen Belastungen mit festen Bürsten funkenfrei laufen.

Ein gutes Merkmal ist das Verhältnis der Kraftliniendichte im Luftspalt zur Zahl der Ampereleiter auf 1 cm Umfang. Die erstem hat gewöhnlich einen Wert von etwa 20000 Linien, während letztere gewöhnlich zwischen 200 und 240 liegt. Das Verhältnis beider zueinander, das wir kurz „Dichteverhältnis“ nennen wollen, beträgt also 80 bis 100. Ist das Dichteverhältnis größer, so wird die-Maschine unnötig schwer, ist es kleiner, so werden bei hohen Belastungen Funken entstehen.

Ein weiteres Merkmal für die Güte der Kommutierung bildet ein Vergleich des Dichte Verhältnisses mit der Spannung eines Kommutatorsegmentes. Die letztere ist von der Spannung der Maschinen abhängig. Bei Maschinen von 100 Volt kann die Segmentspannung zu 3 Volt genommen werden, das Dichteverhältnis (zu 80 bis 100' genommen) geteilt durch die Segmentspannung gibt das Umkehr-

Verhältnis, hier 27 bis 33. Bei 500 Yolt-Maschinen, bei welchen die Segmentspannung zu etwa 6 Yolt genommen werden kann, ist das Umkehrverhältnis 13 bis 16. Niedrigere Werte sind bedenklich.

Man kann auch die Amperewindungen der Erregung bei voller Belastung mit der Zahl der unter einer Polfläche liegenden Ampereleiter vergleichen. Das ist in Wirklichkeit ein Yergleich der das Peld störenden Amperewindungen mit der dagegen wirkenden magnetomotorischen Kraft. Einige Beispiele mögen das erläutern.

Bei der später beschriebenen 500 Kilowatt - Maschine von Parshall beträgt die Zahl der Amperewindungen 6600, während 14400 Ampereleiter von einem Pol gedeckt werden, so daß das Yerhältnis beider 0,45 beträgt.

Bei der ebenfalls später beschriebenen 150 Kilowatt-Maschine von Scott und Mountain sind 8350 Amperewindungen und 13000 Ampereleiter vorhanden, so daß hier das Yerhältnis beider =0,64 ist.

Yon Kapp rühren folgende beide Regeln her.

Es bezeichne:

23₃ die Kraftliniendichte für 1 cm² im Luftzwischenraum,

W₀ die Zahl der Ampereleiter auf 1 cm des Ankerumfanges, K die Zahl der Segmente,

k die Zahl der gleichzeitig von der Bürste kurzgeschlossenen

Segmente,

Yx und Y₂ empirisch ermittelte Zahlen,

g die Breite des Luftspaltes in Centimetern (von Eisen zu

Eisen),

d den Ankerdurchmesser in Centimetern.

Dann soll sein Y₁

worin Y* für Trommelanker nicht

23 3-A

'unter 15, für Ringanker nicht unter 24 sein darf; ferner Y₂

K-g

d( 1 — k)'

worin Y₂ für Metallbürsten nicht unter 1,2, für Kohlebürsten nicht ■unter 0,6 sein darf, wenn die Maschine funkenfrei arbeiten soll.

Nach Oerlikon wird eine sonst gut entworfene Maschine nicht funken, wenn die Segmentspannung nicht über 8 Yolt und die Zahl ■der Ampereleiter für einen Pol nicht über 10000 hinausgeht.

Kapitel XL

Elementare Theorie der Dynamomaschine.

Magneto-Maschinen und fremderregte Maschinen. Maschinen mit Selbsterregung.

Der Anker wird in dem Folgenden lediglich als eine gewisse Zahl N von Leitern betrachtet, die in besonderer Weise um die Drehungsachse angeordnet sind, und deren Aufgabe es bildet, eine bestimmte Menge magnetischer Kraftlinien, die dem magnetischen Kreise entstammen, zu schneiden.

Das Zeichen CD bedeutet die auf einen Pol entfallende Kraftlinienmenge, d. h. die gesamte Menge der magnetischen Kraftlinien, die den Luftzwischenraum von oder nach einem Pole hin durchsetzen.

Die Zahl der Umläufe des Ankers in der Sekunde wird durch den Buchstaben n bezeichnet.

Man findet, daß die vom Anker erzeugte durchschnittliche elektromotorische Kraft einfach proportional jeder der drei genannten Größen ist, so daß wir bei der Wahl geeigneter Einheiten als Grundgleichung aufstellen können:

E (im Durchschnitt) = wjVCP/10⁸.....(I).

Im vorliegenden Kapitel wird zunächst ein Ausdruck für die durchschnittliche Größe der elektromotorischen Kraft gefunden; dieser Ausdruck dient als Grundgleichung für alle Maschinen. Durch Einführung von Näherungsformeln für die verschiedenen Kreise werden dann Gleichungen für die verschiedenen Arten der Reihenmaschinen, Nebenschlußmaschinen und Verbundmaschinen hergeleitet werden.

Bezeichnungen.

In diesem und den folgenden Kapiteln finden die nachstehenden Buchstaben für die angegebenen Größen Verwendung:

b Anzahl der äußeren Drähte in einer Abteilung des Ankers. c Zahl der parallelen Stromkreise im Anker.

D Drehungsmoment oder statisches Moment in Dyne - Centimeter, Gratnme-Centimeter, Kilogramm-Meter, je nach Umständen.

E gesamte in einem Anker erzeugte elektromotorische Kraft, e Spannungsverlust 7] der nutzbare Wirkungsgrad.

7]₁ ökonomischer Koëffizient oder elektrisches Güteverhältnis Tjj, der gesamte mechanische Wirkungsgrad F Kraft, ausgedrückt in Dynen oder Grammgewicht i Stromstärke im äußeren Kreise, ia Stromstärke im Anker, is Stromstärke im Nebenschlüsse,

im Stromstärke in der Reihenwickelung des Feldmagnetes, .

K Anzahl der Stäbe am Stromabgeber oder Stromwender.

L Koëffizient der Selbstinduktion.

\ Verschiebungswinkel.

M Spannung in Volt, die bei einer Umdrehung in der Sekunde erzeugt wird, Stärkefaktor.

p. Koëffizient der magnetischen Durchlässigkeit des Eisens.

N Anzahl der Ankerleiter, um den äußeren Umfang herum gezählt. n Zahl der Umläufe in der Sekunde, v Koëffizient der magnetischen Streuung.

P Leistung oder Arbeit in der Sekunde in Watt oder Pferdestärken.

2) Zahl der Polpaare.

R Widerstand des äußeren Stromkreises, ra Widerstand der Ankerwickelungen, rs Widerstand der Nebenschlußwickelungen, rm Widerstand der Reihenwickelung des Feldmagnetes, r Innerer Widerstand einer Maschine = ra -f- rm oder = ra -f- rs , v Umfangsgeschwindigkeit in Metern in der Sekunde.

S Zahl der Drahtwindungen einer Spule.

Sm Zahl der Drahtwindungen in der Feldmagnetwickelung, die mit der Ankerwickelung in Reihe geschaltet sind.

Ss Zahl der Windungen im Nebenschluß. t Zeit in Sekunden.

V Spannung an den Klemmen einer Dynamomaschine oder eines Elektromotors in Volt.

<i> Gesamtmenge der von einem Pol ausgehenden Kraftlinien.

4 Winkel des Polspannes.

u> Winkelgeschwindigkeit (in Radianten in der Sekunde).

in Volt.

}-

rk'rß-

in Ampere.

in Ohm.

Grundgleichung der Dynamomaschine.

Zur Bestimmung der durchschnittlichen elektromotorischen Kraft eines sich bewegenden Leiters benutzen wir die Erläuterung S. 63, wonach die Kraft in Einheiten des C. Gr. S.-Systems numerisch durch die Menge der Kraftlinien auszudrücken ist, die in einer Sekunde von dem Leiter geschnitten werden. Da die praktische Einheit

— das Yolt — gleich 10⁸ absoluten C. G.S.-Einheiten der elektromotorischen Kraft ist, so hat man zur Bestimmung der Anzahl Yolt die Zahl der C. G. S.-Einheiten durch 10⁸ zu dividieren. Wenn ferner, wie dies bei Maschinenankern zutrifft, eine Anzahl von Leitern hintereinandergeschaltet ist, so ist die gesamte elektromotorische Kraft der Dynamomaschine gleich der Summe der elektromotorischen Kräfte in jenen Leitern, die sich in Reihenschaltung befinden.

Die Grundgleichung lautet dann:

E (im Mittel) = nNO : 10⁸ (Yolt).....(I).

Die Zahl der Abteilungen werde mit K bezeichnet; die Anzahl der Teile oder Stäbe am Stromwender oder Stromabgeber wird demnach ebenfalls gleich K sein. In jeder Abteilung sollen sich b äußere Drähte oder Leiter befinden; die Leiter werden an der Außenseite des Ankerkernes gezählt. (In Ringankern wird sich eine gleiche Zahl äußerer Leiter, wie die Abteilung Schleifen oder Windungen besitzt, vorfinden; in Trommelankern sind doppelt so viel äußere Drähte als Schleifen oder Windungen in der Abteilung vorhanden.)

Die um den Anker gezählte Zahl Leiter oder Drähte wird demnach bK sein, wir setzen hierfür N. Die Zahl der äußeren Leiter oder Drähte, die sich von Bürste zu Bürste in Reihenschaltung be-

finden, ist gleich — oder -—.

Der Anker möge n Umläufe in der Sekunde machen. (Der Ingenieur rechnet gewöhnlich die Umdrehungen für die Minute und erhält dann durch Division mit 60 unseren Wert n.) Eine Um-

— Sekunde. Die Berechnung der

bK

drehung beansprucht demnach

= p O.

elektromotorischen Kraft stellt sich nun wie folgt: Anzahl der von einem äußeren Leiter während eines Umlaufes geschnittenen Linien (Jeder Draht schneidet sämtliche Linien bei allen Polen.)

— p n O.

Anzahl der von einem äußeren Draht in einer Sekunde geschnittenen Linien N

Anzahl der von — äußerer Drähte (in Reihe ge-

CD A

schaltet) in einer Sekunde geschnittenen Linien =pn——

— n ON- —

Mittlere elektromotorische Kraft (in C. G. S.- Einheiten) = nN®—.

Mittlere elektromotorische Kraft (in Yolt)

n-O p

10⁸

•Mia).

Kraft (in Volt) =

(Ib). Man kann kurz auch E = nM(Ic)

Daher ist in parallel gewickelten Ankern, wo die Zahl der Ankerstromkreise gleich der der Pole ist, die mittlere elektromotorische nNO

10⁸

NG) p

schreiben, wo M für — gesetzt ist, d. i. die bei einer Umdrehung in der Sekunde bei ungestörtem Magnetismus erzeugte Spannung. Es ist M auch proportional dem Drehungsmoment für 1 Ampere und mag als Stärkefaktor bezeichnet werden.

Eine auf der Winkelgeschwindigkeit beruhende Grundgleichung ist für manche Zwecke sehr bequem. Sei cd die Winkelgeschwindigkeit, so ist

to = 2 m,

denn bei jeder Umdrehung wird der beschriebene Winkel 2 tt Kadianten oder 360 Grad betragen. Daraus folgt:

CD 2 7Ï

und

E (im Durchschnitt) =

. . (Id).

CD N O

2tt10⁸ *    ‘

Zu beachten bleibt, daß der Wert E eine Durchschnittsgröße ist; es hängt von der Bauart des Ankers ab, in welchen Grenzen der Wert während seines Umlaufes schwankt.

Wenn der Anker, wie in Eig. 155, nur zwei äußere Leiter in Form einer einfachen Schleife besäße, so würde die elektromotorische Kraft von Kuli bis zu einem Maximum schwanken. Bezeichnet man den untersten Punkt bei senkrechter Stellung der umlaufenden Schleife mit 0 Grad, so ist die Lage zur Linken der punktierten Schleife 90 Grad, falls die Drehung im Sinne des Uhrzeigers erfolgt. Die oberste Lage ist mit 180 Grad und die äußerste Lage zur Rechten mit 270 Grad zu bezeichnen. Die induzierte elektromotorische Kraft wird in der Schleife beim Durchgang durch die Lagen 0 Grad und 180 Grad gleich Null sein, denn in diesen Lagen gleiten die Leiter eher in der Richtung der Kraftlinien, als daß sie solche schneiden; ein Maximum findet beim Durchgang durch 90 Grad und 270 Grad statt. Wenn die Menge der wirklich eingeschlossenen Kraftlinien ein Minimum ist, so wird die Menge der in der Zeiteinheit geschnittenen oder eingeschlossenen Linien ein Maximum und umgekehrt (vergl. S. 181).

'S

In einem gleichförmigen Felde ist in irgend einer Zwischenlage die wirkliche Menge der eingeschlossenen Kraftlinien proportional dem Kosinus des Winkels, den die Wickelung von ihrer Nullage ab durchlaufen hat, die elektromotorische Kraft wird dem Sinus jenes-Winkels proportional. Genau genommen müßten wir den Sinus mit negativem Wert nehmen, um die elektromotorische Kraft darzustellen, weil nach der gebräuchlichen Auffassung die induzierte elektromotorische Kraft der Geschwindigkeit der Abnahme der eingeschlossenen Linienmenge proportional ist. Wir brauchen die Vorzeichen indessen nicht zu beachten, weil bei geeigneter Lage des Stromwenders sämtliche induzierten elektromotorischen Kräfte in derselben Richtung im äußeren Stromkreise wirken.

-_-S

Fig. 155. Einfachste Dynamomaschine.

Nehmen wir die Winkelgeschwindigkeit zu 2 7m, so ist der in t Sekunden durchlaufene Winkel gleich 2t-nt. Nennen wir diesen Winkel to, und rechnen wir ihn wie zuvor von dem tiefsten Punkte an, so berechnet sich die elektromotorische Kraft in der Windung zu irgend einer Zeit t wie folgt: Die Menge der eingeschlossenen Kraftlinien bei Drehung der Schleife um den Winkel fr ist = O cos & = CD cos 2r.nt\ die Geschwindigkeit des Schneidens während der Bewegung wird üj CD sin fr oder 2:mGbsinfr. Da der Mittelwert des sin fr in den

Grenzen 0 Grad bis 90 Grad =

elektromotorische Kraft einer Schleife

E—4:nQ in einer Sekunde.

Da ferner die Zahl der hintereinander geschalteten Schleifen bei einem zweipoligen Anker von Bürste zu Bürste i-W beträgt, so ist

n NO

~W~'

Falls die Wickelung aus einer Abteilung mit vielen Windungen besteht, wie die Siemenssche Längswickelung S. 52, Fig. 25, so gelten dieselben Formeln, indem man für N die passende Zahl einsetzt.

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

§ ist, so ergibt sich als mittlere

E (im Mittel)

Schwankungen der elektromotorischen Kraft.

Wie vorhin erläutert, ist die induzierte elektromotorische Kraft dem Sinus des Winkels proportional, um den die Wickelung sich gedreht hat, demnach

2xw<Z>sinfr 1

•ïA-

tt nNO sin fr

10⁸

(II).

E=2

Da fr von 0 bis 360 Grad wächst, so schwankt der Wert des Sinus von 0 bis 1. von 1 bis 0. von 0 bis — 1 und von — 1 bis 0.

woraus

10⁸

30’

2^0'

3äb•

Fig. 156. Sinuslinie als Kurve der elektromotorischen Kraft.

Die Werte des Sinus sind in der Fig. 156 dargestellt.

Diese Kurve kann zur Darstellung der Schwankungen der elektromotorischen Kraft dienen, wenn kein Stromwender vorhanden

0”

30"

180 •

210'

360-

Fig. 157. Kurve der elektromotorischen Kraft bei Gleichrichtung.

wäre. Durch die Wirksamkeit des letzteren werden die negativen Induktionen in die Richtung der positiven gebracht; die Bürsten werden so angeordnet, daß sie in dem Augenblicke, wo die umgekehrte Induktion beginnt, von einem Teile des Stromwenders auf den anderen hinüberschleifen. Dadurch erhält die Kurve die Form von Fig. 157, die zeigt, wie der Strom im Stromkreise einer alten Siemensschen Maschine (mit Längswickelung auf dem Anker) auf-und abschwankt. Könnten wir die wellenförmige Induktion in eine stetig wirkende verändern, so würden wir die in der Fig. 157

punktierte gerade Linie erhalten, die unterhalb eine rechteckige Fläche gleich der Summe der von den wellenförmigen Kurven gebildeten Flächen einschließt. Die Fläche würde eine Höhe von •der Größe des Durchschnittes der Höhen sämtlicher Kurvenpunkte besitzen. Da jede der wellenförmigen Kurven einen Teil einer

2    7

Sinuskurve bildet, so wird die Durchschnittshöhe — oder — der

TZ    11

größten Höhe betragen. Wegen der Selbstinduktion in den Wickelungen schwankt der Strom in Wirklichkeit nicht wie die Spannung, die Einsenkung zwischen den Kurven wird teilweise ausgefüllt⁹).

Schwankungen in einem Anker mit geschlossener Wickelung und mit Abteilungen.

Wie auf S. 57 und 58 erläutert worden ist, wickelt man aus baulichen Gründen Ankerwickelungen in zwei parallel verbundenen

''Jll

Fig. 158.

Fig- 159-

Trommelanker mit i, 2, 4 Spulen.

Fig. 160.

Sätzen. Bestände jede der beiden Wickelungen aus 100 Windungen, so würde die vereinigte Wirkung in betreff der Induktion elektromotorischer Kraft nicht größer sein, als wenn eine Wickelung allein tätig wäre, jedoch wird der innere Widerstand auf die Hälfte vermindert. Wir nehmen nunmehr an, daß die Ankerwickelungen aus Paaren von Wickelungen bestehen. Anstatt einer Spule mit 200 Windungen, wie in der Fig. 158 dargestellt ist, zerlegen wir solche in ein Spulenpaar, jede Spule von 100 Windungen, wie die Fig. 159 darstellt.

Um geringere Schwankungen zu erhalten, teilen wir jede einzelne Spule des Paares in zwei Teile und ordnen die Paare rechtwinkelig zueinander an. Seien z. B. 100 Windungen in jeder Wickelung ursprünglich vorhanden, so zerlegen wir jede der beiden Wickelungen in solche zu 50 Windungen, setzen diese aber kreuzweise im rechten Winkel zueinander, so daß ein Paar in die beste

Lage des Feldes gelangt, wenn das andere sich aus dieser entfernt Diese Anordnung gibt die Fig. 160 an, die mit Fig. 84 zu vergleichen ist. Wir werden nunmehr zwei sich überdeckende Kurven erhalten;, jede ist jedoch nur halb so hoch als vorher, weil die von der halben Windungszahl umwundene Fläche nur halb so groß als die frühere ist.

ad'

3ir

Fig. 161. Kurven der elektromotorischen Kraft der Wickelung nach Fig. 160 ohne Stromwender.

Wäre kein Stromwender vorhanden, so würde die elektromotorische Kraft in den beiden Wickelungen wie die Kurven der Fig. 161 schwanken, welche um eine Viertelperiode gegeneinander verschoben sind.

0°

90°

-180°

270’

Fig. 162. Kurven der elektromotorischen Kraft der Wickelung nach Fig. 160 mit Stromwender.

360

Wenn jedoch die Enden der beiden Abteilungen der Wickelung-mit einem passenden Stromwender oder Stromabgeber verbunden werden, so werden die Induktionen mittels der schleifenden Bürsten gleichgerichtet, und die beiden Kurven erhalten die Gestalt der Fig. 162..

0"

,90°

•710 •

360*

Fig. 164. Trommelanker mit 4 Spulen.

Fig. 163. Summenkurve zu Fig. 162.

Wir wollen jetzt feststellen, welches Ergebnis durch die iiber-einandergreifenden elektromotorischen Kräfte erzielt wird. Es ist klar, daß von 0 bis 90 Grad die beiden induktiven Wirkungen einander unterstützen, und daß sie bei 45 Grad gleich sind. Es ergibt sich also in diesem Punkte eine Verdoppelung; die in Fig. 163 dargestellte Kurve bildet die Summe der beiden Einzelkurven.

Diese Kurve zeigt bereits einen Fortschritt in der Gleichmäßigkeit insofern, als die Schwankungen weit geringer als die in der

•einzelnen Wickelung sind (vergl. Fig. 157). Die punktierte Linie, welche die Ebnung der Wellenberge anzeigt, hat genau die frühere Höhe. Der gesamte Betrag der Induktion (die gesamte Menge der geschnittenen Kraftlinien) bleibt also derselbe, ebenso die mittlere elektromotorische Kraft. Die gesamte elektrische Arbeit, die infolge Anordnung der Ankerwickelungen in zwei rechtwinkelig zueinander stehenden Sätzen sich ergibt, wird demnach zwar nicht vergrößert, wohl aber gewinnt der Strom an Zusammenhang und Gleichmäßigkeit.

Zerteilen wir die Wickelungen weiter und gruppieren sie, wie die Fig. 164 zeigt, unter 45 Grad gegeneinander in vier Sätze von

fy°

.9 o°

27 Oa

360'

Fig. 165. Kurven der elektromotorischen Kraft der Wickelung nach Fig. 164.

Wickelungspaaren mit je 25 Windungen in jeder einzelnen Wickelung, verbinden sie entsprechend mit einem Stromwender, so werden wir ■eine Wirkung erhalten, die sich sehr leicht durch zwei Kurven darstellen läßt. Jede von diesen ist der vorhergehenden ähnlich, besitzt aber nur die halbe Höhe (Fig. 165).

0°

90 "

180⁰

270*

Fig. 166. Summenkurve zu Fig. 165.

360•

Die größten Höhen in der einen liegen 45 Grad weiter als die der anderen Kurve; die sich ergebende resultierende Kurve ist durch die Fig. 166 dargestellt und zeigt dieselbe mittlere Höhe, wie die frühere Kurve, aber noch geringere Schwankungen. Es ist einleuchtend, daß mit dem weiteren Fortschreiten der Zerlegung in Abteilungen und der symmetrischen Anordnung in gleichen Winkeln man sich einer fast vollkommenen Gleichmäßigkeit nähern kann. Würde unser ursprüngliches Spulenpaar mit 100 Windungen in jeder Spule in 20 Sätze von Paaren mit je fünf Windungen oder auch nur in zehn Sätze von Paaren mit je zehn Windungen zerlegt, so wäre die Annäherung an die Gleichmäßigkeit nahezu vollkommen.

Berechnung der Schwankungen der elektromotorischen Kraft in Ankern mit geschlossener Wickelung.

Wenn die Schwankungen der elektromotorischen Kraft wirklich genau dem Sinusgesetze folgten, wäre es nicht schwierig, die

Schwankungen für einen Kommutator mit einer beliebigen Anzahl von Segmenten zu berechnen. Einige in früheren Ausgaben dieses-Werkes gegebene Berechnungen zeigen, daß bei einem 20-teiligen Kommutator die Schwankungen der elektromotorischen Kraft weniger denn eins vom Hundert und bei einem 36teiligen Kommutator weniger als ein Fünftel vom Hundert betragen. Da wir aber die wirkliche Yerteilung des Feldes an den Stellen, wo die Wickelungen gewendet werden, nicht kennen und überhaupt nicht wissen, nach welchem Gesetz sich die elektromotorische Kraft am Bande des Feldes ändert, haben solche Rechnungen nur einen geringen Wert. Es genügt zu wissen, daß die Schwankungen bei Anwendung eines 20-teiligen Stromwenders in einem zweipoligen Felde praktisch zu vernachlässigen sind, so daß es eine überflüssige Vorsicht ist, einen Stromwender mit noch mehr Teilen zu verwenden, wenn es nicht aus anderen Gründen — z. B. zur Vermeidung der Funkenbildung — geschehen muß.

Messung der Schwankung.

Der relative Schwankungsbetrag in der Stromstärke einer Maschine kann durch Beobachtung der induktiven Einwirkung auf einen benachbarten Kreis gemessen werden, in welchen ein Telephon eingeschaltet ist. Ist der Hauptstrom stetig, so vernimmt man keinen Ton, schwankt aber der Hauptstrom, so induziert jede Schwankung in dem Telephonkreise einen sekundären Strom; den Grad und die Häufigkeit der Schwankungen kann man nach Maßgabe der Stärke und Höhe des Tones im Telephon schätzen. Die Stromschwankungen in einer Maschine von Brush wurden in dieser Weise bequem wahrgenommen.

Wirkung der ungleichzeitigen Stromwendung.

Wenn die Bürsten derartig stehen, daß der Kontakt an der einen Bürste nicht in demselben Augenblicke aufhört, wie an der zweiten Bürste, so ist einleuchtend, daß leicht ungleiche elektromotorische Kräfte in den beiden Hälften des Ankerkreises entstehen. Diese augenblickliche Ungleichheit wird verschwinden, und eine zweite Ungleichheit (von entgegengesetztem Vorzeichen) wird folgen, sobald die Strom Wendung an der zweiten Bürste erfolgt. Die Wirkung stellt sich ebenso, als ob ein schwacher Wechelstrom mit nK Wechselperioden in der Sekunde im Ankerkreise wirkte. Derartige Wirkungen können in Ankern aus verschiedenen Ursachen eintreten: wenn die Zahl der Abteilungen im Anker eine ungerade ist; wenn die Zahl der Leiter nicht in allen Abteilungen dieselbe ist oder die Verbindungen unsymmetrisch sind; oder endlich, wenn die berührenden Ränder der Bürsten nicht genau an den entgegengesetzten Seiten des Durchmessers liegen.

Messung der Menge der Kraftlinien CD.

Die Bestimmung der durch den Anker tretenden Menge magnetischer Linien bildet eine wichtige Aufgabe. Diese Menge wird am besten aus der gemessenen Maschinenleistung berechnet.

Die durch einen Umlaufszähler beobachtete Drehungsgeschwindigkeit, die Zahl der Leiter um den Anker und die gesamte in der Maschine erzeugte elektromotorische Ivraft, die nach geeigneten elektrischen Methoden zu messen ist, ergeben aus der Grundgleichung als Wert für CD:

10 *E n-N

Um E während des Ganges der Maschine zu messen, muß die Maschine entweder unter Einschaltung bekannter Widerstände laufen (um E aus dem Ohmschen Gesetz zu bestimmen), oder E muß aus der Messung der Potentialdifferenz an den Bürsten mittels eines Spannungsmessers (vergl. S. 183 u. f.) berechnet werden. Dann hat man aus dem Widerstande und der Stromstärke im Anker den in letzterem eintretenden Spannungsverlust zu bestimmen. Durch Hinzufügung des letzteren zu der gemessenen Spannung erhält man die gesamte elektromotorische Kraft (vergl. Gleichung IV a).

Bei Ankern mit hintereinander geschalteten Gruppen (vergl. Kap. XIII), wo c kleiner alsy> ist, wird die obige Formel zu ändern sein in

IO*. KW-n pN ’

Spannung für die Längeneinheit der Wickelung.

Schneidet ein Leiter von 30 cm Länge ein Kraftiinienfeld von 8000 Linien auf 1 cm² mit einer Geschwindigkeit von 750 m in der Minute oder 1250 cm in der Sekunde, so schneidet er 300000000 Linien in der Sekunde, und erzeugt damit eine Spannung von 3 Volt. Eine aus zwei solchen Leitern gebildete Schleife würde demnach eine Spannung von 6 Volt erzeugen. Diese Verhältnisse gelten im allgemeinen für die Ankerwickelung vielpoliger Dynamomaschinen, aber die Durchschnittsspannung einer Schleife würde weniger als 6 Volt betragen.

da die Pole nicht den ganzen Ankerumfang bedecken. 5 Volt ist aber ein üblicher Wert bei gewöhnlichen Umfangsgeschwindigkeiten. Das sind also etwa 12,5 cm Länge der wirksamen Leiter für 1 Volt. Wegen der Lüftungskanäle wird häufiger 15 bis 18 cm für 1 Volt gewählt.

Die Magnetomaschine und die besonders erregte Maschine.

Bei Magnetomaschinen, in denen das Feld den stählernen Dauermagneten entstammt, ist O sowohl von dem Magnetismus des Stahles, als auch von der Beschaffenheit des eisernen Ankerkernes abhängig. Die Zahl der den Anker durchsetzenden Kraftlinien wird indessen durch die Gegenwirkung des Ankers vermindert, sobald der Maschine ein starker Strom entnommen wird. Wenn der Magnetismus der Feldmagnete, verglichen mit dem, der von den Ankerwickelungen herrührt, so außerordentlich groß wäre, daß die Gegenwirkung sehr klein ausfiele, so würde nach der Grundgleichung E—nNO für irgend eine gegebene Magnetomaschine die Spannung E der Umlaufszahl n direkt proportional sein. Die Praxis zeigt uns aber, daß dies nicht der Fall ist. Die Zahl der Umläufe, um welche die wirkliche Umdrehungszahl größer ist als sie zu sein brauchte, wenn genaue Proportionalität herrschte, nennen wir »tote Umläufe«. Nehmen wir eine Magnetomaschine mit 600 Umläufen in der Minute (also n — 10), und ■ erhalten wir von dieser 17 Volt elektromotorische Kraft, so müßte die Maschine ohne Gegenwirkungen des Ankers bei 1200 Umläufen 34 Volt liefern. Diese Leistung wird niemals ganz erreicht; bei manchen Maschinen wird aber fast die direkte Proportionalität erzielt, so lange die Maschine keinen Strom zu liefern braucht. In dem Falle ist die einzige Gegenwirkung, welche das Abweichen von der Proportionalität bewirken kann, in Wirbelströmen zu suchen. Wenn die Umlaufszahl und die in dem Anker erzeugte Spannung beobachtet und in einem Diagramm aufgetragen werden, wird die Schlankheit der »Kurve«, welche eine nach dem Koordinatenanfang geneigte Gerade sein sollte, zeigen, wie nahe die theoretische Leistung erreicht ist.

Wenn der Strom im Anker dadurch gleichbleibend gehalten wird, daß die äußeren Widerstände im passenden Verhältnis zur Geschwindigkeit vergrößert werden, so läßt sich die entmagnetisierende Wirkung des Ankers gleichbleibend erhalten, wenn auch die Maschine Strom abgibt.

Bei einigen Versuchen, die Joubert¹⁰) anstellte, wurde die elektromotorische Kraft bei verschiedenen Geschwindigkeiten mittels eines Elektrometers gemessen, welches keinen Strom durchließ. Joubert fand das theoretische Gesetz fast genau erfüllt. Nach den Versuchen war bei einer Geschwindigkeit von 500, 720, 1070 Umläufen in der Minute die elektromotorische Kraft 103, 145, 208 Volt.

Spannung an den Klemmen einer Dynamomaschine.

Spannungsverlust.

Die Klemmenspannung einer Magnetomaschine wie jeder Dynamomaschine ist, sobald die Maschine Arbeit leistet, geringer als die gesamte induzierte elektromotorische Kraft E, weil ein Teil von E zur Überwindung des Ankerwiderstandes verbraucht wird. Bedeutet V die Potentialdifferenz zwischen den Klemmen — die Klemmenspannung —, so ist nur während des Umlaufes bei offenem äußeren Stromkreise, wenn also kein Strom entstehen kann, V=E. Es ist vorteilhaft, E durch andere Größen auszudrücken, denn sobald die Maschine Strom liefert, kann man E nicht mehr mittels eines Spannungsmessers oder eines Elektrometers unmittelbar bestimmen, während V stets unmittelbar gemessen werden kann.

Bedeutet ra den inneren Widerstand der Maschine, d. h. den Widerstand der Ankerwickelung oder den zwischen den Klemmen überhaupt bestehenden Widerstand, und ist E der Widerstand des äußeren Stromkreises, i die Stromstärke, so hat man nach dem Ohmschen Gesetze die Beziehung

E = i(ra + R).

Es ist aber auch

V=iR,

woraus

und

V₌ E E ra-\-E

(III)

E.

ra-\-R

Man merke sich auch den Wert

ra -f- E

denn nach dieser Formel läßt sich der Wert von E durch Messungen von V mittels eines Spannungsmessers ableiten.

Häufig ist der Wert R unbekannt; subtrahiert man die beiden Gleichungen

und

so folgt oder

E=i(ra + R) V=iR,

(IV).

E— V=ira V = E — ira

Demnach ist die Klemmenspannung gleich der gesamten Spannung im Anker vermindert um die zur Überwindung des Ankerwiderstandes notwendige Spannung.

Die Spannung «>a, die im äußeren Kreise nicht nutzbar wird, nennt man den Spannungsverlust; je geringer der innere Widerstand ist, desto geringer wird auch der Spannungsverlust sein. Gleichung (IV) kann auch geschrieben werden

.    . (IV a).

E=V+ira . .

Bestimmt man V mittels eines Spannungsmessers, so findet man Er indem man zu V den Spannungsverlust addiert. Der letztere wird berechnet, indem man mittels eines Strommessers den Ankerstrom bestimmt und diesen Wert mit dem bekannten inneren Widerstand multipliziert. Bei guten neueren Maschinen beträgt der Spannungsverlust bei voller Belastung nicht mehr als zwei bis drei vom Hundert der ganzen Spannung; die Angabe in Prozenten der ganzen Spannung wird vielfach als Spannungsabfall bezeichnet.

Beziehung zwischen der gesamten elektromotorischen Kraft und der Klemmenspannung.

Der vorhin erläuterte wesentliche Unterschied zwischen der gesamten elektromotorischen Kraft und demjenigen Teile, der als Klemmenspannung V nutzbar wird, läßt sich durch die folgende geometrische Darstellung, die von Ernst Kichter¹¹) herrührt, darstellen.

In Maschinen mit gleichbleibendem V: wie solche später noch besonders betrachtet werden, wird E nicht gleichbleibend sein, abgesehen von dem unerreichbaren Zustande eines widerstandslosen Ankers.

Ist E gleichbleibend, so kann V bei veränderlichem i nicht gleichbleibend sein. Wir haben sonach zwei Fälle zu betrachten:

1. E ist gleichbleibend. Die Widerstände werden als Abscissen, die elektromotorischen Kräfte als Ordinaten aufgetragen (Fig. 167).

OA = r, AN=R, OB = E.

Die Linie BN kennzeichnet den Spannungsverlauf im ganzen Stromkreise. Von der elektromotorischen Kraft OB =E wird ein

Teil CM zur Überwindung des Widerstandes r verbraucht, so daß für den äußeren Widerstand AN= R die Klemmenspannung MAT verbleibt, wenn der gesamte Widerstand des Kreises = ON ist. Man errichte im Punkte N nun eine Senkrechte NQ = V; nehme dann einen geringeren äußeren Widerstand R¹ = AN¹ an, so findet man durch ein ähnliches Verfahren den Wert von V= AM¹ oder N[ Q¹. Es lassen sich in dieser Weise beliebig viele Punkte Ql be-

EL

1/

■o

Al.

JO}

V

Fig. 167. Elektromotorische Kraft und Klemmenspannung; erstere gleichbleibend.

stimmen, welche die Kurve AQXQ ergeben. Die letztere zeigt den Verlauf der Klemmenspannung bei wachsendem äußeren Widerstande, während die elektromotorische Kraft gleich bleibend ist und in ihrem Verlaufe daher durch die Linie BR bezeichnet wird.

Die Gleichung dieser Kurve wird durch die Bedingung gegeben: E— V

R + r

woraus

(E — V) (R -f- r) — Er = Konst.

Die Gleichung ist die einer gleichseitigen Hyperbel mit OB und BR als Asymptoten.

2. V ist gleichbleibend. Wie im ersteren Kalle ist OA=r, AN = R und AM=V (Fig. 168).

Man ziehe NM und verlängere diese Linie bis B. Dann gibt OB den Wert von E an, der für R — AN die Klemmenspannung F liefert. Es werde nun die Senkrechte NR = OB errichtet. Für einen anderen Widerstand MW¹ erhält man NlBx. Zieht man dann N¹R¹=OB¹, so entspricht OH¹ = Ariiü¹ dem Werte von E bei einem äußeren Widerstande MW¹. Durch Bestimmung weiterer

Werte erhält man mehrere Punkte der Kurve R¹R₎ die zeigt, wie sich E ändern muß, um gleichbleibende Klemmenspannung bei veränderlichem äußeren Widerstande zu erhalten. Der Verlauf des gleichbleibenden AVertes V wird durch die Linie MQ dargestellt.

B’.

B,

IV!

Q’

~r

w-

Fig. 168. Elektromotorische Kraft und Klemmenspannung; letztere gleichbleibend.

Die Gleichung der Kurve entspricht der Bedingung E— V V

oder Jtl

(E — V)R — Vr = Konst.

Die Kurve ergibt ebenfalls eine gleichseitige Hyperbel.

Die besonders erregte Dynamomaschine.

Für besonders erregte Dynamomaschinen gelten dieselben Formeln wie für Magneto-Dynamomaschinen, es hängt nur O von der Stärke des erregenden Stromes ab.

Bei der Schätzung des mechanischen Wirkungsgrades einer besonders erregten Dynamomaschine muß die für die Erregung der Feldmagnete geleistete Arbeit in Kechnung gezogen werden; diese beträgt bei großen Maschinen bis zu 1 Prozent, bei kleinen bis zu 3 Prozent der ganzen Leistung.

Wirkungsgrad und ökonomischer Koeffizient der Dynamomaschinen.

Es sei die zum Betriebe einer Dynamomaschine aufgewendete mechanische Arbeit bekannt. Man kann solche entweder unmittelbar

mittels eines »Transmissions-Dynamometers« messen, oder durch Aufnahme eines Indikatordiagrammes an der treibenden Dampfmaschine, oder in gewissen besonderen Fällen, wenn die Feldmagnete auf Drehzapfen gebracht oder durch ein Gegengewicht gehalten werden können, eine ursprünglich von Rev. F. J. Smith ausgeführte und später von Deprez und Brackett beschriebene Methode anwenden, nach der die mechanische Wirkung zwischen dem Anker und dem Feldmagnete zur Bestimmung der zum Betriebe verwendeten Leistung benutzt wird. Wenn wir nun die aufgewendete mechanische Leistung kennen und die Leistung der Maschine, d. h. den Betrag an geleisteten elektrischen Pferden messen, so gibt die verbrauchte mechanische Leistung, verglichen mit der entwickelten elektrischen Leistung, ein Maß des »Wirkungsgrades« der Maschine.

Die Leistung eines Stromes läßt sich ausdrücken, wenn zwei Größen bekannt sind: die Stromstärke und die Spannung zwischen den Endpunkten desjenigen Leiters, in dem die zu bestimmende Energie aufgewendet wird. Die Stromstärke in Ampere kann mittels eines guten Strommessers bestimmt werden, die Spannung in Yolt mittels eines guten Spannungsmessers. Das Produkt Yolt mal Ampere ergibt die in jeder Sekunde verausgabte elektrische Energie in Einheiten der Leistung, d. h. in Watt. Da ein Pferd gleich 736 Watt ist, so hat man die Zahl der Yolt-Ampere (der Watt) durch 736 zu dividieren, um das Ergebnis in Pfefden zu erhalten. Ist i die Stromstärke in Ampere und V die Spannung (Potentialdifferenz) in Yolt, so ist die Leistung

¹

   Engl. Pat. 18530/01.

²

   Journ. Inst. Electr. Eng., Bd. 26, S. 130.

³

   Journ. Inst. Electr. Eng., vom Juli 1893, Bd. 22, S. 377; ferner Bd. 24 S. 122, 1895 und Bd. 26, S. 597, Mai 1897.

⁴

Parshall und Hobart, Electric Generators (1900), S. 175.

⁵

   Electrician, Bä. 40, S. 861 vom 22. April 1898 und Bd. 42, S. 328 vom 30. Dezember 1898.

⁶

   Journ. Inst. Electr. Engineers, Bd. 27, S. 209 vom April 1898.

⁷

   Journ. Inst. Electr. Engineers, Bd. 31, S. 170 vom September 1901 ; eine wichtige Veröffentlichung mit wertvollen Versuchsangaben.

⁸

   Rothert, Elektrotechn. Zeitschr. 1902, S. 309.

⁹

Vergl. die Bemerkungen von C. F. Varley in Philos. Mag. 1867 und von Puluj in dem Sitzungsber. d. Wiener Akad. IIa. Mai 1891.

17*

¹⁰

Vergl. auch Mordeys Versuche. Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 19,

¹¹

Elektrot. Zeitschr., Bd. 4, S. 161, 1883.

Vi

736

(V).

Das Yerhältnis der nutzbaren elektrischen Energie im äußeren Stromkreise zur entwickelten gesamten elektrischen Energie wird als elektrisches Güteverhältnis der Maschine oder als » ökonomischer

Koöffizient« bezeichnet¹). Er wird algebraisch in folgender Weise ausgedrückt:

Liefert der Anker einen Strom von ia Ampere uncl beträgt die gesamte elektromotorische Kraft E Voit, so ist die gesamte elektrische Leistung

— Eia Watt.

i) In Deutschland ist die Bezeichnung »elektrisches Güteverhältnis« gebräuchlich. Dieser Ausdruck wird bei dieser Übersetzung meistens

angewendet. Daneben wurde aber auch Thompsons Bezeichnung » ökono-

Anm. d. Übers.

mischer Koëffizient« beibehalten.

Beträgt die Klemmenspannung der Maschine F Volt, so ist die Nutzleistung

= Vi Watt.

Nennen wir den ökonomischen Koeffizienten — das elektrische Güteverhältnis — vjl5 so ist

Vi

rli

Nutzleistung

⁷¹¹ E'

Gesamtleistung Eia ’ oder wenn die Maschine keine Nebenschlußwickelung besitzt, so daß i — ia ist,

Das Verhältnishängt nun aber von der Beziehung zwischen E

innerem und äußerem Widerstand ab, denn

(vergl. die Gleichung III),

E r-\- R

wo R den Widerstand des äußeren Kreises, r den inneren Widerstand (im Anker, im Feldmagnet u. s. w.) bedeutet. Für eine Reihenmaschine oder Magnetomaschine erhalten wir daher

(VI).

⁷⁾¹    r-\~R

Je mehr man r vermindern kann, desto mehr nähert sich yj1 der Einheit. Könnte man eine Maschine ohne inneren Widerstand hersteilen, so würde von der Stromenergie zur Überwindung des Ankerwiderstandes, bezw. zur Erhitzung der Wickelung auch nichts verbraucht werden.

Wir werden später erläutern, in welcher Weise sich der Wert für \ bei Nebenschluß- und Verbundmaschinen ändert.

Zum Betriebe der Maschine mögen PPferd mechanischer Leistung

Ei

736

verwendet werden. Da die gesamte Leistung der Maschine

ist, so stellt sich der gesamte mechanische Wirkungsgrad, bezw. der Wirkungsgrad der elektrischem Umsetzung auf

Eia

⁷³²    736 P

und der nutzbare mechanische Wirkungsgrad auf

Vi

736 P

Da der erste Ausdruck E und der zweite V enthält, so läßt sich aus dem gesamten Wirkungsgrade der nutzbare durch Multiplikation

Der nutzbare mechanische Wirkungsgrad y; läßt sich auch in der Weise ausdrücken, daß die Leistung Vi durch Vi plus der Summe der verschiedenen elektrischen und mechanischen Yerluste

in Watt geteilt wird; also y]

Vi

, worin 2 (w) die Summe

Vi + I {w)

aller vom Kupferwiderstand in den Anker- und Feldspulen, der Hysterese, Wirbelströmen, Reibung und dergl. herrührenden Yerluste darstellt. In Prozenten ausgedrückt, ist dann der Wirkungsgrad yj

= 100

Vi

Fi + S(w)‘

Änderung des elektrischen Güteverhältnisses mit der Stromstärke.

Ehe wir diesen Gegenstand verlassen, ist noch zu bemerken, daß der Wirkungsgrad sich mit der Belastung ändert, da die Stromstärke i in jedem Ausdrucke für den Wirkungsgrad auftritt.

Die Frage, bei welcher Belastung eine Dynamo- % maschine den größten Wirkungsgrad besitzt, ist je nach der allgemeinen Anordnung und dem Maße der unvermeidlichen Yerluste zu beantworten. Auch beim Leerlauf, also wenn kein Strom erzeugt wird, sind Kraftverluste durch Reibung,

Erwärmung des Kupfers in den Magnetspulen, des Eisens durch Hysterese und Wirbelströme, und, wenn auch in geringerem Maße, durch Wirbelströme in den bewegten Eisen- und Kupfermassen vorhanden. Bei voller Belastung werden einzelne dieser Yerluste vergrößert; hierzu treten dann noch die Wärmeverluste im Anker. Da diese letzteren mit dem Quadrate des Stromes wachsen, während die anderen (bei gleichbleibender Geschwindigkeit und Spannung) nahezu gleichbleiben, so ist klar, daß bei starken Überlastungen die Wärmeverluste im Kupfer des Ankers unverhältnismäßig groß werden. Demgemäß steigt der Wirkungsgrad, der

100

90

80

70

60

60

40

30

20

10

V1IRKUN!iSGRAD_

f/

Verlust im Anker ei >en

VERLUST DURCH

REJ&ONG

20

KW

18

16

14

12

IO

UND LUfTWIDERjSTANQ_j

H FELDERREGUNü

verlum

durch

BÜRSTE*

tS[^

100    200    300    400    500    600 KW

Fig. 169. Typische Kurve des Wirkungsgrades.

bei Leerlauf == Null ist, bis zu einem bestimmten Maximum an und fällt dann wieder ab; im allgemeinen zeigt Fig. 169 die Form der Kurve des Wirkungsgrades. Das Maximum sollte bei guten Ausführungen mit der Maximalbelastung zusammenfallen, doch muß auch bei halber und selbst bei viertel Belastung der Wirkungsgrad noch wenig vom Maximum abweichen.

Die Reihenmaschine.

Die Reihenmaschine (vergl. Fig. 44 und 170) besitzt nur einen Stromkreis; die Stromstärke hängt von der elektromotorischen Kraft E

<>

und der Summe der Widerstände im Stromkreise ab. Die letzteren bestehen aus:

i7=dem äußeren (veränderlichen) Widerstande.

ra — dem Widerstande des Ankers. rm = dem Widerstande der Magnetentwickelung.

-----R -

Nach dem O h m sehen Ge-

Fig. 170. Stromschema d. Reihenmaschine.

setz ist:

E—i(R-\-ra-\- rm\ woraus Ri = E — i (ra -f- rm). Die Klemmenspannung ist V = Ri, also auch V= E — i (ra -j- rm).

Ökonomischer Koëffizient (Güteverhältnis) einer Reihenmaschine.

i²Rt

Aus dem Gesetze von Joule folgt als Wert für vjj nützliche Arbeit

ril gesamte Arbeit i² (R -[- ra + rm ) t    E

oder

(VIII).

¹¹ R ra ~\~

Dieser Ausdruck wird ein Maximum, wenn sow’ohl ra als auch rm sehr klein sind; sie sind meist ungefähr gleich groß.

Die Nebenschlufsmaschine.

Bei der Nebenschlußmaschine kommen zwei Stromkreise in Betracht: der Hauptkreis und der Nebenschlußkreis (Fig. 45 und 171). In dem Folgenden bedeutet: i den Strom im äußeren Hauptkreise; ia den Ankerstrom;

is den Strom im Nebenschlußkreise (den Yerluststrom); rs den Widerstand des Nebenschlußkreises (der Magnetwickelung).

Es ist nun

ia ⁼ i “f" A -,

weil der im Anker erzeugte Strom sich in dem Haupt- und Nebenschlußkreise verzweigt und gleich der Summe der Zweigströme sein muß.

Den Teil des Stromes, der durch den Nebenschluß geht und im äußeren Kreise nicht nutzbar wird, können wir als »Verluststrom« bezeichnen; in einer guten neuen Maschine beträgt der Verlust nur 1 bis 2x/₂ Prozent des gesamten Stromes.

Der Verluststrom läßt sich auch aus der Gleichung

TA

v_._

--R-

..„J

rs

berechnen.

Fig. 171. Stromlauf der Nebenschlußmaschine.

Beispiel: In einer Maschine von Kapp, die 200 Ampere bei 105 Volt Klemmenspannung lieferte, war rs = 31 Ohm, der Stromverlust also 3,4Ampere; der gesamte Strom im Anker bei voller Belastung betrug also 203,4 Ampere.

Nach Ohms Gesetz muß

V=Ri V = rsis

und

sein, weil die Endpunkte des Hauptkreises auch die des Nebenschlusses bilden.

Der reduzierte Widerstand des verzweigten Kreises ist ferner

Br,

R + rs

woraus folgt, daß

Rrs \ .

R + rara‘

Gleichzeitig können wir einen Ausdruck für denjenigen Teil e der elektromotorischen Kraft finden, der zur Überwindung des Ankerwiderstandes verbraucht wird. Dieser Teil ist die Differenz zwischen der gesamten elektromotorischen Kraft E und der Klemmenspannung V.

Nach Ohms Gesetz ist

e = E — V ==r a ia

oder

E — V= ra (i -f- is).

Daraus

. . (IX).

V — E — ra (i -j- ia) . .

Wir finden ebenso einen Ausdruck für E aus V und den Widerständen.

Vorhin hatten wir

(**« +

Rrs R + rs

Setzen wir für ia den Wert i -J- ia und für diese Einzelwerte

rs

bezw. —, so folgt:

I“Rrs -f- R ra -f ra rs / R -f L R-\-rs \ Rrs )\

oder

Vr\\+v+v}

Der in der Klammer stehende Wert bedeutet die Summe der Leitungsfähigkeiten der drei Stromwege und ist demzufolge gleich der Leitungsfähigkeit der nebeneinander geschalteten Wege, wie sie von Bürste zu Bürste gemessen werden kann. Setzen wir die Bezeichnung ))ï für den Widerstand des gesamten Stromkreises der Maschine und des äußeren Kreises, wie man diesen Widerstand von Bürste zu Bürste bestimmen kann, so wird also

ra

Tx

E = V-

Ökonomischer Koeffizient (Güteverhältnis) der Nebenschlufs-

maschine.

Der Wirkungsgrad einer Nebenschlußmaschine läßt sich auf folgende Weise einfach ermitteln: Die Leistung der Maschine ist P—E-ia: die Zahl der wirklich in den äußeren Kreis gelangenden Watt ist W= Vi. Nun ist E—V-wenn Î5F die im inneren Widerstand verloren gehende Spannung, und ia — i -f- o/, wenn o i den Verluststrom bedeutet. Setzen wir diese Werte ein, so erhalten wir P=V'i-\-    .... (X).

Da wir das vierte Glied als sehr klein vernachlässigen dürfen, können wir die drei verbleibenden Glieder der rechten Seite der Gleichung als Nettoleistung der Maschine -j- Verbrauch für die Erregung -(- Wattverlust durch Erwärmung des Kupfers ansehen. Wärmeverluste im Eisen und Reibungsverluste beeinflussen den mechanischen Wirkungsgrad, da für sie ein entsprechender Betrag

an Antriebskraft erforderlich wird. Das elektrische Güteverhältnis ist

. . (XI).

Vi

''h

P Vi + V-ïi + i-ïV ‘ *

Damit dieses Verhältnis der Einheit möglichst nahe kommt, ■müssen V-hi und i-hV möglichst klein sein. Drücken wir nun den Verlust als einen Bruchteil der Leistung aus, so haben wir

(XII).

Beide Ausdrücke auf der rechten Seite sind von gleicher Wichtigkeit. Setzen wir sie einander gleich und für hi und hV die

entsprechenden Widerstandswerte

— und ir

rs

so erhalten wir

ira

rsi

woraus — = J/V,, - rs

oder

R—\ra- r,

d. h. um die beiden Verluste durch Ankererwärmung und Feldmagnet-

• (XIII),

erwärmung gleich zu machen, wähle man den Ankerwiderstand und den Nebenschluß widerstand so, daß der Widerstand des äußeren Kreises die mittlere Proportionale aus beiden Widerständen ist. Nun können wir die Gleichung (XII) der Verluste schreiben:

1 — 7], R , ra

ra

rs

• • (XIV),

aus welcher hervorgeht, daß zur Verringerung der prozentualen Verluste rs groß und ra klein im Verhältnis zu R sein muß. Wenn z. B. die Kupferverluste 4 Prozent nicht übersteigen und im Anker und Nebenschluß gleich sein sollen, so muß rs 50mal so groß als R und ra nur ¹/₅₀ von R sein, so daß rs 2500mal so groß wie ra wird.

rs

Beispiele: Nebenschlußmaschinen. Der Wert — ist bei einer

ra

Maschine von Siemens (1880), deren äußere Charakteristik in Pig. 188 dargestellt ist, gleich 48,4; bei der Edison-Hopkinson-Maschine (1886) Eig. 12, gleich 1702. — Gemischt gewickelte Maschinen. Zählen wir den Widerstand der Beihenwickelung demjenigen des

bei der im Kapitel XIX als

Ankers zu, so ist der Wert

rs

i'a + rm

Beispiel 4 betrachteten zweipoligen Maschine von Kapp (1887) gleich 945 ; bei der ersten im Kapitel XIX beschriebenen Maschine von •Scott und Mountain (1901) gleich 12 600.

Der nutzbare mechanische Wirkungsgrad ist naturgemäß kleiner als das elektrische Güteverhältnis, weil dieses nicht die Yerluste durch Hysterese, Wirbelströme und Reibung in Betracht zieht. Yergl. Kap. XVII.

Maschinen für Gleichspannung.

Betriebsbedingungen. — Für verschiedene Zwecke, so z. B. zum Betriebe von Glühlampen in Nebeneinanderschaltung, muß der Strom eine genau gleichbleibende Klemmenspannung besitzen, d. h. die Potentialdifferenz an den Klemmen der Maschine oder an den Lampen muß gleichbleibend erhalten werden. Diese Forderung setzt voraus, daß der von der Maschine gelieferte Strom im umgekehrten Verhältnis zum Widerstand des äußeren Kreises steht, daß er wächst, wenn der Widerstand sich durch Einfügung von Lampen, die zwischen die Hauptleitungen geschaltet werden, vermindert.

Aus zwei Ursachen, und zwar

1.    dem inneren Widerstand,

2.    den entmagnetisierenden Gegenwirkungen des Ankers weicht die Spannung an den Klemmen bei voller Belastung von dem Werte ab, den sie (bei derselben Geschwindigkeit und Magnetisierung) ohne Belastung besitzen würde. Der Spannungsverlust steigt mit der Belastung. Wenn daher die Stromlieferung bei gleichbleibender Spannung erfolgen soll, muß ein Ausgleich für den Spannungsverlust herbeigeführt werden. Soll eine Maschine Lampen für 100 Volt Spannung betreiben, so darf bei Einschaltung sämtlicher Lampen die Spannung nicht auf 97 oder 96 Volt herabsinken.

Sollen dagegen hintereinander geschaltete Bogenlampen oder Triebmaschinen betrieben wrerden, so wird es notwendig, die Stromstärke gleichbleibend zu erhalten, ohne Rücksicht darauf, Avie viele oder wie wenige Lampen oder Triebmaschinen in Tätigkeit sich befinden.

Wenn der Widerstand des Hauptkreises durch Zuschaltung von Lampen steigt, so wird dadurch ein verhältnismäßiges Anwachsen der elektromotorischen Kraft der Maschine erforderlich.

Die beiden Ziele der Regelung von Maschinen sind daher nicht allein verschieden, sondern auch unvereinbar miteinander; eine Maschine vermag nicht ihre elektromotorische Kraft gleich zu erhalten und zu derselben Zeit sie im Verhältnis zum veränderlichen Widerstand des äußeren Kreises zu ändern. Die beiden Systeme muß man vollständig auseinander halten, da sie ganz verschiedenen Fällen der elektrischen Verteilung sich anpassen. Sowohl ihre Theorie als auch die praktischen Arten ihrer Ausführung sind verschieden.

Maschinen für gleichbleibende Stromstärke, wie solche für Bogenlicht und für besondere Glühlampen zur Hintereinanderschaltung erforderlich sind, werden im Kapitel XXII beschrieben. Im vorliegenden Kapitel werden nur Maschinen für Gleichspannung behandelt.

Es gibt verschiedene Wege, um die Tätigkeit von Dynamomaschinen so zu regeln, daß entweder gleiche Spannung oder gleiche Stromstärke aufrecht erhalten wird. Einige Methoden setzen eine Regelung mit der Hand voraus, einige gründen sich auf selbsttätige Ein- und Ausschaltung von Widerständen, um die Erregung der Feldmagnete zu verändern, andere benutzen die selbsttätige Einstellung der Bürsten, wieder andere regeln auf elektrischem Wege die Geschwindigkeit. Letztere Methode wird in dem Kapitel XXVI über Regeier näher behandelt. Yor allem möge bemerkt werden, daß die Spannung in einer gegebenen Maschine, wie durch die Grundgleichung (S. 256) nachgewiesen worden ist, von drei Größen abhängt: der Geschwindigkeit, der Zahl der Ankerwindungen und der magnetischen Strömung; jede dieser Größen kann zur Regelung der Leistung benutzt werden. Die Geschwindigkeit läßt sich durch rein mechanische Mittel ändern; die Zahl der wirksamen Ankerwindungen kann man durch Yorwärtsschieben der Bürsten über den neutralen Punkt hinaus ändern; die magnetische Strömung ist durch Änderung der zur Erregung des Magnetismus dienenden magnetisierenden Kraft oder durch Änderung der Anordnung des magnetischen Kreises zu regeln.

Bei vereinzelten Anlagen kann es passend erscheinen, einen Regeier zur Yeränderung der Geschwindigkeit der Dampfmaschine zu benutzen, um im Stromkreise gleichbleibende Spannung herbeizuführen; dieses Mittel reicht indessen nicht aus, sobald die Maschine mehr zu leisten hat, als nur eine einzelne Dynamomaschine zu bewegen. Es sind aus diesem Grunde Methoden vorgezogen worden, welche die Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Triebgeschwindigkeit gestatten. Im vorliegenden Kapitel wird letztere Bedingung durchweg vorausgesetzt; da ferner eine rein magnetische Regelungsmethode nur wenig benutzt wird, so haben wir uns nur mit solchen Methoden zu befassen, die auf der Änderung der magnetisierenden Kräfte beruhen.

Bei Centralen und Kraftstationen sind die Methoden der Begelung je nach den Umständen verschieden. Handelt es sich darum, einen rings um die Centrale liegenden Distrikt mit Licht-strom zu versehen, so benutzt man vielfach nur Nebenschlußmaschinen, deren jede mit einer besonderen Antriebsmaschine verseilen ist, die für sich je nach der Belastung geregelt wird. Sollen dagegen einer Bahn in ihrer Stärke rasch wechselnde Ströme von einer Centrale zugeführt werden, die naturgemäß von den äußeren Teilen des Bahnnetzes weiter entfernt ist, wobei der Spannungsabfall bedeutenden und raschen Schwankungen ausgesetzt sein kann, so kann eine Regelung durch Änderung des Nebenschlußwiderstandes oder der

<r*c

Fig. 172. Edison sehe Regelungsmethode.

Geschwindigkeit der Antriebsmaschine nicht mehr in Frage kommen. In solchem Falle muß eine gleichmäßige Geschwindigkeit innerhalb der Grenzen der Maschinenregelung aufrecht erhalten und die Regelung der elektrischen Verhältnisse durch Überkompoundieren (S. 289) oder durch Hilfsmaschinen (boosters, vergl. Kap. XXIV) bewirkt werden.

Handregel er. — Bei der Einrichtung von Edison zur Aufrechterhaltung der Gleichspannung im Hauptstromkreise wird eine Nebenschlußmaschine verwendet, in deren Zweigkreis ein veränderlicher Widerstand R eingeschaltet wird (Fig. 172).

Ein mit der Hand zu bewegender Hebel kann über eine Anzahl Knöpfe, die mit einem Satze von Widerständen in Verbindung stehen, verschoben werden. Sobald die Spannung steigt oder unter den richtigen Betrag fällt, wird der Grad der Erregung der Feldmagnete durch Verschieben des Hebels geregelt.

Lane-Eox gestaltete die Einrichtung selbstregelnd; der veränderliche Widerstand wurde selbsttätig durch einen Elektromagnet gesteuert, dessen Spulen in einem unabhängigen Nebenschlüsse zum Hauptkreise lagen. Wie S. 318 gezeigt wird, ist in einer gut gebauten Nebenschlußmaschine die Spannung nahezu gleichbleibend, bei voller Belastung fällt die Klemmenspannung sehr wenig ab. Nur eine geringe Zunahme der erregenden Kraft ist zur Ausgleichung des Spannungsverlustes bei voller Belastung in einer solchen Maschine erforderlich. Der Begelungswiderstand läßt sich bei einer besonders erregten Maschine in gleicher Weise verwenden. Weiteres über Regelungswiderstände siehe Kap. XXVI.

Die Theorie

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Fig. 173. Regelungswiderstand von Siemens & Halske.

Dynamomaschinen mit Selbstregelung, der selbstregelnden Maschinen ist sehr einfach. Bei voller Belastung fällt die Spannung wegen der ■Ankergegenwirkung und wegen des inneren Wid erstand es. Die Spannung hängt ab von der Magnetisierung; jeder Spannungs- . abfall kann also durch Vermehrung der Kraftlinienmenge ausgeglichen werden. Die Frage ist demnach die: Wie kann man das Anwachsen des Stromes im Hauptkreise, das den Spannungsabfall veranlaßt, zur Vermehrung der Menge der Kraftlinien benutzen? Es ist klar, daß hierzu f eine Hauptkreiswickelung, welche genügend Windungen hat, um die hinzuzufügende Induktion hervorzubringen, auf die Feldmagnete gebracht werden muß. Diese Ausgleichswickelung muß dick genug sein, um den Hauptstrom leiten zu können, und besteht gewöhnlich aus nur wenigen Windungen. Ist die Maschine mit Nebenschluß versehen und wird außerdem eine Ausgleichswickelung mit der Ankerwickelung hintereinander geschaltet, so bezeichnet man eine solche zusammengesetzte Wickelung gewöhnlich als »gemischte Wickelung« (Verbund- oder Kompoundwickelung). Ebenso gut läßt sich eine ausgleichende Reihenwickelung bei jeder gut entworfenen Gleichstrommaschine verwenden, in der der anfängliche Magnetismus unabhängig oder gleichbleibend erregt wird. Folgende Schaltungsarten sind überhaupt möglich:

A)    Gemischte Wickelung.

1.    Regelnde Reihenwickelungen -j- Dauermagnete zur anfänglichen

Erregung des Feldes durch eine unabhängige gleichbleibende Magnetisierung.

2.    Regelnde Reihenwickelungen -f- unabhängige Erregung der Feld

magnete aus einer besonderen Stromquelle.

3.    Regelnde Reihenwickelungen -j- Nebenschlußwickelungen, die

einen Teil des Maschinenstromes erhalten.

4.    Zwei Feldmagnete umgeben einen verlängerten Anker; der eine

Magnet wird entweder unabhängig oder durch eine Nebenschlußwickelung erregt, während der andere verhältnismäßig wenige, aber dicke Windungen enthält, die in Reihe mit dem Anker liegen.

B)    Booster-Methoden.

Hierbei wird entweder aus einer Batterie oder einer besonderen Magnetmaschine oder einer besonders erregten oder Nebenschlußmaschine Strom konstanter Spannung erzeugt und durch eine Dynamomaschine geführt, deren aus wenigen Windungen dicken Drahtes bestehende Erregerwickelung mit dem mit gleichmäßiger Geschwindigkeit getriebenen Anker hintereinander geschaltet ist.

C)    Wechselstrom -Verbundwickelung.

Für Wechselstrommaschinen kann man regelnde Wickelungen mit Strömen speisen, welche man aus dem Hauptkreise ableitet (mittels eines passenden Umsetzungsapparates) und dann durch einen Stromwender richtet. Die unabhängige Magnetisierung läßt sich entweder durch eine Hilfsmaschine herbeiführen, oder durch eine besondere Wickelung oder eine Gruppe von Wickelungen auf dem Anker oder durch einen anderen Umsetzungsapparat, dessen primäre Spule zum Hauptkreise als Nebenschluß liegt; in jedem der letzteren Fälle werden die Ströme besonders gerichtet.

Theoretisch sind noch verschiedene andere Methoden der Selbstregelung möglich: z. B. eine Reihenmaschine mit ungesättigten Magneten, in Verbindung mit einer (gleichsam unabhängigen) Reihenmaschine mit übersättigten Magneten auf derselben Welle; eine Reihenmaschine mit zwei Sätzen von Feldmagnetpolen: ein Polsatz dient als in Reihe erregter Satz, der zweite als unabhängig oder im Nebenschluß erregter. Theoretisch kann auch eine Nebenschluß- oder fremderregte Maschine selbstregelnd gemacht werden, wenn ihre

Bürsten nach rückwärts verschoben werden. Wegen des Funkens ist dies jedoch unpraktisch, sofern es sich nicht um einen Anker mit Sayersscher Kompensationswickelung handelt (S. 245).

Theorie der Selbstregelung.

Bei der Betrachtung der Theorie der Selbstregelung gehen wir in folgender Weise vor: Zunächst ermitteln wir einen Ausdruck für die Klemmenspannung. Dieser wird im allgemeinen aus drei Gliedern zusammengesetzt sein. Wir untersuchen die drei Glieder, ob ihre Faktoren konstant oder veränderlich sind. Nachdem bestimmt worden ist, welche Glieder veränderliche Faktoren enthalten, wird zu erörtern sein, unter welchen Bedingungen (etwa dadurch, daß eine besondere Geschwindigkeit oder eine besondere Windungszahl vorgeschrieben wird) diejenigen Glieder, die veränderliche Faktoren enthalten, verschwinden. Die Bedingungen werden in einer zu untersuchenden Bedingungsgleichung zusammengefaßt. Im allgemeinen wird man finden, daß bei vorgeschriebener Geschwindigkeit eine besondere oder »kritische« Zahl der regelnden Wickelungen sich ableiten läßt; wird anderseits die Zahl der regelnden Wickelungen von vornherein als bestimmt angenommen, so läßt sich eine gewisse »kritische« Geschwindigkeit ableiten, bei der die Selbstregelung erfolgt.

Sowohl die algebraische als die geometrische Behandlung der Theorie ist anwendbar. Beide Arten finden hier Verwendung.

Fall l. Regelnde Reihenwickelungen -j- Dauermagnete

(Fig. 174).

Sind die Feldmagnete zum Teil dauernd magnetisiert, oder werden stählerne Dauermagnete außer den Elektromagneten verwendet, so daß ein dauerndes Feld entsteht, das vom Strome nicht abhängt, so können wir die Menge der magnetischen Linien im unabhängigen Felde mit bezeichnen.

Die Grundgleichung für die elektromotorische Kraft der Reihen-maschine ist (S. 256):

(Ic)

und für die Klemmenspannung

V — E —i{ra -f rm).

Die Menge O der in jedem Augenblicke durch den Anker tretenden Kraftlinien setzt sich aus zwei Teilen zusammen, der

dauernd vorhandenen unabhängigen Menge Ol und der vom Strom i abhängenden Menge, die ausgedrückt wird durch

⁴/io" Sm i

wenn Sm die Zahl der Windungen der regelnden Wickelung, l die Länge des magnetischen Kreises, Q dessen Querschnitt und |r den Durchschnittswert der Durchlässigkeit (für Eisen und Luft zusammen) zwischen den Grenzen der Stromlosigkeit und des stärksten Stromes bedeutet. Wir können also auch M als aus zwei Teilen bestehend ansehen, aus Ml und einem unveränderlichen Teil. Zur Abkürzung setzen wir:

108 • 10/ ^

v-Q

= <l

und können nun den veränderlichen Teil von M mit q Smi bezeichnen; folglich wird

M = Mx -f- q Sm i.

Für V erhält man:

V = n(M₁ -J- q Sm i) — i(ra -j- rm)

oder

V=n JL, + nq Sm i — i(ra + rm).

Die rechte Seite der Gleichung besteht aus drei Gliedern, deren erstes die Geschwindigkeit und zwei Konstanten enthält. Die beiden anderen Glieder enthalten eine veränderliche Größe — die Stromstärke —, eines enthält gleichfalls die Geschwindigkeit n und die Wickelungszahl Sm. Ist Sm von vornherein bestimmt, so muß offenbar die Geschwindigkeit, bei der die Maschine selbstregelnd wird, diejenige sein, bei der der Ausdruck für V nur Konstanten enthält. Ist n vorgeschrieben, so muß Sm derartig geändert werden, daß die Glieder mit einem veränderlichen Faktor ausfallen. Da die beiden letzten Glieder eine Differenz bilden, so kann man durch Änderung von n oder von Sm oder beider den Wert nq Sm gleich ra -f- rm machen.

Bei der gleichbleibenden Geschwindigkeit, welche wir nx nennen, wird demnach

nx q Sm i — i <ra -f- rm ) = 0, d. h. Sm und nx müssen so beschaffen sein, daß

^1 Q l^m ==K ^ “ —f⁻ ^ m Dies ist die Bedingungsgleichung.

Wird die darin enthaltene Bedingung erfüllt, so fallen die beiden letzten Glieder im Werte für V aus, und wir erhalten V — nx Mx — a (konstant).

Nachdem hiermit bewiesen ist, daß bei der gegebenen Geschwindigkeit V konstant wird, ist die Untersuchung von Bedeutung, wodurch der Wert von V denn bestimmt wird. Offenbar ist V proportional zu M₁ und also auch zu (Dx, dem Anfangsmagnetismus des Feldes. Wir können deshalb eine solche Anordnung treffen, daß die mit derselben Geschwindigkeit getriebene Maschine eine andere Spannung liefert, wenn wir nur Oi in dem erforderlichen Verhältnisse ändern.

Nehmen wir an, daß durch irgend welche Umstände die Geschwindigkeit vorgeschrieben ist, so wird die kritische Zahl der regelnden Windungen ausgedrückt durch:

(XVI).

Am

ra -f- rm

nq

Je höher also der innere Widerstand der Maschine ist, desto größer muß auch die Zahl der regelnden Reihenwickelungen werden, wenn Selbstregelung eintreten soll.

Aus der Gleichung (XV)

nx q Sm = ra-\- rm

ergibt sich für die kritische Geschwindigkeit

Ui

rn -f- r,„ 1

&in q

Dies zeigt, daß bei gegebener Reihenwickelung eine bestimmte kritische Geschwindigkeit für die Selbstregelung besteht, und daß diese mit dem inneren Widerstand zunimmt. Endlich können wir

die Gleichung folgendermaßen deuten:

Kritische Geschwindigkeit

■p.

Gesamter innerer Widerstand

Windungszahl der Magnetwickelung Der Wertp ist eine Größe, die nur von der Ankerwickelung und vom magnetischen Kreise, bezw. der wirksamen Durchlässigkeit des letzteren innerhalb des Bereiches, für den die Regelung gefordert wird, abhängig ist.

Wir hatten bis jetzt angenommen, daß die einzige Ursache des auszugleichenden Spannungsabfalles vom inneren Widerstand herrühre. Der durch die entmagnetisierende Wirkung des Ankers verursachte Abfall der Spannung hat bei neueren Maschinen eine noch größere Bedeutung. Es ist zu bedenken, daß bei einem Verschiebungswinkel a° der entmagnetisierende Gürtel iVX/90 Leiter in einem Winkel von 2 1° umfaßt. Es sei c die Zahl der parallelen Stromkreise im Anker; jeder Leiter führt also 7 = — Ampere Strom, so daß die entmagnetisierenden Amperewindungen =^1^/180 sind. Oder wenn man die Zahl der Leiter innerhalb des Winkels ~k mit D bezeichnet, so sind die entmagnetisierenden Amperewindungen gleich 2 Div Um diese auszugleichen, müssen wir also mindestens so viele Windungen in Reihe mit dem Anker schalten, daß ihre Zahl, multipliziert mit dem ganzen Strom die gleiche Anzahl von Amperewindungen liefert d.h. die Zahl der Amperewindungen muß mindestens 2 Divji = 2 Djc betragen. Wegen der magnetischen Streuung ist noch eine gewisse Yermehrung erforderlich, der man dadurch Rechnung

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Fig. 174. Selbstregelung. Reihenwickelung Dauermagnet F remderregung.

tragen kann, daß man den gefundenen Wert mit dem Streuungskoeffizienten v multipliziert. Die Reihenwickelungen Sm sind also

um den Wert -v-- zu vergrößern, so daß wir erhalten

F a “j“ ^ m

ni q

In dem besonderen Ealle der Sehnenwickelung (Fig. 207) ist die Zahl der notwendigen Reihenwickelung kleiner, als er nach der Formel zu nehmen sein würde.

oder

Sm

2 Z)v

. . (XVII).

Fall 2. Reihenmaschine -(- fremderregende Wickelungen.

Es ist ein unabhängiger Magnetismus vorhanden, der von einem in besonderen AVickelungen um den Feldmagnet kreisenden Strom herrührt und einen Teil des Feldmagnetismus liefert. Rennen wir die Zahl der magnetischen Linien, die der unabhängigen Erregung entstammen, d>L, so trifft der vorige Beweis zu, und es gelten die gleichen Schlußfolgerungen. Ol wird indessen keine wirkliche

Konstante sein, weil die Wirkung der gleichbleibenden magnetisierenden Kraft mit dem Sättigungsgrade, der aus der gesamten magnetisierenden Kraft entspringt, sich ändert. Wird aber die durchschnittliche wirksame Durchlässigkeit im Bereich der Regelung bei der Berechnung von d){ und N in Betracht gezogen, so ist damit einem Abfall in der Wirkung des unabhängigen erregenden Stromes vorgebeugt.

Geometrische Darstellung der Fälle 1 und 2.

Auf S. 265 wurde gezeigt, wie die Potentialwerte an den Klemmen der Magnetomaschinen beim Ansteigen des Stromes abnehmen, und daß e stets um den Betrag rai kleiner ist als E.

Es seien OX und OjP (Fig. 174) die Koordinatenachsen, OP steile die elektromotorische Kraft (E=nl Mx) dar, die von dem dauernden oder unabhängigen Magnetismus herrührt, der bei stromlosem Anker bestimmt wird. Unter der Annahme, daß die Gegenwirkungen des Ankers wegen ihrer Geringfügigkeit vernachlässigt werden können, wird E bei gleichbleibender Geschwindigkeit auch bei jeder Stromstärke gleich bleiben, V wird jedoch sinken. Yon 0 aus zieht man die Linie OW unter einem Winkel, dessen Tangente den inneren Widerstand der Maschine darstellt. Betrachten wir jetzt den Fall, in dem die Stromstärke i dem Werte OJ entspricht. UJ bedeutet den Spannungsverlust im Anker, denn UJ = OJ-tg UOJ — rai. Yon t aus werde das Stück tQ — UJ abgeschnitten, so stellt QJ die Größe von V dar. Während die Kurve für die Beziehung zwischen E und i eine fast horizontale Linie bildet, fällt die Kurve für V und i (äußere Charakteristik) ab, wie die punktierte Linie zeigt. Man kann jeden Punkt der Kurve für V aus der Kurve für E einfach dadurch bestimmen, daß man von der Ordinate ein Stück abschneidet, das dem Abstande zwischen OW und OX an der entsprechenden Stelle gleich ist. Demnach ist es einleuchtend, daß bei dem horizontalen Yerlauf der Kurve E die Kurve V sich abwärts neigen muß, und daß wir eine ansteigende Kurve für E haben müßten, deren Punkte genau um den vorhin genannten jedesmaligen Betrag höher liegen, falls wir eine horizontale Kurve für F, d. h. gleichbleibende Spannung, gebrauchen. Bei gegebener Geschwindigkeit nx hat nun E den Wert nt Ml, wenn bedeutet, daß der magnetische Kreis (entweder dauernd oder durch einen besonderen Strom) erregt wurde, bis zu dem bei Leerlauf erforderlichen Grade.

OP soll die Anfangsmagnetisierung darstellen. P ist deshalb ein Punkt der Magnetisierungskurve, die noch mehr ansteigt, sobald wir eine größere Zahl von Amperewindungen anwenden. Dazu haben wir eine Reihenwickelung auf dem Magnete notwendig, und zwar so viele Windungen Sm, daß die Amperewindungen Smi das Ansteigen des Magnetismus im richtigen Verhältnis herbeiführen, so daß tT= UJ wird. Wir gewinnen dann eine ansteigende Kurve für E nicht als gerade Linie, indessen von solcher Eigenschaft, daß nach Abzug der Spannung, die im Anker verbraucht wird, eine fast horizontal verlaufende Linie für V sich ergibt.

Bei dem Vergleiche der algebraischen mit der geometrischen Methode ersieht man, daß der Wert nx    der Linie tJ, der

Wert n₁ q Smi der Linie Tt und der Wert ra i der Linie UJ entspricht. Ist der Widerstand der hinzugefügten Reihenwickelung durch die Neigung der Linie OW mit ausgedrückt, so entspricht die Linie UJ dem Werte i(ra -[- rm).

Fall 3. Regelnde Reihenwickelungen -f- Erregende Nebenschlufs-wickelungen: Gemischte Wickelung.

Die gemischt bewickelte Maschine kann man entweder als eine Reihenmaschine ansehen, der einige Nebenschlußwindungen zur Hervorbringung einer Anfangsmagnetisierung beigegeben sind, oder als eine Nebenschlußmaschine mit einigen Reihenwindungen zur Abgleichung des Abfalles der Klemmenspannung.

Die Schaltung des Nebenschlusses kann auf zwei Arten erfolgen, deren Verhältnisse sich ein wenig unterscheiden. Nach der Methode des kurzen Nebenschlusses werden die Nebenschlußwickelungen nur mit dem Ankerteil der Maschine verbunden und laufen von Bürste zu Bürste. Nach der Methode des langen Nebenschlusses werden die Nebenschlußwickelungen an die Klemmen der Maschine gelegt und deshalb entweder als Nebenschluß zum äußeren Kreise oder als Nebenschluß zur Anker- und Reihenwickelung insgesamt betrachtet. Bei der ersten Anordnung ist der Strom im Nebenschlüsse nicht gleichbleibend, denn wenn auch V nahezu gleich bleibt, so trifft dies doch nicht für die Spannung an den Bürsten zu; dieser Wert nimmt zu, wenn der Widerstand des äußeren Kreises sinkt.

Bei der zweiten Anordnung (langer Nebenschluß) bleibt der Strom im Nebenschlüsse gleich, wenn V gleich bleibt, es hat demnach dieser Fall Ähnlichkeit mit der bereits besprochenen unabhängigen, gleichbleibenden Erregung.

• Die erstgenannte Schaltung ist in der Fig. 175 dargestellt. Da in einer gut gebauten Maschine ra einen sehr geringen Wert besitzt, wird rm ebenfalls sehr klein sein, weil wenig regelnde Reihenwicke-lungen erforderlich werden. Außerdem wird der Strom im Nebenschlüsse verhältnismäßig gering werden, wreil der Widerstand rs verhältnismäßig groß ist; es bedingt demnach auch einen sehr geringen Unterschied, ob der Nebenschluß an die beiden Bürsten oder an die Klemmen des Hauptkreises gelegt wird. Die Schaltung mit langem Nebenschlüsse ist aus der Fig. 176 ersichtlich.

Die Berechnung für beide Schaltungsarten ist praktisch die gleiche und bedingt dieselbe Beweisführung; für den langen Nebenschluß wird sie etwas einfacher, wie folgendes zeigt.

TU

Tau

~P-rrv

Teu

(ü

V----

-----R —

Langer Nebenschluß. Fig. 175 u. 176. Stromlauf der Maschine mit gemischter Wickelung.

_____/

Kurzer Nebenschluß.

Es ist

E=nM

V= E — 4 (ra -f- rm ).

Da der Magnetismus von der gesamten Zahl der Amperewindungen des Feldmagnetes abhängt, erhalten wir

M=q{Sai,-\- Smia).....(XVIII),

wenn q dieselbe Bedeutung wie vorhin (S. 282) besitzt, nämlich

I iA

N 4 t: / y l TÖ® 10/ L

oder, genauer, die veränderliche Zahl bedeutet, die bei verschiedenen Graden der Magnetisierung das numerische Verhältnis zwischen (D und der gesamten Zahl der Amperewindungen des magnetischen Kreises der Maschine darstellt. Für den vorliegenden Zweck wird os erforderlich, den Wert von q für den Fall zu betrachten, daß der Außenstrom Null wird und die Erregung lediglich dem Nebenschlüsse entstammt, dieser Wert möge q₀ sein.

Dann wird die anfängliche Zahl der Kraftlinien bei offenem

Stromkreis

diT— q₀ Ssts

sein. Aus den drei Gleichungen erhalten wir dann:

V=nqSsis -\-nqSmia — ia {ra + r»*)•

Von den drei Ausdrücken rechter Hand enthält der erste die Geschwindigkeit (welche gleichbleibend sein kann) und die Stromstärke is im Nebenschlüsse, welche gleichbleibend sein wird, falls V gleichbleibend erhalten werden kann; der zweite Ausdruck enthält ebenfalls die Geschwindigkeit, der zweite und der dritte Ausdruck enthalten endlich beide den veränderlichen Wert ia. Die beiden veränderlichen Glieder haben entgegengesetztes Vorzeichen. Der Wert V kann aber unmöglich eine Konstante werden, wenn die beiden letzten Glieder einen veränderlichen Faktor enthalten, es sei denn, daß die Koeffizienten des veränderlichen Faktors so beschaffen sind, daß die Ausdrücke sich heben; V kann ferner keine Konstante werden, es sei denn, daß entweder die Geschwindigkeit n oder die Windungszahl Sm, oder beide Werte, so beschaffen sind, daß diese Bedingung erfüllt wird. Beide Größen lassen sich entsprechend bemessen, so daß

wird.

n q Sm = ra -f- rm

Dies ist eine der beiden Bedingungsgleichungen; ist die Geschwindigkeit gegeben, so wird die kritische Zahl der Reihenwindungen:

Sm

ra rm

Ist Sm gegeben, so wird die kritische Geschwindigkeit

ra + rm 1

Sm

Wird diese Bedingung erfüllt, so ist V gleichbleibend und besitzt den Wert:

V= nqSs v

Hierdurch würde indessen der Wert von V nicht bestimmt

rs

sein, da ia=— ist; wir können aber doch einen bestimmten Wert

von V finden, nämlich denjenigen, den V besitzt, wenn die Maschine keinen Strom abgibt, d. b. wenn letztere bei offenem Stromkreise läuft. Es ist dann

V=n M₀ — i (ra + rm)

oder, da dann q den Wert q₀ besitzt,

V = nq₀S₈ia.

Da aber V—rs i₈, erhalten wir:

rs ⁷¹ Sa q₀'

Aus diesem und dem vorhin für n entwickelten Werte er

gibt sich:

rs

ra -f rm

Sm q

oder endlich

rs

S.

Sm

J a ~[~ 1 m qo

als zweite Bedingungsgleichung.

Da qQ proportional \i₀ ist, d. h. der magnetischen Durchlässigkeit, wenn kein Strom vorhanden ist, und q der durchschnittlichen Durchlässigkeit |i proportional ist, die im Betriebsbereiche zwischen der Stromlosigkeit und dem Maximalstrom vorhanden ist, so folgt, daß ohne Änderung der Sättigung q : q₀ — 1 wäre.

Um die entmagnetisierende Wirkung des Ankers auszugleichen, müssen in die Reihenwickelung noch, wie oben (S. 283/4) entwickelt, weitere Windungen eingeschaltet werden. Damit die obigen Formeln dies berücksichtigen, müßte in ihnen überall statt Sm der Wert

Sm — —— gesetzt werden.

Gleichbleibende Spannung am fernen Ort (Überkompoundieren).

Es muß ferner bemerkt werden, daß, abgesehen von der entmagnetisierenden Tätigkeit des Ankers, der von den Reihen wicke-langen zu liefernde Betrag magnetischer Erregung stets den Widerständen proportional ist, die im Hauptkreise und innerhalb derjenigen Punkte sich befinden, für die gleichbleibende Spannung gefordert wird; hierdurch wird es möglich, in dem Falle, wo die Hauptzuführungen von der Maschine bis zu den Lampen lang sind, die Maschine durch Hinzufügung von Reihenwickelungen so einzurichten, daß sie nicht an den Klemmen gleichbleibende Spannung liefert, sondern am entfernten Punkte des Stromkreises, wo die Lampen gespeist werden sollen.

Wenn Lampen sehr entfernt von der Dynamomaschine zu betreiben sind, wie dies z. B. bei der Beleuchtung von Bergwerken der Fall ist, so läßt sich durch geeignete Bemessung der gemischten

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Wickelung erzielen, daß an einem Punkte in der Mitte des Betriebsnetzes gleichbleibende Spannung herrscht. Es ergibt sich dabei noch ein anderer Vorteil; denn wird die Maschine voll belastet, so geht auch die sorgfältigst geregelte Betriebsmaschine doch etwas zurück und bedingt dadurch einen weiteren Abfall der Spannung. Als Beispiel dafür, was sich durch Zusatzwickelungen erreichen läßt, kann der in Pig. 434 und Tafel X dargestellte sechspolige Stromerzeuger für Straßenbahnen dienen, der ungefähr 4000 Amperewindungen für jeden Pol bei offenem Stromkreis erfordert, jedoch eine solche Reihenwickelung hat, daß bei voller Belastung 6000 Amperewindungen für jeden Pol hinzugefügt werden können.

Anordnung der gemischten Wickelung.

Gemischte Wickelungen lassen sich in verschiedener Weise anordnen. Auf demselben Kern werden die Xebenschlußwickelungen zuweilen auf die Reihenwickelungen gelegt, häufiger legt man die Reihenwickelungen außen auf die Xebenschlußwickelungen. In früheren Ausgaben dieses Werkes war empfohlen worden, die Reihenwickelungen näher an den Pol zu legen, als die Nebenschluß Wickelungen. Wenn jedoch der magnetische Kreis durch die Eisenmassen hindurch gut ist, so bedingt die Lage der Wickelungen nur einen geringen Unterschied.

Vorausbestimmung der gemischten Wickelung.

Die Vorausbestimmung des Betrages der gemischten Wickelung hängt ab von der vorgängigen Schätzung 1. der Spannung bei voller Belastung und 2. der Höhe des Betrages der auszugleichenden entmagnetisierenden Ankergegenwirkungen. Winke zur Vorausbestimmung dieser Größen sind im Kapitel XVII und Beispiele der Berechnung im Kapitel XIX gegeben.

Praktisches Verfahren zur Bestimmung der Verbundwickelung.

Der Anker der Maschine möge mit der durch mechanische Erwägungen vorgeschriebenen Geschwindigkeit umlaufen und ein Spannungsmesser an die Klemmen gelegt werden. Es werden dann zwei Versuche notwendig.

Zuerst bestimmt man mittels einiger zeitweise um den Eeld-magnet gelegter Wickelungen von bekannter Windungszahl die Anzahl der Amperewindungen, wrelche genügt, um den Magnet bis zu dem für den Betrieb nötigen Grade zu erregen. Zu diesem Zwecke wird durch die Windungen ein Strom aus einigen Sammlern oder

■einer anderen Maschine, dessen Stärke zu messen ist, geleitet. Hieraus kann S bestimmt werden, denn es ist von vornherein bekannt, daß is etwa 2 Prozent des Stromes bei voller Belastung beträgt. Zweitens bringt man in den Hauptkreis etwas Widerstand, um das Maximum der Lampenbelastung zu erhalten. Während die Maschine mit der betriebsmäßigen Geschwindigkeit läuft, bestimmt man, immer noch unter Einwirkung der zeitweilig umgelegten und durch die Sammler mit Strom versehenen Wickelung, welche Zahl erregender Amperewindungen im ganzen notwendig ist, wenn die Maschine volle Leistung liefert; von dieser Zahl zieht man den beim ersten Yersuch erhaltenen Wert Ssis ab; der Best liefert die Zahl der Amperewindungen, welche die Reibenwickelung hervorbringen muß. Da die maximale Stromstärke bekannt ist, so kann auch berechnet werden.

Dasselbe Verfahren läßt sich auch beim Überkompoundieren nnwenden, wenn also Zusatzwindungen bestimmt werden sollen: die Erregung bei voller Belastung wird dann so lange gesteigert, bis ■die Klemmenspannung um die dem Spannungsabfall in den Leitungen entsprechende Spannung gestiegen ist.

Regelnder Nebenschluss.

Zuweilen gibt man der Reihenwickelung von Verbundmaschinen ■eine größere Zahl von Windungen, als zum Erreichen der vorgeschriebenen Spannung wirklich nötig wäre. Es wird dieser Wickelung dann ein äußerer Nebenschluß zugefügt, der später, wenn die Maschine aufgestellt ist, abgeglichen wird. Dieser Nebenschluß ist demnach nur eine Beigabe, welche die Amperew'indungszahl der zuzufügenden Erregung bis zu dem erforderlichen Grade herabzumindern gestattet. Besteht dieser Nebenschluß aus Eisen, so wird er, bei dem hohen Temperaturkoöffizienten dieses Widerstandes, erwärmt einen kleineren Teil des ganzen Stromes aufnehmen und dadurch die Spannung bei voller Belastung noch mehr steigern.

Ausgleichverbindung.

Wenn zwei oder mehr Verbundmaschinen parallel geschaltet werden sollen, ist es nötig, eine besondere Klemme vorzusehen, an welche die Maschinen durch einen Ausgleichdraht angeschlossen werden, so daß sie nicht nur durch den äußeren Kreis, sondern auch durch die Ausgleichdrähte an den Bürsten parallel geschaltet sind und die Ankerspannungen gleich gemacht werden. Weiteres hierüber siehe in Kapitel XXVII über das Zusammenschalten von Dynamomaschinen.

Kapitel XII.

Charakteristische Kurven.

Manche praktische Aufgaben, welche sich bei der Herstellung von elektrischen Maschinen ergeben, haben durch Anwendung graphischer Darstellungen und besonders durch Benutzung der sogen, charakteristischen Kurven ihre Lösung gefunden. Die Art des Ent-werfens und die Anwendung der letzteren bildet einen wichtigen Abschnitt in der Theorie der Dynamomaschine. Für viele praktische Zwecke erweist sich keine andere Methode so nützlich.

Die charakteristische Kurve steht zur Dynamomaschine in demselben Verhältnis, wie das Indikatordiagramm zur Dampfmaschine. Wie man durch Einsicht in das Diagramm der Dampfmaschine eine Vorstellung von den Eigenschaften der Maschine erlangen kann, so vermag man durch Betrachtung der Charakteristik einer Dynamomaschine ein Urteil über deren Eigenschaften und Leistung zu gewinnen. Die Vergleichung läßt sich aber noch weiter ausdehnen.

Das Indikatordiagramm der Dampfmaschine dient zwei Zwecken, die, wenn auch nicht ohne Zusammenhang, doch verschieden sind. Ist der Maßstab des Diagramms bekannt, so zeigt es uns unmittelbar die Leistung an, welche die Maschine entwickelt, und die von der gesamten durch die Kurve (ohne Bücksicht auf deren Form) eingeschlossenen Fläche abhängt.

Aber wenn auch der Maßstab nicht bekannt ist, so geben die Einzelheiten in der Form der Kurve in deren verschiedenen Punkten eine sehr bestimmte Belehrung über die Arbeit der Maschine, über die Vollkommenheit der Dampfausströmung, das Spiel der Ventile, die Wirksamkeit der Absperrung, die Angemessenheit der Zuführungsrohre und der Dampfwege durch die Ventile.

Ähnlich verhält es sich mit der charakteristischen Kurve einer Dynamomaschine. Ist der Maßstab bekannt, so zeigt die Kurve die Zahl der Pferdekräfte, die der Maschinenleistung entspricht; die

Kurve vermag sogar anzugeben, bei welcher Kraft die Maschine mit größtem Nutzen betrieben werden kann. Wenn aber auch der Maßstab unbekannt ist, so liefern die Einzelheiten der Kurvenform bestimmte Belehrung über die Bedingungen der Arbeit, den Sättigungsgrad der Magnete, über die Angemessenheit der Eeldmagnete im Verhältnis zum Anker und über die Güte der Bauart in verschiedent-licher Hinsicht.

Die ersten in Betrieb genommenen selbst- ^ uo regelnden Dynamo- > maschinen waren Reihenmaschinen; sie besaßen eine merkwürdige Unbeständigkeit in ihrem Verhalten, zuweilen verloren sie plötzlich ihren Strom und waren nicht mehr im stände, sich selbst zu erregen. Diese und anderere Eigenheiten konnten erst durch das Studium ihrer charakteristischen Kurven verstanden werden.

Die Darstellung der Eigenschaften einer Dynamomaschine mittels der charakteristischen Kurve verdanken wir Dr. Hopkinson, welcher 1879 deratige Kurven in der » Institution of Mechanical Engineers « beschrieb und die in der Fig. 177 wiedergegebene Kurve einer Maschine von Siemens angab. Die Bezeichnung »Charakteristik« wurde 1881 den Hopkinsonschen Kurven von Deprez¹) gegeben. Daß diese Bezeichnung treffend ist, beweist deren allgemeine Anwendung.

Hopkinson beabsichtigte, die zwischen der elektromotorischen Kraft und der Stromstärke bestehende Beziehung darzustellen; er

100

80

80

50

40

30

20

1° -fr-

!

10

20

30

40

50

80

*E

76

AMPERE

Fig. 177. Charakteristik einer Hauptschlußmaschine.

1) Vergl. La Lum. électr. 3. Dezember 1881, wo Deprez jedoch eine Beobachtungsmethode angibt, gegen welche sich einwenden läßt, daß die Gegenwirkungen des Ankers vernachlässigt werden.

nahm deshalb durch Beobachtungen eine Kurve auf, deren Abeissen die Stromstärke und deren Ordinaten die entsprechenden Werte der elektromotorischen Kraft ausdrücken. Die nachstehende Tabelle liefert die beobachteten Werte der Stromstärke i und der elektromotorischen Kraft E für eine bestimmte Reihenmaschine:

Versuche an einer Maschine von Siemens bei einer Umlaufsgeschwindigkeit von 720 Umdrehungen in der Minute.

Elektromotorische Kraft in Volt

Stromstärke in Ampere

Widerstand in Ohm

O ^?CO Dt CO CO Ci IO H O o" o" HO 03 t£\cT oT "4- t> 0Î

h h n ci ncont

JO JO JO JO OO 00 05 4- Ol Q5CM O K) 4- 0\ O ’tO 05 O 00 00 05 0500 tO tO O 05—4 00 On Cn

00 00 OO 00 00^1 ^1 o ^1 4x CO 4- ^ VO O 00    CO to

4- 0\ 054- M Ol ON4-    VÖ -ö

Es ist zu beachten, daß E die gesamte elektromotorische Kraft der Maschine bedeutet und nicht mit der Klemmenspannung U, die durch einen Spannungsmesser bestimmt wird, verwechselt werden darf. Wir ziehen in vielen Fällen die Benutzung von V anstatt E zur Zeichnung der Kurve vor; nach der ursprünglichen Methode von Hopkinson fand dies nicht statt. Er bestimmte i durch Messung und multiplizierte den Wert mit dem Widerstande des gesamten Stromkreises (iü — E). Hierzu ist zu bemerken, daß die Maschine eine Reihenmaschine war. Nebenschlußmaschinen waren damals noch nicht in Aufnahme gekommen.

Vor dem Eintritt in andere Erörterungen wollen wir erst die Kurve näher betrachten. Sie beginnt an einem etwas oberhalb des Nullpunktes belegenen Punkte. Es zeigt dies das Vorhandensein eines geringen magnetischen Rückstandes in den Feldmagneten an. Dann steigt die Kurve steil an, rundet sich darauf und nimmt nun einen fast geraden Verlauf, steigt aber sanfter an als vorher.

Wenn nun die Geschwindigkeit gleich bleibt — bei den Versuchen von Hopkinson wurde diese auf 720 Umläufen in der Minute erhalten — so bildet die magnetische Feldstärke die einzige veränderliche Größe von Bedeutung. Sobald der Magnetismus der Feldmagnete wächst und sich seinem Maximum nähert, wächst auch die Feldstärke; dasselbe findet auch bezüglich der elektromotorischen Kraft statt. Man könnte deshalb erwarten, führt Hopkinson aus, daß die Kurve, welche die Beziehung zwischen der Stromstärke und der elektromotorischen Kraft der Reihenmaschine darstellt, Eigentümlichkeiten in der Gestalt zeigen würde, ähnlich denjenigen der Kurve, welche die Beziehung zwischen dem magnetisierenden Strome und der Magnetisierung eines Elektromagnetes angibt.

Ein Vergleich der Eig. 177 der »Charakteristik« der Reihenmaschine mit der Fig. 53. der »Sättigungskurve« eines Elektromagnetes, wird zur Bestätigung der Analogie hinreichen. Hervorzuheben ist jedoch, daß die Feldstärke nicht nur von der Stärke des Feldmagnetes ahhängt, sondern auch durch den in der Ankerwickelung kreisenden Strom beeinflußt wird.

In der bereits genannten Abhandlung, sowie in einer zweiten in den Proc. Inst. Mech. Engin, im April 1880 veröffentlichten (S. 206) führt Hopkinson eine große Anzahl verwendbarer Schlüsse an, welche die Betrachtung solcher Kurven liefert. Bezüglich anderer von Deprez gemachter Folgerungen wird auf La Lum. électr. 15. Juni 1884 verwiesen. Auch Dr. Frölich hat mehrere wichtige Abhandlungen über den Gegenstand in der Elektrot. Zeitschrift für 1881 und 1884 veröffentlicht. Dr. Hopkinson nahm den Gegenstand in einer in der Instit. of Civ. Engin, im April 1882 gehaltenen Vorlesung: »Über einige Punkte der elektrischen Beleuchtung« wieder auf. Vergl. auch sein Werk: »The Dynamo - Electric Machines« (London 1893), und den Abdruck (Cambridge içoi) seiner »Original Papers«, Bd. 1, S. 32 bis 132.

Wie bereits im Eingänge dieses Kapitels erwähnt wurde, läßt sich aus der Charakteristik einer Maschine ihre Leistung, ausgedrückt in Pferd, entnehmen. Das aus Stromstärke und Spannung gebildete Produkt ergibt die elektrische Leistung. Man nennt das Produkt aus 1 Ampere und 1 Volt Volt-Ampere, und mit besonderer Bezeichnung Watt. Ein Watt oder Volt-Ampere ist gleich ¹/₇₃₆ P (Pferd, Pferdekraft, Pferdestärke¹)). Um die im Stromkreise von einer Maschine bei irgend einer Geschwindigkeit, bei Einschaltung einer bestimmten Zahl Lampen entwickelte elektrische Leistung in Pferd zu berechnen, hat man zwei Messungen vorzunehmen, die der Spannung in Volt pnd der Stromstärke in Ampere. Das Produkt dividiert durch 736 ergibt die Leistung in Pferd. Ist jedoch die Charakteristik der

Anm. d. Übers.

Maschine bei einer bestimmten Geschwindigkeit bekannt, so ergibt ein Blick auf die Kurve, welche elektromotorische Kraft irgend einer Stromstärke entspricht. Nehmen wir als Beispiel die von Hopkinson untersuchte Siemenssche Maschine, deren charakteristische Kurve in der Fig. 177 dargestellt ist. Es liefere diese Maschine bei einem bestimmten Widerstande und bei 720 Umdrehungen 30 Ampere, so ergibt sich als elektromotorische Kraft der Wert 83. Daher ist

3,3 P.

83-30 736“

Um nun derartige Berechnungen zu vermeiden, fügen wir zu dem Diagramm einige die Charakteristik schneidende Kurven hinzu,

VOLT

<yS'

10

Y.\

SU

-v-

<1

X'

-Ar

50

Y,

Y;

•w

30

20

1/J

X)

20

30

40

50

60

<30

AWIP&RE

Fig. 178. Charakteristik mit Leistungslinien.

die bei verschiedenen elektrischen Bedingungen gleichen Leistungen entsprechen.

Diese »Leistungslinien« sind rechtwinkelige Hyperbeln. So geht z. B. die Leistungslinie für 1 P durch sämtliche Punkte, für welche das Produkt Spannung X Strom gleich 736 ist, also durch den Punkt, welcher 73,6 Volt und 10 Ampere entspricht, ferner durch den Punkt, der 36,8 Yolt und 20 Ampere und der 14,72 Yolt und 50 Ampere entspricht, denn alle diese Produkte ergeben den Wert 736. Die Leistungslinie für zwei Pferd geht durch alle Punkte, für welche das Produkt 2-736 gefunden wird u. s. w. Die Fig. 178 zeigt die der Fig. 177 entnommene Charakteristik mit den Leistungslinien.

Im besprochenen Falle bedeutet die Spannung die gesamte elektromotorische Kraft E der Maschine; demzufolge gibt die Leistungslinie die gesamte in jeder Sekunde im Stromkreise umgesetzte elektrische Energie an.

Wenn wir die Klemmenspannung e zur Bildung der Kurve benutzten, so würden wir eine etwas abweichende Linie erhalten, die den Betrag der in jeder Sekunde im äußeren Stromkreise hervorgebrachten elektrischen Energie ausdrückt, welche für die Nutz-arbeit verfügbar ist.

Wird der wagerechte und senkrechte Maßstab für die Kurve nicht gleich gewählt, so erscheinen die Leis'tungslinien, wenngleich Hyperbeln, doch in anderer Gestalt.

»Äufsere« Charakteristiken oder Kurven der Klemmenspannung.

Man kann die Bezeichnung »äußere Charakteristik« der Unterscheidung halber denjenigen Kurven beilegen, welche die Beziehung zwischen der Klemmenspannung und der Stromstärke im äußeren Kreise darstellen. Bei der Beihenmaschine wird die Ableitung einer dieser Kurven aus der anderen leicht, sobald der innere Widerstand des Ankers und des Feldmagnetes bekannt ist. Die von Hopkinson im Jahre 1879 untersuchte Siemenssche Maschine, deren Charakteristik in den Fig. 177 und 178 dargestellt ist, besaß «inen inneren Widerstand von 0,6 Ohm. In der Fig. 179 wird diese Kurve zum dritten Male, mit E bezeichnet, dargestellt. Soll ein Strom von 10 Ampere geliefert werden, so muß man berücksichtigen, daß die Überwindung von 0,6 Ohm eine Spannung von 6 Volt erfordert; wir ersehen aus der Kurve, daß die einer Stromstärke von 10 Ampere entsprechende elektromotorische Kraft etwa 46,5 Yolt beträgt. Hiervon werden 6 Yolt zur Überwindung des inneren Widerstandes gebraucht, und es verbleibt eine Klemmenspannung von 40,5 Volt. Bei 50 Ampere werden nicht weniger als 30 Yolt zur Überwindung des inneren Widerstandes von 0,6 Ohm verwendet, und da E für den Strom von 50 Ampere den Wert 90,5 Volt hat, so verbleiben 60,5 Yolt für die Klemmenspannung. Es gibt nun zwei Wege, dies als Diagramm darzustellen; beide zeigt die Fig. 179.

Die Linie J geht vom Nullpunkte aus durch die Punkte, die 6 Volt und 10 Ampere, bezw. 30 Volt und 50 Ampere entsprechen. (Die Tangente der Neigung dieser Linie ist = 6/10 = 0,6. werden später sehen, daß dadurch der innere Widerstand sich ergibt.) Wenn wir durch die Ordinaten der Linie E die überhaupt induzierten elektromotorischen Kräfte darstellen und durch die Ordinaten der

Linie J die zur Überwindung des inneren Widerstandes erforderliche Spannung aus-drücken, so folgt daraus, dass die Klemmenspannung durch die Differenz der zugehörigen Ordinaten der Linien E und J gc-

Wir

VOLT

ao

80

70

60

so

40

.30

20

10

10

20

4L)

50

GO

<E

TTf

geben ist.

In dieser Weise läßt sich zunächst die Klemmenspannung darstellen. Man kann ebenso von den oberen Enden der Ordinaten Teile, die den Ordinaten

zugehörigen von J gleich sind, ab-Dies läuft

76

AMPERF

Fig. 179. Gesamte und äußere Charakteristik.

schneiden, darauf hinaus, die im inneren Widerstande ver-

brauchte Spannung, die nach der algebraischen Theorie gleich i(ra-frm) ist, von E zu subtrahieren, um so die Werte von V zu erhalten. Die letzteren werden durch die Kurve »V« dargestellt; da diese die Spannungen für den äußeren Kreis ergibt, so nennt man die Kurve die »äußere Charakteristik« oder die »Kurve der Klemmen

spannung«.

In der Regel kehrt man den Vorgang um. Die Werte der Klemmenspannung lassen sich mittels eines Spannungsmessers, und die Stromstärken mittels eines Strommessers bequem beobachten. Hieraus wird die äußere Kurve für F dargestellt; fügt man zu den Ordinaten dieser Kurve die Werte der entsprechenden Spannungsverluste hinzu, so erhält man die Kurve für die Beziehungen zwischen

E und i. Enthalten die Feldmagnete Dauermagnetismus, so beginnt die Charakteristik etwas oberhalb des Nullpunktes.

Charakteristik von Reihenmaschinen.

Die zur Darstellung der Charakteristik für die Fig. 177 benutzte Siemenssehe Maschine war eine Reihenmaschine. Aus der Fig. 180 wird die Charakteristik einer Reihenmaschine des Musters »A«

Gramme ersichtlich. Die Messungen von Deprez ergaben 0,41 Ohm Widerstand der Ankerwickelung und 0,61 Ohm der Wickelung des Feldmagnetes. Es sind zwei Charakteristiken gezeichnet, die eine entspricht

von

TOÛ

720

700

:àcO j'f \

-i—(—V-'

H

• !\ '•

eo

60 ■

:—fr

'3SO\    \

VOLT

50

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40

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v-

30

''J

»■

20

BR

JSH

' ' Op

10

OY A

20

40

SO

JO

10

20

30

40

Fig. 181. Abfallende Charakteristik.

Fig. 180. Charakteristik bei verschiedenen Geschwindigkeiten.

Die Leistungslinien sind

einer Umlaufsgeschwindigkeit von 1440, die andere einer solchen von 950 Umläufen in der Minute.

punktiert.

Bei der Reihenmaschine steigt die Magnetisierung mit der Stromstärke an, und deshalb wächst auch zuerst die elektromotorische Kraft; die Kurve zeigt deshalb einen in gerader Linie ansteigenden Teil. Sobald der Magnet sich der Sättigung nähert, wendet sich die Kurve, und sobald die vom Ankerstrom herrührenden Gegenwirkungen einen verhältnismäßig hohen Wert erlangen, ' flacht sie ab und wendet sich endlich wieder abwärts. Die größere Bürstenverschiebung trägt wesentlich hierzu bei, denn sie vermehrt die quermagnetisierende Wirkung des Ankerstromes.

Das Abfallen der Kurve zeigt sich bei schwachen Feldmagneten stets größer; ebenso bei solchen Maschinen, in denen die Zähne und Polspitzen nicht genügend gesättigt sind. Zum Zwecke des genaueren Studiums der Magnetisierung der Maschine trägt man als Abscissen besser die Zahl der Amperewindungen als die Stromstärke auf.

Eine weitere Kurve einer Reihenmaschine zeigt die Fig. 181. Dieselbe ist einer kleinen Maschine von Brush (für eine einzelne Bogenlampe), und zwar dem älteren Muster mit massivem Eisenringe, entnommen. Mit Rücksicht auf die besondere Anordnung der Wickelung machen sich die Gegenwirkungen des Ankers durch ein sehr starkes Abfallen der Charakteristik bemerkbar. Zum Teil rührt dies von der Einrichtung her, daß ein Paar Wickelungen bei der Annäherung an den neutralen Punkt ausgeschaltet werden. Die größte Leistung dieser kleinen Maschine beträgt 1,75 P; dieser Wert wird nur erreicht, wenn die Gegenwirkungen sich schon eingestellt haben. Die bedeutende Verminderung der elektromotorischen Kraft, die ein-tritt, sobald man von der Maschine eine übermäßige Leistung verlangt, ist in Wirklichkeit ein Vorteil. Sollte die Maschine während des Betriebes zufällig kurz geschlossen werden, so verhindert die Gegenwirkung des Ankers eine übergroße Stromstärke, infolge deren die Wickelung sich stark erhitzen könnte. Zur Speisung von Bogenlampen, für die eine nahezu gleichbleibende Stromstärke Erfordernis bildet, ist es als Vorteil zu betrachten, wenn Maschinen mit abfallenden Charakteristiken zur Verwendung gelangen, und zwar muß die Maschine im Bereiche des abfallenden Teiles der Kurve arbeiten.

Beziehung der Charakteristik zur Umlaufsgeschwindigkeit.

Die in einer umlaufenden Wickelung oder in einem Anker erzeugte elektromotorische Kraft würde der magnetischen Feldstärke genau proportional sein, wenn nicht die Gegenwirkungen des Ankerstromes einträten. In einer Reihenmaschine hängt die Feldstärke von der Stromstärke ab; wird die Stromstärke durch entsprechende Regelung der Widerstände gleichbleibend erhalten, so wird die magnetische Feldstärke selbst bei veränderter Umlaufsgeschwindigkeit des Ankers gleichbleibend sein. Ist für irgend eine Geschwindigkeit die Charakteristik der Maschine bekannt, so läßt sich für eine beliebige andere Geschwindigkeit die Charakteristik in einfacher

Weise dadurch hersteilen, daß die Ordinaten der Kurve in demselben Verhältnis vergrößert werden.

Betrachten wir beispielsweise die Maschine von Gramme, deren Charakteristik bei 950 Umläufen durch die Fig. 180 dargestellt wird. Man findet die Charakteristik bei 1440 Umläufen durch Vergröße-

rung der Ordinaten nach dem Verhältnis

Aus der unteren

1440 950 '

119,7 Volt. Die bei 1440 Umläufen und einer Strom-

79 •

Kurve ersieht man, daß die elektromotorische Kraft 79 Volt bei einer Stromstärke von 20 Ampere betrug. Danach ergibt sich 1440 950

stärke von 20 Ampere beobachtete wirkliche elektromotorische Kraft beträgt aber 127 Volt. Dies ist eine geringe Abweichung, die stets vorkommt. Denn Dynamomaschinen verhalten sich derartig, als ob eine gewisse Zahl von Umläufen für den elektrischen Vorgang nicht in Rechnung gezogen werden kann. Würde die Zahl dieser sogen, »toten Umläufe« im vorliegenden Falle mit 140 gerechnet, so würde die theoretisch berechnete Spannung genau mit der beobachteten stimmen.

Ableitung des Widerstandes aus der Charakteristik.

In der Charakteristik erscheint die Spannung als Ordinate, der Strom als Abscisse. Nach Ohms Gesetz ergibt Spannung in Volt dividiert durch Strom in Ampere den Widerstand in Ohm. Es soll der Widerstand des Stromkreises für irgend eine Stromstärke mittels der Charakteristik gefunden werden. Die Fig. 182 möge die fragliche Charakteristik der Maschine sein. Wir wollen nun den Widerstand für den Punkt P darstellen.

Man ziehe die Ordinate PM und verbinde P mit dem Anfangspunkte O. Die Linie PO besitzt eine bestimmte Neigung, deren Winkel POM ist. PM stellt die Größe der elektromotorischen Kraft dar, OM die Stromstärke. Der Widerstand ist demnach

Elektromotorische Kraft

PM

Stromstärke

OM

tg POM.

Das heißt:

Der irgend einem Punkte der Charakteristik entsprechende Widerstand wird durch die trigonometrische Tangente desjenigen Winkels dar gestellt, der durch die Verbindungslinie mit dem Anfangspunkte und der Abscissenachse gebildet wird.

Die Fig. 182 zeigt, wie sich die Tangenten leicht berechnen lassen. In dem 10 Ampere entsprechenden Punkte der Abscissen-achse errichtet man eine Ordinate. Vom Anfangspunkte wird dann unter einem Winkel von 45 Grad (dessen tg = 1) eine Linie gezogen, welche die Ordinate gegenüber dem Punkte von 10 Volt schneidet.' Die Lage dieses Punktes entspricht also dem Werte von 1 Ohm, und hiernach läßt sich eine Widerstandsskala auftragen. In der Fig. 182 schneidet die Linie PO von dieser Skala ein Stück etwa gleich 1,2 Ohm ab. Da P bei 51,3 Yolt liegt lind die Stromstärke 43,2 Ampere ist, so erhalten wir durch Division 1,18 Ohm. Derartige Berechnungen werden durch die graphische Darstellung erspart.

Wird der Widerstand des Stromkreises der Maschine nach und nach vergrößert, so müßten wir den Punkt P der Kurve entlang rückwärts nach dem Anfangspunkte zu verschieben; Spannung und Stromstärke würden abfallen, während die Steigung der Linie OP zunähme. Bei einer gewissen Steigung bildet OP praktisch eine Tangente an den fast geraden Teil der Kurve; bei einem sehr geringen Anwachsen des Widerstandes würde dann die Maschine ihren Magnetismus verlieren, weil es an Strom zur Magnetisierung mangelt.

Man kann den Widerstand in der Charakteristik jeder Dynamomaschine in ähnlicher Weise darstellen; wenn hierbei die Charakteristik die Beziehung zwischen der Stromstärke im äußeren Kreise und der Klemmenspannung darstellt, so ergibt sich auch der äußere Widerstand.

50

7.

VOLT

■W

30

io

OHM

T*

20

30

AMPERE

Fig. 182. Graphische Darstellung des Widerstandes.

Beziehung der Charakteristik zur Ankerwickelung und Magnetwickelung.

Es möge nun der Anker einer Maschine mit einer größeren Zahl von Windungen aus entsprechend dünnerem Drahte versehen werden. Was wird sich dann bei Innehaltung derselben Umlaufsgeschwindigkeit ergeben? Der Widerstand ist etwas größer, auch wird die elektromotorische Kraft etwas größer sein. Es stelle die Fig. 183 die Charakteristik der Maschine dar, als sie X Windungen

auf dem Anker besaß. Wie ändert sich nun die Kurve, wenn die Windungen auf X anwachsen?

P ist ein Punkt, der einer bestimmten Stromstärke entspricht. Nach Herstellung der neuen Wickelung möge der Widerstand bis zur Erreichung derselben Stromstärke verändert werden. Die Magnete werden in diesem Falle ebenso stark als vorhin magnetisiert; indessen schneiden nun X‘ Windungen anstatt X Windungen die Kraftlinien.

X'

Die elektromotorische Kraft wird demnach in dem Verhältnis —•

größer sein. Man ziehe deshalb die Linie P‘ C, so daß

P‘ C : PC= X‘ : X.

Sämtliche anderen Punkte der neuen Kurve können durch Vergrößerung der Ordinaten nach demselben Verhältnis gewonnen werden.

p'/

Hieraus ist ersichtlich, daß die Vergrößerung der Windungszahl der Ankerwickelung dieselbe Wirkung ausübt wie die Erhöhung der Umlaufsgeschwindigkeit.

Maschinen mit geringer Umlaufszahl (wie solche zum Gebrauch auf Schiffen u. s. w. erforderlich sind) können die erforderliche elektromotorische Kraft liefern, wenn die Zahl der Windungen entsprechend erhöht wird. Dies bedingt aber eine Einbuße mit Rücksicht auf die Wirtschaftlichkeit, und zwar wegen der Vergrößerung des Ankerwiderstandes.

Die aus Anlaß einer Änderung der Fig. 183. Änderung der windungs-

zahl des Ankers.

Windungszahl der Feldmagnetwickelung

eintretende Wirkung kann man gleichfalls aus der Charakteristik entnehmen. Es sei die Zahl der Windungen auf dem Magnete zuerst S, und es mögen dann S‘ Windungen aufgelegt werden. Wir werden gleiche elektromotorische Kräfte bei derselben Umlaufszahl erhalten, wenn der Magnet in beiden Fällen in gleichem Grade magnetisiert wird. Wenn aber der Strom S' mal anstatt S mal

s

kreist, so haben wir nur einen mal so starken Strom als vorhin

O

notwendig, um den gleichen Magnetismus zu erzeugen.

Um die neue Charakteristik (Fig. 184) zu erhalten, ziehe man die Linie PE. PE=CO entspricht der Stromstärke beider elektromotorischen Kraft E. Dann ist der Punkt P‘ so zu bestimmen,

daß P‘E : PE — S : S¹ ist. P‘ bildet nun einen Punkt der neuen Charakteristik. Durch entsprechende Berechnung der Abscissen kann man in derselben Weise alle anderen Punkte finden.

Beide beschriebene Verfahren können auf Charakteristiken von . Nebenschlußmaschinen nicht angewandt werden.

Wenn bei gleichbleibendem Widerstand die Geschwindigkeit gesteigert wird, so kann die Zunahme der Stromstärke in folgender Weise bestimmt werden. Es arbeite die Maschine zunächst unter den durch Punkt P der Eig. 185 dargestellten Verhältnissen. Der Widerstand des Stromkreises ist durch die Neigung der Linie OP bestimmt. Nun zieht man eine neue Charakteristik für die höhere

V’/

p.

Fig. 184. Änderung der Windungszahl des Feldmagnets.

c c⁷

Fig. 185. Änderung der Geschwindigkeit.

Geschwindigkeit, indem man die Ordinaten verhältnismäßig vergrößert. Die neue Charakteristik schneide die Linie OP in P', dann gibt die zu P‘ C gehörige Abscisse OC‘ den relativen Wert des Stromes an.

Kritische Stromstärke einer Reihenmaschine.

Aus der Tatsache, daß die Charakteristiken für verschiedene Geschwindigkeiten nur in der Skala der Ordinaten sich unterscheiden, kann eine wichtige Folgerung gezogen werden. Der untere Teil einer jeden Charakteristik fiir irgend eine Geschwindigkeit ist beinahe gerade bis zu einem Punkte, wo bei der betreffenden Geschwindigkeit die elektromotorische Kraft etwa ²/₃ ihres größten Wertes beträgt. Sobald die Stromstärke derartig ist, daß die elektromotorische Kraft diesen Wert erlangt, bringt jede sehr geringe Änderung der Geschwindigkeit oder des Widerstandes im Stromkreise eine bedeutende Änderung der elektromotorischen Kraft und demzufolge auch der Stromstärke hervor. Da dieser kritische Fall (vergl. Fig. 186) stets bei derselben Stromstärke eintritt, so kann man

diesen Strom — der dem Punkte entspricht, wo der gerade Teil der Kurve sich zu krümmen beginnt — den kritischen Strom oder die kritische Stromstärke der Maschine nennen. Dies ist die Erklärung für die oben auf Seite 302 erwähnte auffallende Unbeständigkeit. Die Reihenmaschine erregt sich selbst nur, wenn der Widerstand niedrig genug ist, und verliert ihren Magnetismus während des Ganges, wenn der Widerstand des Stromkreises zu sehr ansteigt. Jede Maschine zeigt eine besondere kritische Stromstärke und arbeitet nicht gut mit einer geringeren, weil eine geringere die Feldmagnete nicht genügend magnetisiert. Man ersieht auch, obgleich die Charakteristik für jede Geschwindigkeit entsprechend, ansteigt, daß für jeden Wert der Geschwindigkeit doch ein besonderer Widerstand sich findet, für den der kritische Strom erreicht wird; je größer die Geschwindigkeit ist, um so höher kann dieser Widerstand liegen. Einén an und für sich kritischen Widerstand gibt es nicht: denn ob ein Widerstand kritisch ist oder nicht, hängt von der Geschwindigkeit ab.

Es gibt auch keine an und für sich kritische Geschwindigkeit für ~ö c

.    t->    • i    i    i    i t Fig. 186. Kritischer Strom.

eine Reihenmaschine, denn ob die

Geschwindigkeit kritisch ist oder nicht, hängt vom Widerstande des Stromkreises ab.

Charakteristik der Magneto- und der besonders erregten Maschinen.

Bei den Magnetomaschinen ist der Magnetismus des Stahl-magnets annähernd konstant. Dasselbe würde bei den besonders erregten Maschinen zutreffen, wenn der Erregerstrom konstant ist, vorausgesetzt daß die quer- und entmagnetisierenden Wirkungen der Ankerströme nicht vorhanden wären. Aber diese Wirkungen wachsen mit der Ankerstromstärke und zudem steigt die entmagnetisierende Wirkung noch, wie Seite 235 entwickelt, mit der den Bürsten gegebenen Verschiebung.

Esson untersuchte die Charakteristik von besonders erregten Maschinen und hat für eine solche mit einem abgeänderten Pacinotti-schen Ringanker versehene Maschine die in Eig. 187 dargestellte Kurve

20

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

ermittelt. Die Linie E stellt die —    gesamte elektromotorische Kraft

dar, wenn keine    Gegenwirkungen

"    vorhanden wären, die Linie V die

V    Werte der Klemmenspannung unter

derselben Voraussetzung. Die Kurve B n    verbindet die wirklich beobachteten

Werte der Klemmenspannung V bei verschiedenen Stromstärken.

Der stärkere Abfall der Span-

_    nung bei größeren Stromstärken rührt

vermutlich von der stärkeren ent-_    magnetisierenden    Wirkung bei

Fig. 187. Charakteristik der fremderregten glößerer BÜrSten\ d Schiebung hoi.

Die Charakteristik    zeigt stets eine

solche    abwärts    gerichtete Krümmung, wenn die    KehYmagnete mïï

schwach    erregt    sind.

eo

50

40

30

20

10

Maschine.

Charakteristik der Nebenschlufsmaschine.

Für die Nebenschlußmaschine gibt es zwei besondere Charakteristiken; die äußere Charakteristik als Beziehung zwischen der Stromstärke im äußeren Kreise und der Klemmenspannung, und die innere Charakteristik als Beziehung zwischen der Stromstärke und Spannung für den Nebenschlußkreis. Die innere Charakteristik einer Nebenschlußmaschine ist der äußeren Charakteristik einer Reihenmaschine sehr ähnlich und zeigt die Sättigung der Feldmagnete. Es erscheint zweckmäßiger, zur Darstellung Ampere-Windungen anstatt Ampere zu benutzen, weil die Magnetisierung sowohl von der Anzahl der Windungen als von der Stromstärke abhängt.

Die äußere Charakteristik einer Siemensschen Nebenschlußmaschine (dieselbe, welche von Sir W. Siemens in der Royal Society im Jahre 1880 und von A. Siemens in dem Journ. Soc. Telegr. Eng., März 1880, beschrieben wurde) ist in der Fig. 188 dargestellt, in der auch die Leistungslinien verzeichnet sind.

Die äußerste Leistung der Maschine bei 630 Umläufen fand sich gerade unterhalb 2 P mit einer Stromstärke von 30 Ampere und einer Spannung von 47,5 Arolt.

Die Kurve der Nebenschlußmaschine unterscheidet sich in eigentümlicher Weise von der Kurve der Reihenmaschine. Sie

beginnt hei offenem Stromkreise an einem mit V bezeichneten Punkte, wo die Spannung ein Maximum ist, fällt zuerst langsam, dann sehr stark abwärts und kehrt in nahezu gerader Linie Nullpunkt (zur Ordinatenachse) zurück. Der gerade Teil zeigt den veränderlichen Zustand, wenn die Stromstärke im Nebenschlüsse sich unterhalb ihres wirklichen kritischen Wertes befindet.

zum

QO

VOLT

Die äußere kritische Stromstärke, wenn man diese Bezeichnung anwenden darf, tritt in der Fig. 188 bei einer Stromstärke von etwa 30 Ampere    ⁶⁰

v/O

40

30

Mo

'e

20

10

ein. Die Neigung der Linie, die den untersten Teil der Charakteristik bildet, stellt den AVider-stand dar, den man für die betreffende Geschwindigkeit den kritischen AViderstand nennen kann ; derselbe beträgt im vorliegenden Falle etwa 1 Ohm. Yermindert sich der AViderstand, so können die Magnete ihren Magnetismus plötzlich verlieren.

SIEMENS SO.

20

40

10

30

AMPERE

Fig. 188. Äußere Charakteristik einer Nebenschlußmaschine.

Bei einem größeren Widerstände steigt plötzlich die elektromotorische Kraft über den kritischen Wert — im vorliegenden Falle 30 bis 31 Volt. Wird der Widerstand des äußeren Kreises in geringster AVeise geändert, so ändern sich Stromstärke und elektromotorische Kraft bedeutend. Wird der Widerstand stetig vergrößert (d. h. die Steigung der Linie von 0 aus nach dem gekrümmten Teile erhöht), so steigt die elektromotorische Kraft beständig an und wird ein Maximum, wenn der äußere Widerstand unendlich ist, d. h. wenn der Stromkreis geöffnet ist und die Neben-schlußwickelung den gesamten Ankerstrom erhält. Die Fig. 189 zeigt die Charakteristik einer Nebenschlußmaschine von Gramme

20*

für eine Stromstärke von 400 Ampere. Hier stellt die mit V bezeichnete Kurve die äußere Charakteristik dar; daraus ist die Kurve E abgeleitet worden, indem zu den Ordinaten der ersteren Stücke, die den Werten raia entsprechen, hinzugefügt wurden. Die punktierten Kurventeile ergeben Werte, die nicht wirklicli beobachtet werden konnten, weil die Ankerleiter nicht mehr als 400 Ampere mit Sicherheit aufzunehmen vermochten.

uj/

VOLf

AMPILRE

100

200

400

300

Fig. 189. Charakteristik der Nebenschlußmaschine.

500

600

Die Vergleichung der Charakteristik einer Nebenschlußmaschine mit derjenigen einer Keihenmaschine (Fig. 177) ist sehr belehrend. Bei der Reihenmaschine bildet der erste Teil der Charakteristik gleichfalls eine geneigte Linie, und die Tangente des Neigungswinkels

VOLT

BO

50

\\

VOLT

60 ■

50

40

40

30

30

20

20

10

10

°0    7    2

⁰¥-t~1

3    4 S 6    7    #    3

OHM.

Nebenschlußmaschine.

Fig. 190 u. 191. Klemmenspannung und äußerer Widerstand.

345

OHM

Reihenmaschine.

ist gleichfalls der kritische Widerstand für die betreffende Geschwindigkeit. Die Reihenmaschine arbeitet aber nur dann, wenn der Widerstand des äußeren Kreises geringer ist als der kritische Wert, während die Nebenschlußmaschine nur arbeitet, wenn der äußere Widerstand größer als der kritische Wert ist. Der Unterschied stellt sich noch besser durch ein Paar Kurven (jedoch keine Charakteristiken) dar, aus denen die Beziehung zwischen der Klemmenspannung und den Widerständen im äußeren Stromkreise ersichtlich wird. Die Spannung der Reihenmaschine fällt plötzlich ab, sobald der Widerstand 2 Ohm übersteigt, die der Nebenschlußmaschine steigt plötzlich, sobald der Widerstand 1 Ohm erreicht (vergl. Fig. 190 und 191).

A,

Bei verdoppelter Geschwindigkeit kann man die Charakteristik einer Nebenschluß-

(X,

'A'

''''

Fig. 192. Änderung der Geschwindigkeit.

maschine nicht dadurch erhalten, daß man wie bei der Reihenmaschine die Höhen der Ordinaten verdoppelt, wenn man nicht den äußeren Widerstand so regelt, daß dieselbe v Stromstärke im äußeren Kreise wie vorher erhalten wird. Die Fig. 192 stellt dieses dar; Va bedeutet die äußere Stromstärke im ersteren Falle und die Steigung der [4 Linie Oa den Widerstand. Bleibt dieser un- 0 verändert, so stellt der Schnittpunkt A der Linie Oa mit der neuen Charakteristik den nunmehrigen Zustand der Dinge dar.

Kurve des gesamten Ankerstromes.

In der Nebenschlußmaschine ist der Ankerstrom gleich der Summe der Ströme im äußeren Kreise und im Nebenschlüsse, oder ia = i + 4 •

Die Kurve der Beziehung zwischen ia und V kann man leicht erhalten.

—is.....

CD

Fig. 193. Klemmenspannung und Ankerstrom.

In der Fig. 193 möge die Kurve Omi v die äußere Charakteristik bei der gegebenen Geschwindigkeit bedeuten. Für irgend einen Punkt, z. B. für m, wird die Klemmenspannung durch die Linie mx oder O Vgemessen, die Stromstärke durch Ox oder Vm. Man zieht nun sO unter solchem Winkel sOx, daß dessen Tangente gleich dem Widerstande des Nebenschlusses ist. Dann stellt Vs die Stromstärke im Nebenschlüsse bei der Spannung OV dar. Zu Vm wird jetzt ein Stück rnn gleich Vs zugefügt, so bedeutet die Linie Vn den Ankerstrom ia bei der Spannung OV Durch ähnliche Aufsuchung entsprechender Punkte erhält man die neue Kurve Onia.

Gesamtcharakteristik einer Nebenschlufsmaschine.

Wird die gesamte elektromotorische Kraft E und die gesamte Stromstärke ia zur Darstellung benutzt, so erhält man die Charakteristik der gesamten elektrischen Leistung (Fig. 194).

Man zeichne, ebenso wie im vorigen Falle, die Kurven für V und ia. Es sei p ein Punkt für die Spannung px oder OV und die Stromstärke Vp oder Ox. Man zieht nun eine Linie OJ unter einem Winkel JOx, dessen Tangente der Größe des Ankerwiderstandes entspricht. Der Schnittpunkt von JO und px sei a. Dann stellt ax den Spannungsverlust im Anker dar. Fügt man ein Stück qp gleich ax der Linie px hinzu, so bedeutet qx die gesamte elektromotorische Kraft, wenn die Stromstärke ia dem Wert Ox entspricht.

Charakteristik einer Nebenschlufsmaschine mit Dauermagnetismus.

Ist in den Feldmagneten ein magnetischer Rückstand vorhanden, so wird elektromotorische Kraft schon vor dem Schlüsse des Neben-

OJ

ä O VOLT

~-l<=

ÇJ.I

Fig. 194. Gesamtcharakteristik der Nebenschlußmaschine.

Fig. 195. Nebenschlußmaschme mit Dauermagnetismus.

kreises induciert. Die Charakteristik würde dann bei einem Punkte Tr

der Horizontalen (Fig. 195) beginnen, der etwas vom Punkte 0 entfernt liegt.

Die Maschine verhält sich so, als ob schon eine geringe elektromotorische Kraft wirksam wäre, die bereits einen Strom in der

Maschine veranlaßt; letztere erregt sich selbst mit Strömen, welche in den ersten (und unsteten) Stufen der Magnetisierung den Ampere-Windungen im Nebenschlußkreise, plus einigen hinzuzudenkenden Ampere-Windungen, welche dem Dauermagnetismus entsprechen, proportional sind.

Wenn sich auf dem Feldmagnete eine zweite Wickelung befindet, mittels deren eine unabhängige Magnetisierung erzeugt werden kann, so wird dasselbe Ergebnis erzielt: die Charakteristik beginnt bei irgend einem Punkte, etwa bei W, die elektromotorische

Kraft aus den Ampere-Windungen des Nebenschlusses wird oberhalb 0 gezeichnet, während Oq unterhalb denjenigen Teil der elektromotorischen Kraft bedeutet, der den Ampere-Windungen (wirklichen oder gedachten) des unabhängigen Magnetismus entspricht; OW bedeutet dann die von der kurz geschlossenen Maschine gelieferte Stromstärke.

'Z

In Wirklichkeit gibt es vier Kurven für eine Nebenschlußmaschine, und zwar für die Beziehungen zwischen V und Z, V und ia E und i, endlich zwischen E und in. Die erstgenannte bildet die äußere, die vierte die Ge-samtchar akteristik.

Id

"''Alb'''

lc.__.Ad

Unter den Bezeichnungen A, B, C und D c ersieht man die vier a Kurven aus der Fig. 196.

IA-JB

Ist I) gegeben, so erhält man die anderen in folgender Weise:

y/

vV

Fig. 196. Vier Kurven einer Nebenschlußmaschine.

Die Neigung der Linien OJ und OZ möge den Widerstand des Ankers und des Nebenschlusses ergeben. Dann , wird die Kurve B aus D t erhalten, indem man von den Ordinaten Stücke abschneidet gleich den Ordinaten, die zu OJ gehören. Die Kurve C erhält man aus Z), indem man von den Abscissen Teile abschneidet, die den Abscissen der Linie O Z entsprechen. Die Kurve A endlich gewinnt man, indem Ordinaten von B und Abscissen von G, die den Punkten der Kurve D entsprechen, verwendet werden.

Während DB den Spannungsverlust im Anker darstellt, bedeutet CD die Stromstärke in den Wickelungen des Feldmagnetes. Je geringer der Ankerwiderstand und je größer der Widerstand des Nebenschlusses ist, desto geringer wird der genannte Verbrauch sein. Bei neueren zweckmäßig gebauten Maschinen liegen die vier Kurven nahe beieinander.

Ist die Magnetisierungskurve der Maschine bekannt, so ist die Bestimmung der Charakteristik mittels geometrischer Konstruktion nicht schwer. Die Magnetisierungskurve OPM soll die Beziehung zwischen (D und den Ampere-Windungen im Nebenschlüsse, nach unserer Bezeichnung Nia, darstellen (Fig. 197).

Die Kurve links von O sei die Magnetisierungskurve. Dann kann man die Linie OR entweder nach einer die magnetomotorische Kraft in Ampere-Windungen oder den Strom in Ampere bedeutenden Skala teilen, so daß WTeile der ersteren Skala einem Teile der letzteren entsprechen. Die senkrecht zu zeichnende Skala auf OE kann in ähnlicher Weise O oder E angeben; ni-10—8 ist das Verhältnis der Ablesungen der Skalen. Man zieht nun die Linie OM unter einem solchen Winkel zu OR, daß die Tangente in den gewählten Einheiten der Skalenteile dem Widerstande der Nebenschlußwickelung entspricht; wenn der Widerstand z. B. 16 beträgt, so geht die Linie durch einen Punkt, für den die Ordinate 16 Volt und die Abscisse 1 Ampere darstellt. Diese Linie treffe in M die Magnetisierungskurve. Nehmen wir irgend einen Punkt P der Kurve, so entspricht die Ordinate PR je nach unserer Wahl entweder dem wirksamen Magnetismus, falls der magnetisierende Strom OR ist, oder der gesamten Spannung, welche im Anker induciert wird; der Teil QR der Ordinate entspricht der Klemmenspannung V. PQ stellt dann E—F, d. h. den Spannungsverlust im Anker raia dar. Ziehen wir rechts von 0 die Linie OJ unter einem Winkel, dessen Tangente dem Ankerwiderstand ra entspricht, und legen die Senkrechte WU so weit von 0, daß WU = PQ wird, so entspricht OW dem Werte ia. Am bequemsten wird die Konstruktion, wenn man von den Punkten P und Q auf die Ordinatenachse Senkrechte fällt; durch den Punkt V zieht man eine Parallele zu OU, welche die Verlängerung von EP in T trifft; fällt man von T auf OX eine Senkrechte, so erhält man die Punkte tf, U und W; Tt ist gleich UW. T ist ein Punkt der Kurve für E und i„, t für V und ia. Aus der letzteren Kurve erhält man die äußere Charakteristik nach der Erläuterung auf Seite 308. Der untere gegen 0 sich wendende Teil der hyperbolischen Kurven entspricht dem veränderlichen Zustande im unteren Teile der magnetischen Kurve.

Aus dem Vorhandensein eines dem Maximalwert von ia entsprechenden Teiles, wo die Kurve sich an der äußersten Stelle rechts wendet, darf man nicht schließen, daß die Maschine diesen Maximalstrom liefern kann; der von der Maschine sicher zu liefernde stärkste Strom hängt von dem Querschnitt der Ankerleiter ab; die letzteren sind indessen auch in den besten Maschinen nicht dazu bestimmt, unter solchen Bedingungen einen Strom zu leiten.

Der dem Betrieb entsprechende Kurventeil ist gewöhnlich der obere (vergl. Fig. 197). Aus der Konstruktion erhellt, daß sich die Kurve um so weiter nach rechts hin erstreckt und daß die oberen Teile der Kurven desto gerader werden, je geringer der innere Widerstand ist; eine gute Nebenschiaßmaschine mit geringem inneren Widerstande wird für Gleichspannung beinahe selbstregelnd sein.

ai

uj; v >

■4

-h

Fig. 197. Ableitung der Charakteristik aus der Magnetisierungskurve.

Ist keine anfängliche Magnetisierung oder kein magnetischer Bückstand vorhanden, so gehen beide Kurven durch den Punkt 0, andernfalls findet dies nicht statt. Es beginnt die Magnetisierungskurve dann oberhalb 0, etwa im Punkte K (Fig. 198); die unteren

Ai

Fig. 198. Kurve bei magnetischem Rückstand.

Teile der Kurven für E und V enden in Punkten, die so liegen, daß UW—KO ist. Man findet fast bei jeder Nebenschlußmaschine, daß bei gegebener Geschwindigkeit die Klemmenspannung V bis Null abnimmt, während ia noch einen bestimmten Wert besitzt.

Es ist noch zu bemerken, daß der Grenzwert von E von der Neigung der Linie MO abhängt, d. h. von dem Widerstande einer Windung des Nebenschlusses; jede Verminderung des Widerstandes für eine Windung bewirkt ein Ansteigen von E dadurch, daß ein höherer Grad der Magnetisierung bei einem gegebenen Werte von V erzielt wird.

¹

In den Figuren dieses Abschnittes ist das englische Maß Horse-Power (HP) beibehalten worden. Ein wesentlicher Unterschied in der Lage der Linien wird dadurch nicht bedingt (l HP = 746 Watt). Während es sonst üblich ist, die Pferdestärke mit PS zu bezeichnen, wird hier der kürzere Ausdruck Pferd und das einfachere Zeichen P gewählt.

Unterschiede im Verhalten der Reihen- und der Nebenschlufsmaschine.

Der Unterschied im Verhalten der beiden Maschinenarten, wenn der Widerstand des Stromkreises ab- oder zunimmt, ist bereits auf Seite 308 erwähnt worden. Bei der elektrischen Beleuchtung werden Maschinen in der Regel benutzt, um entweder:

a) Nebeneinander geschaltete Glühlampen zu speisen; dann muß eine gleichbleibende Klemmenspannung aufrecht erhalten werden; oder

b) hintereinander geschaltete Bogenlampen zu speisen; dann muß die Maschine einen Strom von gleichbleibender Stärke liefern.

Im Falle der Gleichspannung ändert sich die Stromstärke mit der Zahl der nebeneinander geschalteten Lampen, während bei

's?

*

Si

Fig. 200. Strom und Widerstand bei Reihenschaltung.

Fig. 199. Klemmenspannung und reciproker Widerstand bei Parallelschaltung.

gleichbleibender Stromstärke die elektromotorische Kraft mit der Zahl der hintereinander geschalteten Lampen sich ändert. Zur Erläuterung der Verwendbarkeit von Reihen- oder Nebenschlußmaschinen für solche Aufgaben stellt man zweckmäßig aus Versuchen oder aus der Theorie abgeleitete vergleichende Kurven her. Bei der Nebeneinanderschaltung wird durch Hinzufügung jeder Lampe die Leitungsfähigkeit des Stromkreises um einen gleichen Betrag (= dem reciproken Werte des Widerstandes einer Lampe) erhöht.

Es wird deshalb zweckmäßig die Beziehung zwischen V und als

Kurve dargestellt, wie dies aus der Fig. 199 ersichtlich ist. Jede der beiden Maschinen hat das gleiche Maximum der Klemmenspannung. Man sieht, daß bei beiden Maschinen der Wert von V

sich nicht gleich bleibt, wenn die Zahl

der Lampen    vergrößert

Die Nebenschlußmaschine liefert anfangs eine annähernd gleichbleibende Spannung, welche aber bei Vermehrung der Lampen abfällt.

wird.

Schaltet man Lampen in einem einzelnen Stromkreise hintereinander, so vermehrt jede Lampe den Widerstand des Kreises, und es ist daher dienlich, die Beziehung zwischen i und R darzustellen.

Die Fig. 200 zeigt das Ergebnis. Man sieht, daß keine von beiden Maschinen auch nur annähernd gleichbleibende Stromstärke liefert; für die Nebenschlußmaschine gibt es nur einen kleinen Bereich, in dem der Wert der Stromstärke sich eher gleichbleibend zeigt, als dies bei der Keihenmaschine irgend der Fall ist; dieser Bereich liegt beim Maximum der Stromstärke. Der punktierte Teil der Kurve bezieht sich auf eine Keihenmaschine mit einer abfallenden Charakteristik (wie in der Fig. 181), die mit mäßig kleinen Widerständen eine einigermaßen gleichbleibende Stromstärke liefert. Es ist indessen offenbar, daß eine andere als einfache Reihen- oder einfache Nebenschlußmaschine dazu gehört, um für irgend einen Zweck als selbstregelnde Maschine zu dienen.

Anwendung der Charakteristik auf Maschinen, welche zum Laden von Sammlerbatterieen benutzt werden.

Die Lösung nachstehender Aufgabe besitzt eine gewisse praktische Bedeutung: Es werde eine Maschine bei gegebener Geschwindig-

Fig. 2oi. Laden einer Sammlerbatterie mittels Hauptschlußmaschine.

keit zum Laden einer Sammlerbatterie benutzt; welche Stromstärke wird geliefert?

Hopkinson hat die Lösung für den Fall gegeben, daß eine Reihenmaschine verwendet wird.

Man zeichne die gesamte Charakteristik der Maschine bei der gegebenen Geschwindigkeit (Fig. 201). Von OY schneide man das die elektromotorische Kraft der Sammler darstellende Stück OE ab; durch den Punkt E lege man die Linie CE A unter einem solchen Winkel mit der Abscissenachse, daß dessen Tangente den gesamten Widerstand des Stromkreises einschließlich des Widerstandes der Sammler ausdrückt. Die Linie schneidet die Charakteristik in den Punkten B und A. Wird die Charakteristik im dritten Quadranten wiederholt, so erhält man auch den Schnittpunkt C. Der negative Teil (OC) bedeutet die Charakteristik, wenn der Strom in der

r\

Fig. 202. Laden einer Sammlerbatterie mittels Nebenschlußmaschine.

Maschine sich umkehrt, die elektromotorische Kraft demnach ebenfalls in umgekehrter Richtung wirkt. OL stellt die wirkliche Stromstärke im Kreise dar, OM einen unbeständigen Strom, der für einen Augenblick bestehen könnte, ON den Strom, welcher im Kreise herrschen würde, falls die Sammler durch ihre Gegenwirkung den Strom der Maschine umkehren, wie solches tatsächlich bei Verwendung von Reihenmaschinen oftmals ein-tritt. Denn wenn die Sammlerbatterie ihre volle Ladung erreicht hat und die elektromotorische Kraft ansteigt, oder der Widerstand des Stromkreises infolge der Erwärmung sich erhöht, so muß man beachten, daß die wirksame elektromotorische Kraft AL und die Stromstärke OL unvermeidlich sich vermindern, der Magnetismus der Feldmagnete demnach abfällt und infolgedessen der Punkt A näher zu der unbeständigen Stelle in der Biegung der Kurve heranrückt.

Bei der Nebenschlußmaschine liegt die Sache anders. Es möge die Fig. 202 die Charakteristik der Nebenschlußmaschine darstellen; der Strom im äußeren Kreise werde als Abscisse aufgetragen, die gesamte elektromotorische Kraft als Ordinate. Man lege die Linie CE A in derselben Weise, wie vorher erwähnt, durch die Kurve. Die Linie schneidet den positiven Teil in A, OL bedeutet die Stromstärke im Hauptkreise. Wenn nun entweder die elektromotorische Gegenkraft der Sammler oder der Widerstand im Kreise ansteigt, so rückt der

Punkt A höher auf der Kurve hinauf. Der Ladungsstrom OL kann sich vermindern, der Strom im Nebenschluß wird steigen, weil die wirksame elektromotorische Kraft AL anwächst. Deshalb wird bei Verwendung einer Nebenschlußmaschine zum Laden einer Sammlerbatterie die letztere jedenfalls nicht die ladende Maschine überwältigen und eine Umkehrung herbeiführen.

Für eine Reihenmaschine, wteiche eine Bogenlampe speist, kann Fig. 201 auch die bisweilen beobachtete Unbeständigkeit erklären. Der Flammenbogen würkt wie eine elektromotorische Gegenkraft, welche bei stetigem Bogen nicht unter 35 Volt beträgt. Wenn daher OE gleich diesem Wert gesetzt wird, muß der übrige Widerstand des Stromkreises niedrig genug sein, daß die schräge Linie EA die Kurve noch oberhalb des Kniees schneidet, andernfalls tritt die Unbeständigkeit ein.

Charakteristik der Verbundmaschine.

In der von Deprez angegebenen Theorie der Maschinen für Gleichspannung stützte sich die Beweisführung auf das Fehlen der Sättigung und das Vorhandensein einer anfänglichen unabhängigen Magnetisierung. Der Beweis von Deprez war folgender:

• Ist eine dauernde magnetische Erregung vorhanden, die gänzlich unabhängig von der Hauptwickelung der Maschine auftritt, so wird die Charakteristik (Fig. 203) nicht vom Punkte 0 ausgehen, sondern von irgend einem oberhalb belegenen Punkte, dessen Lage von dem Betrage der unabhängigen Magnetisierung und der Geschwindigkeit abhängt. Es sei dies der Punkt P. OP bedeutet die elektromotorische Kraft, bezw. die Klemmenspannung, wenn der Stromkreis offen ist; da ein Strom erst bei geschlossenem Kreise auftritt, so steigt dann die Charakteristik in gewöhnlicher Weise von P bis Q. Man ziehe die Linie OJ unter einem solchen Winkel, daß seine Tangente den Widerstand des Ankers und der Reihenwickelung zusammen darstellt. Ferner ziehe man eine Linie OE unter solchem Winkel, daß die Tangente den gesamten Widerstand des Kreises zu irgend einer Zeit darstellt. Ex bedeutet dann die elektromotorische Kraft in diesem Zeitpunkte, während der Teil ax den Verlust im Widerstande des Ankers und der Reihenwickelung darstellt. Der Rest Ea ist die Spannung an den Endpunkten des äußeren Kreises. Die Aufgabe läßt sich demnach darauf zurückführen, eine solche Anordnung zu treffen, daß Ea stets die gleiche Größe wie OP besitzt, ohne Rücksicht darauf, welche geringere oder größere Neigung die Linie OE hat. Der einzige Weg zur Erreichung dieses Zieles ist offenbar der: die Geschwindigkeit der Maschine so wählen, daß der Teil von P bis Q parallel zu OJ läuft. Wird die Geschwindigkeit genau auf die richtige Höhe gebracht, so wird die Neigung der Charakteristik dieselbe wie die der Linie OJ sein. Dann ist, wie aus der Eig. 204 hervorgebt, die Klemmenspannung gleichbleibend. Man ersieht, daß dies mit den durch algebraische Behandlung der Frage erhaltenen Schlüssen übereinstimmt: nämlich, daß die kritische Geschwindigkeit dem inneren Widerstande proportional ist und daß die gleichbleibende Spannung Ea derjenigen gleich ist, die der unabhängigen Magnetisierung OP bei der kritischen Geschwindigkeit entspricht. Es wäre gleichfalls zu erwähnen, daß

zu

_Q

F.

F.

//

(V

CU

10

30

40

50

Fig. 203 u. 204. Charakteristik der Verbundmaschine.

die Regelung nicht vollkommen sein kann, wrenn der betreffende Teil der Charakteristik keine Gerade bildet, d. h. wenn die Kerne des Feldmagnetes gesättigt werden. Ist die Linie PQ gekrümmt, so ist die Spannung bei großer Stromstärke nicht gleich derjenigen bei geringer Stromstärke. Wurden bei dem praktischen Verfahren zur Bestimmung der Magnetwindungen die Wickelungen so bemessen, daß V sowohl bei offenem Stromkreise (d. h. bei OP) als auch für einen anderen Punkt (z. B. bei Q), vto die Maschine ihre größte Belastung hat, die erforderliche Größe besitzt, so wird man im allgemeinen für Zwischenbelastungen eine etwas größere Spannung erhalten. Dieses zeigt sich im konvexen Teile der Kurve zwischen P und Q.

wenn es sich um un-

Vorstehende Beweisführung trifft zu abhängige Erregung durch Dauermagnetismus oder um eine Schaltung mit besonderer Erregerwickelung (vergl. S. 71 und 73) handelt, oder auch, wenn die Maschine durch Zufügung einer Nebenschluß

wickelang zu einer gemischt gewickelten gemacht worden ist. Im letzteren Falle bedeutet OP die vom Nebenschluß allein herrührende Klemmenspannung.

Äufsere Charakteristiken selbstregelnder Maschinen.

Gleichzeitige Beobachtungen der Stromstärke im äußeren Kreise und der Spannung V ermöglichen den Entwurf der äußeren Charakteristik; für eine vollkommen selbstregelnde Dynamomaschine würde diese Linie eine Gerade sein. Ist die Anzahl der regelnden Reihen-wündüngen zu gering, so fällt die Charakteristik ab, sobald der Strom ansteigt; ist die Zahl zu groß, so steigt sie mit dem Strom; man nennt dann die Maschine »überkompounaiert«. Der letztere Fall bildet nicht stets einen Nachteil; denn bei Maschinen, die einzeln von einer Arbeitsmaschine getrieben werden, steigt die Geschwindigkeit häufig aus Anlaß der unvollkommenen Regelung der Arbeitsmaschine, sobald die Belastung der Dynamomaschine gering wird. Beispiele der Charakteristiken ausgeführter Maschinen sind in den Fig. 384 und 398 gegeben.

Kapitel XIII.

Theorie der Ankerwickelung.

Das vorliegende Kapitel behandelt die Art und Weise, in der die Ankerleiter der Maschinen verbunden und geschaltet werden. Die Einzelheiten in Betreff des Materials und der Bauart werden im Kapitel XIV behandelt werden.

Es ist schon auf Seite 57 erwähnt worden, daß, abgesehen von Bogenlichtmaschinen, die häufig Anker mit offener Wickelung besitzen, Gleichstrommaschinen mit geschlossener Ankerwickelung ausgerüstet werden. Derartige Wickelungen, seien sie auf einen Ring, eine Trommel oder eine Scheibe gelegt, sind stets in sich geschlossen, der hineingelangende Strom verteilt sich auf mindestens zwei Wege, die Teile vereinigen sich wieder beim Austritt aus dem Anker. In zweipoligen Maschinen sind nur zwei solcher Wege zur Verzweigung des Stromes vorhanden. In vielpoligen Maschinen können zwei oder mehr Wege mit einer oder mit mehr als einer Verzweigung des Stromes vorhanden sein.

Die elektromotorische Kraft der Maschine hängt offenbar von der Art der Verbindung der Leiter ab, und zwar von dem Umstande, welche Zahl wirksamer Leiter hintereinander geschaltet sind. Daher ist das Verständnis der Theorie der Ankerwickelung erforderlich.

zweipolige

Es bietet keine Schwierigkeiten, die Leiter auf einem Anker richtig so zu schalten, daß das geforderte Ergebnis erzielt wird, wenn es sich um Ringanker für Gleichstrommaschinen oder vielpolige — handelt.

Weniger leicht ist die Aufgabe bei Trommelankern, besonders bei solchen für vielpolige Maschinen. Oft gelangt man auf verschiedenen Wegen zum Ziel; die Tatsache, daß elektrisch gleichwertige Wickelungsarten geometrisch und mechanisch verschieden sein können, macht eine systematische Methode zur Behandlung des Gegenstandes wünschenswert.

In dem Kapitel III (S. 55 bis 61) ist bereits der elementare Aufbau von Ring-, Trommel- und Scheibenankern betrachtet worden. Dies würde für kleine Anker mit nur wenigen Drahtwindungen genügen.

Beabsichtigt man indessen den Entwurf großer Maschinen oder von Maschinen für hohe Spannung von 400 oder mehr Volt, so bedarf es weiterer Unterweisung. Setzen wir z. B. eine Maschine mit vier Polen und einem Stabanker mit 100 an der Oberfläche verteilten Stäben voraus. Sämtliche fortlaufend von 1 bis 100 bezifferten Stäbe bilden eine einzige Lage; wollen wir die Endverbindungen schalten, so ist eine Anweisung notwendig, in welcher Reihenfolge die Verbindungen auszuführen sind. Verbindet man das vordere (dem Stromabgeber zugewendete) Ende des Stabes l querüber mit dem Stabe 50 oder 49, oder über ein Viertel des Umfanges mit dem Stabe 25 oder 24 oder mit dem Stabe 74 oder 76? Mit welchem Stabe ist das hintere Ende des Stabes 1 zu verbinden? Welche Stäbe müssen abwärts mit dem Stromabgeber verbunden werden?

Hierüber soll das vorliegende Kapitel Auskunft geben, wenn auch nur in Kürze. Eingehendere Ratschläge findet man in den Abhandlungen von Hering¹), Arnoux²), Pritsche³), Weymouth⁴), Arnold⁵), Parshall und Hobart⁶), sowie von anderen, auf welche noch besonders Bezug genommen wird.

Rechts- und linkslaufende Wickelung.

Wie schon früher bemerkt, ist eine Ringwickelung, wenn man nur den Unterschied zwischen rechts- und linkslaufender Wickelung festhält, im allgemeinen leicht zu verstehen.

1)    Hering, Principles of Dynamo Electr. Mach. New York, 1891.

2)    L’Électricien, Bd. 12, S. 737, 774, 827. 1888.

3)    Fritsche, Die Gleichstrom-Dynamomaschine. Berlin, 1889.

4)    Weymouth, Drum Armatures and Commutators. London, 1893.

5)    Arnold, Die Ankerwickelung der Dynamomaschinen. Berlin, 1891 2. Aufl. 1896. Die neueste Ausgabe, 1899, führt den Titel: Die Anker

wickelungen und Ankerkonstruktionen der Gleichstrom-Dynamomaschinen. Arnolds neuestes Werk

Die Gleichstrommaschine, 1902, behandelt die

Theorie der Wickelungen noch eingehender.

6) Parshall und Hobart, Armature Windings of Electric Machines. New York, 1895.

Andere wichtige Veröffentlichungen über diesen Gegenstand findet man bei Wiener: Dynamo-Electric Machines (2. Aufl. 1902), S. 143. Ferner Reithofer, Eichberg und Kallir in der Zeitschr. f. Elektrotechnik 1898, S. 17, und Robertson im Journ. Inst. Electr. Engineers 1902, Bd. 31, S. 933.

Die Fig. 205 zeigt einen Teil einer Ringwickelung; die Richtung der Ströme ist ebenso, wie in den Fig. 114 bis 116 angegeben. Geht man rechts herum von a zu b über, so ist eine rechtslaufende Spirale zu verfolgen, der Strom steigt (vergl. S. 180) zur positiven Bürste nach oben. Für eine linkslaufende Wickelung (wie in Fig. 34) würde die positive Bürste abwärts liegen, falls nicht der Umlauf des Ankers oder die Polarität der Maschine umgekehrt wird. Anders stellt sich die Sache bei Trommelankern. Um hier festzustellen, ob die Wickelung rechts- oder linkslaufend ist, müssen wir erst bestimmen, von welchem Punkte aus wir die Wickelung betrachten; gewöhnlich ist dies das Kommutatorende der Wickelung. Ferner müssen wir einen bestimmten Drehungssinn —

5,

/%) ;

3,

>2u

CP

)22

39(J

VA

Fig. 205. Rechtslaufende Ringwickelung.

Fig. 206. Rechtslaufende Trommelwickelung.

z. B. Rechtsdrehung wie der Zeiger einer Uhr — bestimmen, in welchem wir die Reihe der Stromwenderstäbe zählen. Wenn wir diese beiden Punkte bestimmt haben, kann eine rechtslaufende Wickelung in folgender Weise definiert werden: Diejenige Wickelung ist rechtslaufend, welche von einem Stromwenderstabe zum anderen (in der oben bestimmten Richtung) führend, einen rechtsgängigen Schraubengang bildet. Betrachten wir nun die Fig. 206, welche ein Element oder eine Abteilung einer aus 40 äußeren Leitern bestehenden Trommelwickelung darstellt. Verfolgt man den Weg von a nach b und merkt auf die Richtung der Ströme in den Leitern, so wird klar, daß a eine Verbindung über das vordere Ende der Trommel weg zu einem der entgegengesetzten Leiter, etwa zu Nr. 20? erhalten muß; vom hinteren Ende jenes Leiters muß dann wieder eine Verbindung zu einem auf der linken Seite der Trommel nach vorn führenden Leiter, etwa mit Nr. 3 (punktierte Linie), hergestellt werden; letzterer wird schließlich mit b verbunden. Damit ist eine rechtslaufende Windung fertiggestellt. Man prüfe nun die Fig. 233

und 235; die letztere ist eine linkslaufende Wickelung, jede Abteilung bestellt aus einer einzigen Drahtwindung.

Wenn in der Fig. 206 die Zurückführung von Nr. 20 zu Nr. 3 auch unterhalb anstatt oberhalb der Achse stattfände, so würde die Wickelung deshalb doch rechtslaufend bleiben.

Abstand der zu verbindenden Leiter. — Wickelungsschritt.

Es ist nun zu bestimmen, über wie viele Leiter hinweg die Verbindungen führen müssen. Wir verbanden Nr. 1 (über den Stab a des Stromabgebers hinweg) mit Nr. 20 und diesen Leiter wieder am hinteren Ende der Trommel mit Nr. 3. Um zu verstehen, warum wir Nf. 20, und nicht etwa Nr. 21 oder Nr. 19 oder Nr. 18 wählten, muß man die Aufgabe der Stromwendung in den Leitern im ganzen betrachten und erwägen, daß zwei Wege von Bürste zu Bürste durch die Wickelungen vorhanden sind. Da auf der Trommel 40 Leiter in einer Lage sich befinden, so besitzt der Stromabgeber 20 Stäbe.

Da die induzierte elektromotorische Kraft die Dichtung von rückwärts nach vorn in denjenigen Leitern besitzt, die zur linken Seite aufwärts steigen und die Richtung von vorn nach rückwärts in denjenigen Leitern, die rechts abwärts laufen, so ist es natürlich, anzunehmen, daß jeder Leiter mit einem ihm diametral gegenüberliegenden verbunden werden müßte.

So müßte Nr. 1 mit 21, Nr. 2 mit 22 u. s. w. verbunden werden. Dies ist aber doch nicht richtig. Jeder Leiter auf der einen Seite bedarf eines Rückleiters auf der andern Seite. Die geraden Nummern könnten als die Rückleiter für die ungeraden Nummern angesehen werden. Deshalb dürfte Nr. 1 nicht mit Nr. 21 verbunden werden. Es fragt sich nun, ob man die Verbindung mit Nr. 20 oder 22 oder 18 herstellen soll.

Nr. 20 und 22 liegen zur Seite des Leiters, der Nr. 1 gerade gegenüber sich befindet, in elektrischer Beziehung bildet es keinen Unterschied, welcher von den beiden Leitern ausgewählt wird. Wollen wir eine Verbindung zum Rückleiter benutzen, die, wie in der Fig. 206, oberhalb der Welle verläuft, so ersparen wir bei der Wahl von Nr. 20 etwas an Kupfermasse. Führt man die hintere Verbindung dagegen unterhalb der Welle, so kann man jeden der beiden Leiter wählen. Bei der Wahl von Nr. 18 würde mehr Kupfer erspart werden, wenn man oberhalb der Achse zurückkehrt, da die gebogene Verbindung kürzer wird. Benutzen wir aber zur Herstellung der Verbindung den Weg einer kurzen Sehne, anstatt einer dem Durchmesser sehr

nahe liegenden Sehne, so entsteht die Gefahr, daß elektromotorische Gegenkräfte in den Windungen auftreten, die hintereinander von Bürste zu Bürste liegen. Wie anderseits Swinburne nachgewiesen hat, bietet die Auswahl einer kurzen Sehne als Verbindungsweg den Vorteil, daß der Anker eine weniger stark entmagnetisierende Wirkung ausübt.

Die Wirkung einer Wickelung über eine Sehne, die durch die Breite des Polstückes gegeben ist, zeigt die Fig. 207. Man ersieht hieraus, wie der Gürtel der entmagnetisierenden Leiter zwischen den

Polspitzen durch einen Gürtel ersetzt

- wird, in dem die Ströme in zwei ent-

\    gegengesetzten Richtungen fließen und

V    sich in ihren Wirkungen neutralisieren.

X In keinem Falle sollte die Sehne einen kleineren als den durch die Polfläche / bestimmten Bogen abschneiden. Die

__Regel für die Verbindungen an einem

Fig. 207. Sehnenwickelung.

einfachen zweipoligen Trommelanker ergibt sich in folgender Weise:

Ist die Zahl JSf der Leiter eine gerade, so muß die vordere Verbindung von jedem Leiter querüber zu dem Leiter laufen, der

^-W+l weiter (oder^-AT+3 zur Abkürzung der Sehne) liegt, und

Li    u

die hintere Verbindung muß zu dem zweitnächsten Leiter zurückführen.

Wickelungstafeln.

Zur Ausführung der Wickelungen werden teils zeichnerische Anweisungen, teils solche in der Form von Wickelungstafeln gegeben. Solche Tafeln leisten auch gute Dienste, wenn man untersuchen will, wie oft eine bestimmte Wickelung um den Anker läuft, ehe sie sich schließt, und dergl.

In der nachstehenden Wickelungstafel bedeuten die Buchstaben V und R vor- und rückwärts, die Buchstaben H und Z bedeuten: von rückwärts nach dem vorderen Ende des Ankers hin, bezw. von dem vorderen Ende zurück. Beginnt man mit dem Leiter 1, so folgen wdr diesem also von vorn nach rückwärts hin, verbinden ihn dort mit Nr. 22, gelangen mit diesem Leiter nach vorn und über einen Stab des Stromabgebers zu Nr. 3 (zweitnächster von Nr. 1, vergl. vorhin), folgen diesem nach rückwärts und verbinden ihn am hinteren Teile des Ankers mit Nr. 24 u. s. w. Die Überdeckung

findet in allen Fällen 21 mal statt. Endlich gelangt man zu Nr. 20, von dem aus wir nach vorn zurückkehren und ihn über den letzten Stab des Stromabgebers mit Nr. 1 verbinden.

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20

So einfach die Sache nun auch scheint., so ist doch die Aufgabe, wie man an dem einen Ende der Trommel die Verbindung von

(V

20

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22

Fig. 209. Trommelwickelung mit zwei Drahtlagen.

Fig. 208. Trommelwickelung mit zwei Sätzen spiraliger Verbinder.

einem Leiter zum andern in der beschriebenen Weise legt, nicht ganz leicht, sobald die mechanischen und elektrischen Schwierigkeiten mit in Betracht gezogen werden. Zur Kürzung der langen spiraligen Leiter und Herstellung einer Symmetrie bei den Endverbindungen wird häufig die in Fig. 208 dargestellte Anordnung benutzt. Die Spiralen werden dann in zwei Lagen übereinander gelegt, wie in der Fig. 807 angedeutet ist. Dies hat zur Folge, daß der Stromabgeber um etwa einen Quadranten gedreht wird, so daß die positive Bürste sich links anstatt oben befindet. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, daß sämtliche Verbindungen vorn und rückwärts von gleicher Größe hergestellt werden können.

Werden die Leiter in zwei Lagen übereinander angeordnet, so können die Wickelungen bis zu dem Stromabgeber in einen Durchmesser gelegt werden, die letzte Windung querüber zur nächsten in derselben Lage. Die Leiter der äußeren Lage entsprechen dann den Zwischengliedern der Wickelung in einer Lage.

In der Fig. 209 ist das Ende von Nr. 1 an den Stab a gelegt, von da geht eine Verbindung nach Nr. 21, die am hinteren Ende des Ankers querüber zu Nr. 3 führtu. s. w. Die Fig. 210 stellt die Verbindung von 80 Leitern in der Maschine von Edison-Hopkinson dar; es sind zwei Lagen von je 40 Leitern und ein 40teiliger Stromabgeber vorhanden.

Wickelungs- Diagramme.

Von großem Vorteil ist die von Frit sehe zuerst angegebene Darstellung, nach der die Ankerwickelung insgesamt auf einer Fläche gezeichnet erscheint. Man betrachte zunächst die Fig. 211 als Zeichnung einer umgekippten vierpoligen Maschine. Der als King- oder Trommelanker hergestellte Kern liegt innerhalb der vier abwechselnden Pole. Denkt man sich einen Kupferstab a parallel zur Achse als einen der Ankerleiter und rechtsgängig durch den Zwischenraum

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Fig. an.

Ansicht eines vierpoligen Feldes.

Fig. 2io. Trommelwickelung der Edison-Hopkinsonschen Maschine.

nach dem *S-Pol bewegt, so schneidet er bei der Drehung die magnetischen Linien. Nach der gegebenen Regel wird in dem Stabe eine nach aufwärts gerichtete elektromotorische Kraft induziert. Ein anderer, am iV-Pol vorbeigehender Leiter erhält eine nach abwärts gerichtete elektromotorische Kraft. Wollte man diesen Vorgang für 20 oder mehr Leiter durch eine Zeichnung darstellen, so müßte letztere unübersichtlich werden.

Deshalb denken wir uns selbst im Mittelpunkt befindlich und die Innenflächen der Pole in eine Ebene auseinander gelegt, wie dies die Fig. 212 zeigt. Zur Unterscheidung sind die N- und $-Pole schräg schraffiert¹).

In einer Dynamomaschine finden sich viele Ankerleiter in der Runde symmetrisch angeordnet und müssen gruppenweise mittels der Verbindungen geschaltet werden.

Bei einem Ringanker laufen die im Zwischenraum wirksamen Leiter durch die Mittelöffnung des Ringes, wenn sie aus dem magnetischen Felde zurückgeführt werden. Setzen wir der Einfachheit halber einen Ringanker mit nur 12 Windungen und 12 Stäben am Stromabgeber voraus. Würde dieser Ringanker von Innen auseinander

->

Fig. ai2. Vierpoliges Feld, abgewickelt.

gelegt, so erhielte man die Fig. 213. Die punktierten Linien bezeichnen die untätigen Teile der Windungen, die durch die Innenseite des Ringes treten. Zeichnet man nun die Pfeile (nach der Regel in der Anmerkung), so ist leicht zu ersehen, daß zwei positive und zwei negative Bürsten vorhanden sein müssen. Die Fig. 214 liefert eine Endansicht derselben Wickelung zur Vergleichung beider Darstellungsarten. Es ist klar, daß in diesem Falle der Anker zur

Lieferung von zwei besonderen Strömen benutzt werden kann, obwohl solches eben nicht ratsam sein würde. Man verbindet vielmehr

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Fig. 213. Abwickelung einer vierpoligen Ringwickelung.

die positiven Bürsten miteinander, die negativen ebenfalls. Eine sechspolige Maschine würde sechs Bürsten erfordern u. s. w.

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Fig. 214. Vierpolige Ringwickelung (dieselbe wie Fig. 213).

Werden die Bürsten desselben Vorzeichens miteinander verbunden, so ist die elektromotorische Kraft gleich der in einem Wickelungssatz von der -|- Bürste zur — Bürste erzeugten Kraft.

In der vierpoligen Maschine bilden die Wickelungen in den vier Quadranten vier parallel geschaltete Teile; der innere Widerstand beträgt ein Sechzehntel der gesamten Ringwickelung. Es gibt aber, wie wir sehen werden, noch eine andere Art, die Wickelungen in einem vierpoligen Ring zu verbinden; es sind dann die Quadranten, anstatt sämtlich parallel, hintereinander geschaltet, so daß nur zwei JParalielteile gebildet werden. Diese Schaltung wird manchmal als mehrpolige Reihenwickelung bezeichnet; besser ist der Name Reihenparallelschaltung. Sie erfordert nur zwei Bürsten, hat auch ■nur zwei neutrale Punkte am Stromabgeber, aber viele Pole um den Ring herum.

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Fig. 215. Schleifenwickelung.

Schreiten wir zur Prüfung der Pälle, in denen die Wickelung ganz außerhalb des Kernes liegt, wie in Trommelankern, oder in denen überhaupt kein Kern vorhanden ist, nämlich in Scheibenankern, so sind zwei Arten von Wickelungen zu unterscheiden. Man kann diese als Schleifen- und Wellenwickelung bezeichnen²).

Der Unterschied ergibt sich aus folgender Darstellung. Da die bei einem Nordpol vorbeigehenden Leiter elektromotorische Kräfte in der einen Richtung, und die bei einem Südpol vorbeigehenden

Kräfte in der entgegengesetzten Richtung erzeugen, so müßte ein Leiter in einer dieser Gruppen mit einem benachbarten in entsprechender Lage verbunden werden, so daß der Strom in dem einen Leiter abwärts und im andern aufwärts in Übereinstimmung mit den Richtungen der elektromotorischen Kräfte fließen kann.

Eine Prüfung der Fig. 215 belehrt uns, daß am hinteren Ende des Ankers (des dem Stromabgeber entgegengesetzten Endes) jeder Leiter mit dem um fünf Leiter weiterliegenden verbunden wird — 1 mit 6, 3 mit 8 — und daß an dem vorderen Ende der Wickelung (am Stromabgeber), nachdem ein Element (z. B. d — 7 — 12 — e) der

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Fig. 216. Wellen Wickelung.

Wickelung gebildet ist, sich ein zweites Element (e — 9 — 14 — f) anschließt, das ersteres überdeckt; in derselben Weise geht es weiter, bis die Wickelung zum Anfangspunkte zurückkehrt.

Hiermit vergleiche man die Fig. 216. Am hinteren Ende des Ankers sind die Verbindungen in beiden Figuren einander gleich, am Stromabgeber aber sind sie verschieden. Man ersieht, daß, wenn die Wickelung zurück zum Stromabgeber geführt wird, sie einen anderen Weg wie früher nach dem Stromabgeber zu einschlägt. Die Windung d — 7—12 kehrt nicht zu e zurück, sondern wird nach i geführt, von da aus läuft ein anderes Element i —17 — 4 in einer Art Zickzack nach e.

Die Wickelungstafeln für diese beiden Trommelwickelungen gestalten sich wie folgt:

Tafel für die Schleifenwickelung (Fig. 215).

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V= vorderes Ankerende (am Stromabgeber). R = hinteres Ankerende.

Tafel für die Wellenwickelung (Fig. 216).

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Während mit der angegebenen Zahl von Leitern (18) die Schleifenwickelung in vier Parallelteilen aufgeführt wird und vier Bürsten erfordert, besitzt die Wellenwickelung nur zwei Parallelteile und braucht nur zwei Bürsten.

Radialdiagramme.

Bisher haben wir außer den. Wickelungstafeln zwei Arten Diagramme benutzt, wovon die eine nur eine Art Endansicht des Ankers, die andere eine vollständige Darstellung der Wickelung war. Wir brauchen nun noch eine dritte Art, das Badialdiagramm, worin die Ankerleiter durch kurze radiale Linien dargestellt werden, während die Endverbindungen durch Kurven oder Zickzacklinien wiedergegeben werden; die Verbindungen am Stromwenderende werden innerhalb, die am anderen Ende außerhalb des Kreises auf-

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Fig. 217. Vierpoliger Trommelanker mit Schleifenwickelung.

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gezeichnet, in den die Ankerleiter eingetragen werden. An solchen Diagrammen kann man dem Stromlauf leichter folgen und die Stirn- und Rückseite der Wickelung leichter unterscheiden. Pfeile geben die Richtung der induzierten elektromotorischen Kraft an. In Fig. 217 u. 218 wird angenommen, daß die Anker in einem vier-poligen Felde laufen.

Fig. 217 ist die Darstellung einer Schleifen-, Fig. 218 einer • Wellen Wickelung.    Während die erstere vier parallele Stromwege

gibt, liefert die letztere nur zwei, sie ist eine Reihenwickelung und erzeugt mit derselben Leiterzahl die doppelte elektromotorische Kraft. Aber da der zulässige Höchststrom für den Ankerleiter in beiden Maschinen der gleiche ist, gibt die Reihenmaschine, welche nur zwei statt vier Stromkreise besitzt, auch nur halb so viel Strom als die Maschine mit Parallelwickelung.

Feldschritt.

Während bei der gewöhnlichen Ringwickelung und bei der Schleifenwickelung jedes Element nahe bei seinem Anfänge und daher in derselben Polgegend endigt, schreiten die Wellen Wickelungen sämtlich voran zu der nächsten gleichnamigen Polgegend. Man könnte solche Wickelungen selbstverständlich auch derart her-stellen, daß die Wickelung von einem Element zum nächsten noch größere Schritte machte. Wenn mit m die Zahl der auf solche Art zurückgelegten vollständigen Polabstände bezeichnet wird, so haben wir im allgemeinen für Schleifenwickelung m = 0, für Wellenwickelung m — 1, für Ringwickelung bei Parallelschaltung m — 0, bei Reihenschaltung m— l. Fälle, in denen m> 1, kommen nicht vor.

Leitergruppen.

Wir nehmen an, ein Anker besitze N Leiter, welche in einfachen »Elementen« oder »Abschnitten« angeordnet sind. Jedes Element bestehe aus zwei zur Schleife verbundenen Leitern; der erforderliche Kommutator würde alsdann W==¹/₂ N Stäbe besitzen. Man sieht leicht, daß man, ohne den Stromwender zu ändern, die Zahl der Leiter (und damit auch die EMK der Maschine) verdoppeln könnte, indem man für jedes »Element« ein anderes aus vier Leitern setzt, die als Doppelschleife verbunden sind. Allgemein kann man sagen, wenn jedes Element aus einer Gruppe von g Leitern besteht, und die Zahl solcher Elemente oder Gruppen G beträgt, daß dann N = g• G oder =g-K ist. Im Falle einer Ringwickelung, wo das

einfachste Element eine Windung ist, kann g irgend eine Zahl, gerade oder ungerade, sein. Bei Schleifen- und Wellen Wickelungen muß g eine gerade Zahl sein.

Man kann noch weiter gehen und eine gemischte Wellen- und Schleifenwickelung entwerfen. Beginnt man nämlich mit einer Wellenwickelung, deren Elemente einfache offene Schleifen von je • zwei Leitern sind, wie in Eig. 219, so sieht man leicht, daß man dafür eine Gruppe von sechs Leitern (Spule) setzen kann, die aus drei Schleifen besteht. Solche Gruppen werden tatsächlich in praktischen Ausführungen oft benutzt, um hohe Spannungen zu erzeugen, z. B.

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Fig. 220. Spule.

Fig. 219. Einfache Schleife.

in Straßenbahnmotoren und in der Hochspannungsmaschine von Brown (Fig. 479), da diese Anordnung sich von selbst darbietet, wenn die Spulen auf Formen gewickelt werden.

Ankerformeln.

Ankerwickelungen für Gleichstrommaschinen kann man in zwei Gattungen scheiden:

1.    Parallelschaltung.

a)    Schleif en Wickelung (Trommelwickelung).

b)    Ringwickelung.

2.    Reihenparallelschaltung.

a)    Wellen Wickelung (Trommelwickelung).

b)    Reihen-RingWickelung.

Eine gemischte Schleifen- und Wellenwickelung wird manchmal bei Schablonenspulen benutzt.

Für eine Maschine von vorgeschriebener Geschwindigkeit und Spannung hängt die Zahl der Ankerleiter, die erforderlich sind, um die verlangte Spannung zu erzeugen, nicht nur von der Zahl der Pole und der Kraftlinienmenge eines Pôles ab, sondern auch von der Schaltung der Ankerleiter. Die Formeln, welche diese Größen verbinden, werden im nachstehenden angegeben; die darin benutzten Zeichen haben die folgende Bedeutung:

E die verlangte EMK, welche erzeugt werden soll, n die Zahl der Umdrehungen in einer Sekunde, p die Zahl der Pole,

c die Zahl der Stromkreise oder parallelen Stromwege im Anker von Bürste zu Bürste,

Ia der gesamte Ankerstrom,

N die gesamte Zahl der Ankerleiter, welche in den Nuten des Ankers enthalten sind,

K die Zahl der Stäbe des Stromwenders,

CV die Kraftlinienmenge eines Pôles, d. h. die ganze Kraftlinienmenge, welche von einem Pol aus den Anker erreicht. Der Strom in einem Ankerleiter ist hiernach gleich Iajc.

Die allgemeine Formel ist

(1)

woraus

c-E

n-p‘®

• IO⁸.

(2)

In gewöhnlichen Parallelschaltungen (Trommelanker mit Schleifenwickelung, Ringanker) ist c=p\ für diese Fälle vereinfacht sich also die Formel (2) zu

(2 a)

E-10⁸

n• ®

Beispiele. 1. In einem parallel gewickelten Anker eines zwölf-poligen Stromerzeugers für Straßenbahnen, erbaut von der English El. Mfg. Co. (MP 12 — 1100 — 100) ist E = 550, n = 1,666, W = 25 647 000, p =12, c = 12 ; hieraus nach (2) oder (2 a) N= 1248.

2.    In einem Anker mit Reihenparallelschaltung — Stromerzeuger für Straßenbahnen von Kolben & Co., Tafel XVI bis XVIII, MP 10 — 250 — 125 ist: #= 550, n = 2,083, ©== 12110000, p = 10, e = 4; hieraus nach (2) #"=874.

3.    In dem Anker mit Reihenparallelschaltung des zwölfpoligen Stromerzeugers für Straßenbahnen, erbaut von der Maschinenfabrik Oerlikon, Tafel XIX (MP 12 — 500 — 100) ist E— 550, n— 1,666, jV= 1326, £> = 12, c = 6 ; hieraus nach (1) © = 12 445 000.

Wickelungsformeln.

Bezeichnungen, welche in den theoretischen Betrachtungen gebraucht werden. Es ist wichtig, die Bezeichnungen und den Sinn, in dem sie gebraucht werden, zu verstehen.

Die meisten Wickelungen bestehen aus einem oder mehreren in sich zurückkehrenden Teilen, welche geschlossene Spulen bilden. Eine Ankerwickelung heißt eingängig, wenn sie sich schließt, nachdem sie in regelmäßiger Folge durch alle Spulen um den Anker-kern gelaufen ist oder alle Spulen in einem Umgang durchlaufen hat. So ist eine gewöhnliche Grammesche Ringwickelung oder ein einfacher Trommelanker mit Schleifenwickelung (Fig. 217) eingängig.

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Fig. 221. Doppelte Wickelung aus zwei einfachen, eingängigen Wickelungen.

Wenn sie in einem mehrpoligen Felde verwendet werden, können zu ihrem Stromwender mehrere Bürstensätze nötig sein, und sie kann mehrere parallele Stromwege besitzen; aber trotzdem ist sie nur eingängig. Das Zeichen für eine solche Wickelung ist Q.

Ein Anker kann mit zwei voneinander unabhängigen Wickelungen versehen werden, die beide eingängig sind. Fig. 221 zeigt eine derartige Ringwickelung. Diesen beiden Wickelungen könnte man zwei unabhängige Stromwender geben, an jedem Ende einen. Statt dessen ist die Zahl der Stromwenderstäbe verdoppelt worden, indem die beiden Sätze von Stäben miteinander abwechseln oder ineinander geschoben werden. Die Bürsten müssen breit genug sein, um mindestens 2¹/₂ Stege des Stromwenders zu bedecken, so daß sie den Strom von beiden Wickelungen zugleich abnehmen. In einem zweipoligen Feld, mit zwei Sätzen breiter Bürsten, würde diese Wickelung von Bürste zu Bürste vier parallele Stromwege darbieten. Eine derartige Wickelung nennen wir doppelt, Zeichen OO- Die Leiter ungerader Nummer bilden die eine Wickelung, die Leiter gerader Nummer die andere. Drei unabhängige Wickelungen mit drei Sätzen

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Fig. 222. Zweigängige Wickelung.

von Kommutatorstegen, welche ähnlich ineinander gesteckt sind würden als dreifache Wickelung zu bezeichnen sein: OOO-

Eine Wickelung heißt zweigängig, wenn sie erst dann in sich selbst zurückläuft, wenn sie zwei Umgänge durch die Spulen des Ankers vollendet hat. Dieser Ausdruck wird am besten beleuchtet durch das in Fig. 222 dargestellte Beispiel. Wir sehen eine Ringwickelung von 17 Elementen; sie werden miteinander verbunden in einer Art, die der eben beschriebenen doppelten Wickelung am nächsten verwandt ist. Jede Spule wird mit der übernächsten verbunden. Da aber die Zahl der Spulen ungerade ist, bilden sie nicht zwei getrennte Wickelungen. Beginnen wir mit der Spule 1, so

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

•sehen wir, daß sie mit der Spule 3, diese mit 5 u. s. f. mit 7, 9 verbunden ist, bis wir schließlich zu Nr. 17 kommen. Hier ist ein Umgang vollendet; aber die Wickelung schließt sich noch nicht, geht vielmehr weiter zu Spule 2, 4, 6 u. s. f. bis 16, von wo sie endlich zum Anfangspunkt zurückkehrt. Das Zeichen für eine solche zwei-

.gängige Wickelung ist (q). Diese Wickelung erfordert gleichfalls breite Bürsten, welche über mehr als zwei Stromwenderstäbe reichen. Wie die doppelte Wickelung nach Fig. 221 verdoppelt sie die Zahl >der parallelen Stromwege von Bürste zu Bürste. Tatsächlich ist sie elektrisch gleichwertig einer doppelten Wickelung, abgesehen von dem Umstand, daß sie eine ungerade Spulenzahl erfordert. Bei Ankern von vielen Windungen ist dieser Unterschied völlig unwesentlich. Z. B. ein Anker mit 200 Spulen, die als doppelte eingängige Wickelung geschaltet sind, und ein Anker mit 201 Spulen, welche eine einfache zweigängige Wickelung bilden, würden im gleichen Feld und bei gleicher Geschwindigkeit bis auf x/₂ Prozent dieselbe EMK besitzen. Schleifen Wickelungen können ebenfalls zweigängig .hergestellt werden (vergl. Fig. 225, S. 347). Eine dreigängige Wickelung könnte man bilden, indem man die Zahl der Elemente ■so wählte, daß die Wickelung erst nach drei Umgängen in sich zurückkehrte. Z. B. eine Ringwickelung mit 20 Spulen, die nach folgendem Schema geschaltet werden:

1 — 4 — 7 — io — 13 — 16 — 19 — 2 — 5 — 8 — 11 — 14 —

17 — 20 — 3 — 6 — 9 — 12 — 15 — 18 — 1.

Das Zeichen für die dreigängige Wickelung ist    Sie ist

■elektrisch gleichwertig mit einer dreifachen Wickelung aus drei einfachen eingängigen Wickelungen OOO; sie erfordert wie die dreifache Wickelung Bürsten, die breit genug sind, um mindestens -3l/₂ nebeneinander liegende Stromwenderstäbe zu bedecken.

Ankerwickelungen werden auch eingeteilt auf Grund der Zahl der parallelen Stromwege, welche sich dem Strome auf seinem Wege von der negativen Bürste durch die Spulen zur positiven Bürste darbieten. Diese Zahl ist bei Ankern mit geschlossener Wickelung (mit denen allein wir uns hier beschäftigen) stets gerade. In einfachen, parallel gewickelten (Ring- oder Trommel-) Ankern ist die Zahl solcher Stromwege stets gleich mit der Polzahl: in doppelten Wickelungen zweimal so groß u. s. w. In einfachen Reihen Wickelungen ist die Zahl stets ^wei, in doppelten Reihenwickelungen vier, unabhängig von der Polzahl. Gewöhnlich benennt man die Wickelung nach der Zahl ihrer

parallelen Wege; so spricht man von einer Wickelung mit zehn Kreisen und meint damit eine Wickelung, in der der Strom vom negativen zum positiven Pole zehn parallele Wege findet. Der Strom in einem Kreise ist gleich dem gesamten Ankerstrom, geteilt durch die Zahl der Kreise.

Einige Wickelungsarten nach Arnold ergeben eine Reihenparallelschaltung. So kann man eine sechspolige Maschine mit einem Anker ausrüsten, der vier Stromwege darbietet. Diese Wickelung wäre als eine zweigängige Wellenwickelung auszuführen (vergl. S. 348).

Der nächste Ausdruck, der einer Erklärung bedarf, ist der Wickelungsschritt. Dieses Wort bedeutet den Abstand eines Wickelungselementes von dem nächsten ähnlichen Element in der Reihenfolge. Es ist üblich, den Wickelungsschritt auszudrücken durch die Zahl der übersprungenen Leiter, weniger gebräuchlich durch Angabe der übersprungenen Wickelungselemente (Spulen oder Leitergruppen), manchmal auch durch Zählen der übersprungenen Schlitze oder Nuten. Dagegen wird der Wickelungsschritt niemals als wirkliche Entfernung auf dem Umfang des Ankers oder als überspannter Polbogen oder im Verhältnis zur Polteilung angegeben. Nehmen wir an, alle Leiter seien rund um den Ankerumfang der Reihe nach numeriert; dann werde Nr. 1 am Stirnende mit Nr. 16 verbunden, wodurch eine Schleife gebildet wird, und nun Nr. 16 am hinteren Ende mit Nr. 31 verbunden. Dann ist der Wickelungsschritt an beiden Enden 15. Bei der Wellenwickelung ist der Schritt an beiden Enden positiv, d. h. die Wickelung geht ununterbrochen vorwärts. Bei der Schleifenwickelung ist der Schritt an den beiden Enden verschieden. Wenn z. B. an der Stirnseite Nr. 1 mit Nr. 18, an der Rückseite Nr. 18 rückwärts mit Nr. 3 verbunden wird, so ist der Schritt an der Stirnseite —j— 17, an der Rückseite —15. In diesem Falle ist der Schritt im ganzen 2, und im Durchschnitt 16. Wir werden als Zeichen für die Schritte am Stirnende yl und an der Rückseite y2 benutzen, y für den Schritt im ganzen und y für den mittleren Schritt. Da das einfachste Element sowohl der Schleifen-, wie der Wellenwickelung eine Schleife von zwei untereinander verbundenen Leitern ist, und in jedem dieser Elemente der eine Leiter am Südpol vorübergehen muß, während der andere sich dem Nordpol gegenüber befindet, so ergibt sich, daß die Breite einer solchen Schleife annähernd mit der Polteilung übereinstimmt. In der Tat muß der mittlere Wickelungsschritt in Schleifenwickelungen etwas kleiner, in Wellenwickelungen entweder ein wenig kleiner oder ein wenig größer, als

22*

die Polteilung sein. In Schleifenwickelungen kann der größere der beiden Schritte gleich der Polteilung sein, darf letztere nicht übersteigen, kann aber kleiner sein; im letzteren Palle nennt man ihn verkürzten Schritt. Der kleinere von beiden Schritten sollte nicht kleiner sein, als die Breite der Polfläche.

Bedingung für die Bildung ein- und mehrgängiger Wickelungen.

Die Bedingung, daß eine Wickelung nach einer begrenzten Zahl symmetrisch bemessener Schritte zu dem Leiter zurückkehrt, von dem sie ausgegangen ist, kann folgendermaßen ausgesprochen werden: Der gesamte Schritt von Element zu Element, multipliziert mit der Zahl der Leiter in einem Element und mit der Zahl der ganzen Schritte muß gleich der gesamten Zahl der Leiter multipliziert mit einer ganzen Zahl sein. Z. B. mag eine Schleifenwickelung 80 einfache Schleifen enthalten, und ihr mittlerer Wickelungsschritt sei 2. Diese Wickelung wird eingängig sein, wenn die Gesamtzahl der Leiter 160 ist. Im Pall der Wellen Wickelung, wo die Schleifen im Zickzack um den Umfang laufen, gibt die Zahl der Elemente für einen Umgang, multipliziert mit der Zahl der Umgänge und der Zahl der Leiter eines Elementes, die Gesamtzahl der so verbundenen Leiter. Der Schritt darf nur annähernd, aber nicht genau gleich der Polteilung sein; sonst würde die Windung beim ersten Umgang in sich zurücklaufen. Oder die Gesamtzahl der Leiter muß so groß sein, daß bei einem Wickelungsschritt, der annähernd gleich der Polteilung ist, die Wickelung erst nach einer Anzahl Umgänge in sich zurückläuft. Z. B. bei einer achtpoligen Maschine und einem Wickelungsschritt von 25 darf die Gesamtzahl der Leiter nicht gleich 8-25 = 200 sein; sonst würde die Wickelung schon nach dem ersten Umgang von vier Schleifen in sich zurücklaufen. Sie kann aber 198 oder 202 betragen; dann wird ein Umgang nach dem anderen durchlaufen, bis sich die Wickelung endlich in sich schließt. Dieses Beispiel zeigt die wesentliche Grundlage einer einfachen Wellenwickelung so klar, daß es näher betrachtet werden soll. Es möge eine Wickelungstafel für die Wickelung entworfen werden für N = 202. Die geraden Nummern der Leiter mögen von der Stirnseite nach der Rückseite verlaufen; die ungeraden Nummern sind dann die Rückleitungen von der Rückseite nach der Stirnseite. Beginnen wir mit Nr. 1, so läuft die Schaltung wie folgt:

1 _ 26 — 51 — 76 — 101 — 126 — 151 — 176 — 201.

Der achte Schritt vollendet also den ersten Umgang, und die Wickelung steht um zwei Leiter vom Anfang. Der zweite Umgang von acht Schritten endigt ähnlich bei dem Leiter 199, der dritte bei 197 u. s. w. Die Wickelung geht also bei jedem Umgang um zwei Leiter zurück. Am Ende des 25. Umganges sind 200 Schritte gemacht worden, und die Wickelung ist um 50 Leiter von Nr. 1 ab zurückgegangen ; der 200. Schritt wird demnach bei Nr. 153 endigen.

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Fig. 223. Wellenwickelung; 8 Pole, 2 Stromkreise ; eingängig.

Zwei Schritte sind noch auszuführen, von 153 zu 178 und von 178 zu 1, um endlich die Wickelung in sich zu schließen. Fig. 223 zeigt die ersten beiden Umgänge der Wickelung. Es wird angenommen — aber in der Zeichnung nicht dargestellt — daß die Wickelung in zwei Lagen ausgeführt wird; in der oberen Lage befinden sich die Leiter mit ungerader Nummer, in der unteren diejenigen mit gerader Nummer. Man sieht, daß der Leiter, welcher von dem Leiter 1 durch die halbe Wickelung getrennt wird, Nr. 102 ist. Die Bürsten liegen nicht an den entgegengesetzten Enden eines Durchmessers, sondern sind um ⁵/₈ des Umfanges voneinander entfernt. Tatsächlich können die Bürsten — von denen nur zwei Sätze nötig sind, weil es

Wickelungstafei für einen achtpoligen Trommelanker mit 202 Leitern. Zwei Stromwege, Reihenparallelschaltung Bürstenabstand 135 Grad.

aîcnCnCn    OOOOOOOOCOVOVOVOVOVO O    ^

OJ Ui VO m OJ U <1 vO h W Ui si 'O HCoCn^JVO h W Ui vi ^ m h

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128

nur zwei Wege durch die Wickelung gibt — sowohl um i/g, als auch um ³/₈ oder ⁵/₈ des Umfanges voneinander entfernt angelegt werden. In einem Sinne ist diese Wickelung 25 gängig; denn nach je acht Schritten wird je ein Umgang vollendet Aber, genau genommen, ist die Wickelung nur eingängig. Wären es 204 oder 196 Leiter gewesen, so daß die Wickelung bei jedem Umgang um vier Leiter (anstatt um zwei Leiter) voran- oder zurückgegangen wäre, so wäre das Ergebnis ein anderes gewesen, weil eine Wickelung mit vier Wegen statt zweier entstanden wäre. Die Zahl der Wege durch den Anker entspricht der Zahl 2, 4, 6 u. s. w. der Leiter, um welche die Wickelung bei einem Umgang voran- oder zurückgeht. In dem

Falle, den die Wickelungstafel darstellt, sehen wir, daß die Grundbedingung dafür, daß die Wickelung in sich zurückläuft, erfüllt ist. Denn der ganze Schritt von 50, multipliziert mit der Zahl der Leiter eines Elementes (2) und mit der Zahl der ganzen Schritte, nämlich 25 • 4 —|— 1 gibt 10100, was ein ganzzahliges Vielfaches der Gesamtzahl 202 der Leiter ist.

¹

Die schrägen Linien sind aus folgendem Grunde gewählt worden. Wenn man an Stelle der einen Leiter darstellenden Linien ab einen Papierstreifen mit schmalem Schütz über die Polfläche legt und den Streifen in der Richtung der Pfeile (bei a und b) parallel mit sich selbst nach rechts hin bewegt, so erscheint durch den Schlitz eine Bewegung der Linien in der Richtung vor sich zu gehen, in der der Strom wirklich fließt. Es läßt sich auch leicht behalten, in welcher Richtung die Linien in den Polflächen zu zeichnen sind; denn die Linien auf dem A-Pol laufen parallel mit dem Mittelstrich des eingezeichneten Buchstabens N.

²

Die hier gewählte Benennung rührt von Arnold her; auch Fritsche gebraucht den Namen Wellenwickelung. Wellenwickelungen wurden schon früher von Matthews, Bollmann und Müller angewendet; auch von Ferranti und Lord Kelvin für Wechselstrommaschinen.

Jeder Leiter darf nur einmal durchlaufen werden.

Es genügt nicht, daß die Wickelung in sich selbst zurückläuft. Vielmehr müssen hierbei auch (bei eingängiger Wickelung) alle Leiter durchlaufen werden, und jeder Leiter darf nur einmal durchlaufen werden.

Erster Fall. Schleifen Wickelungen. Es sei yx der Schritt vorwärts, y₂ der Schritt rückwärts, letzterer mit negativem Vorzeichen. Dann ist yl -j- y₂ der Gesamtschritt. Wenn wir uns auf den praktischen Fall beschränken, daß jedes Element der Wickelung eine einfache Schleife ist, so ist s=¹l₂N die Zahl der Elemente; und die Gesamtlänge der Elemente, ausgedrückt durch die überspannte Leiterzahl (was dasselbe ist wie die Zahl der Gesamtschritte, multipliziert mit der Länge des Gesamtschrittes), ist gleich dem Gesamtweg, den die Wickelung durchlaufen hat. Bei eingängiger Wickelung ist dies gleich N. Wenn aber die Schleife so gebildet wird, daß die Wickelung erst in sich zurückläuft, nachdem mehr als ein Umgang gemacht ist (z. B. wenn yx — 25 und ?/₂ =—21, also 2/i —j— «/₂ = 4), so wird der Gesamtweg = U-N, worin U die Zahl der Umgänge bedeutet, welche durchlaufen worden sind. Hieraus erhalten wir als erste Bedingung

oder

2~*(2/i    2/2) — U-N

Vi+V2

(1)

Nun mag U gleich 1 oder 2 oder einer anderen ganzen Zahl . sein; daraus folgt, daß yx -j- y₂ unter allen Umständen eine gerade Zahl sein muß. Ferner ergibt sich aus der Bedingung, daß kein Leiter zweimal durchlaufen werden darf, daß für keine Schrittzahl iji + y₂, wie oft man auch den Schritt ausführe, gleich y₁ sein kann. Wenn m eine ganze Zahl bedeutet, so kann man demnach ansetzen

™ (Vi + V2) <«/i

oder

< 1 — rn

• (2)

Aus dieser Ungleichung folgt, daß yx und y₂ keinen gemeinschaftlichen Teiler haben können. Da außerdem ihr Unterschied eine gerade Zahl ist, so ergibt sich, daß beide ungerade Zahlen sein müssen; und damit die Wickelung eine Schleifenwickelung wird, muß eine davon eine negative Zahl sein, z. B. yx — 29, y₂ =— 27, V\ Uz — 2-

Zweiter Fall. Wellenwickelungen. Der Gesamtschritt für ein Element ist yx -f- y₂ und die Zahl solcher Schritte ¹/₂ N. Wenn nun im ganzen der Umfang Umal zu durchlaufen ist, ergibt sich

ö (yi +y 2)= u'Ni

daher wieder

(3)

V\ + y2

In dem Fall der oben angegebenen Wickelungstafel, wo yx und y₂ jedes = 25 ist, muß der Umfang 25 mal durchlaufen werden. Damit nun kein Leiter zweimal berührt wird, darf offenbar keine noch so häufige Wiederholung dazu führen, daß man auf den Schritt yXl von einer der vorhergehenden Wiederholungen des Schrittes yx -\-y2 aus gerechnet, treffe. Dies führt zu der Ungleichung

.    .    (4)

w {yx + y₂) % n {yx + 2/2) + 2/i    •    •

Hieraus folgt, daß auch hier yx und y₂ keinen gemeinsamen Teiler haben dürfen; und da Uirgend eine Zahl, gerade oder ungerade ist, so folgt aus (3), weil yx-\-y₂ gerade sein muß, daß beide ungerade sein müssen. Sie können übrigens einander gleich sein, und das ist gewöhnlich der Fall.

Allgemeine Formeln.

Wir können nun die allgemeinen Wickelungsformeln aufstellen. Man kann sie erstens ausdrücken durch die Zahl der Stromwenderstäbe und durch den Wickelungsschritt, der gleichfalls durch die Zahl der überspannten Stromwenderstäbe angegeben wird, oder zweitens durch die Zahl N der Ankerleiter und durch die Wickelungsschritte yj und y2, wie bisher angegeben.

Diese allgemeinen Formeln ergeben sich wie folgt: Der Gesamtschritt sei v/, nicht von Leiter zu Leiter, sondern vom ersten Leiter einer Gruppe zum ersten Leiter der nächsten Gruppe, der Feldschritt sei m und G die Gesamtzahl der Gruppen in der Wickelung; dann ist

(1)

V2 P!J i e = mg G = mN

woraus

(2)

und

2 m N 4- 2 c

y = -

P

(3)

Dies sind die allgemeinen Formeln für symmetrische Wickelungen.

Für Schleifenwickelungen ist m — 0, woraus sich ergibt

_ 2 c

J    p

y hat zwei verschiedene Werte und y₂. wovon t/₂ negativ ist; beide sind um ein geringes kleiner oder auch gleich Nfp und unterscheiden sich um 2 cjp. Für die Schleifenwickelung läßt sich der Schritt am Stromwender aus dem Wickelungsschritt durch die einfache Gleichung ableiten:

(4)

7/    =y-

' fc    9

So haben wir in einer einfachen Schleifen Wickelung, wo y — 2 und jedes Wickelungselement eine einfache Schleife aus zwei Seiten ist, so daß y =2 wird, yk = 1.

Für Wellenwickelungen ist m = 1 und der ganze Schritt wird

2 NT-2 c

U == -!-

P

(5)

. (6)

und wenn dieser aus zwei gleichen Schritten an der Stirn- und der Rückseite besteht, so ergibt sich

Ih = // 2 =

(7)

Schleifenwickelungen.

schaltung).

1. Einfache eingängige Schleifenwickelung (Parallel

c = p; m — 0; für g = 2: N— 2 G = 2 K, y — + 2.

^N Vi <ÿ

— y 2 = lh + 2 yh = i.

ungerade

2. Zweifache oder mehrfache Schleif en Wickelung (Parallelschaltung), bestehend aus x unabhängigen Wickelungen, von denen jede eine einfache eingängige Schleifenwickelung ist.

c — p x] m = 0; für g = 2, N=2 G = 2 K\ y — + 2 x. yi , ungerade

</2 = .?/i — ² «

Vk = + x.

3. Einfache ein- oder mehrgängige Schleifenwickelung (Reihenparallelschaltung), vergl. S. 337 über die Bedeutung des Ausdruckes.

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Fig. 224. Doppelte Schleifenwickelung.

c — 4, 6 oder eine andere gerade Zahl, welche größer als 2 ist; m — 0 ; für g = 2, N—2G — 2K, y = + c.

= jV

//1 < —, ungerade P

!h = y i—c

y* = ± V2c-

4. Zwei- oder mehrfache, zwei- oder mehrgängige Schleifenwickelung (Reihenparallelschaltung), bestehend aus x unabhängigen Wickelungen, von denen jede eine einfache zwei oder mehrgängige Schleifenwickelung ist. Hier ist x = 2, 3, 4 oder eine andere ganze Zahl; c gleich der Zahl der Stromkreise durch eine der unabhängigen

Reihenparallelwickelungen (4, 6 oder eine andere gerade Zahl, welche größer als 2 ist); m = 0; für y = 2, N= 2 G = 2 K.

y = ±XC₁

ungerade

!h<y.

!h = th —xcv

!/k= + V₂ x ci-

.in

y ßi.

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Zeichen (2)

Fig. 225. Einfache, zweigängige Schleifenwickelung.

Fig. 224 und 225 liefern Beispiele für die Fälle 2 und 3. Fig. 224 ist eine doppelte Schleifenwickelung, worin p = 4, N— 32, y₂ = + 9 und ?/₂ = — 5. Sie besteht aus zwei unabhängigen Wickelungen, genau wie in der doppelten Ringwickelung der Fig. 221. Zeichen OO- Kg- 225 entspricht der zweigängigen Ringwickelung der Fig. 222. Darin ist p — 4, N— 34. yl=-j- 9 und = — 5.

Zeichen (q). In beiden Fällen ist c — 8.

Wellenwickelungen.

1. Einfache eingängige Wellenwickelung (Reihen

schaltung).

c — 2; m = 1 ; für g = 2, N—2 G=2.K.

y ist das Mittel von //j und //₂, N—py + 2. jy x 2

V\ = !h

y* =

———, ungerade, ohne gemeinschaftlichen Teiler mitW

21+2

2. Zwei- oder mehrfache Wellen Wickelung (Reihenschaltung), bestehend aus x unabhängigen einfachen, eingängigen Wellen Wickelungen; x = 2, 3, 4 oder eine beliebige ganze Zahl; die Zahl der Stromkreise^, in jeder der einfachen Wickelungen = 2; m — 1 ; für g = 2, N—2G — 2K. Zahl der parallelen Stromwege = cx x.

N— xpy + 2 x. N T 2 x

!h = y 2 =

xp

wenn y gerade ist, kann yx — y -f- 1 und y₂ —y — 1 sein.

y* =

2 K + 2 x

xp

3. Einfache zwei- oder mehrgängige Wellenwickelung (Reihenparallelschaltung), Arnold sehe Wickelung.

c = 4, 6 oder eine andere gerade Zahl, welche größer als 2 ist; m= 1; für g = 2: N= 2 G = 2 K.

N=py ± c,

y i = !h =

N +: c

4. Zwei- oder mehrfache zwei- oder mehrgängige Wellenwickelung (Reihenparallelschaltung), bestehend aus x unabhängigen Wellen Wickelungen, deren jede zwei oder mehrgängig ist. cL — 2, 4, 6 oder eine andere gerade Zahl; Zahl der parallelen Stromwege = cxx\ m — 1 ; für g — 2: N=2 G = 2 K.

N=xp y + cx x,

y i = !h =

N + cx x

Ringwickelungen.

1.    Parallelschaltung (einfach). c=p\ m= 0; wenn jedes Element nur aus einer Windung besteht, ist <jr=l, N = G — K. Die einzig möglichen Werte des Schrittes sind

U = +

yit = + 1.

2.    Reihenschaltung (eingängig). e=2; m = l; ftir</ = l:

PU ± ²

ungerade.

Wenn eine Spule aus <7 Windungen besteht, wie in Hochspannungsmaschinen, so wird N—g-G = g-K und

//*

2J+ 2

3. Reihenparallelschaltung (einfache zwei- oder mehrgängige Ringwickelung). c = 4, 6, 8 oder eine andere gerade Zahlr die höher als 2 ist; ra = 1.

PU ±0

2iY+ c

Uk =

4. Zwei- oder mehrfache Parallelschaltung. Wenn die Wickelung aus n unabhängigen Kreisen besteht, so ist die Zahl der parallelen Stromwege c — np.

U = ± yk = + n. Wenn g von 1 verschieden ist, wird

Für g = 1 wird

y=±gn.

5. Zwei- oder mehrfache Reihenschaltung, bestehend aus n unabhängigen Wickelungen, deren jede eine einfache eingängige

Reihenwickelung ist. Die Zahl der parallelen Stromwege ist=2w; m = 1 ; für g — 1 :

N=

npy +2 n

2 NT 2 n

y —--,

np

Uk =

2 K + 2 n

6. Zwei- oder mehrfache Reihenparallelschaltung-.

Hier ist n gleich der Zahl der unabhängigen Wickelungen (2, 3, 4 oder eine andere ganze Zahl); cx gleich der Zahl der Stromkreise durch eine der unabhängigen Wickelungen (etwa 4, 6, 8 oder eine andere gerade Zahl, die größer als 2 ist); die Zahl der parallelen Stromwege durch den Anker ist cx-n\ m— 1; für g= 1:

N==

npy + 2 cln

2A4 2 c, n

g —---—,

np

2 K + 2 Ci n

np

!/k =-¹---

Wenn in einer Wellen Wickelung y und N einen gemeinsamen Teiler haben, so entsteht eine entsprechende Zahl unabhängiger Wickelungen. Dies führt zu einigen bemerkenswerten Ergebnissen. Ferner wird die Wellen Wickelung in einem Fall identisch mit einer einfachen Schleifen- oder Ringwickelung, wenn nämlich die Zahl der Stromwege gleich der Zahl der Pole gemacht wird. Für zweipolige Maschinen werden überhaupt Schleifen- und Wellenwickelung gleich, der einzige Unterschied liegt in der Frage, ob yx = y₂ ist oder nicht. Eine Schleifenwickelung kann nicht in Reihenschaltung ausgeführt werden. Zu letzterer kann nur eine Mischung von Schleifen- und Wellenwickelung dienen. Bei vier-, acht- und zwölfpoligen Maschinen kann man eine einfache Reihenwickelung nicht mit vier Leitern auf einen Stromwenderstab ausführen. Ebensowenig gelingt es, bei einer sechs- oder zwölfpoligen Maschine eine einfache Reihenwickelung mit sechs Leitern auf den Stromwenderstab herzustellen. Im allgemeinen ist es unmöglich, bei einer Maschine mit p- oder 2 p- oder 3 p-Polen eine Wickelung zu bilden, welche zwei parallele Stromwege besitzt und in der auf den Stromwenderstab £>-Leiter entfallen. Oder, anders ausgedrückt, damit eine Wickelung mit zwei Stromwegen ausgeführt werden kann, darf die Leiterzahl kein Vielfaches der Polzahl sein.

Die Zahl der Stromwege, welche von irgend einer Wickelung gebildet werden, kann nach den folgenden Formeln berechnet werden, welche aus den eben angegebenen abgeleitet sind:

Schleifenwickelung: c—¹l₂py    . .

Wellenwickelung: c — N—pyx    . .

wenn yx—y₂; wenn dies nicht zutrifft, muß statt yx der mittlere Schritt eingesetzt werden.

Beispiele. 1. p=6; W=374; K= 187; ?/₁=47,2/₂ =— 45; c—6. Hier ist y = 2, die Wickelung eine gewöhnliche Schleifenwickelung.

2.    p — 6; iV= 434; yx = 73, y₂ = 71. Wellenwickelung, mittlerer Schritt 72. Aus Formel (ß) ergibt sich, daß es nur zwei Stromwege gibt; die Wickelung ist eingängig, Zeichen O-

3.    £> = 6; W=442; ^ = 71, y₂ — — 67. Schleifenwickelung mit y = y₁ -f- y₂ — 71 — 67=4. Aus Formel (a) ergibt sich die Zahl der Stromwege zu 12, die Wickelung ist zweifach eingängig, Zeichen QO

4.    p = 8; W= 572; yl = y₂ = 71. Wellen Wickelung, nach Formel (ß) mit vier Stromwegen, zweigängig, Zeichen (Q).

5.    p = 4; iV=246; ^=61, vy₂ — 59. Wellenwickelung, mittlerer Schritt 60, secl\s Stromwege, dreigängige. Wickelung,

Zeichen

6.    p — 4; W=450; yi — y₂ = 111. Wellenwickelung; da N und y₁ den gemeinsamen Teiler 3 haben, erhalten wir drei unabhängige Wellen Wickelungen, jede eingängig. Zahl der Stromwege 6. Zeichen OOO-

Die Fig. 226 bis 231, in denen die unabhängigen Wickelungen durch Farben unterschieden sind, stellen eine Keihe Wellenwickelungen dar, auf welche wir die Regeln anwenden wollen.

Fig. 226 ist eine sechspolige Wickelung mit zwei Stromkreisen (manchmal mehrpolige Reihenschaltung genannt), mit 32 Leitern. Die Wickelung ist eingängig; der Wickelungsschritt ist y₁ = y₂ = 5. Aus der Regel c — N—py ergibt sich die Zahl der parallelen Stromwege zu 2. Unter der Figur ist der gleichwertige Ring dargestellt, welcher die 32 Leiter in der Reihenfolge zeigt, in der sie durchlaufen werden (vergl. Arnolds abgekürzte Wickelungstafel, S. 379). Da die Zahl der parallelen Stromwege = 2 ist, muß auch das Feld zweipolig sein. Der Vorteil dieser Darstellung ist, daß in der gleichwertigen Ringwickelung die Windungen sich nicht überdecken.

Fig. 227 zeigt eine vierpolige Wickelung mit sechs Stromkreisen, 34 Leitern und einem mittleren Wickelungsschritt von 10. Bei näherem Zusehen findet man, daß die Wickelung, obgleich einfach,

dreigängig ist ^Zeichen    was sechs Stromwege gibt, obgleich

nur vier Bürsten angelegt werden, entsprechend den vier Polen. Der gleichwertige Ring ist sechspolig mit sechs Bürsten.

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Zwei Stromkreise. Einfache eingängige Wickelung.

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Vier Stromwege, doppelt eingängig.

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Acht Stromwege. doppelt zweigängig.

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Sechs Stromkreise. Einfache dreigängige Wickelung.

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¹⁰ Gleichwertige Ringwickelung

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Fig. 227.

Eig. 228 ist eine sechspolige Wickelung mit vier Stromkreisen, 32 Leitern und einem mittleren Wickelungsschritt von 6. Dies erzeugt eine zweifache Wickelung, zwei voneinander unabhängige eingängige Wickelungen. Es sind demnach vier Stromwege vorhanden, Zeichen O O- Der gleichwertige Ring erhält natürlich ein vier-poliges Feld und vier Bürsten.

Eig. 229 ist eine vierpolige Wickelung mit acht Stromkreisen, 32 Leitern, mittlerer Wickelungsschritt 10. Es ergibt sich eine zweifache zweigängige Wickelung, Zeichen (q)(Q)- Der gleichwertige Ring hat acht Pole und acht Bürsten.

Eig. 230 stellt eine vierpolige Wickelung mit vier Stromkreisen vor, 30 Leiter, Wickelungsschritt 9. Da ¹/₂ N und // den gemeinsamen Teiler 3 haben, ergeben sich drei unabhängige Wickelungen, welche rot, grün und schwarz dargestellt sind, jede ist eingängig, und es ergeben sich sechs Stromwege, Zeichen OOO Diese dreifache Wickelung ist zu vergleichen mit Eig. 227, welche auch sechs Stromwege besitzt. Der gleichwertige Ring hat natürlich gleichfalls drei unabhängige Wickelungen.

Eig. 231 ist eine sechspolige Wickelung mit zwölf Stromkreisen, 36 Leitern, mittlerer Wickelungsschritt 8, was eine zweifache, dreigängige Wickelung ergibt; Zeichen    Sie erfordert nur

sechs breite Bürsten, obgleich, wie sich aus dem gleichwertigen Ring ergibt, zwölf parallele Stromwege gebildet werden.

Man möge beachten, daß Eig. 226 und 228 zwei Fälle darstellen, in denen es sich um 6 Pole und 32 Leiter handelt. Sie unterscheiden sich indessen im Wickelungsschritt mit dem Ergebnis, daß die eine Wickelung zwei, die andere vier parallele Stromwege bildet. Die letztere würde den doppelten Strom und die halbe Spannung liefern.

Trommelwickelungen.

In folgendem seien einige Beispiele von Trommelwickelungen dargestellt.

Aus den Eig. 232 und 233 ersieht man eine rechtsgängige Wickelung nach Siemens scher Art mit einem achtteiligen Stromabgeber. Jede Abteilung enthält eine Windung, dies ergibt 16 um die Trommel gelegte Leiter. Die Verbindungsstücke am vorderen Ende bestehen aus geraden (z. B. a 6) und aus spiraligen (z. B. a 1) Leitern, die sich kreuzen. Die Verbindungen am anderen Ende des

Ankers sind nur mittels der punktierten Linien angedeutet. Jedes Element der Wickelung liegt in derselben Weise wie c — 5 — 12 —d,

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Fig. 232 u. 233. Schleifenwickelung (nach Siemens, rechtsgängig) Abwickelung und Endansicht.

die Anordnung ist eine einfache Wellen Wickelung. Die rückwärts liegenden Verbindungsstücke greifen über sieben Leiter, jede solche Verbindung schneidet stets die Zahl ¹/₂ N der Leiter auf dem Umfange ab; die vorderen Verbindungen spannen über fünf Leiter und

23*

schneiden auf dem Halbumfange drei Leiter ab; d. h. yl — 5, V 2 —    7.

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Fig. 234 u. 235. Schleifenwickelung (nach Siemens, linksgängig), Abwickelung und Endansicht.

Es möge noch bemerkt werden, daß bei einer rechtsläufigen Drehung dieser rechtsgängigen Wickelung in einem ebenso gerichteten Felde die positive Bürste nahezu am oberen Teile des Stromabgebers anzubringen ist. Die Fig. 234 u. 235 stellen die gleiche Anordnung

dar, nur ist die Wickelung linksgängig, so daß die positive Bürste am unteren Teile des Stromabgebers liegt.

Die Wickelungstafel ist für beide Anordnungen die gleiche.

a. ^ Cf»

CO

O !1

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In der rechtsgängigen Wickelung laufen die spiraligen Verbindungsstücke, z. B. von a nach 1, nach links hin, in der linksgängigen Wickelung nach entgegengesetzter Richtung.

Aus den Fig. 232 u. 234 ersieht man, daß in beiden Wickelungen das durch die stärkeren Linien angedeutete Element der Wickelung am vorderen Ende der Trommel unsymmetrisch liegt. Dies rührt von der Anwendung der zwei Arten der vorderen Verbindungen, der geraden und spiraligen, her. Der Stab a des Stromabgebers ist mit den vorderen Enden der Leiter 1 und 6 verbunden. In dem einen Falle ist er schief herüber mit der entgegengesetzten Nr. 6 verbunden, im anderen Falle schief rückwärts mit Nr. 1. Warum liegen die Verbindungen nicht symmetrisch zu beiden Leitern? Die Fig. 236 u. 237 zeigen eine symmetrische Schleifenwickelung, die in elektrischer Hinsicht der früher beschriebenen entspricht, und für die auch dieselbe Wickelungstafel gilt. Ihre Vorteile sind doppelt: die Verbindungsstücke am vorderen Ende sind sämtlich gleich (was bei der Herstellung des Ankers von Bedeutung ist), sie bestehen aus kurzen, spiraligen Stücken; die Bürsten liegen ferner ziemlich in einem horizontalen Durchmesser, so daß sie bequemer zugänglich sind. Die am hinteren Teile des Ankers liegenden Verbindungsstücke sind ebenso wie die bereits früher beschriebenen; sie reichen über längere Sehnen als die vorderen Verbindungsstücke.

Zur Herbeiführung der äußersten Symmetrie in der Wickelung müßten die an dem vorderen und hinteren Ende liegenden Verbindungsstücke gleich gemacht werden. Theoretisch ist ?/ = 7 oder = 9. Tim dies zu erreichen, verbinde man 1 mit 8 an einem Ende der Trommel und mit 10 am anderen Ende. Das Ergebnis ist aus den

Fig. 238 und 239 ersichtlich. Es zeigt sich auch, daß wir von der Schleifen- zur Wellen Wickelung ühergegangen sind; jedes Element führt um die Trommel und kehrt zu dem nächsten Stahe des Kommutators zurück. Die Wickelungstafel ist folgende:

SO

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^    Hi    M

00 10 t'

In elektrischer Beziehung ist diese Wickelung den drei vorher beschriebenen gleichwertig. Die spiraligen Verbindungen am hinteren Trommelende sind paarweise vereinigt, ebenso wie die am vorderen Ende am Stromabgeber.

Die Fig. 240 und 241 stellen eine aus zwei Lagen bestehende Wickelung mit 24 Leitern dar; um die Hälfte der Ankerwickelung von a bis g herzustellen, wird eine Lage aufgewickelt.

Die Wickelung vielpoliger Anker mit Reihenschaltung wurde von Perry erfunden¹); vergl. S. 376. Auf Trommelanker wurde sie von Paris und Scott²), sowie von Kapp angewendet und wird neuerdings häufiger benutzt.

Die Fig. 242 und 243 zeigen die Verbindungen in einer vier-poligen Trommelwickelung mit 22 Leitern, g ist hier = 5.

Die Wickelungstafel ist folgende:

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Die Fig. 244 und 245 stellen eine von Thur y benutzte Schleifenwickelung (Fig. 453) für eine vierpolige Maschine dar. Es

1)    Englisches Patent [1882], Nr. 3036.

2)    Englisches Patent [1884], Nr. 4683.

sind parallele Gruppen vorhanden, am hinteren Ende ist der Abstand der verbundenen Leiter gleich der Polteilung, am vorderen Ende

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Fig. 236 u. 237. Schleifenwickelung (zweipolig symmetrisch), Abwickelung und Endansicht.

noch geringer. Diese Form der Sehnenwickelung soll die Überdeckung der Leiter mit sehr verschiedener Spannung hindern; die Wickelung läßt sich auch gut isolieren, weil die einzelnen Abteilungen vor dem Aufbringen auf den Kern auf Formen gewickelt werden können.

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Fig. 238 u. 239. Wellenwickelung (zweipolig, symmetrisch), Abwickelung und Endansicht.

Von Fritsche¹) wurde eine Trommel Wickelung in Vorschlag gebracht, in der die Leiter sämtlich schräg auf der Oberfläche der Trommel liegen und kein Teil der Leiter parallel zur Achse ist

In diesem Falle werden auch die Pole des Feldmagnets mit diagonal liegenden Flächen hergestellt. Diese Art der Wickelung ist ab-

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Fig. 240 u. 241. Trommelwickelung mit zwei Drahtlagen.

gewickelt in der Fig. 246 dargestellt, welche mit der elektrisch gleichwertigen Einrichtung in der Fig. 216 zu vergleichen ist.

Mehrfach-Wickelungen. Bei Dynamomaschinen, welche so starke Ströme liefern sollen, daß deren Stromwendung Schwierigkeiten bietet, ist es zweckmäßig, die Wickelung in zwei oder mehr völlig voneinander getrennte Teile zu zerlegen, welche jeder mit einem besonderen Satz von Stromwenderstäben verbunden sind. Alle Sätze

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Fig. 242 u. 243. Trommel Wickelung mit Reihenschaltung. N = 22,    =y2 = 5, c = 2.

sind aber so zu einem gemeinsamen Stromwender vereinigt, daß jedem Stab eines Satzes ein Stab des nächsten Satzes folgt. Der Strom wird von einem Paar breiter Bürsten oder einem Satz von

Bürsten abgenommen, welche parallel geschaltet sind, so daß sie in Wirklichkeit auch nur ein Paar Bürsten bilden. Der Vorteil dieser

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Fig. 244 u. 245. Thurys Ankerwickelung (vierpolige Schleifenwickelung). N— 24, JVt — 3i A2 = —5, * = 4-

Methode besteht darin, daß bei dem Vorübergang eines Stabes am Stromwender nur ein Teil des ganzen Stromes gewendet wird. Es ist ganz dasselbe, als wenn man einen dicken Leiter durch mehrere dünnere ersetzt, und hat auch den Vorteil, die Wirbelströme zu vermindern. Die Fig. 247 und 248 zeigen die Verbindungen eines dreifach gewickelten Trommelankers im zweipoligen Felde, der in jedem der drei unabhängigen Stromkreise 16, im ganzen also 48 Leiter hat. In der Praxis wählt man natürlich die Zahl der Leiter größer. Jeder der drei Kreise ist wie ein gewöhnlicher Trommelanker gewickelt und mit acht Stromwenderstäben verbunden. Zwischen den drei Wickelungen sind weiter keine Verbindungen vorhanden als durch die Bürsten, welche so breit sind, daß sie drei nebeneinander liegende Stäbe überdecken und dadurch die drei Kreise parallel schalten.

Die Wickelungstabelle für diesen Anker ist die folgende:

Stromkreis a

Stromkreis b

Stromkreis c

Sa

Sa

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zu Grunde liegt. Es ist N = 496, K— 248, g = 2, c — 6, yx — 41, y2=—39, y = 2; die Leiter liegen in 124 Nuten, vier Leiter in jeder

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Fig. 247 u. 248. Dreifach gewickelter, zweipoliger Trommelanker.

Nut. Da es sechs Pole sind, kommen 20 ²/₃ Nuten auf den Pol. Din Spulen greifen über 20 Nuten; der Leiter Nr. 1 in der Nut Nr. 1 (Fig. 250) wird mit dem Leiter Nr. 2 in der Nut Nr. 21 verbunden, und Nr. 2 in Nut 21 rückwärts mit Nr. 3 in Nut 1; von da geht die Verbindung zu Nr. 4 in Nut 21 und zurück zu Nr. 1 in Nut 2 u. s. w„

Wenn die Leiter der Reihe nach numeriert werden, beginnend mit dem Leiter 1 in Nut 1, so würden die in der 21. Nut die Nummern 41, 42, 43, 44 erhalten. Wird nun Nr. 1 vorn mit Nr. 42 verbunden,

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Fig. 249. Dreifach gewickelter vierpoliger Trommelanker.

dieser am hinteren Ende zurück zu Nr. 3 geführt, so sind die Schritte ?/₁=41, //₂ =— 39 und y = 2. Dies ist also eine einfache eingängige Wickelung.

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1. NUTE

2. NUTE

20. NUTE

21 NUTE

Fig. 250. Verteilung der Leiter in den Nuten.

Als Beispiel einer Wellenwickelung nehmen wir die zehnpolige Maschine von Kolben (Eig. 431 und Tafel XVII). Sie besitzt 874 Ankerleiter in 437 Nuten, d. i. zwei Leiter in der Nut. Da 874 == 87 -10 —|— 4 ist, so ergibt sich, wenn wir y — 87 wählen, daß

c — 4 und die Wickelung zweigängig wird oder eine Reihenparallelschaltung liefert. Die Wicklungstafel ist die folgende:

1.    Umgang .

2.    Umgang .

3.    Umgang .

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45.    Umgang .

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264 35³ 438 260 347 434

Ul Ul to to H Ul

612 699 608 695

87.    Umgang .

88.    Umgang .

Ol Ol

to 00

M

CO

\0 VO

7°5 792 701 7^8

m Ui

92 179 266 353 440 527

Die Wickelung läuft in sich selbst zurück nach 87 Umgängen und vier Schritten.

Gemischte Wellen- und Schleifenwickelung. Keine der vorhergehenden Formeln nimmt Rücksicht auf gewisse symmetrische

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92. GRUPPE UNTERE LAGE

179.GRUPPE OBERE LAGE

-SPANNWEITE -- » 15 ZÄHNE

SPANNWEITE--» 15 ZÄHNE

90

Fig. 251. Gemischte Schleifen - und Wellenwickelung.

Wickelungen gemischter Art, welche im praktischen Gebrauche stehen. Fig. 251 ist ein einfaches Beispiel einer solchen Wickelung, der Hauptsache nach eine Wellenwickelung, deren Elemente je aus vier hintereinander geschalteten Schleifen bestehen. Wickelungen dieser Art empfehlen sich für kleine oder mittlere Anker mit Schablonen-

Wickelung, wie z.B. für Straßenbahnmotoren oder für Hochspannungsmaschinen. Ein Beispiel liefert die vierpolige Hochspannungsmaschine von Brown, Boveri & Co., Fig. 479. Die Wickelung dieser Maschine ist sehr bemerkenswert. Der Anker besitzt 59 Nuten, in welche 59 auf der Form gewickelte Spulen eingelegt werden. Jede Spule besteht aus drei besonderen Abteilungen, so daß die Gesamtzahl der Abteilungen 177 ist, und der Kommutator 177 Stäbe zeigt. Jede Abteilung besteht aus vier Schleifen oder Windungen. Es kommen also in jede Nut 24 Drähte, insgesamt 1316 Leiter. Man kann sie ansehen als 177 Abteilungen, jede aus acht miteinander verbundenen Leitern bestehend; oder wir können sie für den Zweck der Rechnung* als eine Wellenwickelung aus 354 Leitern betrachten und dann für die zwei Leiter jeder Schleife acht einsetzen. Um eine eingängige Wellenwickelung aus 354 Leitern zu bilden, müssen wir einen mittleren

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IOAQAOJ

2 4    6

1. NUTE

2. NUTE

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2 4-6

16. NUTE

Fig. 252. Verteilung der Leiter in den Nuten.

Schritt y wählen, durch den py + 2 = 354 wird; hieraus ergibt sich y — 89 oder 88. In der Tat wird der mittlere Schritt 89 gewählt, die beiden Einzelschritte sind yx = 87, ?/₂ = 91, und die Wickelungstafel beginnt wie folgt: ■

1. Umgang 1 — 92 — 179 — 270 — 3

91    87    91    87

2. Umgang 3 — 94 — 181 — 272 — 5 87    ~91~~ ^87~"

u. s. w. Die Schritte von der Größe 91 sind alle Schleifen von vier Windungen, während die Schritte von der Größe 87 nur Verbindungen zum Stromwender und zurück zu dem nächsten Satz von vier Windungen sind, wie im folgenden Schema:

Obere Gruppe Untere Gruppe

Strom- \ wenderstab f 1

Da nun in 59 Nuten 354 Gruppen liegen, so kommen auf jede Nut sechs Gruppen, drei obere mit ungerader Nummer und drei

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270

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274

2    91

3    92

u. s. w.

untere mit gerader Nummer (Fig. 252). "Wir können nun die in der

1. Nut liegenden Gruppen mit 1 bis 6, die in der 2. Nut mit 7 bis. 12 u. s. w. bezeichnen, so daß in die 16. Nut die Gruppen 91 bis 96 kommen. So wird die Gruppe 92 die erste untere Gruppe in der 16. Nut sein, und die Breite der auf der Form gewickelten Spulen wird gleich der Entfernung von der 1. bis zur 16. Nut sein, oder eine Spule überspannt 15 Zähne.

Zahl der Bürstensätze.

Die Zahl der Stellen am Stromwender, wo es nötig oder zweckmäßig ist, einen Satz stromabnehmender Bürsten anzubringen, kann aus den Wickelungszeichnungen entnommen werden. Es ist hierzu nur nötig, Pfeile einzuzeichnen, welche die Richtung der induzierten EMK angeben. Dies ist z. B. in den Radialdiagrammen der Fig. 217 bis 245 geschehen. Wo zwei Pfeilspitzen an einem Stabe des Stromwenders aufeinander treffen, ist eine positive Bürste anzulegen; und wo zwei Pfeile von einem Stab in entgegengesetzten Richtungen ausgehen, ist der Platz für eine negative Bürste.

Für alle Schleifenwickelungen und für gewöhnliche Ringwickelungen mit Parallelschaltungen braucht man ebenso viel Bürstensätze, als Pole vorhanden sind; sie werden um den Stromwender symmetrisch in regelmäßiger Abwechselung von -)- und — angeordnet, ihre Winkelabstände sind gleich der Polteilung. Man beachte aber, daß die Zahl der Bürstensätze nicht notwendig auch die Zahl der parallelen Stromwege im Anker angibt. Nehmen wir den Fall einer vierpoligen Maschine mit vier Bürstensätzen, die um je 90 Grad voneinander abstelien. Wenn die Wickelung eine einfache eingängige Schleifenwickelung ist, so hat sie vier Stromwege. Aber wenn die Wickelung doppelt oder eine zweigängige Schleifenwickelung ist, so besitzt sie acht Wege. Bei einer dreifachen eingängigen Schleifenwickelung ergeben sich zwölf Wege. Ein gewöhnlicher Ring in einem vielpoligen Feld würde eben so viele neutrale Punkte an seinem Stromwender haben, als Pole um ihn herum stehen, und würde demnach eben so viele Bürsten erfordern.

V i e 1 p o 1 i g e Ring Wickelungen. Auf Tafel XXV ist die große vielpolige Ringankermaschine mit innenliegenden Feldmagneten dargestellt, welche ursprünglich von Siemens & Halske, Berlin, gebaut wurde. Die Ringwickelung besteht aus einzelnen Kupferleitern, welche zu einer einfachen fortlaufenden Spirale miteinander verbunden sind. Die äußeren Teile dieser Leiter sind tief und breit geformt, so daß sie gleichzeitig als Stromwender dienen können. Die Bürsten, an Zahl den inneren Polen gleich, schleifen auf der Außenseite des Ringes; es sind abwechselnd positive und negative, im ganzen zwölf Bürsten in gleichen Abständen voneinander angeordnet. Die sechs positiven Bürsten sind leitend miteinander verbunden, ebenso die negativen. Es sind in diesem Falle also zwölf Stromwege durch den Anker von der -(- zur — Seite des Stromkreises vorhanden.

Bei Wellenwickelungen, sowohl bei Reihen-, wie bei Reihenparallelschaltung, und bei Ringwickelungen mit Reihenschaltungen findet man durch die eingezeichneten Pfeilspitzen, daß sie nur zwei Bürstensätze brauchen, welches auch die Zahl der Pole sei; der Winkel zwischen der positiven und der negativen Bürste ist gleich dem Winkel zwischen einem Nord- und einem beliebigen Südpol. So werden für eine zehnpolige Maschine mit Wellenwickelung die Bürstensätze 36 Grad oder 3 X 36 = 108 Grad oder 5 X 36= 180 Grad voneinander entfernt stehen. Dabei ist indes zu beachten, daß die Zahl der Stromkreise nicht notwendig gleich 2 ist, wenn man auch mit zwei Bürstensätzen auskommt. Denn wenn die Windung doppelt oder zw^eigängig ist, so besitzt sie vier, und wenn sie doppelt und zweigängig zugleich ist, acht Stromkreise.

Verminderung der Zahl der Bürstensätze. Es gibt Fälle, wo man wünscht, die Bürstensätze, die für eine Windung mit Parallelschaltung (für die die Zahl der Bürstensätze natürlich gleich der Polzahl wäre) zu verringern. In dem Falle der vierpoligen Straßenbahnmotoren verlangt schon die Rücksicht auf leichte Zugänglichkeit eine Verminderung der Bürstensätze auf zwei. Bei einer Wellen Wickelung würde man von selbst zwei erhalten, nicht vier. Bei einer Wickelung mit Parallelschaltung kann man die Zahl vier auf zwrei vermindern durch die Mord ey sehe Anordnung der Querverbindungen an den Stromwenderstäben. Wir wollen nun betrachten, was das Ergebnis ist, wenn wir diese beiden Hilfsmittel verschmähen und einfach bei einem vierpoligen Anker mit Parallelschaltung zwei Bürsten nehmen statt vier. Die Maschine möge bestimmt sein, 120 Ampere zu erzeugen; wenn vier Bürsten benutzt werden, so werden vier Kreise gebildet, deren jeder 30 Ampere führt, und bei jeder Bürste wird der Strom 60 Ampere betragen (Fig. 253). Wenn nun zwei Bürsten weggenommen werden und die Maschine auch dann noch 120 Ampere erzeugt, so wird durch die beiden übrig bleibenden Bürsten ein Strom von 120 Ampere gehen, während im Anker selbst nur zwei Stromwege bestehen. Aber

diese werden nicht gleichen Anteil an der Stromlieferung haben; denn die Summe der Spannungen in jedem Kreis ist zwar dieselbe, der Widerstand im einen aber dreimal so groß, wie im anderen. Die Ströme werden also in einem Zweig 90 Ampere, im anderen

-— 60

30 Ampere betragen, wie in Fig. 254. Vorausgesetzt, daß nicht durch Funkenbildung Schwierigkeiten für die Abnahme von 120 Am-

120 AMP.

1160

30

30'

60

pere an jeder Bürste entstehen, wird die Anordnung gut arbeiten.

Nur die Verluste durch Strom wärme werden größer sein als vorher.

Denn wenn der Widerstand einer Viertelwickelung zu 0,05 Ohm angenommen wird, so ergibt sich als Verlust:

—*■ 120 AMP.

60

60

30

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30

60^L

Fig. 253. Vierpoliger Anker mit vier Bürsten.

bei vier Bürsten 4-30²-0,05

bei zwei Bürsten 1 • 90²• 0,05 -j- 3-30²-0,05 = 540 Watt.

Es ist nichts Ungewöhnliches, an einer sechspoligen, langsam laufenden Erregermaschine nur vier Bürstensätze statt sechs zu sehen.

Vermehrung der Bürstensätze. In Fällen, wo man eine Wellenwickelung verwendet, welche, wie wir gesehen haben, nur zwei Bürstensätze gebraucht, ist es oft zweckmäßig, deren mehr als zwei zu benutzen. Das ist besonders der Fall, wenn der abzunehmende Strom mehrere Hundert Ampere beträgt. Tatsächlich besteht kein Bedenken, so viel Bürstensätze anzulegen, als Pole vorhanden sind, obgleich nur zwei Sätze erforderlich sind, deren Winkelabstand gleich dem zwischen einem Nord - und einem beliebigen Südpol ist. Betrachten wir eine einfache eingängige Wellenwickelung für eine achtpolige Maschine, z. B. Fig. 223. So oft eine Bürste zwei neben-

24*

= 180 Watt,

-f

120 AMP

+- 120 AMP

90

30

30

30

Fig. 254. Vierpoliger Anker mit zwei Bürsten.

einander liegende Stromwenderstäbe gleichzeitig berührt, schließt sie eine Runde der Wellen Wickelung kurz, und diese Runde ist an drei zwischenliegenden Punkten mit anderen Stäben des Stromwendersverbunden. Wenn z. B. die kurzschließende Bürste eine positive istr so schadet es nichts, wenn noch drei andere positive Bürsten an den anderen Punkten anliegen. Wenn diese anderen Bürsten breit genug sind, um zwei Stromwenderstäbe zu verbinden, so können sie die Wirkung haben, daß die Stromwendung auch an diesen Stellen stattfindet; dann unterliegen drei Runden gleichzeitig der Strom wendung. Oder, was auf das gleiche hinauskommt, die Dauer des Vorganges der Strom wendung wird für jede Runde verlängert, genau so, als wenn für die eine Bürste einfach eine von größerer Breite eingesetzt worden wäre. Sicher ist, daß die Stromwendung im allgemeinen verbessert wird, wenn man mehr als zwei Bürstensätze verwendet. Manche Erbauer vielpoliger Maschinen mit Wellenwickelung verwenden regelmäßig ebensoviel Bürstensätze, als Pole vorhanden sind. Als Beispiele können dienen die zehnpolige Maschine von Kolben, Pig. 431 und TafelXVII, und die zwölfpolige Maschine von Oerlikon, Fig. 419 und Tafel XIX.

Zahl der parallelen Stromwege.

Aus den bisherigen Betrachtungen ergibt sich, daß es möglich ist, Wickelungen herzustellen, welche jede gewünschte (gerade) Zahl paralleler Stromwege besitzen, unabhängig davon, welches die Zahl der Pole ist. Bis vor kurzem wußte man dies nicht; es war nicht bekannt, daß z. B. eine sechspolige Maschine mit vier Stromwegen oder eine achtpolige Maschine mit sechs Strom wegen gebaut werden kann. Einige Worte über die zu treffende Wahl mögen am Platz sein.

In großen mehrpoligen Maschinen ist es in der Regel unerwünscht, mehr als 100 oder 150 Ampere in einem Stromkreis zu haben (Maschinen für elektrochemische Zwecke bilden Ausnahmen). Nehmen wir z. B. an, wir wollten eine sechspolige Maschine entwerfen, welche 400 Ampere liefern soll; mit zwei Stromkreisen als eingängige Wellenwickelung würden wir in jedem Kreis 200 Ampere erhalten. Mit einer doppelten eingängigen Wellenwdckelung oder einer einfachen zweigängigen Wellenwickelung ergeben sich vier Kreise mit je 100 Ampere. Nehmen wir eine dreifache eingängige Wellenwickehing oder eine Schleifenwickelung mit Parallelschaltung, so ergeben sich sechs Kreise mit je 66,7 Ampere. In jedem Falle, außer dem letzteren, braucht man nur zwei Bürstensätze; aber in

allen Fällen wären sechs Bürstensätze vorteilhaft. Von diesem Gesichtspunkt aus ist die Wahl nicht zweifelhaft. Die Wickelung mit zwei Stromkreisen erfordert zu dicke Leiter und die mit sechs Kreisen bringt eine unnötig große Zahl von Leitern und Verbindungen mit sich. Die Wickelung von vier Kreisen ist entschieden vorzuziehen. Anderseits, wenn eine langsam laufende zwölfpolige Maschine für hohe Spannung und 300 Ampere gewünscht wird, so wäre eine Parallelschaltung mit zwölf Stromkreisen, von denen jeder nur 25 Ampere zu führen hätte, zweckwidrig; die Wickelung mit zwei Stromkreisen dagegen wäre die richtige.

Man sieht hieraus, daß Wellenwickelungen mit ihren mancherlei Möglichkeiten, die Leiter in Reihen oder gemischt zu schalten, offenbare Vorteile vor den Schleifen Wickelungen voraus haben, und sie besitzen noch die weiteren Vorteile, daß sie die Ungleichheiten in den Feldern der verschiedenen Pole ausgleichen und im allgemeinen weniger Leiter und Endverbindungen erfordern, als Schleifenwickelungen. Arnold gibt das folgende schlagende Beispiel der Anpassungsfähigkeit der Wellenwickelung.

Wir nehmen die Formel auf S. 348 für Reihenparallelschaltung

2 K\ c

Hu =

und wenden sie auf eine sechspolige Maschine mit 290 Leitern und 145 Stromwmnderstäben an. Für ein und dieselbe Größe der Kernscheiben und die gleiche Stärke der Leiter haben wir folgende Fälle:

Zahl der Stromwege

Wickelungsschritt am Stromwender

Spannung

Strom

io

CO 0\ t> O •'t-    -'t⁻ in

o m n o in n vo io

(N H

IOO

>o

2CO

400

5°°

Mit derselben Kernscheibe würde eine zweigängige Schleifen-wickelung geben

12

43

600

Der Nachteil der Reihenschaltungen ist, daß sie im allgemeinen eine ungerade Nutenzahl erfordern, was die Herstellung der Scheiben erschwert, venn nicht die Zahl der Nuten durch 9, 15 oder 21 teilbar ist. Manche Erbauer von Maschinen finden die Stromwendungen in diesen Maschinen weniger befriedigend, als in denen mit Parallelschaltung.

Querverbindungen.

Es ist oben bemerkt worden, daß Parallelschaltungs-Wickelungen,, sowohl Schleifen-, wie Ringwickelungen ungleichmäßig wirken, wenn aus irgend einem Grunde die Pole ungleich stark sind; der Strom teilt sich nicht mehr gleich zwischen den verschiedenen, parallel geschalteten Stromwegen. Es ergibt sich daraus die Wirkung, daß die Erwärmung kein Minimum mehr ist. Um diesen Übelstand zu bekämpfen, ist es nun Gebrauch geworden, den Ankern mit Parallelschaltung Ausgleichsverbindungen einzufügen,^welche Querwege her-stellen zwischen denjenigen Teilen der Wickelung, welche gleiches

Potential haben oder haben sollen.

Geschichtlich ist zu bemerken, daß solche Querverbindungen vor vielen Jahren aus anderen Gründen eingeführt worden sind.

Fig. 255. Mordey sehe Methode der Verbindungen an mehrpoligen Ringen (Parallelverbindung).

Die Fig. 255 zeigt die Art der Verringerung der Bürsten auf zwei, indem gegenüberliegende Wickelungen des Ringes miteinander verbunden werden. Diese Methode hat Mordey angegeben. Man kann sie als einfacheNebeneinanderschaltung jeder Spule mit der dem gleichnamigen Pol ähnlich gegenüberliegenden Spule ansehen. Die Anordnung scheint nicht symmetrisch zu sein, ist es aber doch.

Bei einer Maschine mit sechs Polen müßte man jede Spule mit den beiden, um 120 Grad auf jeder Seite von ihr abliegenden Spulen, verbinden. Zu diesem Zwecke kann man verschiedene Wege ein-schlagen. Entweder wendet man spiralige Verbindungen an. oder man verbindet entsprechende Stäbe des Stromabgebers miteinander.

In der Victoria-Maschine der Brusli Company erlaubt die Länge der Achse zwischen dem Ring und dem Stromabgeber eine doppelte Querverbindung. Jede Vereinigung zweier benachbarter Abteilungen wird durch den Draht abwärts mit dem nächsten Stabe des Stromwenders in Verbindung gebracht, außerdem wird ein Verbindungsdraht herumgeführt zu dem Stabe an der entgegengesetzten Seite, wie die Pig. 256 zeigt.

Derartige Maschinen mit Querverbindungen haben tatsächlich vier neutrale Punkte am Stromwender, die Bürsten nehmen indessen nur von zwei Punkten den Strom ab. Dennoch ist es besser, an allen vier Punkten Bürsten anzulegen.

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Fig. 256. Verbindungen des vierpoligen Ankers der Mordeyschen Viktoria-Maschine.

Fig. 257. Vierpoliger Ring mit Reihenschaltung (zwei Stromkreise).

Um die Wickelungen hintereinander zu schalten und eine doppelte elektromotorische Kraft zu erhalten, lassen sich verschiedene AVege einschlagen.

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Fig. 259. Vierpoliger Ring mit Reihenschaltung (zwei Stromkreise).

Einer "von ihnen wird durch die Fig. 257 veranschaulicht. Während gegenüberliegende Spulen in Beihe geschaltet sind, werden die Stäbe des Stromabgebers quer verbunden. Demnach sind nur zwei um 90 Grad voneinander abliegende Bürsten erforderlich.

Zwei andere, denselben Zweck erreichende Methoden sind in den Fig. 258 und 259 dargestellt. Hier sind die Verbindungen aber nicht symmetrisch, so daß die Widerstände der beiden AVege (und also auch die entsprechenden Ströme) nicht stets gleich sein können.

Bei einer dritten Anordnung (Fig. 260) wird jede Spule mit

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um den Ring herum in

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Verbindung gebracht, es wird dadurch eine größere Anzahl von Stäben am Stromabgeber bedingt. Diese Anordnung, die Stäbe des Stromwenders zu vermehren, läßt sich bei vielen Maschinen anwenden.

Perry führt bei einer von ihm erfundenen Wickelung die Verbindung von einer Abteilung zur nächsten in der durch die Fig. 261 veranschaulichten Art längs einer Sehne des Stromabgebers. In dem

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Fig. 260. Mehrpoliger Ring mit eingeschobenen Stromwenderstäben.

Fig. 261. Perrysche Methode der mehrpoligen Reihenschaltung.

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vierpoligen Felde befindet sich ein Ring mit elf Wickelungsabteilungen. Die Zahl der Abteilungen und der Stäbe des Stromabgebers muß hierbei ungerade sein, wenn die Zahl der Polpaare gerade ist. Nur für Maschinen mit sechs oder zehn Polen kann sie gerade oder ungerade sein. Dies ist eine Art Wellenwickelung, welche mit den Elementen der Ringwickelung ausgeführt wird. Die Regeln auf

S. 349 sind auf sie anzuwenden.

Ein weiteres Beispiel liefert die besondere Ringwickelung von Wodicka (Fig. 262), in der jede Abteilung mit einer gegenüberliegenden hintereinander verbunden ist, so daß die Zahl der Stäbe des Stromabgebers halb so groß ist wie die Zahl der Abteilungen. Hier besteht jedes Element der Wickelung aus zwei Abteilungen, die wirksame Leiter enthalten; esistj? = 2, Ar=32, g— 2, 7^ = 15,

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Ausgleichsringe. Ausgleichsverbindungen nur für den Zweck, die Ströme auszugleichen, welche an den verschiedenen Bürstensätzen abgenommen werden, kann man in mancherlei Weise hersteilen. In mehrpoligen Maschinen kann man zwei oder mehr Punkte der Wickelung, welche während der Drehung annähernd das gleiche Potential besitzen, untereinander verbinden. Wenn das Feld vollkommen symmetrisch wäre, würden in diesen Verbindungen keine

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Fig. 262. Ringwickelung, bei der die gegenüberliegenden Spulen in Reihen geschaltet sind.

Ströme fließen; da aber diese Bedingung gewöhnlich nicht erfüllt ist, wird die Induktion in den verschiedenen Spulen der Wickelung nicht genau gleich sein und demnach verteilen sich die Ströme nicht gleichmäßig auf die Stromwege der Wickelung. Tn einer zehnpoligen Maschine z. B., mit parallel geschalteter Wickelung, mögen zwei Pole infolge eines Fehlers in den zugehörigen Erregerspulen schwächer erregt sein; dann werden die Ankerspulen beim Vorüberlaufen vor diesen Polen nicht ihre volle EMK entwickeln, und in diesem Augenblick wird den anderen Spulen ein höherer Strom als sonst entnommen, wobei in der Regel Funken auftreten. Wählt man nun fünf Punkte von gleichem Abstand auf der Wickelung und verbindet

sie untereinander durch einen Leiter von niederem Widerstand, etwa durch einen Kupferring, so wird dies dazu dienen, in den Augenblicken, wo die fünf Punkte nahe am Strom Wendepunkt sind, die Verteilung des Stromes auszugleichen. Um die Wirkung vollständig zu machen, braucht man mehrere solcher Ringe, die voneinander unabhängig sind und von denen jeder mit der Wickelung an solchen Punkten verbunden ist, welche um das Doppelte der Polteilung voneinander abstehen.

Wir nehmen als Beispiel eine zehnpolige Maschine mit 480 Ankerleitern, die zu einer Schleifenwickelung in Parallelschaltung verbunden sind, und wollen acht Ausgleichsringe verwenden. Da innerhalb der doppelten Polteilung 96 Leiter liegen, wird ein beliebiger Leiter (z. B. Kr. 1) mit dem von ihm aus 96. verbunden; der erste Ring also mit Kr. 1, 97, 193 u. s. w. Der nächste Ring wird mit dem Leiter verbunden, welcher um ¹/₈ des Abstandes zwischen Kr. 1 und 97, also um zwölf Leiter von Kr. 1 absteht, d. i. Kr. 13 u. s. w. Dies ergibt folgende Tafel für die Ringverbindungen, die man ähnlich wie eine Wickelungstafel aufstellen kann:

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Man erkennt, daß es für die vollkommene Symmetrie nützlich ist, beim Entwurf eines Ankers, der mit Ausgleiclisringen versehen werden soll, die Zahl der Ankerleiter so zu wählen, daß sowohl die Zahl der Binge als die der Pole Teiler der Leiterzahl sind. Im Falle der Doppelstrommaschinen (z. B. Fig. 423), wo die Verbindungen dreiphasigen Strom liefern, dienen die Dreiphasenverbinder als Ausgleichsleiter, auch wenn dem Anker kein Dreiphasenstrom entnommen wird. Fig. 263 zeigt solche Ausgleichsringe in einem Anker der Thomson-Houston Co. Sie werden manchmal an der Hinterseite des Ankers angeordnet (z. B bei der Maschine von Dick Kerr & Co., Fig. 301), manchmal innerhalb de& Stromwenders oder an dessen Rückseite (vergl. die Maschine von Scott & Mountain, Fig. 396). In manchen Fällen werden sie über den Ankerumfang gelegt wie Bindedrähte. Die Theorie der Aus-

gleichsverbindungen ist ausführlich von Arnold⁴) behandelt worden. Um die Anwendung der Ausgleichsverbindungen bei Wellenwickelungen zu betrachten, hat er ein sinnreiches Verfahren erdacht, welches auf dem »reduzierten Schema« der Wickelung beruht, einer Darstellung, worin die numerierten Abteilungen einer Wellenwickelung zu einer zweipoligen Ringwickelung umgeordnet werden, welche gleichwertige Eigenschaften hat. Um dies bequem zu verstehen, betrachten wir die Fig. 226 bis 231, von denen jede eine Wellenwickelung

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Fig. 263. Anker mit Ausgleichsringeu.

zusammen mit ihrem reduzierten Schema darstellt, wenn man solche Zeichnungen für Wickelungen mit vier bis sechs Stromkreisen herstellt, so wird es mit einem Schlage klar, welche Spulen auf gleichem Potential sind oder sein sollen, und die durch Ausgleichsleitungen zu verbindenden Punkte werden leicht erkannt. Arnold hat sich die Ausgleichsleitungen in AVellenwickelungen patentieren lassen. Eine Schwierigkeit besteht darin, daß die Wellenwickelungen eine ungerade Nutenzahl verlangen; sie gibt Veranlassung zu unsymmetrischer Gruppenbildung. Um dies zu vermeiden, schlägt Arnold vor, eine einzelne Schleife in die Wellenwickelung einzulegen; sie wird einer beliebigen Abteilung, welche ein Element zu wenig hat, zugefügt.

Um die Ungleichheit der Pole in Wickelungen mit Reihenschaltung zu beseitigen, hat B. G. Lamme *) in Pittsburg eine Methode angegeben, in die gleichen JSTuten eine besondere geschlossene Wickelung von niederem Widerstand einzulegen, welche an symmetrisch gelegenen Punkten wie die gewöhnlichen Ausgleichsringe mit zwei oder mehreren isolierten Ringen verbunden sind. Dies bildet eine parallel geschaltete, mehrphasige geschlossene Wickelung, worin kein Strom fließt, solange die induzierenden Wirkungen gleich sind, worin aber, wenn die induzierenden Wirkungen der einzelnen Pole ungleich sind, Ausgleichsströme erzeugt werden.

Scheibenwickelungen.

Im allgemeinen kann man diese als Trommelwickelungen behandeln, die radial ausgedehnt, sind, wobei der äußere Umfang

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Fig. 264. Scheibenanker von Pacinotti.

Fig. 265. Vierpolige Schleifenwickelung eines Scheibenankers.

dem hinteren Ende der Trommel entspricht. Die älteste derartige Wickelung wurde im Jahre 1875 von Pacinotti erfunden (Fig. 264). Es ist eine Schleifenwickelung für ein zweipoliges Feld; der IV-Pol liegt hinter dem oberen, der S-Pol hinter dem unteren Teil der Zeichnung. Das äußere Ende jedes radialen Leiters wird mittels eines am Umfange liegenden Verbindungsstückes zu dem Ende eines anderen radialen Leiters geführt.

1) U. S. P. 646092.

In einer zweipoligen Maschine ist dies der dem entgegengesetzten Leiter zunächst befindliche. Das Schema der Fig. 264 stellt einen zehnteiligen Anker dar, der aus 20 Leitern besteht. Sie sind so numeriert, daß die Reihenfolge der Verbindungen zu sehen ist. Der Durchmesser der Stromwendung ist mit dd bezeichnet, die Ströme fließen radial, nach innen in der einen Hälfte und nach außen in der anderen Hälfte der Scheibe. Die Bauart der Versuchsmaschinen von Pacinotti findet sich in seiner ersten Abhandlung beschrieben.

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Fig. 266. Vierpolige Wellenwicltelung nach Müller.

Seitdem sind verschiedene Arten dieser Wickelungen angegeben worden.

Eine mit der Pacinottischen gleichartige Schleifenwickelung für ein vierpoliges Feld ist in der Fig. 265 abgebildet, sie ist unter dem Hamen »Edisons neue Scheibenwickelung« bekannt. Bollmann und Müller haben eine vielpolige Scheibe mit Wellenwickelung an gegeben. Fig. 266 zeigt einen von Müller angegebenen Scheibenanker für eine vierpolige Maschine, bei welcher die Leiter, welche in gleicher Lage zu den Polen sich befinden, in Reihen geschaltet sind. Die Bürsten stehen in diesem Falle in einem Winkel von 90 Grad zueinander.

Späterwurden Scheibenanker von Desroziers und von Fritsche wieder eingeführt. Der erstere benutzt für eine sechspolige Maschine die in Fig. 267 dargestellte Wellenwickelung. Diese Art der Wickelung ist besonders von Arnoux (vergl. S. 321, Anm. 2) behandelt worden.

Fritsche verwendet ein mehrpoliges Feld wie in Fig. 267 und Polflächen mit schrägen Seiten, welche ihm gestatten, die Leiter aus Metallstreifen in Form eines vielstrahligen Sternes ohne radiale Teile

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Fig. 267. Sechspolige Scheibenwickelung nach Desrozier.

aufzubauen, was ein Vorteil für die Herstellung ist. Seine Scheibe würde, wenn man sie aufschnitte und gerade ausstreckte, für eine vier-polige Maschine passend dargestellt werden durch Fig. 246, S. 364. Die Ankerleiter sind an ihren äußeren Enden mit den Stäben des Stromabgebers am äußeren Umfange verbunden.

Die Hauptschwierigkeit bei der Verwendung von Scheibenankern besteht darin, eine Bauart zu finden, welche mechanisch stark genug ist, dem Zug und Druck zu widerstehen. Desroziers hat sich viele Mühe gegeben, die Schwierigkeit zu überwinden und hat Maschinen gebaut, welche eine große Verbreitung in Frankreich und seinen Kolonieen gefunden haben. Er hat zuerst gelehrt, daß die Ankerwickelung in zwei Teile zerlegt werden kann; d. h. nimmt man von dem radial angeordneten Leiter einen um den anderen {z. ß. die mit ungeraden Zahlen versehenen), so kann man sie nebst ihren Verbindungen in regelmäßiger Figur in einer Ebene ohne störende Überkreuzungen aufbauen und auf diese Leiterebene eine aus den übrigen Leitern ähnlich aufgebaute Ebene so auflegen, daß die Verbindungen zusammenfallen. Diese brauchen nur zusammengelötet zu werden, und bilden alsdann eine vollständig geschlossene AVickelung. Die Anordnung wird durch die Fig. 268, 269 und 270 erläutert. Fig. 268 zeigt sechs in Reihe geschaltete Leiter eines Scheibenankers für ein sechspoliges Feld; der Strom fließt einwärts beim Vorübergehen an einem Pole, und auswärts beim Passieren -des nächsten Pôles von entgegengesetztem Vorzeichen. Um eine Anzahl dieser Leiter in Reihen auf- 27 zubauen, können sie mit ihren Ver- 1 bind ungen paarweise genommen j und in der Weise, wie in Fig. 269 dargestellt, aufgebaut werden. Der 23 mit R c d h t bezeichnete Teil •entspricht genau dem ebenso in Fig. 268

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Fig. 268. Schema der Wickelung nach Desroziers.

bezeichneten

Teile.

Die andere Hälfte wird -wie’in Fig. 270 angeordnet, wo der Teil

R‘ c‘ d‘ h‘ V dem ebenso bezeichneten Teile der Fig. 268 entspricht. In jeder dieser Leiterebenen werden die Enden an die Punkte /, 2, 3 u. s. w. bis 32 herangeführt. Werden zwei solcher Scheiben mit den Stirnseiten einander gegenübergestellt, die gleichliegenden Enden miteinander verlötet und mit den Innenseiten der Stäbe eines Stromwenders verbunden, so erhalten wir eine vollständige Ankerwickelung.

Es ist klar, daß die in Fig. 268 dargestellten Reihen von Leitern auch noch in anderer Weise, als wie in den Fig. 269 und 270 gezeigt ist, aufgeteilt werden können. Zum Beispiel könnten alle Teile, die Red, R'c‘d‘ u. s. w. ähnlich sind, zu einer Leiterebene aufgebaut werden, die Teile dht, d'h't' u. s. w. würden dann die zweite Ebene bilden.

Bei Hochspannungsmaschinen, wo für jedes Segment eine Anzahl Windungen erforderlich ist, kann die Verbindung wie in Fig. 271

ausgeführt werden, in welcher dieselben Buchstaben zur Bezeichnung gleichliegender Teile gebraucht sind.

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Fig. 269 u. 270. Zusammenbau des Scheibenankers von Desroziers.

In der Praxis sind zwei verschiedene Bauarten gebräuchlich: 1. Aus Drahtwindungen, 2. aus Streifen aufgebaute Anker. In den

ersteren wird der Draht durch Löcher in zwei konzentrisch aufeinander-gelegte Pappdeckelscheiben geführt, welche die äußere und innere Unterstützung für jede Leiterebene ab--geben. Die beiden Ebenen werden Stirn gegen Stirn auf einen metallenen /    * Radstern aufgebracht, dessen radiale

Arme zwischen beiden Leiterlagen hindurchgehen*). Die Erfahrung hat den Bau solcher Maschinen nicht gerechtfertigt; sie sind wirtschaftlich überholt durch Maschinen mit den mechanisch besseren Trommeloder Ringankern.

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Fig. 271. Spule auf einem Scheibenanker.

1) Wegen weiterer Einzelheiten über diese Maschinen vergl. Electr. Engin., N. Y., Bd. 16, S. 259.

Kapitel XIY.

Praktischer Aufbau des Ankers.

Der Aufbau des Ankers fällt in das Gebiet der Maschinentechnik, er setzt aber eine gewisse Kenntnis der wissenschaftlichen und praktischen Elektrotechnik voraus, so die Kenntnis der Leitung und Isolierung, sowie eine Menge von Einzelheiten, die für die Entwickelung des Baues der Anker wichtig geworden sind. Das vorliegende Kapitel handelt vorwiegend von diesen Einzelheiten.

Ankerkerne.

Kernscheiben. Kerne werden stets geblättert hergestellt, entweder aus: 1. Scheiben aus Eisen- oder weichstem Flußeisenblech,

2. Eisenband oder 3. Eisendraht. Drahtkerne werden zeitweise sehr bevorzugt, besonders von Gramme. Der weiche, gefirnißte oder oberflächlich leicht oxydierte Eisendraht wurde über eine besondere Form gewickelt, dann von der Form entfernt, mit Zwirnband umgeben und mit dem Kupferdrahtleiter bewickelt. Drahtkerne haben aber drei Nachteile: 1. sind sie in Bezug auf mechanische Festigkeit weniger gut als Scheibenkerne; 2. füllen sie einen gegebenen Raum mit einer kleineren Eisenmenge aus wegen der Zwischenräume zwischen den einzelnen Drähten; in Wirklichkeit wird nur etwa drei Viertel des Raumes mit Eisen ausgefüllt; und 3. besteht in radialer Richtung ein Mangel an Zusammenhang, der einen sehr überflüssigen magnetischen Widerstand auf dem Wege der Kraftlinien darstellt. In dieser Hinsicht war die Verwendung eines Drahtes von quadratischem Querschnitt an Stelle eines runden eine wesentliche Verbesserung. Man ist jedoch von der Verwendung von Drahtkernen ganz abgekommen.

Maschinen zum Ausstanzen und Pressen von Kernscheiben und Blättern für Polstücke beschreibt E. Schulz in seiner Technologie der Dynamomaschine (1902), S. 301 bis 307, und E. K. Scott

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Fabriken

im Journ. Inst. Electr. Engineers Bd. 32, 1903, S. 368.

zur Erzeugung von Dynamoblechen, wie die von Sankey in Bilstonr

stellen zahlreiche Arten her und liefern Scheiben jeder Größe mit jeder verlangten Zahl und Form von Schlitzen.

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Die Kernscheiben werden aus Blech von 0,5 bis 0,6 mm Stärke ausgestanzt. Man isoliert die Scheiben voneinander durch Bekleben einer Seite mit Manilapapier oder durch Lackieren oder Überziehen mit Wasserglas. Das Papier wird vor dem Ausstanzen aufgeklebt. Bei sehr dünnen Scheiben genügt eine dünne Oxydschicht⁵). Scheiben von weniger als 750 mm Durchmesser werden gewöhnlich in einem Stück ausgestanzt, größere meist aus einzelnen Stücken zusammengesetzt. In der Kegel werden die Scheiben in zwei Arbeitsgängen ausgestanzt, zunächst mit vollem Rand und erst nachträglich die Schlitze.

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Dies kann so genau gemacht werden, daß die Schlitze nach dem Aufreihen der Scheiben

nicht mehr ausgebohrt zu werden brauchen,

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Fig. 275. Geteilte Kernscheiben nach Kapp.

Fig. 276. Ausstanzen der Kernscheibenstücke aus dem Blech.

was man früher tat; es wirkt aber nur schädlich, da der Bohrstaub die Isolierung der Scheiben voneinander beeinträchtigt. Auch sollte aus diesem Grunde unterlassen werden, die Kerne abzudrehen. Ist der äußere Umfang zu unregelmäßig, so mag man den Kern abschleifen,, soll ihn aber nicht abdrehen. Selbst ein leichtes Befeilen der Schlitze kann unter Umständen die Eisenverluste um 15 bis 20 Prozent vergrößern.

Geteilte Kernschei b en. Das Zusammensetzen der Scheiben aus einzelnen Stücken geschieht aus Gründen der Kostenersparnis. Die-Kerne werden, wie Fig. 275 zeigt, aus einzelnen Stücken zusammengesetzt, die sich in aufeinander folgenden Lagen überdecken; jedes-Stück ist mit Löchern zum Hindurchstecken von Bolzen oder mit schwalbenschwanzförmigen Yorsprüngen versehen. Die Löcher sollen

auf ¹/i und ³/₄ der Länge angebracht sein. Oft werden die Stücke, wie Fig. 276 zeigt, zu mehreren aus einem langen Blech gestanzt, um an Material zu ersparen. Fig. 277 zeigt in den Bildern 1, 2 und 4 die einzelnen Stadien der Herstellung und unter 3 ein

¹

Die Gleichstrom - Dynamomaschinen, Berlin 1889.

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Fig. 246. Fritsches schräge Wellenwickelung.

Fig. 249 zeigt die Verbindungen eines dreifach gewickelten Trommelankers für ein vierpoliges Feld. Die Verbindungen sind leicht verständlich auch ohne Wickelungstabelle. Es sind 90 Leiter in drei Stromkreisen vorhanden, der Schritt ist 21.

Weitere Beispiele von Trommelwickelungen. Ein Beispiel einer Schleifenwickelung bietet die sechspolige Maschine von Scott & Mountain, welche der ersten Berechnung im Kapitel XIX

³

GRUPPE OBERE LAGE

⁴

Elektrotechn. Zeitschr., Bd. 23, S. 215, 233, 1902; Gleichstrom-maschinen (1902).

⁵

Vergleiche die Abhandlung von E. Schulz in der Elektrot. Zeitschrift 1893, S. 736.

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Fig. 277. Kernscheiben mit und ohne Lüftungsvorrichtung nach Dick Kerr&Co.

Segment, das behufs besserer Durchlüftung mit Buckeln versehen ist und dessen Zähne am Rande umgedreht sind.

Form der Zähne. Die gebräuchlichste Zahnform ist in der Fig. 278 dargestellt; da die Seiten der Schlitze einander parallel sind,

Fig. 278. Nuten mit parallelen Wänden.

Fig. 279. Zähne mit breiten Enden.

so sind die Zähne am Fuße etw'as schmäler als am Rande. Die Ecken werden oft etwas abgerundet. Bringt man mehrere Leiter in einen Schlitz, so läßt man oft die Zahnspitzen sich etwas verbreitern, wie Fig. 279 zeigt; dies hat den Vorteil, daß an der Spitze mehr magnetisches Material ist und die Leiter mit Hilfe eines Keiles aus Hartholz oder Fiber leichter festgehalten werden. Zu gleichem Zweck kerbt man zuweilen auch die Zähne ein, wie Fig. 283 zeigt.

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Fig. 284 stellt eine zur Aufnahme runder Drähte geeignete Form dar. Die in den Fig. 280 bis 282 dargestellten Schlitzformen werden viel bei Wechselstrommaschinen und -motoren, selten bei Gleichstrommaschinen verwendet. Ankerkerne mit völlig geschlossenen Schlitzen, wie in Fig. 282, werden bei Gleichstrom überhaupt nicht

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Fig. 280, 281 u. 282. Offene, geschlitzte und geschlossene Nuten.

benutzt. Die Fig. 285 und 286 zeigen Formen, die Ganz & Co. bei neueren Maschinen verwendet, Fig. 287 eine Kernscheibe eines kleinen amerikanischen Motors, die mit dreieckigen Zähnen versehen und zur Erleichterung des Bewickelns zweiteilig ist.

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Fig. 283. Zähne mit Nut und Keil.

Fig. 284. Nuten, welche am Grunde rund sind.

Lange Zeit bevorzugten die englischen Fabriken, mit wënigen Ausnahmen, Kerne ohne Zähne; aber mit dem Aufkommen der auf Formen gewickelten Spulen wurden die gezahnten Kerne allgemein verwendet. Fig. 288 und 317 zeigen die Ankerwickelei der Siemens-

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Fig. 285 u. 286. Zahnformen von Ganz & Co.

Schuckertwerke in Berlin und Nürnberg mit einer größeren Anzahl von Kernen in den verschiedenen Stadien der Herstellung.! Die Kerne der Fig. 317 sind sämtlich für Gleichstrommaschinen bestimmt; im Vordergründe ist die Aufbringung einer Schablonenwickelung auf einen Anker zu sehen, auch läßt die Figur die Artund Weise erkennen, wie die isolierten Leitèr bei Trommelankern eingezogen werden.

Endkernplatten. An den Enden der Kerne pflegt man zum Schutze der dünnen Blätter stärkere Scheiben von etwa 3 mm Dicke zu verwenden, einzelne Fabriken nehmen auch stärkere Platten zu beiden Seiten jedes Lüftungskanals.

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Bindedrähte. Zuweilen wird der Ankerkern am Umfange mit flachen Rillen zur Aufnahme der Bindedrähte versehen, damit letztere nahezu bündig mit der Oberfläche des Kernes liegen. Zu diesem Zweck werden einzelne der Kernscheiben mit einem um 5 bis 6 mm geringeren Durchmesser ausgestanzt, so daß ein Kanal von 2V₂ bis 3 mm Tiefe entsteht.

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Ein Beispiel hiervon bietet der in Fig. 480 dargestellte Anker von B rown.

Isolation der Kernscheiben und Stücke. Hierüber ist schon im Kap. YIII, S. 176, das Nötige gesagt.

Fig. 287. Ankerkern eines kleinen Motors der Crocker-Wheeler Co.

Aufbringen der Kernscheiben. Um die Kernscheiben zusammenzuhalten und sie auf der Welle zu befestigen, sind besondere Einrichtungen erforderlich. Bei kleinen Kernen von nicht über 250 bis 300 mm Durchmesser kann man die Scheiben unmittelbar auf die Achse aufkeilen. Bei größeren Durchmessern und besonders, wenn eine gute Lüftung Bedingung ist, muß ein Rahmen oder Radstern vorgesehen werden, auf dem die Scheiben befestigt werden. Je nachdem der Kern aus einzelnen Scheiben oder Segmenten zusammengesetzt ist, sind zwei Fälle zu unterscheiden. In Fig. 289 werden die Scheiben durch Bolzen zusammengehalten und durch einen Radstern umgetrieben, der auf die Achse gekeilt ist. Dies hat den Nachteil, daß durch die Bolzenlöcher der wirksame Querschnitt des Ankereisens verringert und die magnetische Strömung gedrosselt wird. Es ist auch zu beachten, daß die Bolzen von dem Armkreuz durch Ebonitringe und -buchsen isoliert werden müssen¹), damit der Rahmen nicht einen geschlossenen Kreis für Wirbelströme bildet, die den

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Fig. 288. Ankerwickelei der S i e m en s - S chu c k e r t w er k e in Nürnberg.

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Anker erhitzen. Arnold hat Formeln zur Berechnung dieses Verlustes aufgestellt, der indes in den meisten Fällen sehr gering ist. Eine bessere Methode ist in Fig. 290 dargestellt, durch die der Eisen-

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Fig 289. Antrieb der Kernscheiben.

Fig. 290. Antrieb der Kernscheiben.

Querschnitt nur wenig verringert wird und die Bolzen völlig im Kerninnern liegen. Hier brauchen die Kerne auch nicht isoliert zu werden, da sie beim Umlaufen nur wenig Kraftlinien schneiden. Bei einer von Crompton 1886 ausgeführten Bauart versieht man die Kernscheiben mit Schwalbenschwanznuten, in die von der Welle aus Ansätze eingreifen.

Bei einer anderen Form wird eine

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Buchse verwendet, die mittels Feder und Nut auf der cylindrischen Welle gleitet.

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In welcher Weise Kapp die Kernscheiben . antreibt, zeigt die Fig. 291.

Über die Welle ist eine lange Buchse geschoben, die drei Arme oder Flanschen zum Eingriff in die Kernscheiben trägt. Um die Buchse auf der Achse an der Drehung zu verhindern, ist eine lange Feder, die in eine flache Nut auf der Achse eingreift, eingeschoben. Yergl. Taf. II.

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Fig. 291. Verfahren nach Kapp zum Antrieb der Kernscheiben.

Die Buchse hat noch den Vorteil, daß sie die Achse versteift. Bei Ankern mit Bingwickelung besteht dieses innere Gestell aus Rotguß, bei Trommelankern aus Gußeisen. Es wird gegen eine

Endplatte aufgetrieben, die an eine Stoßscheibe auf der Achse anliegt; die Kernscheiben werden zwischen den zwei Endplatten dicht zusammengeschraubt (Fig. 293). Der untere Teil der Fig. 291 zeigt die Form der isolierenden Ebonitstreifen.

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Fig. 292. Antrieb der Kernscheiben durch Bolzen nach Brown.

Fig. 293. Auf einer Buchse zusammengeschraubte Kemscheibe.

In den Fig. 292 und 294 ist die Bauart nach der Anordnung von Brown dargestellt. Fig. 294 ist mit der auf Tafel IX dargestellten

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Fig. 294. Brownsches Verfahren zur Befestigung der Kernscheiben.

den Enden Klemmringe, deren äußerer

Maschine zu vergleichen. Es ist durchaus notwendig, die Scheiben fest zusammenzupressen. Hierzu genügen bei kleinen Maschinen durch starke Endplatten hindurchreichende Bolzen. Bei größeren Maschinen gebraucht man meist an

Durchmesser nicht über die Wurzeln der Zähne hinausreicht. Einige Fabriken schneiden diese Ringe am Umfange aus, so daß dieser aus

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Fig. ÎQ5- Elektronischer Stromerzeuger der Maschinenfabrik Oerlikon für Rom.

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einer Reihe von Klauen besteht. Hierdurch soll die Masse des Ringes möglichst weit vom Magnetfelde fern gehalten werden. Als Beispiel diene Tafel XVII.

In Fig. 294 sind zwei Sterne vorhanden, jeder hat vier innere Arme und breite Endflanschen. Die Drehung auf der Welle wird durch Feder und Hut verhindert. Der eine Stern legt sich gegen einen Stoßring der Achse; nach Aufbringung der Kernscheiben wird der andere mittels einer großen sechsseitigen Schraubenmutter dagegen getrieben. Zw-ei Arme an jedem Stern besitzen oberhalb eine Rippe; die Kernscheiben sind entsprechend mit Nuten versehen, die auf diese Rippen passen, so daß die Drehung der Scheiben um die Sterne verhindert wird.

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Zwei von den Armen haben in axialer Richtung eine geringere Breite als die andern,

• so daß bei dem Zusammenschieben der Sterne die Scheiben zusammengepreßt

Fig. 296 Ankernabe.

Fig. 197. Ankerstern.

vrerden können. Ähnliche Anordnungen findet man jetzt bei vielen Fabriken.

Bei der in Fig. 292 dargestellten neueren Bauart werden runde Stahlkeile in Löcher getrieben, welche zur Hälfte in den Enden der Speichenflanschen, zur anderen Hälfte in den Scheiben-ringen sich befinden.

Die Anwendung der starken Endplatten, zwischen welchen die Kernscheiben durch Schraubenbolzen zusammengepreßt werden, zeigen auch die auf den Tafeln Y, IX, XVI und XIX dargestellten Maschinen.

Fig. 295 zeigt einen neueren Entwurf der Oerlikon-Gesellschaft, bei welchem die Kernringe auf einem riemscheibenähnlichen Gerüst aus Gußeisen aufgereiht sind. Am linken Ende ist eine kräftige, mit einer seitlichen Ausladung zur Aufnahme der vorstehenden Leiter versehene Endplatte angeschraubt. Das rechtsseitige Ende der Scheibe endet nach oben in einen konischen Flansch, gegen den •die Kernringe anliegen und der zugleich den zurückgebogenen Ankerleitern als Lager dient. Diese werden durch einen gußeisernen Schild gedeckt, der durch Schrauben befestigt ist. Ändere Arten des Aufbaues findet der Leser in den verschiedenen Zeichnungen, be-

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Fig. 298. Ankerstern der Maschine von Dick Kerr & Co.

sonders wird auf die Fig. 425, 442 und 445, sowie auf die Tafeln verwiesen.

Die Naben der Ankersterne werden meist in der Mitte ausgedreht, damit sie sich besser der Achse anpassen, und bei größeren Abmessungen oft am Sitz mit zwei verschiedenen Durchmessern versehen, um sie leichter aufzubringen, wie dies die Fig. 296 zeigt.

Um die aus Segmenten aufgebauten Kerne zu stützen, sind besondere Anordnungen erforderlich. Der Stern ist mit einer

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Fig. 299. Aufbau des Ankerkerns für einen zwölfpoligen Stromerzeuger von Dick Kerr & Co.

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kräftigen Nabe versehen, von der nach außen sich verbreiternde Arme ausgehen, welche entweder schwalbenschwanzförmige Vorsprünge tragen, die in passende Aussparungen der Kernstücke eingreifen oder ebensolche Aussparungen besitzen, in welche Vorsprünge der Kernstücke passen, wie die Fig. 297 zeigt. Diese Kadsterne tragen oft

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Fig. 300. Fertiger Ankerkern der Maschine von Dick Kerr & Co.

auch die seitlichen Ausladungen, welche die vorstehenden Endteile der Wickelung stützen.

Fig. 298 zeigt den Ankerstern eines 1100 Kilowatt-Erzeugers der Firma Dick Kerr & Co., dessen Magnetgesteil und Aufbau in Fig. 440 bis 444 dargestellt werden. Der Kranz besteht hier aus sechs Stücken, von denen jedes vier Schwalbenschwanznuten enthält. Wenn der Kranz aus einem Stück bestände, würde die Gefahr einer ungleichen Zusammenziehung nach dem Gusse entstehen. Man sieht dort die Lüftungskanäle und die Schraubenbolzen, die Kommutatorscheibe und den Ring, der die Wickelung stützt.

Fig. 299 zeigt das nächste Stadium des Aufbaues, nämlich das-Zusammenstellen der Scheibensegmente. In dieser Figur und in

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Fig-. 3or. Ankerkern, Stromwender und Ausgleichsringe der Maschine von Dick Kerr & Co., fertig zum Bewickeln.

Fig. 300, die den fertigen Kern darstellt, sieht man die stützende-Scheibe und die Lüftungskanäle.

Lüftung der Anker. Ankerkerne erwärmen sich aus drei Ursachen: Durch Hysterese, durch Wirbelströme und durch unmittelbare Übertragung der Wärme der Ankerleiter. Die oben beschriebene sorgfältige Blätterung und Isolierung ist nur ein Mittel, der Kraftvergeudung vorzubeugen und Überhitzung zu vermeiden. Bei den

Maschinen mit Ringwickelung ist in der Regel eine genügend große Oberfläche zur Abgabe der in den Kupferleitern erzeugten Wärme vorhanden, ohne daß man besondere Vorkehrungen zur Lüftung treffen muß. Bei großen und massiv gebauten Trommelankern kann jedoch eine besondere Lüftung notwendig werden. Vor etwa 20Jahren war es üblich, die Kernkörper mit langen Öffnungen zu versehen, in neuerer Zeit werden aber besondere Kanäle angeordnet, die die Luft zwischen die Kernscheiben leiten und in dem Zwischenraum unter den Pol-stiicken endigen. Derartige kleine Kanäle zeigt der auf Tafel II dargestellte Kapp sehe Anker, der als einer der ersten dieser Art schon 1887 gebaut ist. Bei den älteren Trommelankern, deren Drahtwindungen sich an den Enden überdecken, ist eine gleichmäßige Lüftung unmöglich. Als Beispiele durchlüfteter Kerne vergleiche man Browns Trommelanker auf Tafel IX.

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Fig. 302. Lüftungseinrichtungen.

Um die Kanäle frei zu halten, muß man sogen. Distanzstücke einlegen, wie sie die Fig. 302 a, b und c zeigen. Hierzu kann man einfache Messingstücke nehmen, die in Abständen radial an einer besonderen l¹^ bis 2 mm dicken Kernscheibe angebracht sind. Diese einfachste Form hat aber den Fehler, daß die Zähne hierbei nicht abgestützt sind; diesen Fehler vermeidet die in Fig. 302c dargestellte Form, bei der⁻hinter jedem Zahn ein etwa 10 bis 12 mm breiter Messingstreifen hochkantig gestellt ist, der an ein besonders geformtes Messingstück angelötet ist oder mit ihm aus einem Stück besteht, das an eine kräftige Kernscheibe angenietet ist.

Diese Form wird vielfach von der Englischen Thomson-Houston-Gesellschaft benutzt. Eine einfachere Methode ist die in Fig. 277 (3) dargestellte, bei der eine Anzahl von Buckeln aus einer Kernscheibe herausgedrückt ist, während die Zähne um einen rechten Winkel umgebogen sind. Die neueren Trommelanker weisen in Bezug auf Lüftung wesentliche Vorteile den älteren mit Endspiralen gegenüber auf. Bei diesen wird die Anordnung von einem Satz gerader radialer Stücke (wie in Fig. 235) der Anordnung mit zwei Sätzen von Spiralen (wie in Fig. 236) vorgezogen, da sie eine bessere Fächerwirkung besitzt. Zuweilen stellt man die Arme der Radsterne schräg wie die Flügel einer Windmühle, um dadurch Luft ins Innere des Ankers zu pressen.

Triebstücke. Bei glatten Ankerkernen muß man Triebstücke anwendeu, damit die Leiter sicher umgetrieben werden. Ein Beispiel zeigt Tafel II. Nachdem die Zahnanker in Aufnahme gekommen

sind, hat man diese Anordnung, abgesehen von Einzelfällen, verlassen. Hin und wieder werden Maschinen für starke Ströme bei niedriger Spannung für elektrolytische Zwecke Fig. 303. verfahren, die Leiter in dieser Art gebaut, um die Selbstinduktion der Ankerwickelungen klein zu halten. Bei einer derartigen, von der Oerlikon-Gesellschaft gebauten Maschine waren die Kernscheiben einfach mit einer halbkreisförmigen Nut versehen, in welche die isolierten Leiter eingelegt wurden. An den Enden schützte eine starke, mit entsprechenden Löchern versehene, neusilberne Kernscheibe die Ankerleiter vor dem Abfliegen.

Bindedrähte. Bei glatten Kernen müssen die Leiter durch Bindedrähte in ihrer Lage festgehalten werden. Bei Zahnankern werden die Leiter durch Keile festgehalten, die zwischen die Zahnspitzen eingetrieben werden; sind die Zähne geradflankig, so werden statt der Keile ebenfalls Bindedrähte angewendet. Diese müssen stark genug sein, um der Fliehkraft Widerstand zu leisten, dürfen aber nur sehr geringe radiale Tiefe einnehmen, weil der Zwischenraum zwischen den Leitern und der Polfläche so eng als möglich gehalten werden muß. Fast stets wird verzinnter, hartgezogener Messingdraht oder Phosphorbronze- oder Stahldraht benutzt, der nach dem Aufwickeln durch Löten zu einem zusammenhängenden Bande vereinigt werden kann. Phosphorbronze hält einen Zug von 45 bis 85 kg auf das Quadratmillimeter aus, Stahl etwa 90 bis 160 kg.

Einzelne Firmen binden die Leiter nur an ihren vorstehenden Endteilen mit breiten Bändern aus Deltametall oder mit Gürteln aus Drähten, welche der ganzen Länge nach zusammengelötet sind, und sichern die Drähte in den Schlitzen durch Keile oder durch schmale, nur an den Enden verlötete Drahtbänder. Zur Bestimmung der jeweiligen Stärke und Zahl der Bindedrähte ist zu beachten, daß auf jedes Kilogramm Masse bei gegebenem Badius und gegebener Drehungsgeschwindigkeit eine Zentrifugalkraft wirkt, die sich aus der im Kap. XV angegebenen Formel bestimmt. Wenn r den Halbmesser in Zentimeter, n die Umdrehungszahl in der Minute bedeutet, so ist die Zentrifugalkraft für jedes Kilogramm Masse 11,3• 10~⁶rri¹ kg.

Wenn wir die Masse wx eines Leiters (in Kilogramm) kennen und diese mit der Zahl N aller Leiter multiplizieren, so erhalten wir die gesamte Masse aller Leiter; durch Division mit ~cl erhalten wir für die Längeneinheit des Umfanges die Masse, die in der Richtung des Durchmessers der Wirkung der Zentrifugalkraft unterliegt. Dies setzen wir in die Formel ein und bekommen so die Kraft, welche auf 1 cm des Umfanges radial nach außen wirkt. Multipliziert man mit d, so erhält man die Kraft, welche an den Enden eines Durchmessers auf die Bindedrähte wirkt; auf jeder Seite demnach die Hälfte, d. i. 1,8-10~⁶ w₁ Nrn². Teilen wir den so erhaltenen Wert durch die zulässige höchste Beanspruchung des Materials der Drähte, so erhalten wir deren theoretisch erforderlichen Querschnitt. Bei einem Sicherheitsfaktor von 10 und einer höchsten Beanspruchung von 72 kg/mm² für Stahl oder Phosphorbronze Avürde sich demnach der erforderliche Querschnitt der Bindedrähte ergeben zu

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Hieraus und aus der passenden Drahtstärke bestimmt sich die Zahl der Drähte, die dann in geeigneter Weise auf die einzelnen Gürtel verteilt werden.

Beispiel. wx = 0,177 kg; N — 1536; r=79 cm, n = 150, dann berechnet sich der gesamte Drahtquerschnitt zu 1,2 cm². Wählen wir einen Draht von 1 mm Durchmesser und 0,785 mm² Querschnitt, teilen diesen in den Gesamtquerschnitt 120 mm², so finden wir, daß 153 Drähte erforderlich sind; wir wählen statt dessen 160 Drähte. Diese können in folgender Weise auf die einzelnen Bänder verteilt werden: 5 Bänder zu 16 Drähten über die Kernkörper verteilt und. 4 Gürtel von 20 Drähten über die vorstehenden Enden der Wickelung, d. h. 2 Gürtel von je 20 Drähten an jedem Ende.

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Unter jeden Gürtel von Bindedrähten wird ein isolierendes Band gelegt. Dies besteht in der Regel aus zwei Lagen, zuerst kommt ein Streifen dünner, vulkanisierter Fiber, der etwas breiter als der Drahtgürtel ist, dann ein Glimmerstreifen (in kurzen Stücken) von ungefähr gleicher Breite. Zuweilen findet man ein schmales Messingband unter jeden Gürtel gelegt, dessen Enden übergebogen und verlötet werden, um die beiden Drahtenden vor dem Abfliegen zu schützen.

In der folgenden Tabelle sind einige Angaben über die bei den glatten Kernen der zweipoligen Edison sehen Maschinen verwendeten Bindungen zusammengestellt:

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Keile. Die zwischen die Zähne zum Halten der Leiter eingetriebenen Keile bestehen gewöhnlich aus gut getrocknetem Hartholz, wie Hagebuche, oder aus harter, weißer, vulkanisierter Fiber. In der neueren Zeit brandit man vielfach federnde Streifen aus Keu-silber oder der neuen Legierung Magnalium.

Ankerwickelung.

Leiter. Die Kupferleiter sind entweder rund oder rechteckig oder sie bestehen aus Drahtlitzen. Runde Drähte findet man bei kleinen Ankern und solchen von sehr hoher Spannung. Bei ihnen ist jedoch der Raumfaktor stets niedrig, und daher rechteckiger Querschnitt für die Drähte stets vorzuziehen. Die Drahtziehereien liefern jetzt solche Drähte in allen Stärken und Abmessungen; ihr îsachteil ist die geringe Biegsamkeit; in dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, die Leiter aus einzelnen, übereinander gelegten, dünnen Streifen herzustellen, die durch Umwickeln mit Band zu einem festen Ganzen

vereinigt werden. Drahtlitzen werden nur selten angewendet; man findet sie zuweilen bei glatten Kernen, um Wirbelströme in den Leitern selbst zu vermeiden (vergl. S. 149).    .₄

Wickelung der Anker. Ist eine der im vorigen Kapitel behandelten Wickelungsarten gewählt, so handelt es sich darum, zu bestimmen, ob sie in der Werkstatt als Draht- oder als Stabwickelung ausgeführt tverden soll. Bei der letzteren bestehen die Leiter aus massiven Kupferbarren oder aus besonders zusammengesetzten Stäben, die nicht aufgewickelt werden, sondern nach dem Einlegen durch besondere Verbindungsstücke zu einer zusammenhängenden Wickelung vereinigt werden. Stabwickelungen sind in mechanischer Hinsicht der Regel nach besser; zum Teil aus diesem Grunde werden die Reihen- und Reihenparallel-Schaltungen (Seite 339) bei vielpoligen Maschinen vorgezogen. Mit Draht bewickelte Anker werden entweder von Hand oder über Schablonen gewickelt. Für kleine, von Hand gewickelte Maschinen, sowie für Bogenlichtmaschinen wird in der Regel einfacher runder Draht von Hand aufgewickelt, der mit doppelter Baumwollenlage besponnen und darauf mit Schellackfirnis getränkt ist. Umspinnung mit Seide wird in der Praxis nicht verwendet. Bei kleinen Maschinen für elektrolytische Zwecke findet man oft eine Handwickelung, bei welcher mehrere Drähte, bis zu 20 und 30, nebeneinander parallel eingezogen werden und zusammen als ein einziger Leiter wirken.

Stab Wickelung. Für Anker mit Stab Wickelung benutzt man fast stets rechteckige, hochkant gestellte Stäbe. Runde Stäbe findet man noch zuweilen bei Gleichstrommaschinen. Stabwickelnngen sind bei glatten Ankerkernen nicht verwendbar, weil in massiven, außen auf glatten Kernen aufgebrachten Stäben ein starker Energieverlust entsteht, der bei dünndrähtigen Wickelungen nicht auftritt.

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Besitzen die Leiter eine ziemliche Breite, so entstehen in ihnen beim Eintritt in das magnetische Feld oder beim Austritt aus demselben Wirbelströme. Dies rührt daher, daß eine Kante des Stabes durch einen Teil des Feldes laufen kann, dessen Stärke sehr verschieden ist von der Stärke desjenigen Feldes, durch das die andere Kante hindurchgeht. Nimmt man eine Umfangsgeschwindigkeit von 15 m/sek. an und eine Breite der Stäbe von 10 mm, so kann die vordere Kante in einem Felde von 6000, die hintere in einem solchen von nur 4500 Linien auf das Quadratzentimeter sich befinden (Fig. 304). Ist die wirksame Länge des Leiters 300 mm, so wird die vordere Kante in der Sekunde 1500 • 6000 • 30 = 270 • 10⁶ Linien

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in der Sekunde schneiden, die hintere aber nur rund 200-10⁶; dies entspricht einer Induktion von 2,7, bezw. 2 Yolt. Der Unterschied 0,7 Yolt hat das Bestreben, einen Strom hervorzurufen, der an der einen Kante nach vorn, an der anderen nach hinten fließt. Ist der Stab 3 mm dick und betrachtet man ihn als aus zwei Stäben von je 5 mm Breite zusammengesetzt, die an den Enden miteinander verbunden sind, so würde der Widerstand der Schleife gleich dem einer Kupferstange von 60 cm Länge und 3X5 mm

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Querschnitt sein; dies würde bei 60 Grad C. nur 0,0009 Ohm sein. Eine elektromotorische Kraft von 0,7 Yolt würde daher einen Strom von 800 Ampere in dieser Stange hervorrufen !

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Fig. 304. Ungleiche Feldstärke an den Rändern eines Wickelungsstabes.

Da die elektromotorische Kraft nur zwischen den äußersten Kanten des Querschnitts diesen Betrag von 0,7 Yolt hat, nach der Mitte hin aber abnimmt, so ist der wirklich im Stabe kreisende Wirbelstrom kleiner. Nehmen wir an, daß er nur den 20. Teil des so gefundenen Betrages ausmacht, was man als den tatsächlichen Verhältnissen entsprechend annehmen kann, so ist der hierdurch' bewirkte Energieverlust noch groß genug; denn bei Leerlauf würde dieser Verlust in jedem Leiter bei jeder Annäherung an und Ent-

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Fig. 305. Wirbelstrom in einem Ankerstab.

fernung von dem Pol entstehen. Bei voller Belastung wird in Wirklichkeit kein Wirbelstrom entstehen, denn wenn hierbei der Strom 150 Ampere beträgt, würde sich beim Überlagern eines Wirbelstromes von 59 Ampere in der einen Hälfte des Leiters (Fig. 305) eine Stromstärke von 75 + 59 = 134, in der anderen eine solche von 75 — 59 = 16 Ampere ergeben. Die 150 Ampere verteilen sich also nicht mehr gleichmäßig über den Querschnitt des Leiters; demnach würde die Erwärmung genau so sein, als wenn der Wirbelstrom wirklich vorhanden wäre. Bei den üblichen Umfangsgeschwindigkeiten ist es unmöglich, durch die Form der Polspitzen die übermäßige Erhitzung von massiven Kupferstäben bei glatten Kernen zu vermeiden, sobald deren Breite 5 mm übersteigt.

Diese Verluste treten bei Zahnankern nicht auf, außer wenn die Schlitze so schmal und tief sind, daß eine magnetische Streuung von Zahn zu Zahn stattfindet. Bei Leitern aus mehreren parallel geschalteten Drähten dürfen die einzelnen Drähte nicht in verschiedenen Schlitzen liegen, aus ähnlichen Gründen wie vorher besprochen.

Crompton¹) hat verschiedene Methoden zur Verdrillung oder Übereinanderlagerung mehrerer Streifen vorgeschlagen, um die Wirbelströme zu vermeiden. Er benutzt Stäbe, die aus Kupferdrahtlitzen bestehen und in eine rechteckige Form gepreßt sind, wobei jeder Draht der Litze oxydiert oder leicht isoliert wird.

Trommelwickelungen.

Man kann folgende Arten von Trommel Wickelungen unterscheiden: 1. Handwickelung, 2. Evoluten Wickelung, 3. Mantelwicke-

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Fig. 306. Siemenssche Trommelwickelung (v. H efner-Alteneckl.

lung, 4. Bastard Wickelung, 5. Schablonenwickelung. Die Trommelwickelung wurde im Jahre 1872 -von v. Hefner-Alteneck bei der Firma Siemens & Halske erfunden. Die Art und Weise, wie bis zum Jahre 1885 die Anker hergestellt wurden, ist aus der Fig. 306 zu ersehen. Dort sind zwei Lagen von Spulen von Hand über den Kern gewickelt. Um die Verbindungen deutlicher zu machen, ist in der Figur der Stromwender bereits an seinem Platz, während er in der Ausführung erst angebracht wird, nachdem alle Spulen aufgewickelt sind; die Enden der Drähte

x) Vergl. Journ. Instit. Electr. Engineers, Bd. 19, 1890, S. 240.

werden einstweilen miteinander verdrillt und dann sämtlich an die Kommutatorsegmente angelötet. Die Kerne dieser Maschinen bestanden aus Holz, das an seinem Umfange mit Eisendraht umwickelt wurde, bevor die Kupferdrähte aufgebracht wurden.

Der Aufbau von Ankern mit Stab Wickelung wird schon verwickelter, weil die Verbindung der Leiter an den Enden der Trommel nicht leicht ist. Nehmen wir an, daß ein Schema der herzustellenden Verbindungen und eine Wickelungstabelle bereits ausgearbeitet ist, dann bleibt noch die mechanische Ausführung der Endverbindungen festzustellen. Die Endverbindungen müssen gute Leiter, genügend voneinander isoliert sein, Instandsetzungen und Lüftung zulassen und mechanisch stark sein. Mit Draht bewickelte Trommeln zeigen an

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den Enden oft eine häßliche Übereinanderlagerung der Drähte, die eine Lüftung und Instandsetzung erschwert und eine Unsymmetrie hervorbringt; außerdem werden hierbei Drähte von sehr verschiedenem Potential nahe aneinander gerückt.

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Fig. 307. Evolutenwicklung von Siemens für Stabanker.

Evoluten Wickelung, erfand schon früh für Maschinen zu Metallniederschlägen eine Methode, die Kupferstäbe an den Enden durch spiralige Verbindungen zu vereinigen (Fig. 307). Um einen Stab mit demjenigen zu verbinden, der dem gerade gegenüberliegenden zunächst sich befindet, wurden zwei spiralige Kupferstreifen verwendet, der eine nach innen, der andere nach außen gebogen; die Verbindung wurde durch einen Holzblock auf der Welle mechanisch gesichert. Die äußeren Enden wurden durch Silberlot mit den Stäben verlötet. An jedem Ende der Trommel bildeten die spiraligen Verbindungen zwei besondere Lagen.

Diese spiraligen Verbindungen finden sich mit größerer oder geringerer Abänderung bei der Mehrzahl der Trommelanker bis etwa 1894 vor und werden noch jetzt oft verwendet. Eine aus Kupferblech gestanzte, sehr gebräuchliche Form stellt Fig. 308 dar; eine andere Form wird aus gefalteten Blechstreifen hergestellt. Bei großen Maschinen wird gewöhnlich der mittlere Teil jeder Spirale an einen Holzblock oder einen (isolierten) Klemmring geführt, die wie ein Kommutator aussieht und zuweilen auch als „falscher Kommutator‘k bezeichnet wird. Ein Beispiel zeigt die Oerlikon-Maschine (Fig. 450) und der Anker von Kolben auf Tafel XVII. Edisons abgeänderte Form der Trommelanker wurde aus massiven Kupferstangen aufgebaut. Die Enden der Stäbe sind durch isolierte Bleche oder Scheiben von Kupfer miteinander verbunden; letztere haben zu diesem Zwecke entsprechende Ansätze. Derartige Scheiben besitzen weit geringeren Widerstand als Streifen.

Die Bauart ist mechanisch ausgezeichnet, läßt aber keine Lüftung zu; das Streufeld an den Enden des Ankers ist zur Erzeugung von

Wirbelströmen in den Scheiben geeignet. Sie wurde daher bald durch bessere Konstruktionen verdrängt.

Da bei einer Evolutenwickelung die Endspiralen in zwei hintereinander befindlichen Ebenen liegen, so müssen die Leiter

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Fig. 308. Evolutenverbinder.

verschieden lang aus den Schlitzen herausragen; die kürzeren werden mit den inneren Spiralen, die längeren mit den äußeren verbunden. Hierbei ist es bequem, die Leiter zu zweien nebeneinander in einem Schlitze anzuordnen - - —

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(Eig. 309), und zwar einen langen neben einen kurzen, wie Fig. 310 erkennen läßt, die einen fertigen Anker der Oerlikon-Gesellschaft darstellt. Es ist sowohl Schleifen-, wie Wellenwickelung anwendbar.

Mantelwickelung. Um das Jahr 1892 ersann Brown die Anordnung, die Leiter in Fig. 309. Anordnung der Leiter

_ '    _    bei Evolutenwickelung.

zwei Lagen derart unterzubringen, daß ihre

Enden, statt sie spiralig nach unten umzubiegen, in der Zylinderoberfläche nach außen treten, dann so gebogen werden, daß sie sich schräg in zwei einander überdeckenden Lagen treffen. Diese in Deutschland als Mantelwickelung, in England als barrelwinding bezeichnete Methode wird in weitem Umfange angewendet. Sie hat den Nachteil, daß die Länge des Ankers etwas vergrößert wird, aber den Vorteil einer besonders günstigen Lüftung und einer größeren Abkühlungsoberfläche. In der Regel werden die Ankerkerne an den

Enden mit vorstehenden Leitern oder Böcken versehen, welche die Wickelungen stützen. Eine sehr einfache Bauart dieser Windungen ist folgende: Man nimmt einen Stab von dem erforderlichen Quer-

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Fig. 310. Trommelanker mit Evolutenwickelung, vierpolig, 60 KW ; Maschinenfabrik Oerlikon.

schnitt, biegt ihn zunächst in die in Eig. 311a gezeichnete Form, sodann nach Fig. 311b, so daß sie ein einzelnes Element einer

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Fig. 311. Wickelungsschleife, aus einem Streifen gebogen.

Schleifenwickelung bildet; der Teil ab bildet den oberen, de den unteren Leiter. Die Leiter werden dann zu je zweien übereinander | in einen Schlitz eingelegt, wie Fig. 312 zeigt. Bei p-> der Schleifenwickelung werden dann die Enden voneinander abgebogen und mit den nächsten passenden Schleifen verbunden, wie in Fig. 313 zu sehen.

Fig. 312. Anordnung der Leiter bei Mantelwickelung.

Bei der Wellenwickelung werden die Enden nach außen gebogen (vergl. Fig. 219 und 314, welche letztere einen oberen und einen unteren Leiter aus zwei verschiedenen Wellen zeigt). Auf Tafel IX ist ein großer Trommelanker von Brown mit einer solchen Wickelung gezeichnet und in Fig. 316 eine Ansicht des fertigen Ankers dargestellt. Diese Figur zeigt auch die Verteilung der Binde-

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Fig. 314- Mantel-Wellenwickelung.

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Fig. 315. Mantelwickelung, Schleifen- und Wellen Wickelung.

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Fig. 317. Ankerwickelei der Siemens-Schuckertwerke in Berlin.

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drähte auf dem Anker und die vorstehenden Teile der Wickelung. Man kann bei einer Mantelwickelung auf den ersten Blick erkennen, ob es sich um eine Schleifen- oder Wellen Wickelung handelt, da die obere Lage der schrägen Enden nach verschiedenen Bichtungen gebogen ist, wie in Big. 315 zu erkennen. Vergl. auch den Anker der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft (Fig. 38). Die Ankerwickelei der Siemens Schlickert werke (Fig. 317) zeigt im Vordergrnnde das Einlegen vorher geformter Spulen in die Schlitze. Der Leser möge an dieser Stelle die Anker der auf den verschiedenen Tafeln dargestellten Maschinen prüfen.

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Fig. 318. Anker einer Westinghousesehen Maschine MP 8 — 560 — 250—280 — 2000;

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Bastardwickelungen. Wird eine Wickelung spiralig, anstatt einwärts gegen die Welle gebogen oder zylindrisch verlängert, nur zum Teil einwärts gebogen und teils zylindrisch gelassen, so nennt man sie eine Bastardwickelung; sie ist etwas kürzer als die reine Mantelwickelung und erfordert besondere Formen zum Biegen der Leiter. Einige Firmen bauen ihre Anker am Kommutatorende mit einer Mantelwickelung, am anderen Ende mit einer Evoluten- oder Bastardwickelung. Einige der Westinghouse-Maschinen (Fig. 318 und 319) zeigen diese Bauart. Die Kupferleiter sind über gußeiserne Formen gebogen.. Es empfiehlt sich, die Mantelwickelung am Kommutatorende anzubringen, weil sie eine bessere Lüftung ermöglicht.

Mit Draht bewickelte Anker. Sowohl die Evoluten-, wie die Mantelwickelung kann bei Drahtwickelung von Hand für kleine

Anker, die keine starken Ströme zu liefern haben, ausgeführt werden. Bisweilen wird das Formen der Spulen während des Wickelns vorgenommen, indem die Drähte in die halbgeschlossenen Schlitze eingezogen und nachher an den Enden in die erforderliche Spiralform gebogen werden. In manchen Fällen, wo hohe Spannungen, aber nur geringe Stromstärken verlangt werden, sind zwei Lagen von

Fig. 319. Anker einer Westinghouseschen Maschine für 150 KW.

Leitern vorteilhaft. Fig. 320 zeigt einen Anker von Alioth in Basel mit vier Ebenen von Spiralen an den Enden, während alle Leiter auf dem glatten Kern in einer Lage liegen. Der Anker von Fynn (Fig. 321) hat sechs Lagen von Leitern in den Schlitzen und eine

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Fig. 320. Aliothscher Trommelanker.

dreifache Mantelwickelung. Fynn hat bei Wickelungen dieser Art besonders darauf geachtet, die Lagen so zu verteilen, daß schädliche Induktion in den Schleifen vermieden wurde. Mantelwickelungen mit mehreren Leiterlagen hat auch Brown in seinem Doppelstromgenerator (Fig. 423) und in der Oerlikon-Maschine (Fig. 421) verwendet.

Trommelanker mit Schablonenwickelung. Der Nachteil der früher ausschließlich angewendeten Handwickelung, daß die Wickelung nicht immer symmetrisch war, führte zu verschiedenen

Arten von Spulen, die für sich in der Werkstatt über Formen gewickelt und dann erst auf den Anker aufgebracht wurden. Die einzelnen Teile der Wickelung werden über Rahmen oder Formen

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Fig. 321. Anker mit Mantelwickelung nach Fynn.

aus baumwollenumsponnenem Draht hergestellt, dann noch für sich isoliert, gewöhnlich in der Weise, daß sie mit Band bewickelt, getrocknet, gefirnißt und noch einmal getrocknet werden. Das Band

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Fig. 322. Eickemeyersche Schablone und darauf hergeslellte Spule.

ist nicht überlappt, um unnötige Verdickung zu vermeiden. Die ersten in dieser Art gebauten Maschinen stammen von Alioth, dessen deutsche Patente vom März 1885 datieren. Eickemeyers Schablonenwicklung!), die sehr viel in Amerika und auch von Parker

1) Engl. Patent Nr. 2246 (1888).

in England benutzt wird, ist in den Fig. 322 lind 323 dargestellt; die Spule hat vier Windungen und ist für eine glatte vier-

polige Trommel bestimmt (Fig. 324).

Eine Eigentümlichkeit der E i c k e m e y e r sehen Spulen besteht darin, daß ihre Hälften ungleich sind; f* der mit a b bezeichnete Teil der dem oberen Leiter entspricht, ist länger als der dem unteren Leiter entsprechende Teil d.e, die Stücke de und ef sind Teile der inneren, bc und«/" der äußeren Spirale. Eine andere Art

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Fig. 323. E i ck e m e y e r sehe Spule, zurecht gebogen.

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Fig. 324. Eickemey erscher Anker.

der Herstellung besteht darin, sechs Pflöcke in ein starkes Brett einzuschlagen und um diese die erforderliche Zahl von Windungen in

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Fig. 325 u. 326. Eickemeyersche Spule, auf der Form und zurecht gebogen.

•der in Fig. 325 gezeichneten Weise herumzuwickeln. I)ie Spulen •werden dann mit trockenem Band umwickelt, von dem Brett abgenommen, in ihre endgültige Form gebracht und gefirnißt.

Was Eickemoy er für die Evoluten Wickelung erreicht hat, läßt sich in ähnlicher Weise auch bei der Mantel Wickelung erzielen, und zwar durch Formspulen, die man auf verschiedene Weise hersteilen kann. Man stellt eine Form her, bei der zwei horizontale und vier vertikale Pflöcke in einem Block, wie Fig. 327 zeigt, befestigt sind, wickelt um diese ° eine enge Spule mit der nötigen Anzahl Windungen und umgibt sie mit Band. Sodann wird sie in der aus Fig. 328 ersichtlichen Art und Weise auseinandergezogen und ist dann fertig zum Einsetzen. Sie unterscheidet sich von der Eickemey ersehen Spule

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Fig. 327. Schablone für Mantelwickelung.

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Fig. 328. Formspule für eine Mantelwickelung.

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darin, daß ihre beiden Hälften a b und d e gleich sind. Die gezeichnete Spule ist für eine Wellenwickelung bestimmt. Eine noch einfachere Herstellungweise, die Fig. 329 zeigt, verwendet nur zwei Pflöcke, doch ist das spätere Auseinanderziehen weniger bequem.

Fig 32g. Formspule für Mantelwickelung.

Darstellungen von verschiedenen Schablonen geben Fisch er-Hinnen¹), Arnold²) und Davies³), aber es ist schwer, die wirkliche Form der Schablonen in einem Bilde wiederzugeben. Ein erfahrener

1)    Die Wirkungsweise, Berechnung und Konstruktion elektrischer Gleicli-strommaschinen, 4. Auf]., Zürich 1899.

2)    Die Ankerwickelungen, 3. Auf]., Berlin 1899, S. 323 bis 333.

3)    Electrical Engineer, Mai 1902.

Wickeler muß im stände sein, für jeden Fall die geeignete Schablone sich selbst herzurichten. Die Fig. 330 bis 332 geben Skizzen der drei Hauptarten der Schablonenwickelung.

Man kann auch die einzelnen Leiter einer Stabwickelung nach einer Schablone biegen, wie dies die zehnpolige Maschine von Kolben auf Tafel XVII zeigt.

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Fig. 330. Evolutenwickelung.

Fig. 331. Mantelwickelung.

Fig. 332. Bastardwickelung.

In den Fig. 333 bis 335 ist ein kleiner Anker der englischen Thomson-Houston-Gesellschaft dargestellt. Die Fig. 333 zeigt den Kernkörper mit zwei Lüftungskanälen und Endflantschen als Stützen der Endteile der Mantelwickelung, Fig. 334 die in ihrer Form der der Fig. 313 gleichenden, auf Schablonen hergestellten Spulen teil-

Fig. 333- Anker der British Thomson-Houston Co., unbewickelter Kern.

weise aufgebracht, Fig. 335 den fertigen Anker mit Bindedrähten und Kommutator. Berechnungen über den Kupferverbrauch bei Evoluten- und Mantelwickelung sind von Simmonds in der Electr. World vom 3. März 1900 veröffentlicht und von Dalemont im Bulletin de l’Inst. Montefiore, 1902, ßd. 2, S. 428. Hobart beschreibt eine kombinierte Methode in der Zeitschrift Traction and Transmission, 1902, Bd. 5, S. 239.

Meist erfordert die Mantelwickelung weniger Kupfer als die Evolutenwickelung; bei großen Ankern ist nach einer Faustregel die Gesamtlänge der Mantelwickelung gleich der Länge des Ankerkernes plus dem Polstand.

Ein Trommelanker mit Schablonenwickelung der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft ist in Fig. 336 dargestellt.

Spiralige Verbinder als Ausgleicher. Die Maschinenfabrik Oerlikon hat eine Methode der Verbindung der einzelnen Leiter eingeführt, bei welcher die Verbinder gleichzeitig als Ausgleicher dienen und die Komplikation der auf Seite 377 beschriebenen Aus-

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Fig. 334. Anker der British Thomson-Houston Co., teilweise gewickelt.

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Fig. 335. Anker der British Thomson-Houston Co., fertig.

gleicherringe vermieden wird. Wir nehmen zunächst an, daß eine Mantelwickelung durch radiale Verbinder an einen Kommutator angeschlossen wird, wählen statt eines einzelnen radialen Streifens zur Verbindung eines Punktes der Wickelung mit dem gegenüberliegenden Kommutatorsegment einen gegabelten Streifen, ähnlich den in Fig. 308 dargestellten, aber umgekehrt und legen das obere Ende an die Wickelung, die beiden Gabelenden dagegen an zwei Segmente, die um das Doppelte des Polstandes seitwärts liegen, also gleiche Spannung haben, dann erhalten wir zwei hintereinander liegende

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Lagen von spiraligen Verbindungsstücken, wie bei der Evolutenwickelung, und jedes Segment ist mit zwei Punkten der Wickelung verbunden. Eine ähnliche Anordnung läßt sich bei einem Anker mit Spiralverbindungen treffen. Man verwendet dann einen besonderen Satz von Spiralen, die außen mit der Wickelung und innen mit Segmenten verbunden sind, die um das Doppelte des Polstandes von

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Fig. 336. Trommelanker mit Schablonenwickelung, Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft.

den Segmenten abstehen, die normal in gewöhnlicher Weise an die Spiralverbinder angeschlossen sind. Man hat dann also drei Lagen von Spiralen am Kommutatorende des Ankers (vergl. Fig. 450).

Ringwickelungen.

Die Ringwickelungen kann man ebenfalls einteilen in solche mit Draht- oder Stabwickelung. Soll ein glatter Ringkern bewickelt werden, so zeichnet man auf die Endflächen häufig eine Anzahl radialer Linien auf, deren Abstand den einzelnen Abteilungen entspricht. Hierdurch wird die Arbeit des Aufwickelns erleichtert. Ring-

Wickelungen machen im allgemeinen wenig Mühe, nichtsdestoweniger muß mit Sorgfalt verfahren werden. Die einzelnen Abteilungen werden fast stets besonders auf den Kern gebracht, man läßt die Enden vorstehen und schützt sie einstweilen mittels Band. Später werden die Enden untereinander und mit dem Stromabgeber verbunden.

Ein unerfahrener Arbeiter kann die Verbindungen leicht unrichtig hersteilen und eine linksgängige Wickelung anstatt einer rechtsgängigen und umgekehrt ausführen. Deshalb versieht man ihn zweckmäßig mit einer Werkzeichnung, wie die Fig. 337 darstellt. Sie zeigt eine rechtsgängige Wickelung mit vier Windungen in jeder Abteilung. Der mit o bezeichnete Draht ist das letzte oder äußere Ende der vorhergehenden Abteilung. Dieses Ende wird mit dem Stabe a des Stromabgebers verbunden, und von diesem Stabe

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Fig. 337. Wickelung eines Ringankers.

Fig. 338. Drahtwickelung für einen Ringanker nach Crompton.

geht der Anfang oder das linke Bodenende (mit LB bezeichnet) der Abteilung aus. Man ersieht aus der Zeichnung, daß der Draht LB unter dem Kern her zu dessen anderem Ende laufen muß, oberhalb zurückkehrt und so die Windung 1 bildet. Er wird dann nach rechts heruntergebogen, wieder unterhalb durchgeführt und bildet dann die Windung 2, weiter die Windung 3; da der innere Kaum enger als der äußere ist, so kommt die Kr. 4 jedenfalls auf oder zwischen die bereits gelegten Windungen zu liegen. Das rechte obere, mit RT bezeichnete Ende wird mit dem Stabe b des Stromabgebers verbunden. Wenn dem Arbeiter gezeigt wird, daß der rechte obere Draht einer Abteilung mit der linken untern Windung der nächsten Abteilung am Stromabgeber in Verbindung zu bringen ist, so ist ein Irrtum ausgeschlossen. Eine andere Art der Wickelung mit zwei Drahtlagen innen und einer außen zeigt die Fig. 338.

Für Anker in Bogenlichtmaschinen und im allgemeinen für solche Anker, die zahlreiche Drahtwindungen in jeder Abteilung er-

27*

halten, bereitet man zweckmäßig den Draht in bestimmten, für jede Abteilung genügenden Längen vor, spult den Draht auf kleine Spulen,, und zwar jedes Drahtstück auf zwei solcher Spulen auf, die dann abwechselnd für die aufeinanderfolgenden Lagen benutzt werden. Hierdurch werden beide Enden des eine Abteilung bildenden Drahtes an die Außenseite des Ankers gebracht, anstatt daß ein Ende des Drahtes in die innerste Lage, wie bei der Wickelung einer gewöhnlichen Spule, gerät.

Für solche Maschinen, für die nur eine oder zwei vollständige Windungen in jeder Abteilung erforderlich sind, bereitet man gewöhnlich vorher die mit Band isolierten Kupferleiter auf besonderen Formen zu und streift sie dann über die Kerne. Crompton führte die in der Fig. 339 gezeichnete Art der Leiter ein. Sie bestehen aus gezogenem Kupfer von fast rechteckigem Querschnitt und sind

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Fig. 339. Stabwickelung nach Crompton (1886).

an den Ecken gedreht, so daß sie sich im Innern des Kinges dicht Zusammenlegen. Diese Leiter werden über den Kingkern gebogen, erhalten zwischen sich eine geeignete Isolation und werden so miteinander verbunden, daß sie eine fortlaufende Wickelung bilden. Einzelne Firmen verwenden rechteckige oder runde Stäbe als wirksame Leiter und hochkantig gestellte Streifen als Rückleiter im Inneren des Ringes (Fig. 340). Bei Verwendung von Zahnankern nimmt man schmale Streifen für den wirksamen wie für den Rückleiter,, da die letzteren, weil keine Eisenzähne zwischen ihnen liegen, dichter zusammengelegt werden können. Zwei Beispiele neuerer Ringwickelungen bieten die Aliothsehe Maschine für elektrolytische Zwecke und der Postel-Yinayschen zwölfpolige Stromerzeuger auf den Tafeln XXVI und XX.

In großen vielpoligen Maschinen mit Ringanker, innerem Feldmagnet und äußerem Stromabgeber, wie solche in deutschen Zentralstationen Verwendung finden, werden die Wickelungen so angeordnet, daß der äußere Teil zugleich als Stromabgeber dient, wie in der Tafel XXV dargestellt ist. Der Ring besteht aus Kernscheiben von segmentförmigen Platten, im Schnitt bei b in der Fig. 341 dargestellt, und wird von durchgreifenden Triebstücken a gehalten. Nachdem sie geeignet isoliert worden sind, werden die Kupferleiter cd übergeschoben und zu einer fortlaufenden Spiralwickelung verbunden. Die Isolation wird bei dieser von Siemens & Halske verwendeten Form aus zubereitetem Papier hergestellt.

Der äußere Teil d des Kupferleiters ist gleich stark wie breit und dient als Stab des Stromabgebers. Die (nicht gezeichneten) Bürsten werden auf einem vorragenden Stabe e befestigt und schleifen

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Fig. 340. Stab - und Drahtwickelung.

Fig. 341. Großer Ringanker von Siemens & Halske.

auf dem äußeren Umfange der Kupfer Wickelungen des Ringes. Bei f befindet sich ein Hebel, mittels dessen die Bürsten abgehoben werden können.

Anordnung der Leiter in Schlitzen.

Auf den vorhergehenden Seiten sind schon einige Arten der Anordnung der Leiter in den Schlitzen erwähnt worden. Bei den neueren

Fig. 342 u. 343. Anordnung der Ankerleiter in den Nuten.

großen Grleichstrommaschinen werden die Leiter zumeist in zwei Lagen übereinander angeordnet, und zwar je zwei oder vier in jedem Schlitz. Formspulen sind nur anwendbar bei Schlitzankern mit geraden Zähnen. Werden drei oder vier Leiter in jeden Schlitz gelegt, wie in Fig. 342, oder sechs, wie in Fig. 343, kann man auch T-förmige Zähne anwenden. Wegen der magnetischen Schirmwirkung der Zähne sind die Leiter praktisch nur der Wirkung der Zentrifugalkräfte ausgesetzt. Wenn die Poloberflächen nicht geblättert sind, muß die obere Weite der Schlitze eng sein, besonders bei geraden Zähnen, denn sonst wird die hohe Sättigung, die so vorteilhaft für eine funkenfreie Kommutierung ist, nicht erzielt. Alle elektrischen und magnetischen Beziehungen weisen darauf hin, die Schlitze schmal und zahlreich zu machen, während mechanische Rücksichten und solche der bequemen Herstellung wenige und weite Schlitze bedingen; denn es wird dadurch an Arbeit gespart, die Isolierung wird einfacher und der Raumfaktor höher. Wenn man die Leiter in zwei Lagen anordnet und die Schlitze so weit wählt, daß zwei, drei oder vier Leiter nebeneinander gelegt werden können, wird eine günstige Anordnung erzielt. Bei parallel gewickelten Ankern ist es üblich, vier Leiter in jeden Schlitz zu legen, bei Reihenschaltung entsteht jedoch eine Schwierigkeit, da die Zahl der Kommutatorsegmente und der Abteilungen ungerade sein muß (vergl. S. 347/8). Denn wenn die Gesamtzahl der Leiter gleich py-\- 2 sein muß, und wenn sie in zwei Lagen angeordnet werden sollen, so ist es allgemein unmöglich, vier Leiter in jeden Schlitz zu legen, oder bei einer sechspoligen oder zwölfpoligen Maschine unmöglich, sechs Leiter in jeden Schlitz zu bringen. In der Praxis werden bei der Reihenschaltung und bei großen Maschinen nur zwei Leiter in einen Schlitz gelegt oder zwei Pormspulen bei Wagenmotoren und kleinen Generatoren. Als Beispiel diene die Maschine von Kolben (Tafel VI) und die Hochspannungsmaschine von Brown, Boveri & Co. (Fig. 479 u. 480). In der Elektrochemischen Zeitschrift 1901, Bd. 22, S. 316, hat Roth ert verwickeltere Verhältnisse behandelt und besondere Wickelungsarten dafür angegeben.

Kapitel XV.

¹

Vergleiche hierzu die Bemerkungen von Fischer-Hin n en in den Schweizer Blättern für Elektrotechnik, Februar 1898.

Mechanische Einzelheiten für den Entwurf und den Bau.

Im Kapitel XIV sind die mechanischen Mittel zur Übertragung der Arbeit von der Welle auf die Ankerleiter und umgekehrt betrachtet worden. Der Entwurf von Wellen für Dynamomaschinen, von Zapfen, Lagern, Fußgestellen und Kiemenscheiben erfordert sowohl Kenntnis der mechanischen Gesetze, als auch praktische Erfahrung. Im allgemeinen muß bezüglich der Abmessungen aller dieser Teile auf die einschlägigen Werke über Maschinenbau verwiesen werden. Befinden sich aber diese Teile an elektrischen Maschinen, so erfahren sie noch durch deren elektrische und magnetische Eigenschaften besondere Beanspruchungen, welche bei der Bestimmung der Abmessungen berücksichtigt werden müssen; aus diesem Grunde erscheint die im vorliegenden Kapitel enthaltene Belehrung zweckentsprechend.

Druck auf die Lager. Bei Dynamomaschinen ist außer dem gewöhnlichen Druck auf die Lager, der durch das Gewicht der Welle und der mit ihr verbundenen Teile ausgeübt wird, sowie außer dem durch den seitlichen Zug des Treibriemens bewirkten Druck noch eine dritte Druck erzeugende Ursache vorhanden, nämlich der magnetische Zug, den die Feldmagnete auf den Ankerkern ausüben. In Dynamomaschinen mit einem einzelnen magnetischen Kreise ist dieser Zug erheblich. Ein Fall, in dem der Feldmagnet den Anker zu heben sucht, wird durch jene Maschinen geboten, in denen, wie bei der Maschine von Edison-Hopkinson, Fig. 12,

S. 30, der Magnet sich oberhalb des Ankers befindet; der entgegengesetzte Fall tritt bei den Maschinen ein, in denen sich der Anker oberhalb des Feldmagnetes befindet, wie z. B. bei der in Fig. 406 a und Taf. II dargestellten Maschine von Kapp. Wenn der Anker vollkommen zentriert ist, so besteht immer ein Bestreben, einen solchen Zug auf ihn auszuüben, daß der gesamte magnetische Kreis mehr geschlossen wird. Es läßt sich dieses teilweise dadurch vermeiden,

daß man den Anker exzentrisch einsetzt, und zwar bei den Maschinen mit unterem Anker etwas unterhalb des Mittelpunktes der Ausbohrung der Polflächen, etwas oberhalb dieses Mittelpunktes bei Maschinen mit oberhalb liegendem Anker. Bei der Maschine von Kapp wird der abwärts gerichtete Zug teilweise dadurch ausgeglichen, daß man die Polkanten unter dem Anker weiter auseinander stehen läßt als oberhalb des Ankers, oder dadurch, daß man Polansätze aus Gußeisen unterhalb und solche aus Schmiedeeisen oberhalb anbringt. Die Wirkung des magnetischen Zuges kann den vier- oder fünffachen Betrag des Gewichts des Ankers erreichen. Zur Berechnung des magnetischen Zuges muß man die Kraftliniendichte zwischen Pol und Anker und Querschnitt kennen. Dann ergibt sich der Zug aus der Formel:

7^= 4,06-10 ~⁸ 7?²M,

worin P den Zug in Kilogramm, B die Kraftliniendichte und A den Querschnitt in Quadratzentimetern bedeuten.

Beispiel. Bei einem Bahngenerator war die Kraftliniendichte im Luftzwischenraum = nj 7200 auf jedes Quadratzentimeter, die unter jedem Pol liegende Fläche war =1781 cm², daher betrug der Zug dieses Pols wenigstens 3750 kg. Da die Dichte an den Zahnspitzen noch gedrängter war, so war der wirklich auf den Anker ausgeübte Zug noch größer.

Fliehkräfte. Wenn eine Masse m kg sich mit einem Radius von r Meter n mal in der Minute um eine Achse dreht, so ist die Fliehkraft = 0,00113 mrri¹ kg.

Beispiel. Ein Ankerleiter wiege 0,177 kg, der Anker habe einen Radius von 0,79 m und mache 150 Umdrehungen in der Minute. Dann ist seine Fliehkraft gleich 0,00113• 0,177• 0,79■ 150² = 3,5 kg.

Gyrostatische Tätigkeit des Ankers. Ein anderer Punkt, der nur bei Maschinen auf Schiffen oder bei Triebmaschinen, die auf Geleisen in Kurven laufen, vorkommt, betrifft die gyrostatische Tätigkeit des Ankers, die seine Achse stets in derselben Richtung zu halten sucht. Lord Kelvin hat zuerst seine Aufmerksamkeit diesem Umstande zugewendet¹) und die folgende Formel für die auf das Lager ausgeübte gyrostatische Kraft angegeben.

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k°

GIP Q to

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i) Vergl. Jamiesou, Electric Lightning for Steamships, Proc. Inst. Civil Engineers, Bd. 39, November 1884.

worin G das Gewicht des Ankers in Kilogrammen, l die Länge zwischen den Lagern in Metern, g — 9,81 die Beschleunigung der Schwere, <n die Winkelgeschwindigkeit des Ankers in Radianten für die Sekunde, Q die höchste Winkelgeschwindigkeit beim Rollen des Schiffes, ebenfalls in Radianten für die Sekunde, und R den Radius der Kreisbewegung des Ankers in Metern bedeutet.

Beispiel. Es betrage das Rollen eines Schiffes 20 Grad mit einer Periode von 16 Sekunden; eine Maschine habe eine Umlaufszahl von 1800 in der Minute; G sei = 67 kg, R = 0,214 m, l = 0,427 m. Dann ist

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— = 0,0435 und

Q = 2tt- ²⁰

CO = 2 77 •

1300

60

= 136.

Demnach berechnet sich F zu 4,3 kg für jedes Lager abwechselnd bei jedem Rollen auf- und abwärts wirkend, falls die Achse der Maschine querschiffs liegt.

Hieraus wird einleuchten, daß es unzweckmäßig wäre, auf Schiffen Maschinen mit Ankern zu verwenden, die Schwungrädern ähnlich sind, wenn der Druck aus dem Ankergewicht nicht verhältnismäßig viel größer wäre. Kelsey hat die gyrostatische Wirkung im Electrical Engineer, Juli 1902, näher untersucht.

Ausgleichung der Anker. Anker, die sich mit großer Geschwindigkeit drehen, müssen genau ausgeglichen sein, sonst werden sie stark vibrieren. Es ist üblich, die Ankerkerne vor dem Bewickeln abzugleichen, und dies zu wiederholen, wenn die Leiter an ihrem Platze sind. Wegen der hierbei zu beachtenden Punkte vergleiche man Dalbys Balancing of Engines.

Zapfen. Aus dem Vorstehenden dürfte klar zu ersehen sein, daß die im allgemeinen Maschinenbau aufgestellten Regeln nicht ohne weiteres beim Entwerfen von Dynamomaschinen angewendet werden dürfen. Gewöhnlich wird angenommen, daß die Wellzapfen für größere Geschwindigkeiten größer zu machen sind, und zwar, um die bei der höheren Geschwindigkeit erzeugte Wärme mit Hilfe der größeren Abkühlungsoberfläche zu entfernen. Diese Annahme hat zur Aufstellung der Regel geführt

Fn

worin l die Länge in Zentimetern, F die auf das Lager ausgeübte Kraft in Kilogrammen, n die Umlaufszahl in der Minute und ß eine

Konstante bedeutet, die nach verschiedenen Angaben zwischen 12-103 und 180-IO³ schwankt. Bei so großen Unterschieden der Konstanten ist die Formel aber fast nutzlos, außerdem nimmt sie keine Rücksicht auf den Zapfendurchmesser. Eine brauchbare Regel muß bei der Bestimmung des Verhältnisses zwischen Durchmesser und Zapfenlänge auch auf die Geschwindigkeit Rücksicht nehmen. Für niedrige Geschwindigkeiten, etwa bei 100 Umläufen in der Minute, braucht die Zapfenlänge die Abmessung des Durchmessers nicht zu übersteigen, während für Geschwindigkeiten von 1000 und mehr Umläufen in der Minute die Länge gleich dem fünf- bis sechsfachen Durchmesser sein muß; bei Gebläsen mit sehr hohen Geschwindigkeiten wählt man zuweilen die Länge gleich dem achtfachen Durchmesser.

Eine brauchbare Näherungsformel ist folgende:

-= 1 + 0,004n.

Diese für gewöhnliche Wellen bestimmte Formel läßt sich jedoch nicht auf Kurbelwellen anwenden, bei denen die Zentrifugalkraft von geringer Bedeutung ist, aber starke, abwechselnd gerichtete Stöße und Rucke Vorkommen. Noch weniger gut läßt sie sich bei Dynamomaschinen anwenden. Bei den letzteren wird meistens die Kraft auf eine geringe Länge der Welle von einer Riemenscheibe des Ankers übertragen. Der zwischen diesen beiden Teilen liegende Zapfenteil ist, wenn die Riemenscheibe nach außen liegt, offenbar viel stärkeren Stößen ausgesetzt, als der Zapfen am anderen Ende des Ankers. Deshalb ist der erstere Teil des Zapfens in vielen Dynamomaschinen stärker und länger als der Zapfen am Stromabgeber.

Die nebenstehenden Angaben (S. 427) sind ausgeführten Maschinen entnommen.

Der Durchmesser eines Wellzapfens von genügender Stärke hängt ebensowohl ab von der auf ihn einwirkenden Biegungsbelastung als von dem verdrehenden Moment, das sich aus der übertragenen Kraft ergibt. Gewöhnlich wird der Durchmesser einer Welle aus folgender Formel berechnet, die zulässig ist, falls keine Biegung erfolgt:

d = c]/ Pin cm,

worin für stählerne Wellen e = 6,6 ist, n die Zahl der Umläufe in der Minute, P die Leistung in Pferd bedeutet.

Die seitliche Belastung einer Riemenscheibe, die vom Riemen herrührt, bringt eine beträchtliche biegende Kraft hervor. Bei dem

Maschine und Anker art

Umdrehungen in der Minute

Abstand der Lagermitten in cm

Leistung in Kilowatt

Länge / in cm

Durchmesser d in cm

R.|~

Edison, zweipolige Haupttype .

Oerlikon, vielpoliger Generator Alioth,

Kolben,

Gen. Elec. Co. ,,

2100

1600

37°

280

>>

,25

150

257

Kolben, vierpoliger    ,,

Kapp, zweipoliger    ,,

Thury, Generator zur Elektrolyse Brown,

Gen. Elec. Co., Tranibahmnotor

Thury, Eisenbahnmotor .

Brown, Dreiphasenmotor .

Mordey, Wechselstrommaschine

(1894) .........

Ganz, Generator für die Marine Oerlikon, vielpoliger Generator A. E. G.,

Oerlikon,

Brown, Doppelstromgenerator . Parson, Turbogenerator .    :    .

75°

780

250

259

6_|0

525

600

} 150

320

100

105

,,

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120

35°

3000

45,8 88,3 118,0 H4,3 122,0 107,6 203,2 559

86,4

215.9

175,3

65,5

90,0

82,5

10

direkt gekuppelt Q

io

6,7

17,'

36,0

37.6 40,0 4r>9 7i,t

30,0 25,4

265

210

250

125

875

3

1,6 4-2

3-8    4-5

12,0 3 ii,2 3-36 2,66

22,5

800

64

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700

250

194

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20,9

76,2

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38.1

3o,5

29,2

8,0

22,0

O « CO o d, oi in

00 M

b\ b

"00

2,95

3,02

5,2

Verhältnis der Scheibenbreite zum Durchmesser, wie es bei Dynamomaschinen gebräuchlich ist, kann der Wert von c zwischen 10,7 und 14 angenommen werden.

Ist T die reine Verdrehung und P der in einer Entfernung a von Mitte Lager bis Mitte Riemenscheibe ausgeübte Riemenzug, so ist die resultierende Verdrehung, aus der die Welle zu berechnen ist, 7⁷¹ = Pa -f ŸP'^a² + rH.

Die Welle der Maschine erfährt auch durch das Gewicht des Ankers eine Biegung, sowie durch den auf den Ankerkern ausgeübten magnetischen Zug und bei Riemenübertragung durch den seitlichen Zug auf die Riemenscheibe. Falls die Massen nicht genau abgeglichen worden sind, treten beim Betriebe weitere Biegungsspannungen auf. Wenn die Lager die Zapfen genau in der Richtung halten, so suchen alle genannten Wirkungen offenbar in bestimmten Punkten eine

Biegung der Welle herbeizufiihren. Bei Maschinen mit scheibenförmigem Anker unterliegt eine größere Länge der Welle der Biegung, als bei Maschinen mit Trommel- und zylindrischen Ringankern, in denen der mittlere Teil versteift ist.

Für scheibenförmige Anker gilt nach Perry

ni L

d 1600

für Trommel- und scheibenförmige Ringanker

l n]/L d — 5600

wenn L die Länge der Welle zwischen den mittleren Teilen der Lager, / die Zapfenlänge, d den Durchmesser des Zapfens (alles in Zentimetern) und n die Zahl der Umläufe in der Minute bezeichnet. Wenn man die vom Ankergewicht, dem Riemen- und magnetischen Zug herrührende Beanspruchung in üblicher Weise aufzeichnet, aus der Kurve das größte Moment Pa entnimmt und dies in die obige Formel einsetzt, so erhält man den kleinsten Durchmesser der Welle. Um diesen herum können dann die übrigen Teile der Welle, Zapfen, Naben u. s. w., gezeichnet werden. Di-e Zapfen werden gewöhnlich von Ringen oder Ansätzen begrenzt, die gegen die Lager drücken und die Hin- und Herbewegung beschränken. Bei einigen Maschinenformen ist eine Hin- und Herbewegung der Welle besonders vorgesehen, um einen gleichmäßigen Verschleiß des Stromabgebers zu bewirken.

Bei einigen englischen Maschinen, besonders bei kleinen, und solchen von amerikanischer Bauart, wird eine Welle von überall gleichem Durchmesser benutzt, die mit eingeschnittenen Halslagern zur Vermeidung der Hin- und Herbewegung versehen ist. Dies kann nicht als eine gute Bauart bezeichnet werden. Eine Welle muß für ihre Leistung durchaus wie irgend ein anderer Teil der Maschine entworfen werden. Es ist daher allgemein üblich, daß ■eine Achse, welche eine Belastung ertragen soll, die zwischen den beiden Unterstützungspunkten eine Biegung herbeizuführen bestrebt ist, dort am stärksten zu gestalten ist, wo das Biegungsmoment am

größten ist.

Als Grundlage der Berechnung wählt man den an den Zapfen geeigneten Durchmesser (wie er aus der oben gegebenen Regel sich ergibt) und berechnet unter der Annahme, daß die Welle kreisförmigen Querschnitt besitzen soll, die Durchmesser für die anderen

Teile nach der Eegel, daß der Durchmesser in jedem Punkte proportional der Kubikwurzel des Biegungsmomentes in dem betreffenden Punkte ist¹). Es darf nicht übersehen werden, daß, wenn Nuten nachher zur Festlegung des Ankersternes oder anderer festzulegender Teile eingeschnitten werden sollen, der Durchmesser um den wegzuschneidenden Betrag vergrößert werden muß, so daß demnach keine Schmälerung der Festigkeit eintritt. Die Welle der Maschine von Brown liefert ein Beispiel ausgezeichneter Bauart (Tafel IX), ebenso die Welle der Maschine von Kapp (Tafel II).

Bei der zuerst genannten Maschine sieht man, wie der Ankerstern auf den mittleren Teil der Welle aufgepaßt ist und das Ganze durch eine aufgeschraubte Mutter und ein Halslager auf der Welle gehalten wird. Der Stromabgeber sitzt auf einer anderen kürzeren Buchse, die über einen etwas abgedrehten Teil der Welle geschoben ist. Die Riemenscheibe ist zwischen den Lagern angebracht. Bei der Maschine von Kapp sitzt der Ankerstern an einer langen Buchse aus Gußeisen, die den mittleren Teil der Welle versteift, und wird von einer gegen ein Halslager sich stützenden Schraubenmutter gehalten.

Bei großen, direkt angetriebenen Generatoren verschraubt man neuerdings entweder den Ankerstern mit dem Schwungrad oder mit einer auf der Maschinenwelle befindlichen Stirnplatte, wie die Fig. 441 und 445 zeigen, oder aber man setzt ihn auf eine besondere Achse, die mit der MaschinenwTelle gekuppelt ist. Das Stromwendergehäuse ist dann ebenfalls gewöhnlich mit dem Ankerstern verschraubt und nicht auf einem besonderen Stern befestigt.

Lager .und Gestelle. Die Lager für Dynamomaschinen sind stets so zusammengesetzt, daß der Anker abgehoben werden kann, und bestehen gewöhnlich aus Messing- oder Rotgußstücken, die an einem geeigneten Gestell sitzen. Man vergleiche in dieser Hinsicht die Zeichnungen der Gestelle und Lager verschiedener Maschinen, besonders der Maschine von Brown auf Tafel VII, sowie der auf den anderen Tafeln dargestellten Maschinen. Oft ist das Gestell aus zwei Teilen zusammengeschraubt und die Verbindungsstelle in der Höhe der Unterseite des Ankers vorgesehen, damit der letztere herausgezogen werden und währenddessen auf dem verbleibenden Teil eine Stütze finden kann. Werden lange Lager verwendet, so stellt man sie auch wohl aus Gußeisen anstatt aus Rotguß oder Messing her.

Häufiger wird ein weiches Metall verwendet, z. B. ein unter dem Namen Babbits Metall bekanntes; derartiges Antifriktionsmetall wird in schwache Vertiefungen eingegossen, die zu diesem Zwecke in dem Hohlraum der Lagerpfanne hergestellt worden sind. Eine Legierung unter dem Namen Magnolia wird in der Neuzeit ebenfalls häufig zu diesem Zwecke angewendet. Ist der Anker behufs direkten Antriebs auf dem einen Ende der Maschinenwelle befestigt, so hat die Dynamomaschine meist nur ein Lager außerhalb. Beispiele zeigen die Tafeln Y und XIX. Der Postel-Vinaysche Stromerzeuger (Tafel XX) ist fliegend angeordnet und hat kein Außenlager.

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Fig. 344. Kugellager (Auto Machinery Company).

Eig. 345 zeigt ein mit selbstölenden Bingen versehenes Lager für einen 500 Kilowatt-Stromerzeuger der Maschinenfabrik Oerlikon. Die senkrechten Wellen der von Brown zuerst etwa 1890 ein-gefiihrten, von Turbinen getriebenen Dynamomaschinen bedürfen besonders konstruierter Lager.

Kugellager. Mit der Einführung von Präzisionsmaschinen zur Herstellung von Stahlkugeln für Antifriktionslager sind die letzteren in Aufnahme gekommen. Eig. 344 gibt die Ansicht eines solchen Lagers und zeigt die Anordnung der Kugeln zwischen den inneren sich drehenden und den äußeren feststehenden Bingen. Bei Motorgeneratoren, wo kein äußerer Zug von Biemen oder dergl. vorhanden ist, haben sich diese Lager besonders bewährt. Bei großen Maschinen bieten Bollenlager Vorteile. Yergl. Bayley Marshall, Bep. Brit. Assoc. 1897.

Kammzapfenlager. Bei allen Dynamomaschinen mit Scheibenoder ähnlichen Ankern darf die Welle nicht hin- und herspielen; es müssen daher Kammzapfenlager angebracht werden, ähnlich denen, die bei der Welle einer Schiffsschraube aus vorstehenden Halsringen hergestellt werden (vergl. Fig. 345). Anstatt dessen kann man auch die Welle an den Lagern mit Einschnitten hersteilen, so daß Vorsprünge gegen die Lager stoßen. Die Kammzapfenlager der von Dampfturbinen getriebenen, schnelllaufenden Wechselstrommaschinen verdienen besondere Beachtung.

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Fig. 345. Kammzapfenlager des Ankers von Kapp. Maßstab 1:6.

Kugelschalen läge r. Bei allen langen Lagern ist es von großer Bedeutung, daß sie nicht nur genau konzentrisch sind, sondern daß ihre Achse auch genau mit der der Welle übereinstimmt. Um dies zu erreichen, wird häufig das Lager mit einem kugelförmig gestalteten Futter versehen, d. h. diese Gestalt oder nahezu eine solche gibt man dem mittleren verbreiterten Teil des Lagers und bringt für denselben dann noch eine Unterlage von weichem Metall auf dem Gestell an²).

Die Fig. 346 zeigt die von Ravenshaw bei den Maschinen von Goolden & Co. angewendete Anordnung.

Schmiergefäße. Die Lager müssen eine hinreichende Zufuhr von Schmieröl oder Fett erhalten, es sind aber auch Anordnungen zu treffen, die einem unnützen Verbrauche Vorbeugen. In der Regel

bringt man in dem hohlen Gußteil des Fußgestelles eine Aussparung an, welche das von den Enden der Lager abtropfende Öl aufnimmt. Tropfgefäße für Schmierung, die das Öl tropfenweise zuführen, sind für gewöhnliche Maschinen unzweifelhaft am besten. Ein solches Schmiergefäß ist in der Eig. 347 dargestellt. Mit dem Hebel C an der Spitze des Gefäßes schließt man das Öl ab, sobald die Maschine nicht mehr im Betriebe ist. Mittels der Ringe A und B läßt sich der Ölabfluß durch die Röhre regeln. Bei Schiffsmaschinen sind besondere Formen, die ein Verschütten des Öls nicht zulassen, vorzuziehen. An den Wellen bringt man in der Regel noch einen Auffangring an, der das Öl in seiner Höhlung m aufnimmt und centrifugal abwirft, das Lager    |

greift dann lippenförmig etwas über (siehe    |

Fig. 346) und ist mit einer Abflußvorrichtung | versehen, die das Öl aufnimmt und zu der | unterhalb befindlichen Pfanne führt. Tropf- J

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Fig. 347. Tropfgefäß mit sicht— barer Schmierung.

Fig. 346. Kugelschalenlager einer Gooldenschen Drmamomaschine.

gefäße mit sichtbarer Schmierung sind in manchen Fällen vorteilhaft. Da bei großen Dynamomaschinen ein bedeutendes Gewicht die Lager belastet, so müssen besondere Vorkehrungen, wie für die Schmierung der Lager von Schraubenwellen, getroffen werden. Das Öl wird unter Druck zugeführt, zuweilen aus zwei voneinander unabhängigen Quellen, um die Gefahr des Versagens auszuschließen. Derartige Anordnungen sind bei Dynamomaschinen um so notwendiger, weil die Bewegung eine reine Drehung ist und die Welle nicht, wie die Kurbelwelle einer Dampfmaschine, abwechselnd seitlichen Stößen ausgesetzt wird, die zur Verbreitung des Öles an den Zapfen beitragen.

Seilers¹) hat eine doppelte Schmierung zur Sicherheit vorgeschlagen, Der gewöhnliche Schmierapparat gibt Öl an den Mittelpunkt des Lagers ab; am oberen Teil ist in der Nähe eines jeden Endes ein Gefäß mit einer steifen Mischung aus Talg und Öl angebracht, die nur schmilzt, wenn die Lager aus Mangel an dem gewöhnlich zugeführten Schmiermaterial sich erhitzen.

Zuweilen werden selbsttätige Schmiervorrichtungen verwendet, bei welchen ein Ölgefäß sich im unteren Teil des Lagers befindet; in das Gefäß taucht ein Halsring oder ein lose über den Zapfen laufender Ring ein oder nur ein Ring aus Filz. Fig. 348 stellt eine solche Schmiervorrichtung dar, welche die Allgemeine Elektricitäts-

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Fig. 348. Lager mit Ringschmierung der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft

in Berlin.

gesellscbaft in Berlin bei ihren Motoren anwendet. Einzelne Fabrikanten versehen das Weichmetallfutter des Lagers mit spiralig laufenden Yertiefungen, durch welche das von dem Ringe zugeführte Öl dem Zapfen gleichmäßig zugeführt werden soll.

Für Maschinen der » Schirm «gattung (vergl. Tafel XIV u. XXIX) mit vertikalen Wellen für Turbinenantrieb sind ganz eigenartige Schmiervorrichtungen erforderlich. Bei großen Maschinen dieser Art werden Einrichtungen getroffen, durch welche die Lager von einem großen Teile des toten Gewichtes entlastet werden, gewöhnlich durch hydraulischen Druck, in einzelnen Fällen auch durch elektromagnetischen Zug. Bei den großen Niagara-Wechselstrommaschinen befindet sich das Schmieröl in großen gußeisernen Behältern von etwa 1 m Durchmesser, welche an der Welle unterhalb der Lager angebracht sind. In das Öl taucht eine feststehende Röhre; bei der

1) Unwins Machine Design, S. 171.

28

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Drehung des Ölbehälters steigt das Öl durch diese Röhre bis zur Spitze des Lagers auf. Für künstliche Kühlung ist noch durch Wasserzirkulation gesorgt.

Keile und Federn. Die zur Befestigung des Ankers und der Riemenscheibe auf der Welle benutzten Keile sollen versenkt oder flach sein, die Sattelform ist weniger zuverlässig. Die Regeln für Herstellung von Keilen sind folgende: Bedeutet b die Breite, t die mittlere Dicke und d den Durchmesser der Nabenöffnung in Centimetern, so ist

1 ^ + 0,32, t (für versenkte Keile) = Jq d “b 0,32,

t (für flache Keile)

— ^ -f- 0,16.

Wo zwei oder mehr Federn auf entgegengesetzten Seiten der Welle benutzt werden, kann jede etwas geringere Abmessung besitzen.

Riemenscheiben und Riemen. Hierfür bedarf es der Angabe besonderer Regeln nicht, da die gewöhnlichen Regeln des Maschinenbaues ausreichend sind.

Bodenplatten. Beim Entwurf von Bodenplatten spart man gewöhnlich an Gewicht dadurch, daß man das Metall an den Sol-flächen ausnimmt und dafür an geeigneten Stellen versteifende Teile oder Flanschen anordnet. Dies ist ganz zweckmäßig, ausgenommen solche Fälle, in denen ein Teil der Bodenplatte auch zu magnetischen Zwecken dient und einen Teil des magnetischen Kreises bildet. Bei der Maschine von Kapp (Fig. 406a) dient z. B. die Bodenplatte teilweise als Joch für den Feldmagnet; bei der Manchester-Maschine von Mather und Platt (Fig. 13) ist der unter dem Anker befindliche Gußteil aus diesem Grunde nicht ausgespart worden. In England werden die Bodenplatten gewöhnlich kastenförmig hergestellt. Bei Maschinen mit Trommel- oder zylindrischen Ringankern ist es zweckmäßig, wenn der Anker nach Abnahme eines Gestellteiles der Länge nach aus der Maschine herausgenommen werden kann. Der abnehmbare Gestellteil muß demnach aus einem besondern Gußstücke bestehen. Bei Maschinen mit oberhalb liegendem Anker ist es zweckmäßig, wenn das Gestell nach der unteren Seite des Ankers zu niederlegbar ist, und daß, wenn der obere Teil entfernt wird, der übrige Teil einen bequemen Halt für den zu entfernenden Anker bietet. Ein Beispiel bietet die Eig. 456, sowie die Maschine von Kapp (Eig. 406a).

Kuppelungen. Werden Dynamomaschinen von einer Dampfmaschine auf derselben Bodenplatte ohne Vorgelege angetrieben, so werden häufig die Wellen gekuppelt. Derartige Vorkehrungen werden in verschiedenster Weise ausgeführt, so z. B. von Brother-hood mittels eines Verbindungsteiles aus Leder und von Rawortli mittels biegsamer Stahlbänder, die einen gewissen Spielraum gestatten, falls sich die beiden Wellen nicht genau in Linie befinden. Die Kuppelung ist zuweilen so gebaut, daß sie zugleich die Dynamomaschine gegen die Dampfmaschine isoliert. Bei den großen neueren Stromerzeugern werden meist kräftige Plattenkuppelungen benutzt (vergl. Tafel V, IX u. XVI). Wenn Anker und Schwungrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet werden, sollten sie so nahe beieinander liegen als möglich, damit bei plötzlichen Belastungsänderungen, z. B. bei einem Kurzschluß, das Schwungrad den Stoß möglichst unmittelbar aufnehmen kann. Die früher sehr beliebte Anordnung, das Schwungrad an das eine Ende, den Anker an das andere Ende der Welle zu legen, ist die denkbar schlechteste. In einzelnen Fällen wird die Masse des Ankers direkt an das Schwungrad geschraubt, z. B. bei den Bahngeneratoren von Dick Kerr & Co.

28*

Kapitel XYI.

Stromabgeber, Bürsten- und Bürstenhalter.

Eine Dynamomaschine zur Erzeugung von Gleichstrom muß mit einem Stromwender (auch Stromsammler, Stromabgeber, Kommutator genannt) und mit Bürsten zur Abnahme der Ströme versehen werden. Die Art und Weise, wie diese Teile wirken, ist schon früher beschrieben worden (vergl. S. 50 bis 57); auch die Ursachen, die zur Funkenbildung Anlaß geben, finden sich im Kapitel X erläutert.

Es soll nun die Bauart dieser Teile erörtert werden.

Stromwender.

Es lassen sich drei Stromabgeberformen zur Aufnahme der Ströme aus Dynamomaschinen unterscheiden:

1.    Gleichstrommaschinen mit geschlossener Ankerwickelung, wie solche für Glühlichtbeleuchtung und andere Anlagen passen, die gleichbleibende oder nahezu gleichbleibende Spannung erfordern, werden mit einem Stromabgeber nach der Form von Pacinotti versehen. Dieser besteht aus einer Anzahl paralleler, um eine isolierte Nabe der Welle angeordneter Stäbe und besitzt eine zylindrische Oberfläche, gegen die ein Paar (oder auch zuweilen mehr als ein Paar) Bürsten oder Bürstensätze anliegen.

2.    Gleichstrommaschinen mit offener Ankerwickelung, wie solche für Bogenlicht verwendet werden und einen gleichbleibenden oder nahezu gleichbleibenden Strom liefern, werden mit einem Stromabgeber versehen, der aus einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Stäben besteht. Jeder Stab füllt einen beträchtlichen Winkel aus und ist von dem benachbarten durch Luftzwischenraum getrennt. Im Kapitel XXII findet sich die nähere Beschreibung.

3.    Wechselstrommaschinen mit umlaufendem Anker erfordern ein Paar metallischer Sammelringe, von denen jeder mit einer oder mehreren Bürsten oder mit einer Vorrichtung, die eine gleitende

Verbindung mit dem Stromkreise herstellt, ausgestattet ist. Wechsel-strommaschinen mit umlaufenden Feldmagneten haben eine ähnliche Vorrichtung notwendig, um den erregenden Strom zu den umlaufenden Wickelungen zu leiten. Diese Vorrichtungen werden am Schlüsse dieses Kapitels behandelt werden, das sich in der Hauptsache mit der erstgenannten Klasse beschäftigt.

Stäbe des Stromwenders. Die Zahl der Stäbe des Stromwenders hängt von dem Wickelungsschema und von der Zahl der Abteilungen ab, in die die Ankerwickelung zerfällt. Bei Parallelschaltung, wo so viele Bürstensätze als Pole vorhanden sind, ist der von jedem Bürstensatz aufzunehmende Strom gleich dem Gesamtstrom, geteilt durch die Zahl der Polpaare. So werden bei einer zehnpoligen Maschine mit einer Leistung von 800 Ampere fünf positive und fünf negative Sätze vorhanden sein, durch deren jeden 160 Ampere aufgenommen werden. Die Vermehrung der Stäbe wirkt im Sinne einer Abnahme der Funkenbildung (S. 231) und vermindert die Stromschwankungen (S. 261). Eine gerade Stabzahl ist einer ungeraden vorzuziehen. (Für Anker mit Bingwickelung, deren Kerne in der Kegel an drei Speichen befestigt sind, ist es vorteilhaft, wenn die Stabzahl ein Vielfaches von der Zahl 3 bildet.) Es sprechen indessen zwei Gründe der Praxis gegen eine allzu große Vermehrung der Anzahl Stäbe. Zunächst erhöhen sich die Kosten. Ferner ist bei großen Maschinen, die nur eine Windung der Ankerwickelung von einem zum andern Stabe des Stromabgebers besitzen, die Zahl der Stäbe des Stromabgebers im wesentlichen durch die geforderte Spannung gegeben. Z. B. in einer zweipoligen Maschine nach Edison-Hopkinson, die für eine Leistung von 1100 Ampere bei 105 Volt Spannung bestimmt ist, sind nur 43 Windungen erforderlich. Sodann wird bei kleinen Maschinen bei einer großen Stabzahl der einzelne Stab za dünn. Die Breite der Segmente beträgt an der Oberfläche durchschnittlich 8 mm ; kleine Stromabnehmer mit Kupferbürsten haben zuweilen nur 5 mm Segmentbreite.

Die Länge der Stäbe muß auch im Verhältnis zur Stärke des abzunehmenden Stromes stehen. Sie sind selten weniger als 2,5 und mehr als 50 cm lang. Die neuere Praxis schwankt in dieser Beziehung etwas, es kann aber als Kegel gelten, daß für je 100 Ampere eine Länge von etwa 3 cm bei Kupfer- oder 10 cm bei Kohlebürsten genommen wird. Stromwender für Kupferbürsten können also etwas kleiner sein als solche für Kohlenbürsten. Außerdem kann man bei Kupferbürsten eine größere Geschwindigkeit, als bei Kohlenbürsten zulassen, bei denen 15 m in der Sekunde die höchste Grenze bildet.

Zahl der Segmente. Die Zahl der Segmente K richtet sich nach der Wickelung und daher nach der Leistung und Spannung der Maschine. Ist der Durchschnittswert der auf ein Segment entfallenden Spannung ek bekannt, so bestimmt sich K durch Division der verlangten Spannung E durch ek und Multiplikation (bei parallel gewickelten Ankern) mit der Polzahl p, also K— E-p/ek', oder, für Anker mit Reihenparallelschaltung bei c Kreisen, K=E-c\ek• Passende Werte von ek gibt nachstehende Tabelle:

Für Maschinen von

Durchschnittsspannung e^ für ein Segment

Zahl der Segmente für einen Pol oder einen Kreis

5°° — 55° Volt 200 — 220 „ IOO — 120    „

5.5 —15 4 — io

3 — 5

35 — ¹⁰⁰

20-55

20 — 35

Der Wert wird aber noch durch die aufzunehmende Stromstärke beeinflußt; ist diese kleiner als 100 Ampere, so kann ek größer genommen werden, sollte aber unter keinen Umständen über 25 Volt hinausgehen.

Regel von Arnold. Arnold hat die Regel aufgestellt, daß der Wert von K nicht kleiner sein soll als 0,037 bis 0,04 mal dem Produkt von N in die Quadratwurzel aus der Stromstärke jedes Ankerkreises. Zum Beispiel würde bei einer vierpoligen Maschine mit vier Stromkreisen von je 100 Ampere und insgesamt 336 Ankerleitern die Regel als kleinsten Wert für K ergeben:

0,037-336-1/100= 123.

Die Maschine hat in Wirklichkeit 168 Stäbe; zwei Leiter bilden, zu einer Schleife verbunden, ein Wickelungselement. Hätte man das Element aus zwei Schleifen mit vier Leitern gebildet, so wären nui 84 Segmente erforderlich gewesen, aber die Maschine hätte wahrscheinlich gefunkt. Es steht jedoch fest, daß schon gute Maschinen gebaut worden sind, bei denen die Konstante weniger als 0,037, sogar nur 0,025 betrug. In der Praxis ist K gleich N dividiert durch eine ganze Zahl, die meist 2 oder 4, gelegentlich bei kleineren Maschinen auch noch größer ist. Die Zahl kann aber nicht 3 oder 5 sein, wreil diese Werte 1% oder 2x/₂ Schleifen für ein Element voraussetzen würden. Dieses Verhältnis könnte man nur dadurch erreichen, daß man abwechselnd Elemente von verschiedenen Schleifen verwendete,

also um durchschnittlich l¹^ Schleifen zu bekommen, würde man das 1., 3., 5. Element aus einer Schleife, das 2., 4., 6. aus zwei Schleifen bestehen lassen u. s. w.

Größe der Stromabgeber. Die geeignete Größe der Stromabgeber wird folgendermaßen bestimmt:

Bezeichnet b die äußere Breite, h die nutzbare Länge, dk den Durchmesser des Stromabgebers, a die Stromdichte an der Bürstenoberfläche und ç die Zahl der gleichzeitig von einer Bürste bedeckten Segmente, so ist    '

• (1)

E = ek- Kjy......

• (2)

i — b'lk- ¹/₂p • « • £.....

(wenn die Stärke der Isolierung vernachlässigt wird) und

(3)

K— dk-r./ b......

Multiplizieren wir (1) mit (2) und setzen den Wert für K aus (3) ein, so erhalten wir

(4)

dk • l/i

Ei

Wählen wir a= 6 für 1 cm² und £ = 3, so wird

.    .    (5)

dk-lk = EijS nek .    •

Nach einer anderen nützlichen Kegel zur Bestimmung der Abmessungen soll man dem Stromabgeber einen großen Durchmesser geben, jedoch nicht über eine Umfangsgeschwindigkeit von 16 m in der Sekunde hinausgehen. Sehr oft nimmt man den Durchmesser gleich ³/₄ des Ankerdurchmessers. Ist v die Umfangsgeschwindigkeit in Metern für eine Sekunde und n die Zahl der Umläufe in einer

Minute, so sei

. (6)

dt —:

2400-v

T.-n

Nehmen wir als mäßige Umfangsgeschwindigkeit 11 m in der Sekunde an, so wird

(7)

dk = 26000 In.

Ist K bekannt, so erhält man einen weiteren Yersuchswert für dk aus der Formel

• (8)

dk — 0,3 *    / 7t

Beispiel. Es sei der Stromabgeber der Maschine MP6—150 — 450 — 250*—600,- zu berechnen. Nehmen wir ek = 6 Yolt, so erhalten wir aus (5) den Wert dk • /f = 250 • 600/9 -z- 6 = 885.

Dieses Produkt trennen wir nach (7) in die Faktoren dk —

= 57,5 cm, woraus G =15,4 cm. Ständen die Bürsten in jedem

26000

450

Satz dicht nebeneinander, würde die Länge 15 cm sein; da aber zwischen den einzelnen Bürsten und an den Enden etwas freier Raum bleiben muß, so wird die Länge etwas größer genommen. Bei der ausgeführten Maschine (Scott & Mountain, Fig. 396) waren die Abmessungen dk — 52,5 cm und lk — 19 cm; K war gleich 248.

Erfordernisse des Entwurfs. Die Herstellung der Stromabgeber bietet einige Schwierigkeiten. Die Segmente müssen gleichmäßig voneinander und von dem Kern isoliert werden. Sie sind beträchtlichen Zentrifugalkräften unterworfen und dürfen doch nicht durch Schrauben mit dem Kern verbunden werden, was ihre Isolation erschweren würde, sie müssen daher durch Klammern an ihrem Platze befestigt werden, die ihrerseits wieder isoliert werden müssen, und da alle Isoliermassen wenig Zug aushalten können, muß die Befestigung so sein, daß die Isolation nur auf Druck beansprucht wird. Es ist für gutes, funkenfreies Stromumkehren äußerst wichtig, daß kein Segment die Möglichkeit hat, durch die Zentrifugalkraft oder durch Wärmeausdehnung lose zu werden. Daher müssen die Klemmverbindungen besonders fest und haltbar ausgeführt werden. Die Art der Befestigung sollte derart sein, daß sie eine möglichst große Länge nutzbar macht. Auch sollten die Stäbe eine beträchtliche radiale Tiefe besitzen, um ein Abdrehen zu gestatten, was für den Stromabgeber zur Erhaltung der zylindrischen Form von Zeit zu Zeit erforderlich ist. 2,5 bis 5 cm ist ein gebräuchliches Maß für die Tiefe. Das Material ist bei kleinen Maschinen meist hartgezogenes Kupfer, das von größeren Stücken von passendem Querschnitt in der erforderlichen Länge abgeschnitten wird, oder wenn der Entwurf vorstehende Ansätze zur Befestigung vorsieht, in der erforderlichen Form geschmiedet wird. Stäbe aus gegossenem Kupfer oder aus Phosphorbronze sind zu vermeiden, da sie teuer und ungleich hart sind, so daß sich der Stromabgeber leicht ungleich abnutzt. Schmiedestücke dieser Art sind jetzt vielfach Handelsware. Damit die Segmente gut aneinander anliegen, müssen sie entsprechend ihrer Zahl richtig zugeschärft sein; ist 7T= 360, so muß die Zuschärfung 1 Grad betragen, bei Iv = 36 = 10 Grad sein. Es ist nicht praktisch, die zur Isolierung dienenden Glimmerscheiben nicht mit parallelen Flächen anzuwenden, ein Fehler in der Zuschärfung der Segmente kann durch Einlegen von Glimmerstücken nicht gut gemacht werden; geht jedoch die Zahl der Segmente über 150 hinaus, so kann man Segmente der gleichen Zuschärfung auch bei einer um zwei kleineren oder größeren Zahl der Stäbe verwenden. Zur

Erleichterung der Auswahl geben die Fabrikanten von Segmenten Tabellen der Abmessungen heraus, eine solche Tabelle findet man z. B. in der Electr. Rev. (Bd. 41, 10. Sept. 1897, S. 835). Für K — 248 ist der Winkel der Zuschärfung = 1 Grad 27' und die Sehne dieses Winkels bei einem Radius von 1 cm = 0,0253' cm. Zur Bestimmung der Dicke des Segments ist der Wert der Sehne mit dem Radius des Stromabgebers zu multiplizieren und die Stärke der Isolation abzuziehen. Für das oben berechnete Beispiel ist, wenn dk — 52,5 cm und die Glimmerschicht 0,9 mm stark ist, die Breite des Segmentes an der Oberfläche == 0,0253 • 26,25 — 0,09 = 0,574 cm. Ist anderseits die Stärke des Segmentes und des Glimmers gegeben, so ergibt sich der Durchmesser des Stromabgebers aus dem Sehnenwert der Tabelle dadurch, daß die doppelte Summe der Stärken beider durch die Sehne geteilt wird. Ist z. B. das

-r

II

Fig. 349. Konischer Endring von Mikanit für einen Kommutator.

Segment 0,574 und der Glimmer 0,09 cm dick, und die Sehne = 0,0253, so ist der Durchmesser = 2 (0,574-f- 0,09)/0,0253 = 52,5 cm.

Isolation. Jeder Stab muß von den benachbarten Stäben gut isoliert sein und besonders gut von der Buchse oder Nabe, auf der die Stäbe befestigt werden; ebenso muß Isolation zwischen den zur Befestigung der Stäbe dienenden Vorrichtungen und den Stäben vorhanden sein; denn die Botentialdifferenz zwischen benachbarten Stäben ist gering, jedoch viel erheblicher zwischen den Stäben und anderen Metallteilen. Das Isolationsmaterial darf Öl oder Feuchtigkeit nicht anziehen, deshalb ist Asbest, Gips und vulkanisierte Fiber nicht zulässig. Die Endringe können von Mikanit oder Breßspan hergestellt sein. Die konischen Ringe bestehen gewöhnlich aus Mikanit (Glimmer und Schellack) und sind aus dünnen Glimmerstücken zusammengesetzt und mit Schellack als Bindemittel meist unter hohem Druck zusammen gepreßt. Fig. 349 zeigt einen konischen Endring aus Mikanit. Stromabgeber mit Luftzwischenräumen zwischen den Stäben sind oft verwendet worden, aber es ist dabei schwierig, die Zwischenräume von dem Metallstaub freizuhalten, der durch Abnutzung der Bürsten entsteht. Der zur Isolierung der

Segmente dienende Glimmer muß weich genug sein, daß er sich gleichmäßig mit dem Kupfer ahnutzt und nicht über die Zylinderfläche hinausragt. Amberglimmer von weicher, wolkiger Beschaffenheit ist dem härteren, klaren, weißen oder roten indischen Glimmer vorzuziehen. Die üblichen Dicken sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt :

Glimmerstärke in mm

Maschinenspannung

Zwischen benachbarten Segmenten

Zwischen den Segmenten und dem Kern, bezw. den Endringen

Bis 125 Volt

250    „

,, 1000 ,,

0,5 —0,8 0,65 — 0,9

0,75 — *>5

1.5 —2.5

1.5    —3.0

2.5    — 4>°

Die Glimmerisolation an den Enden wird nicht selten mit einer stärkeren Lage eines billigeren, wenn auch weniger hoch isolierenden Stoffes beklebt, z. B. mit Papiermache oder Ambroin. Ein Beispiel hierfür bietet der auf der Tafel XI dargestellte Kommutator. Vorteilhaft ist es, wenn die Oberfläche der metallischen Endklammerringe nicht, wie in Fig. 350, mit der der Segmente in gleicher Höhe liegt, da es dann schwierig ist, bei sich auf dem Rande der Isolation ansammelndem Staube Stromüberleitung und selbst das Funken zu verhindern. Es ist besser, entweder den Rand der Isolierung überstehen zu lassen, wie in den Fig. 351 u. 352, oder die Arbeitsfläche der Segmente bis an das Ende der zylindrischen Oberfläche hinanreichen zu lassen, wie auf Tafel XXIII dargestellt.

Bau der Stromabgeber. Für kleine Maschinen eignet sich die Bauart nach Fig. 368. Die Segmente werden von einer Scheibe und einem Klammerringe festgehalten, der seinerseits durch eine aufgeschraubte Mutterscheibe oder durch Bolzen, die durch Scheibe und Klammerring hindurchgehen, festgehalten wird. Die Enden der Stäbe sind abgeschrägt, so daß sie beim Anziehen der Schrauben fest zusammengepreßt werden. Der Kern besteht bei kleinen Maschinen gewöhnlich aus Gußeisen, bei großen Maschinen aus einer kräftigen Stütze oder einem Ring, der mit dem Ankerstern verschraubt ist und der Luft freien Zutritt zum Anker läßt. Werden gezogene Kupferstäbe benutzt, so soll die für die Bürsten verfügbare Oberfläche nahezu über die ganze Länge der Stäbe reichen und die Abschrägung am Ende möglichst klein sein; bei geschmiedeten Segmenten ist dies nicht so wichtig.

Bei dem in Fig. 350 dargestellten Stromabnehmer sind die Stäbe mit Vorsprüngen versehen, welche an dem einen Endein eine Vertiefung einer Rotgußbuchse passen und am arideren Ende unter

Fig. 350. Schnitt durch einen Stromwender (Paterson und Cooper).

ver-

einen äußeren Klemmring greifen, der über die abgeschrägten Enden durch eine starke Schraubenverbindung aufgepreßt wird. Hier ringert der Ring die für die Bürsten verfügbare Oberfläche.

y Eig. 351 zeigt einen neueren É für Straßenbahnmotoren bell nutzten Stromabnehmer von |    15 cm Durchmesser und einre

I freien Länge von 5,6 cm. Hier werden die geschmiedeten Stäbe

%

È

WUmïmy/,.

Fig- 35i. Stromwender eines Straßenbahnmotors.

Fig. 352. Befestigung eines Stromwenderstabes.

einer bronzenen Buchse zusammengepreßt; die Isolation besteht Glimmer mit einem dünnen Überzug von zubereitetem Papier. Die Fig. 353 zeigt eine für eine vierpolige Maschine bestimmte Bauart mit nur zwei Bürstensätzen. Hier sind die Segmente ebenfalls auf einer auf der Welle befestigten Buchse angeordnet, und daß sie auf der ganzen Länge von den Bürsten beschliffen werden können. An den Enden werden sie von Klemmstücken,

von

aus

zwar so.

wie in Fig. 368, festgehalten, die in isolierte, V-förmige Einschnitte eingreifen. Eine ähnliche Anordnung zeigt die Maschine von Kapp

V.

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einer vierpoligen Maschine der Gtllcher-Gesellschaft.

III

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(Tafel II); die Einschnitte an den Enden sind tief, die Isolation wird durch drei Ringe von vulkanischer Fiber hergestellt. Der eine Ring ist flach, die beiden andern sind konisch und greifen in die Enden der Stäbe ein.

Bei größeren Maschinen werden die Segmente auf Scheiben aufgereiht, die entweder auf die Welle gekeilt oder mit dem Ankerstern verschraubt werden, und von Klammerringen umfaßt, die meist ebenfalls aus Segmenten bestehen, so daß man erforderlichenfalls einen Teil des Stromwenders auseinander nehmen und wieder her-stellen kann, ohne daß der übrige Teil in Mitleidenschaft gezogen wird. Fig. 352 zeigt eine neuere Ausführungsform. Beispiele von geteilten Klammerringen zeigen mehrere Tafeln; besonders wird auf die in der Fig. 421 und 450 der Oerlikon-Gesellschaft, ferner auf Tafel XI (Parshall) und XXI (Kolben) verwiesen. Bei Maschinen

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Fig. 354. Stromwendei; für hohe Stromstärken (Maschinenfabrik Oerlikon).

für große Stromstärke und kleine Polzahl müssen die Stromabnehmer sehr lang sein, und in diesen Fällen muß die Bauart derart sein, daß sie die Ausdehnung der Kommutatorstäbe durch die Wärme gestattet, ohne daß ihre Oberfläche unrund wird. Fig. 354 zeigt eine Bauart der Oerlikon-Gesellschaft für eine sechspolige Maschine von 1500 Ampere, so daß auf jeden Bürstensatz 500 Ampere entfallen. Die Länge der Schleiffläche ist 47 cm. Bei noch größerer Länge ist Yorsorge zu treffen, daß die Stäbe in der Mitte ebenso sicher wie an den Enden unterstützt werden; Fig. 355 zeigt einen Stromwender einer Maschine mit senkrechter Achse, bei welchem jeder Bürstensatz 600 Ampere aufnimmt.

Eine andere Sicherung langer Stäbe gegen das Aufbiegen unter der Wirkung der Wärme und der Zentrifugalkraft besteht darin, daß man einen isolierten Stahlring auf die Kommutatormitte aufschrumpft. Beispiele bietenderTurbogenerator der Maschinenfabrik Oerlikon, Tafel XXI und Fig. 481b, die Maschine von Thury (Fig. 453), ferner

big. 483, die bei den mit Parsons Dampfturbinen getriebenen Maschinen Anwendung findet. Einen für hohe Spannung passenden Stromwender zeigt die Maschine von Brown (Fig. 480).

Tafel XXIII zeigt eine sehr gedrängte und kräftige Bauart, die von Ganz & Co. für ihre Marinegeneratoren verwendet wird.

Zuweilen findet man Stromwender von unrundem Querschnitt, bei welchem die Bürsten gegen die Endfläche anliegen, diese Bauart wird aber nur selten und nur bei kleinen Motoren verwendet.

Beim Aufbau der Stromabgeber klemmt man gewöhnlich §g|§lfi|!! die erforderliche Zahl der Stäbe mit den zwischengelegten Glimmerstücken außen mit einer starken Klammer zusammen oder spannt sie mittels einer hydraulischen Presse in Stahlringe ein. Hierfür geeignete Pressen besonderer Form liefert u. a. die West Hydraulic Engineering Co. in Bradford¹). Die Stromabgeber werden alsdann auf der Drehbank innen ausgebohrt und an den Enden zur Aufnahme der Klemmringe abgedreht. Das Ganze wird dann besonders isoliert auf den Kern aufgeschoben und die Klemmringe aufgeschraubt, der in einem Ofen erhitzt und die in)' Klemmringe weiterangezogen. Sodann werden die vorläufig angebrachten Klammern oder Ringe entfernt und die äußere Oberfläche nach Maß abgedreht. Die Stromwender großer Maschinen, welche wegen ihrer Größe weder mit der hydraulischen Presse aufgezogen, noch in einem Ofen erhitzt werden können, werden durch einen Ring von untergestellten Bunsenbrennern

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Stromwender mit Befestigung r Stäbe (Maschinenfabrik Oerl

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i) Vergl. den illustrierten Artikel in Engineering, 18. 7. 1902.

im Abstande von etwa 0,33 m voneinander erhitzt, dann die Klemmringe so fest angezogen, daß der Schellack des Mikanits so t s möglich herausgepreßt wird. Die Nabe w-ird dann auf die Achse aufgekeilt oder mit dem Ankerstern verschraubt, so daß kein Verschieben beider Teile gegeneinander möglich ist.

Verbinder.

Die auf dem Anker angebrachten Leiter werden mit den Stäben des Stromwenders durch radiale Streifen oder Drähte verbunden, die in einen in die Ecken der Stäbe eingesägten Schnitt eingelegt und dort verlötet werden. Es ist zweckmäßig, die Verbindung mit den Streifen herzustellen, ehe die Stäbe zusammengesetzt werden. Eig. 356 zeigt eine solche einfache Verbindung; Eig. 357 zeigt die mit Lappen zur Aufnahme der Streifen versehenen Stäbe. Es ist dort eine Kehle h vorgesehen,

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Fig. 356 u. 357. Verbindung am Stromwenderstab.

damit die Bürsten nicht zu nahe an die radialen Streifen gebracht werden. Es ist wichtig, daß diese Streifen oder radialen Verbinder besonders gut befestigt werden, da sie beträchtlichen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Bei jeder Umdrehung muß jeder Streifen einen starken Strom aufnehmen und wird wegen des starken magnetischen Streufeldes nach einer Seite gezogen. Ehe man dies erkannte, gaben diese Verbindungen häufig Anlaß zu Störungen. Als man noch ausschließlich Kupferbürsten verwendete, hielt man es für zweckmäßig, die Verbinder so auszuführen, daß sie dem Strome einen gewissen Widerstand boten, um das Funken zu hindern. Einzelne Firmen benutzen Rheotan, andere Neusilber, und da hierbei die Verbinder wTegen der Erwärmung sich ausdehnen und zusammenziehen, werden sie zuweilen in Wellenform hergestellt, wie dies die Fig. 360 e zeigt.

Bei kleinen Maschinen versieht man die Segmente mit Ansätzen, in welche, wie in Fig. 358, zwei Löcher zur Aufnahme des Anfangs und des Endes von zwei aufeinanderfolgenden Wickelungselementen gebohrt werden, oder die Drähte werden beide in einen

Einschnitt gelegt und verlötet, fach zur Befestigung der Drähte Schrauben an, was in England

In Deutschland wendet man viel-

vermieden wird.

Verbindung mit der Anker Wickelung. Die Verbindung zwischen Yerbinder und Wickelung wird auf verschiedene Weise hergestellt. Bei Trommelankern mit Evolutenwickelung braucht man

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Fig. 338. Verbindung am Stromwenderstab.

Fig. 359. Doppelverbinder als Ausgleicher.

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oft keine besonderen Yerbinder, da die Spiralen in Einschnitte an den Enden der Segmente eingelötet werden, wie in Fig. 310 und Tafel XY. Bei größeren Maschinen, wie auf Tafel XVII, werden kurze Yerbinder aus Kupferstreifen eingeschaltet. Bei Mantelwickelungen sind Yerbinder nötig, H wenn nicht, wie in Fig. 439, der H Stromwender sehr groß ist. Die Yerbinder werden in der Regel II einzeln an dem Stromwender be-V festigt, ehe der letztere auf die Achse aufgekeilt wird, die Verbindung mit dem Anker wird dann zu allerletzt

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hergestellt.

Oftmals wird auch die Ver-

Fig. 360. Verbindung zwischen den Ankerleitern und dem Stromwender.

bindung zwischen den Verbindern und der Wickelung, wie in der Fdg. 360 a, in der Weise hergestellt, daß die umgebogenen Enden der als Yerbinder dienenden Schleife auf den beiden vorstehenden Enden der Ankerstäbe aufgelötet werden. Ganz & Co. benutzen die in Fig. 360f dargestellte Verbindung. Brown benutzt gebogene Yerbinder, die unter die vorstehenden Enden der Ankerstäbe eingepaßt werden (Fig. 361). Die drei Enden sind einzeln verzinnt. Sie werden durch Umwickeln mit einem verzinnten Kupferdraht fest verbunden. Wenn alle in dieser Weise vorbereitet sind, wird der Anker senkrecht aufgehängt und in einen runden Topf mit geschmolzenem Lot eingetaucht.

Eine ungewöhnliche Segmentform ist in Fig. 362 abgebildet, die einen zweiten Ansatz besitzt, der hinter dem Yerbinder nach rückwärts vorsteht und dazu dient, den Kommutator mit den hinter

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Fig. 361. Verbindung nach Brown.

Fig. 362. Stromwenderstab mit Ansatz zur Verbindung mit einem Ausgleichsring.

dem Kernkörper liegenden Ausgleichringen zu verbinden (vergl.

S. 377).

Bürsten.

Bürsten bestehen entweder aus Metall oder aus Kohle. Die am häufigsten zur Stromabnahme benutzte Art von Metallbürsten

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Fig- 363. Verschiedene Kupferbürsten.

besteht aus gewebter <Kupferdrahtgaze, die mehrfach zusammengefaltet und gepreßt ist (Fig. 363 e). Sie wurde um das Jahr 1884 von Trotter eingeführt. Um das Ausfranzen am Bande zu verhindern, faltet man das Gewebe meist schräg, wie in Fig. 363 f dargestellt ist. Zuweilen faltet man die Gaze um einen Kern sehr feiner Kupferdrähte, die entweder gerade nebeneinander liegen oder flach zusammengeflochten sind. Die ersten Kupferbürsten bestanden aus gerade nebeneinander liegenden Drähten, die an einem Ende miteinander verlötet, am andern durch eine Klammer zusammengehalten waren. Zwei solcher Lagen von Drähten wurden oftmals zu einer

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Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

einzigen Bürste vereinigt (Fig. 363 a). Zweck aller dieser Einrichtungen ist der, eine Berührung in möglichst vielen Punkten zu sichern. Bei den Bogenlichtmaschinen von Brusli und von Thomson-Houston, sowie bei Gleichrichtern benutzt man Bürsten aus breiten federnden Kupferstreifen, die gleichfalls zur Sicherung einer Berührung in mehreren Punkten auf eine kurze Entfernung von der Spitze geschlitzt sind (Fig. 363 b). Diese Bürsten schleifen nicht, wie die stärkeren Bürsten, unter einem Winkel zur Tangente an dem Berührungspunkt, sondern liegen tangential zur Oberfläche des Stromabnehmers. Edison benutzte hochkant gestellte Kupferstreifen, die flach aneinander gelegt und an dem nicht anliegenden Ende zusammengelötet waren (Fig. 363 c). Bei einzelnen Maschinen fanden Bürsten Anwendung, die aus abwechselnden Lagen von Draht und Blechstreifen bestanden, also eine Kombination von Fig. 363 a und b darstellten. Auch die in Fig. 363 d dargestellte Bürste, aus vielen übereinander gelegten sehr dünnen Kupferblechstreifen bestehend, ist viel benutzt worden. Auch Bürsten aus sich drehenden Metallrollen oder Scheiben hat man oft versucht, sie haben sich aber nicht eingeführt.

Fig. 364. Verschiedene Kohlenbürsten.

Kohlenbürsten. Forbes³) kam zuerst auf den Gedanken, die Metallbürsten durch solche aus feinkörniger, gut leitender Kohle zu ersetzen. Sie werden zur Zeit bei Gleichspannuugsmaschinen fast ausschließlich benutzt, insbesondere bei den Stromerzeugern und Motoren von Bahnen, wo die Stromstärke starken Schwankungen unterliegt und die Bürsten in einer bestimmten Lage verbleiben müssen. Man kann sagen, daß es ohne Kohlenbürsten unmöglich wäre, funkenfreien Betrieb bei feststehenden Bürstenhaltern zu erreichen. Man rechnet etwa 6,5 Ampere auf 1 cm² Berührungsfläche; gut leitende Kohle kann aber die doppelte Stromdichte aufnehmen. Bei kleiner Umfangsgeschwindigkeit wird der Stromabnehmer von Kohlenbürsten weniger abgenutzt als von Metallbürsten, letztere werden aber weniger leicht heiß und die Länge des Strom-

abnehmers kann bei ihnen kleiner sein als bei Kohlenbürsten. Wie schon oben erwähnt, ertragen Bürsten aus gewöhnlicher harter Kohle eine Stromstärke von etwa 6,5 A/cm² (vergl. S. 218), solche aus weicher Kohle etwa 10 Ampere, während eine von der Gesellschaft Le Carbone vertriebene Spezialkohle bis zu 16 Ampere normal aufnimmt. Bei sehr weicher Kohle nimmt der Stromabnehmer einen leichten Graphitüberzug an, der bei hohen Spannungen zur Funkenbildung zwischen benachbarten Segmenten führen kann; solche Kohle darf also nur bei kleinen Spannungen benutzt werden. Natürlicher Graphit verhält sich wie weiche Kohle, greift aber den Stromabnehmer leicht an. Die Kohlenbürsten werden außen am oberen Teile meist mit einem galvanischen Kupferüberzug versehen, um einen guten Kontakt mit dem Halter zu sichern. Dieser Kupferüberzug muß aber bei den nahe der Schleiffläche liegenden Teilen entfernt werden.

Zahl und Größe der Bürsten. Bei allen Maschinen, abgesehen von den kleinsten Größen, ist es üblich, statt einer breiten Bürste deren wenigstens zwei nebeneinander anzuordnen, wie in Fig. 15, damit man die Bürsten einzeln stellen und ersetzen kann, ohne den Betrieb zu unterbrechen. Diese Anordnung sichert auch eine gleichmäßige Abnutzung des Stromabgebers, da jede Bürste für sich angepreßt wird und der Zwischenraum zwischen zwei nebeneinander liegenden Bürsten durch eine der auf der anderen Seite liegenden überdeckt werden kann. Eine für alle Fälle gültige Regel zur Bestimmung der Zahl und Breite der Bürsten läßt sich nicht aufstellen, ebensowenig eine solche für die Dicke. Diese muß größer sein als die Isolierung zwischen zwei Segmenten, denn jedeWickelungs-abteilung muß eine gewisse kurze Zeit hindurch kurz geschlossen bleiben, während deren die Umkehrung des Stromes stattfindet. Das geringste Maß der Dicke (oder der Breite des abgeschrägten Endes) scheint bei Metallbürsten das 1% fache der Dicke der Stromwenderstäbe zu sein, Kohlenbürsten umspannen meist mehr als das 2y₂fache. Bei Ankern mit zwei- und dreifacher Wickelung (S. 336) sind natürlich breitere Bürsten erforderlich. Bei Maschinen mit einer breiten neutralen Zone um den neutralen Punkt herum kann man die Stärke größer nehmen, aber bei sehr dicken Bürsten entsteht ein Wärmeverlust wegen des Potentialunterschiedes zwischen der vorderen und hinteren Kante der Bürste. Als Mittel hiergegen wendet man wohl statt einer dicken zwei dünne Bürsten an, die voreinander liegen und zwischen sich einen gewissen Widerstand

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haben. Mordey⁴) gab eine Form an, bestehend aus mehreren aufeinander liegenden, dünnen, leicht gegeneinander isolierten Blättern, die am oberen Ende vereinigt sind, so daß zwischen den verschiedene Segmente berührenden Blättern ein kleiner Widerstand eingeschaltet ist (Fig. 365). Rothert⁵) wies nach, daß es vorteilhaft ist, wenn die Bürsten nach der Spitze zu einen etwas höheren spezifischen Widerstand besitzen. In ähnlicherWeise wirken die von Orompton angegebenen Bürsten aus Kohle und Kupfer, die so zusammengesetzt sind, daß die Kupferbürste am Anfang, die Kohlenspitze am Schluß der Stromwendung zur Wirkung kommt.

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Fig;. 366. Verschiedene Stellung der Bürsten am Stromwender.

Fig. 365. Mordeysche Bürste aus isolierten Blättern.

Bei großen Maschinen mit mehreren nebeneinander liegenden einen »Satz« bildenden Bürsten ist es vorteilhaft, die Halter verschieden lang zu machen, so daß die Bürsten gegeneinander gestaffelt sind. Die am weitesten vorstehende Bürste soll in diesem Falle aus Kohle von höherem Widerstande bestehen.

Stellung der Bürsten. Der Winkel, unter dem die Bürsten gegen den Stromabgeber anliegen, ist je nach der Bauart verschieden. Der Regel nach soll die Bürste so auf dem Stromwender schleifen, daß die Richtung der Spitze mit der der Drehung übereinstimme und kein Hüpfen über die Ränder der einzelnen Segmente stattfindet. Fig. 366 zeigt bei a eine solche tangentiale, bei Bogenlichtmaschinen gebräuchliche Stellung der Bürste. Bei b ist eine dicke Bürste mit schräger Spitze unter einen Winkel von etwa 45 Grad . gestellt, wie bei den meisten Gleichspannungsmaschinen üblich. Eine für Motoren bestimmte Bürste zeigt e, die einen "Wechsel in der Drehrichtung zuläßt. Hier werden Blöcke aus Kupfer oder Bronze mit einem Hebel verbunden, der durch Gummibänder an den Stromwender angepreßt wird. Eig. 366 d zeigt eine ebenfalls für Umsteuerung passende Kohlenbürste für Motoren; der als Bürste dienende Kohlenblock wird durch einen metallenen Schlitten gegen den Stromabgeber gepreßt. Kohlenbürsten werden vielfach auch so angelegt, daß sie der Bewegung entgegengerichtet sind, wodurch der Druck

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Fig. 367. Bürstenhalter nach Sn eil für Kohlenbürsten.

beim Laufen vergrößert wird. In Eig. 367 ist ein solcher Kohlenbürstenhalter für Bergwerksmotoren dargestellt.

Bürstenhalter und -Steller (Rücker).

Die Einrichtung zum Eesthalten der Bürsten muß folgenden Bedingungen entsprechen :

1.    Die Bürsten müssen gut befestigt werden und eine gut leitende Verbindung mit ihrem Stromkreis hersteilen.

2.    Die Bürsten müssen nach Bedarf vor- oder rückwärts bewegt werden können.

3.    Sie müssen unter dem passenden Winkel angelegt werden können.

4. Der Druck, mit dem sie angepreßt werden, muß den Verhältnissen angemessen sein; ist er zu gering, so springen die Bürsten, ist er zu stark, so schneiden sie Eurchen in den Stromwender ein.

5.    Die Bürsten dürfen nicht zu viel Masse haben, damit sie etwaigen Abweichungen des Stromwenders von der runden Form leicht folgen können.

6.    Die Halter müssen das Abheben der Bürsten gestatten.

7.    Bei kleinen Maschinen müssen die Halter mit einer Fangvorrichtung versehen sein, um die Bürsten in der ausgerückten Stellung festhalten zu können.

8.    An allen Maschinen von höherer Spannung als 100 Volt müssen isolierte Handgriffe vorgesehen werden, um die Bürsten ohne Gefahr elektrischer Schläge bedienen zu können.

9.    Die Isolation der Bürsten oder der Bürsten mit dem Halter zusammen muß besonders gut ausgeführt sein.

10.    Der Steller und die Halterstangen müssen sehr kräftig sein, damit die Erschütterungen der Maschine kein Klappern der Bürsten verursachen.

Eine von Mountain für die »Tyne«-Maschine entworfene Bauart von Metallbürsten mit Halter und Steller ist in der Fig. 368 dargestellt, die auch die Zusammensetzung des Stromwenders erkennen läßt. Der Steller R besteht aus einem zweiteiligen Eisenring, der durch Bolzen auf einem erhabenen Bande des Lagers festgeklemmt wird. Dieser Steller ist mit einem Handgriff H versehen, durch den man die Bürsten in die neutralen Punkte einstellen kann, und mit zwei Ohren (von denen nur eins sichtbar), welche die Halterstangen M tragen. Diese letzteren werden durch Schrauben mechanisch fest mit den Ohren verbunden, sind aber elektrisch von ihnen durch Einfügen einer isolierenden Hülse und von Ebonitscheiben getrennt. Auf den Stangen M befinden sich drehbar die Bürstenhalter, zwischen deren Augen ein durch eine Schraube F gehaltenes Zwischenstück D mit einem vorspringenden Ansatz befestigt ist. Die Bürsten B liegen in Schlitzen der Halter A und werden durch Schrauben festgehalten. Der Strom wird den Bürstenhaltern durch biegsame Leiter zugeführt, die in hierfür vorgesehene Ansätze eingelötet werden. Die Bürsten werden durch spiralige Druckfedern angepreßt, die durch Schrauben geregelt werden können, die durch die Ansätze von I) hindurchgehen; K ist die Fangvorrichtung, durch die die Bürsten in der abgehobenen Stellung festgehalten werden, wenn sie angehoben sind und der Hebel in einen Schlitz des Ansatzes D eingelegt ist. In der Fig. 353, die eine ähnliche Anordnung bei den Gülch er sehen Maschinen darstellt, ist einer der Fanghebel im Schlitz liegend gezeichnet. Den Steller und die Halter der zweipoligen Kappsehen Maschine zeigt Tafel III; die Art der Isolierung ist dieselbe wie vorbeschrieben, aber der Strom wird in einen kräftigen Ring G eingeführt. Zum Anpressen dient

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Fig. 368. Steller und Bürstenhalter der „Tyne“-Maschine von Mountain.

eine spiralige Zugfeder, die zwischen einem Ansatz des Halters A und dem festen Ansatz D ausgespannt ist. Die Fangvorrichtung K besteht aus einer geraden Feder, die in einen Einschnitt an einer Ecke von A eingreift und daraus durch einen Druck auf ein Hartgummistück Q entfernt wird. P ist ein Zeiger, um die richtige

Bürstenstellung im Halter zu bezeichnen. Es ist vielfach versucht worden, die Bauart zu vereinfachen; so hat Parsons vorgeschlagen, die Federn durch Gewichte zu ersetzen. Eine sehr einfache und zweckmäßige, von Siemens & Halske angegebene Bauart ist in Deutschland sehr verbreitet. Hier ist die Klammer, die die Bürste festhält, an dem Ende einer gebogenen, aus mehreren federnden Messing-

Fig. 369. Bürstenhalter von Siemens & Halske.

blättern bestehenden Stütze angebracht (Fig. 369), welche einfach mittels einer Klemmschraube an der Halterstange befestigt wird und an dieser entlang geschoben und um sie herumgedreht werden kann, wodurch der Bürstendruck geregelt wird.

Halter für Kohlenbürsten. Die gebräuchlichen Formen lassen sich in drei Gruppen teilen, und zwar:

1.    solche, die um eine Angel drehbar sind;

2.    solche, die an zwei parallelen Federn befestigt sind;

3.    solche, die der Drehung des Stromwenders entgegengerichtet sind und von ihm angehoben werden.

Fig. 370. Bürstenhalter der Siemens-Schuckertwerke.

InFig.370 sind einige Formen der Siemens-Schuckertwerke dargestellt. 370a gehört zur ersten Gruppe; die Kohle ist dort in einen leichten Rahmen geklemmt, der um die zylindrische Stütze drehbar ist und durch eine Feder nach unten gezogen wird. Bei den mittleren und großen GM-Maschinen (Taf. IV) werden bei normalen Stromstärken stets Kohlenhalter nach Fig. 370 b mit radial aufliegenden Kohlen verwandt. Der Kohlenbürstenhalter ist zur Aufnahme von zwei Kohlenbürsten eingerichtet, die sich in einer rechteckigen Führung leicht auf- und abbewegen können. Die Führung geschieht in dem an seiner unteren Fläche abgerundeten Mittelstück.

An dieses ist ein zweiteiliger Klemmbacken angeschraubt, vermittelst dessen der Bürstenhalter auf dem Bürstenstift befestigt ist. Es ist also ausgeschlossen, daß der Bürstenhalter bei abgenutzten Kohlen sich auf den Stromwender auflegen und diesen beschädigen kann. An dem Mittelstück sind ferner zwei Blechwinkel von dreieckiger Gestalt durch ein Scharnier drehbar angebracht. Sie pressen vermöge einer Spiralfeder mit den an ihren Rücken angenieteten Blechstreifen die Kohlen gegen den Stromwender. Über die abgerundete Kohle ist ein federnder Bügel geschoben ; von ihm aus führen biegsame Kupferlitzen zu dem Mittelstück und ermöglichen auf diese Weise gute Kontakte. Für hohe Stromstärken benutzt man den Doppelbürstenhalter, Fig. 370 c. Er trägt eine Kupfergazebürste und eine Kohlenbürste, von denen die erstere in der Hauptsache zur Stromabnahme dient, während die Kohle die Neigung der Maschine zur Funkenbildung verringert und den Stromabnehmer etwas schmiert, so daß er weniger leicht von der Gazebürste angefressen wird. Der

Fig- 37¹- Kohlenbürstenhalter der British Thomson-Houston Co.

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Fig. 372. Bürstenhalter mit parallelen Federn.

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Fig. 373. Kohlenklemme.

Kohlenbürstenhalter sitzt auf einem langen Blechstreifen, der auf die Kupferbürste aufgelegt und mit dieser durch eine Druckplatte und Schraube in der Bürstenfassung befestigt wird. Der Blechstreifen dient gleichzeitig zur Versteifung der Kupferbürste.

Fig. 371 ist eine amerikanische, von der British Thomson Houston Co. benutzte Art. Sie zeigt, wde die einen Satz von drei Kohlenbürsten tragende Stütze an einem kräftigen Isolierblock befestigt ist, der seinerseits von dem Steller getragen wird. Jede Bürste ist rechteckig und gleitet in einem Halter, der starr mit der Stütze verbunden ist. Auf jede Bürste drückt eine Feder. In die Kohlen sind Löcher gebohrt, in die die zur Stromabführung dienenden Kupferdrahtlitzen eingelassen und mit Lot oder Blei vergossen sind.

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Fig. 374. Bürstenhalter von Boudreaux.

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Fig. 375. Bürstenhalter von Fynn.

Eine ähnliche, jedoch verbesserte und etwas leichtere Form für parallele Kohlen zeigt die Fig. 372.

Eine andere, von Boudreaux angegebene, auf dem Kontinent viel benutzte Form ist in Fig. 374 dargestellt. Hier wird die

¹

Vergl. Unwin, Machine Design, Bd. i, S. 264 (Ausgabe von 1901).

²

Vergl. Abhandlung von Coleman Seilers in dem Journ. of Franklin Institute für 1872 oder auch Engineering, Bd. 15, S. 17, oder die Figur in Unwins Machine Design, Bd. 1, S. 310.

³

Engl. Patent T288 des Jahres 1885.

⁴

   Journ. Inst. Electr. Engineers, Bd. 26, S. 562. 1897.

⁵

   Elektrot. Zeitschrift, Oktober 1902.

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Kohlenbürste von einer Backe gehalten, die drehbar an dem drehbaren Hebel befestigt ist. Eine gute Stromüberleitung wird durch eine unter dem Hebel sichtbare biegsame Kupferschiene bewirkt.

Eine andere Methode zur Sicherung eines guten Kontaktes stellt die in Fig. 373 gezeigte Klemmverbindung dar.

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Zu den drehbaren Formen gehört auch der von Fynn angegebene, für 25 bis 30 Ampere bestimmte Bürstenhalter (Fig. 375). Er besteht aus zwei Aluminiumgußstücken, von denen das eine fest mit dem Steller verschraubt, das andere, von dreieckiger Form, das die Kohlenbürste trägt, lose drehbar ist. Eine an der Spitze des Dreiecks angreifende Zylinderfeder drückt die Bürste auf den Stromwender. Der Strom wird von der Bürste durch sechs beiderseits miteinander verlötete Kupferstreifen fort-

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Fig. 377. Bürstenhalter mit Gegendruck von S. H. S h o r t.

Fig. 378. Stell- und Bürstenhalter ring der Crocker-Wheeler Co.

geleitet. Die Bauart ist bemerkenswert wegen der Art und Weise, wie die einzelnen Teile des Halters so weit als nur möglich vom Stromwender ferngehalten werden.

Ein Bürstenhalter der dritten Gattung, von Armstrong, Mitchell & Co. herrührend, wird in Fig. 376 dargestellt. Ein an das Magnetgestell angenieteter Arm trägt die isolierten Gußstücke, in denen die rechteckigen Kohlenstücke gleiten, die von einem unter dem Einfluß einer Spiralfeder stehenden Hebel gegen den Stromabgeber gedrückt werden. Die Bürsten sind gegen die Richtung der Bewegung geneigt, so daß die Reibung das Andrücken verstärkt, also den Kontakt verbessert.

Eine ähnliche, von Short herrührende Bauart wird in der Fig.377 dargestellt. Hier legt sich die Bürste C gegen den Stromabgeber und die schräge Fläche eines Stückes B aus Bronze, das durch eine Schraube g auf der Stütze P befestigt ist. Ein paar hintereinander

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Fig. 379. Feldmagnetgestell und Bürstenhalter einer Westinghousesehen elektrolytischen Maschine für 850 Kilowatt.

liegende, durch Querstifte verbundene leichte Hebel L sind drehbar auf einer zweiten Achse befestigt und drücken mit kleinen Bollen auf die Bürste. Eine Drahtfeder w ist an dem einen Ende mit L verbunden, in einigen Windungen um die Achse S herumgeführt und dann so aufgebogen, daß sie in ein gezahntes Stück, und zwar in in solcher Lage eingreift, daß sie einen genügenden Druck auf L ausübt.

Steller und Bürstenstangen. Bei zweipoligen und kleinen mehrpoligen Maschinen ist der Steller fast stets so gebaut, daß er

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Fig. 380. Stellring und Bürstenhalter von Dick, Kerr & Co.

in der aus den Fig. 353 und 368 ersichtlichen Weise auf das Lager festgeklemmt wird. Ausführliche Zeichnungen von Stellern und Bürstenhaltern sind auf den Tafeln III, VII und XXII dargestellt.

Fig. 381. Polschuh für biegsame-Leiter.

Bei großen vielpoligen Maschinen sind die die Bürsten tragenden Arme in gleichem Abstande voneinander an einem gußeisernen Stellring angeordnet, welcher von vier oder mehr aus dem Magnetgestell herausragenden Vorsprüngen unterstützt wird. Diese Bauart ist in den Fig. 378, 379, 380' und 434 und auf den Tafeln XII und XX dargestellt. In diesen Fällen wird das Bewegen des Stellers meist durch Schnecke und Handrad bewirkt. Die verschiedenen Bürsten werden in zwei Gruppen untereinander verbunden, positive und negative. Zuweilen dienen zur Verbindung biegsame Kabel, wie bei der Maschine von Kolben (Tafel XVI), häufiger jedoch zwei voneinander isolierte Kupferringe, von denen der eine vor, der

andere hinter dem Stellring liegt; die positiven Bürsten sind an den einen Ring angeschlossen, die negativen an den andern. Die Fig. 378 und 379 lassen diese Anordnung erkennen. Ähnliche Konstruktionen zeigen die Fig. 419, 432, 434 lind Tafel XIX. Fig. 380 zeigt eine von Dick, Kerr & Co. benutzte Ausführungsform. Sie besteht aus zwei hohlen Hälften, von denen die positiven und negativen leitenden Ringe umschlossen werden. Bei der Anordnung von Westinghouse, die in einer sehr schönen Ausführung an einer Dynamomaschine von Smit in Haarlem auf der Pariser Ausstellung 1900 zu sehen war, ist für jede Bürstenreihe eine radiale Befestigung vorgesehen.

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Fig. 382. Polschuh zur Befestigung biegsamer Leiter am Schaltbrett.

Eine dritte Anordnung befestigt den Stellring auf einer besonderen Stütze oberhalb des Stromabnehmers. Diese Bauart ist aus der Fig. 452 zu erkennen.

Endverbindungen.

Zu den Einzelheiten der Bürstenanordnung gehören auch die Endverbindungen der zur Stromabführung dienenden, aus breiten Kupferlitzen bestehenden biegsamen Leiter (Fig. 381), wie sie auf den Tafeln XY, XYI, XX und XXY dargestellt sind. Um einen guten Kontakt zu sichern, sollten die Endverbindungen aus kräftigen Metallstücken bestehen; auf dem Steller sind dies gewöhnlich mit Augen versehene Zapfen (Polschuhe) aus Kupfer oder Messing, in welche die Enden der biegsamen Kabel eingelötet werden. Die anderen Enden werden an passend gestaltete fingerhutähnliche Sockel am Schaltbrett angelötet. Fig. 382 zeigt einen solchen Sockel.

Kapitel XVII.

Bestimmung der Verluste, der Erwärmung und des Spannungsabfalles.

In diesem Kapitel soll die Bestimmung der Verluste, der Erwärmung und des Spannungsabfalles untersucht werden, da diese Werte maßgebend bei jedem Entwurf einer Maschine sind und aus den Zeichnungen mit ziemlicher Genauigkeit zu entnehmen sein müssen. Wegen der zunehmend geringeren Wichtigkeit der zweipoligen und der Maschinen mit glatten Ankerkernen werden wir in diesem und dem nächsten Kapitel (welches von dem Entwurf von Gleichstrommaschinen handelt) vorwiegend vielpolige Maschinen mit Zahnankern behandeln.

Die bei einer Dynamomaschine oder einem Motor auftretenden Verluste lassen sich in folgende sechs Gruppen zusammenfassen:

A)    Kupfer Verluste. Diese bestehen aus den i²B-Verlusten in den Anker- und etwaigen Ausgleichspulen, sie wachsen mit der Belastung, sind aber unabhängig von der Geschwindigkeit.

B)    Eisenverluste. Diese bestehen aus den Wirbelstrom-und den Hystereseverlusten, die in den Ankerkernscheiben durch die Änderungen der Kraftliniendichte, denen sie bei jeder Umdrehung unterworfen sind, entstehen. Sie ändern sich wenig mit der Belastung, werden aber stark von der Geschwindigkeit beeinflußt. Bei Maschinen mit Zahnankern treten noch gewisse derartige Verluste auf, die von Wirbelströmen in den Polspitzen herrühren.

C)    Erregungsverluste entsprechend der in den Magnetwickelungen durch den Erregerstrom erzeugten Wärme.

D)    Kommutatorverluste. Diese bestehen 1. aus i²B-\er-lusten wegen des Kontaktwid erstand es, 2. aus der Bürstenreibung und 3. aus Verlusten durch Funkenbildung und durch Wirbelströme in den Kommutatorstäben. Von diesen brauchen der Regel nach nur die unter 1. und 2. erwähnten berücksichtigt zu werden.

Auch geringe Lokalströme in den Bürsten verursachen noch einen kleinen Energieverlust.

E) Reibungs- und Luftwiderstände. Dahin gehört die Lagerreibung, welche nur von der Belastung abhängt, und der Luftwiderstand des sich drehenden Ankers, der, von der Belastung unabhängig, sich nur mit der Geschwindigkeit ändert.

E) Sekundäre Kupferverluste. Diese sollen für sich betrachtet werden.

A) Kupferverluste.

Es bezeichne:

wc den gesamten Kupferverlust der Maschine, ra den Widerstand des Ankers (warm), rm den Widerstand der Reihenwickelung (warm). ia den Ankerstrom bei voller Belastung,

e die Gesamtlänge der Ankerleiter in Meter, einschließlich der Endverbinder,

q den Querschnitt der Ankerleiter in Quadratmillimeter.

Dann ist der gesamte Widerstand der Ankerleiter, wenn man sie ohne Berücksichtigung der Gruppierung als alle in Reihe geschaltet ansieht

r== 0,0169 • [1 -f 0,004 (* — 15)] • -

bei der Temperatur von t Grad C. Für t — 60 Grad (vergl. S. 148) ergibt sich hieraus

r — 0,0200 •

Der wirkliche Ankerwiderstand r hängt aber von der gewählten Wickelung und der Zahl der parallelen Stromkreise von Bürste zu Bürste ab, wofür auf S. 350 Regeln gegeben worden sind. Für alle zweipoligen Maschinen und einfach in Reihe geschalteten vielpoligen Anker mit nur zwei Kreisen wird

r a = Vé T-

Bei einfachen parallel geschalteten, vielpoligen Ankern, die sich in Feldern von p Polen bewegen, wird weil dort so viel Stromkreise als Pole vorhanden sind. Dann ist der

Kupferverlust der Maschine

Eine gute Hilfe bei der Berechnung der Kupferverluste bietet die Tabelle XI, S. 166, die die Beziehung zwischen der Stromdichte und dem Energieverlust im Kupfer angibt.

B) Eisen Verluste. Für die Berechnung des Hystereseverlustes können wir entweder die auf S. 100 angegebene Formel benutzen oder, noch besser, eine durch Versuche an dem wirklich verwendeten Eisen ermittelte Kurve, wie z. B. die Fig. 56 darstellt, deren Ordinaten unmittelbar die Verluste in Watt für 1 kg Eisen bei den durch die Abscissen dargestellten Stromdichten angeben, unter der Annahme von 30 Perioden in der Sekunde. Um z. B.

den Hystereseverlust in einem Zahnanker zu ermitteln, verfahren wir folgendermaßen: Zunächst wird die Zahl der vollständigen magnetischen Umkehrungen v ermittelt aus der Formel Umdrehungen in der Minute

60

v = V*

wo die Zahl der Feldpole bedeutet.

Sodann sind die wirklichen Kraftliniendichten 33₄ und in den Zähnen und dem Kern zu bestimmen. Aus der oberen Kurve der Fig. 56 erhalten wir dann den Verlust für 1 kg Eisen bei diesen Dichten. Multiplizieren wir die beiden so erhaltenen Zahlen mit dem ganzen Eisengewicht in den Zähnen und dem Kern und addieren beide Produkte, so erhalten wir den Hystereseverlust im Anker bei v = 30 Perioden in der Sekunde. Ist die Frequenz höher oder kleiner als 30, so ist auch der Hystereseverlust im gleichen Verhältnis größer oder kleiner. Statt aus dem Gewicht des Eisens, können diese Werte auch aus dem Inhalt in Kubikzentimeter durch die in der Fig. 57 gegebenen Kurven berechnet oder aus der Tabelle V, S. 101, bestimmt werden.

Die Wirbelstromverluste sind dem Quadrate der Kraftliniendichte, der Frequenz und der Stärke der Kernscheiben proportional; sie können aus der Formel (S. 102): Verbrauch für 1 cm3 Ww — 0,162 d²-v²-33²-10~¹² entnommen werden, worin cl die Stärke der Kernscheiben in Millimeter bedeutet. Da diese Formel aber nicht auf den Umstand Rücksicht nimmt, daß durch die Bearbeitung des Ankers immer einige Kernscheiben kurzgeschlossen werden, so ergibt sie stets etwas zu kleine Werte. Der Fehler wird zum Teil dadurch ausgeglichen, daß die Formel den spezifischen Widerstand des Eisens bei 0 Grad enthält, während der Anker im Betriebe ziemlich warm wird, und das Anwachsen des Widerstandes den Wirbelstromverlust verringert.

Eine Benutzung der unteren Kurve der Fig. 56 wird meist gute Werte liefern, und sie ist dabei bequemer, da die Kurve unmittelbar den Wirbelstromverlust für 1 kg Eisen bei verschiedenen

Kraftliniendichten und 30 Perioden in der Sekunde gibt, die in England übliche Stärke der Bleche von ⁵/₈ mm vorausgesetzt. Es wird dabei ein Korrektionsfaktor berücksichtigt, der den von dem nachträglichen Abdrehen des Kernes herrührenden Verlust deckt. Ist die Frequenz oder die Blechstärke größer oder kleiner, als die der Kurve zu Grunde liegenden Werte, so muß das Endergebnis im quadratischen Verhältnis der Frequenz oder der Blechstärke vergrößert oder verkleinert werden. Die Tabelle VI, S. 102, und die Kurven der Fig. 58 sind gleichfalls brauchbar.

Wir haben oben angenommen, daß die Masse des tätigen Eisens mit der des wirklich im Anker vorhandenen Eisens übereinstimmt; dies trifft aber nicht genau zu, da einzelne Zähne und vielleicht auch ein kleiner Teil des Kernes von den von Pol zu Pol verlaufenden Kraftlinien nicht geschnitten werden. Der Fehler ist jedoch vernachlässigbar und kann gegen den Wirbelstromverlust in den Polflächen, der nicht zu berechnen ist, aufgerechnet werden. Der Eisenverlust im Anker ist also we — ww-\- Wp, worin ww und wp die, wie eben gezeigt, gesondert bestimmten Werte der Wirbelstrom-und der Hystereseverluste sind.

C) Erregungsverluste. Ist rn der aus einer der vorher gegebenen Widerstandsformeln berechnete Widerstand der warmen Hebenschlußwickelung nnd E die Spannung an deren Klemmen bei

voller Belastung, so ist

(H

der wirkliche Erregungsverlust.

Hierzu muß noch der Verlust im Nebenschluß-Regelungswiderstand hinzugerechnet werden, falls ein solcher vorhanden ist, woraus sich der Gesamtverlust w ergibt. Dieser bewegt sich bei Nebenschlußmaschinen je nach deren Größe in den Grenzen von 1 bis 10 Prozent der Leistung. Als Anhalt beim Entwerfen kann nachstehende Tabelle dienen, die die nach dieser Richtung hin zulässigen Höchstwerte des Verlustes angibt.

rn

Leistung der Maschine in Kilowatt

Erregungsverlust in Prozent der Leistung bei Vollast

io

20

3°

50

IOO

200

3°°

5°o

1000

2oco

m in 0 m ino o m <n o oin 10 m tj- cn co cf cf ef « h h

cO

D) Stromwënderverluste. Der Widerstand an der Berührungs-fläche zwischen Bürste und Stromwender hängt im wesentlichen ab: 1. vom Material der Bürste, 2. vom Lagerdruck, 3. von der Umfangsgeschwindigkeit des Stromwenders und 4. der Stromdichte in den Bürsten. Auch andere Umstände, wie der Zustand des Stromwenders und der Bürsten, die Federung und das Gewicht der Bürstenhalter und dergl. wird den Kontaktwiderstand mehr oder minder beeinflussen.

Der Spannungsabfall am Stromwender und der davon herrührende Energie Verlust kann auf dem in Kapitel X, S. .219, angegebenen Wege geschätzt werden. Überschläglich kann man annehmen, daß bei Kohlenbürsten mit einer Stromdichte von etwa 6,4 Ampere und einem Druck von 0,1 kg auf 1 cm² der Berührungsfläche der Spannungsabfall zwischen 1,6 bis 2Yolt bei der Maschine betragen wird, d. i. 0,8 bis IVolt an der -f- und ebensoviel an der — Bürste; bei Kupferbürsten ist der Abfall meist weniger als ¹/₁₀ dieses Betrages. Daher gibt die Stromstärke mit 1,6 oder 2 multipliziert den Yerlust in Watt.

Beispiel. Bei der großen Maschine für metallurgische Zwecke von Brown in Kapitel XIX ist die Stromstärke bei Yollast 4000 Ampere. Bei einem Spannungsabfall von 2Yolt wird also der Stromwenderverlust des Kontaktwiderstandes gleich 2 X 4000 = 8000 Watt sein.

Der Reibungsverlust der Bürsten hängt von dem Bürstenlagerdruck, der Umfangsgeschwindigkeit des Stromwenders und dem Reibungskoeffizienten zwischen beiden ab. Wenn Bürsten und Stromwender sich in gutem Zustande befinden, kann dieser Koeffizient bei Kohlenbürsten zu 0,3, bei Kupferbürsten zu 0,2 genommen wmrden. Um den Yerlust in Watt zu berechnen, multiplizieren wir den Druck auf den Stromwender in Kilogrammen mit dem Reibungskoeffizienten und-mit der Umfangsgeschwindigkeit in Metern in der Sekunde, und multiplizieren mit 9,8, so erhalten wir den Yerlust in Watt.

Beispiel. Xehmen wir bei derselben Maschine den Bürstendruck = 0,1 kg/cm², die gesamte gedrückte Fläche zu 1000 cm², den Reibungskoeffizienten zu 0,3 und die Umfangsgeschwindigkeit zu 17 m in der Sekunde, so ist der Reibungsverlust = 0,1 • 1000 • 0,3• 17 • 9,8 = 5000 Watt. Beim Abschätzen der Stromwenderverluste muß man sorgsam beachten, daß, w'enn der Stromwender und die Bürsten sich in schlechter Yerfassung befinden (sowohl elektrisch als mechanisch), der Verlust erheblich größer ausfallen kann, als er nach vorstehender Berechnung sein sollte.

Erwärmung des Stromwenders. Bezeichnet Wb die gesamten elektrischen und mechanischen Stromwenderverluste in Watt, $ die wärmeausstrahlende Oberfläche des Stromwenders in Quadratzentimetern, v die Umfangsgeschwindigkeit in Metern in der Sekunde, 2) die höchste (Betriebs-) Temperaturerhöhung in Zentigraden, dann ist nach Versuchen von Arnold

300

g (1 + 0,1

Nach Parshall und Hobart wird die Temperaturerhöhung des Stromwenders bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 12,5 m/sec selten 25 Grad übersteigen, wenn für 1 Watt 5 cm² ausstrahlender Umfangsfläche zur Verfügung stehen; bei durchlüfteten Stromwendern kann dieser Wert noch erheblich günstiger werden.

E) Reib un gs- und Luftwiderstandsverluste. Diese können naturgemäß nur mit geringer Sicherheit berechnet werden; sie werden meist vom Konstrukteur nach Erfahrungen an früher ausgeführten Maschinen derselben Gattung nach Prozenten der Leistung bei voller Belastung geschätzt. Unmittelbar gekuppelte Maschinen haben kleinere Reibungsverluste als solche mit Riemen-oder Seilantrieb, und Maschinen mit kleineren Geschwindigkeiten auch kleinere mechanische Verluste, als solche mit großen Tourenzahlen bei gleicher Leistung. Bei Maschinen mit Seil- oder Riemenbetrieb und üblicher Geschwindigkeit hat die Erfahrung den Wert (Jer mechanischen Verluste zu 3 bis 1 Prozent bei Leistungen von 10 bis 300 Kilowatt ergeben. Eine Näherungsmethode zur Bestimmung der mechanischen Verluste findet man in Eischer-Hinnens Gleichstromdynamomaschinen.

Wirkungsgrad. Sind die Verluste einzeln bestimmt, so ist es sehr einfach, den Wirkungsgrad der Maschine bei der Belastung, für welche die Berechnungen angestellt sind, zu ermitteln. Unter Wirkungsgrad verstehen wir hier einfach das Verhältnis zwischen der Leistung, die wirklich von der Dynamomaschine elektrisch an die Hauptleitung abgegeben wird, zu der mechanisch an der Ankerwelle aufgewendeten Leistung, beide meist in Watt ausgedrückt, so

daß wir den Wirkungsgrad als können.

■= Y] schreiben

Erhaltene Watt

Ausgegebene Watt

Es liegt kein besonderer Yorteil darin, den Wirkungsgrad noch zu trennen in »elektrischen Wirkungsgrad« und dergl., da die vorhin gegebene Definition alles einschließt. Ist W die Leistung der

19,000

KW

15,000 14,000 13,000 12,000

11,000

10,000

IOO

9.000

vmiRKUNOSG

o/o.

90

80

6,000

7,000

■><

70

C,000

*60

5,000

SO

4,000

40

3,000

KERNVpffUJST

■*30

2,000

VERLUST m wetjtriäCHLüis u.res.'vio.

20

1,000

Y ERLÖST IM KC

10

40

80

rr

IdUPTsquivss o

ÎEG VVID-

L20    160    200    240    280    320    360    400

ÄUSSERER STROM.

Fig- 383. Wirkungsgrad und Verluste einer Gleichstrommaschine (MP6, 200 Kilowatt, 135 Umdrehungen, 500 Volt).

Maschine, und 2w die Summe aller der nach dem vorigen bestimmten Verluste, so ist vj =

X 100 der wahre

TT+ 2 w

oder gesamte Wirkungsgrad in Prozenten ausgedrückt. Der Wirkungsgrad ändert sich mit der Belastung, da die ihn beeinflussenden Verluste sich nicht proportional der Belastung ändern. Die Kernverluste und ebenso der Erregungsverlust der Nebenschlußspulen ist bei allen Belastungen nahezu konstant. Wie groß der Wirkungsgrad bei 1/2, ¹li oder l¹/^ Belastung sein wird, hängt wesentlich von dem Anteil ab, der auf die verschiedenen Verluste entfällt. Bei Leerlauf sind nur Hysterese, Wirbelströme im Eisenkern, Erregungsverluste

und Reibung vorhanden. Steigt die Belastung, so kommt der Wärme-verlust im Anker und der Reihenwickelung hinzu, der mit dem Quadrate der Stromstärke wächst. Der Wirkungsgrad, der bei Leerlauf — Null ist, steigt daher bei Belastung zu einem Maximum, das bei gut gebauten Maschinen mit der normalen Yollast zusammenfällt, aber auch bei halber und selbst bei viertel Belastung schon annähernd erreicht ist. Die typische Form der Kurve des Wirkungs-11,000 -----,----,--------

10,000

9,000

8,000

NEBENSCHLUSS

7,000

bj

o

6,000

6,000

4,000

ul

UJ

CL

«f—

3,000

2,000

1,000

ÄUSSERER S”ROM

40    80    120 Î6Ô 200    2.40    280    320    380    400    44Q

Fig. 384. Felderregung einer Maschine mit gemischter Wickelung (dieselbe wie in Fig. 385).

grades zeigt die Fig. 383, die auch die Werte der einzelnen Verluste bei verschiedenen Belastungen enthält. Diese Kurven beziehen sich auf eine sechspolige Maschine von 200 Kilowatt, die von der General Electric Co. der Central London Railway geliefert und von Parshall und Hobart beschrieben ist (Electric Generators, S. 100). Fig. 384 zeigt, wie die Erregung bei derselben Maschine durch die kom-poundierende Wirkung der Reihenspulen selbsttätig mit der Belastung steigt.

F) Sekundäre Kupferverluste. Außer den gewöhnlichen, vom Widerstand der Ankerleiter herrührenden Verlusten gibt es noch solche, deren Ursache noch dunkel ist und die den gemessenen

Wirkungsgrad herabmindern. Dahin gehört z. B. die Entstehung von Wirbelströmen in den Polstücken und in den Kupferleitern selbst. Hiermit verwandt ist das Ansteigen des Widerstandes, das zu beobachten ist, wenn der Strom im Leiter aus irgendwelchem Grunde sich nicht gleichmäßig auf den Querschnitt verteilt, wde auf S. 404 erklärt wurde.

Auch im Stromwender entstehen durch Streufelder, die die Bürsten und Halter umgeben, WTirbelstromverluste, diese sind aber im Vergleich zu den vorher erwähnten sehr gering. Ist der Anker

W W!>

Ci'

-----*o\!

X, x₂

O ANKERWINDUNGEN FÜR EIN POLPAAR

Fig. 385. Sättigungskurve.

nicht mit ausgleichenden Verbindern versehen (S. 377), so entstehen noch Wärmeverluste, da die Belastung wegen der ungleichen Stromverteilung auf die verschiedenen Stromkreise der Ankerwickelung ansteigt.

Berechnung des Spannungsabfalles. Im Kapitel VI war gezeigt, wie die Sättigungskurve einer’Dynamomaschine, d. i. die Kurve, die die Abhängigkeit zwischen den Amperewindungen und der durch sie hervorgebrachten nutzbaren Feldstärke im Luftzwischenraum darstellt, zu konstruieren ist. In Fig. 385 ist OC eine solche Sättigungskurve, deren Abscissen die Amperewindungen und deren Ordinaten die von den Leitern geschnittenen Kraftlinien darstellen. Nun zeigt uns die Grundgleichung (S. 256)

p n-N-O

10⁸

JüJ = — • ---

daß die elektromotorische Kraft = Oa X einer Konstanten ist, die von der Bauart und dem Betrieb der Maschine abhängig ist und mit j bezeichnet werden möge. Die Kurve gibt also in den Ordinaten die induzierte elektromotorische Kraft, d. i. JE —j• Oa der Maschine für verschiedene Erregungen bei konstanter Geschwindigkeit, mit anderen Worten, sie ist die Charakteristik bei der Belastung Null. Wenn die Kurve der Fig. 385 einer bestimmten Maschine entspräche, so könnten wir daraus entnehmen, wie groß der Spannungsabfall bei konstanter Geschwindigkeit und Erregung sein wird, und -sogleich den Betrag der Kompoundierung bestimmen, der zur Erhaltung gleichbleibender Klemmenspannung bei Belastung erforderlich ist. Die Ordinate OV stelle diese konstante Spannung dar. Offenbar muß die Erregung bei Leerlauf Xl Amperewindungen betragen. Bei voller Belastung, bei der der Strom = ia sei, wirken drei Ursachen auf eine Verringerung der Spannung hin, nämlich: a) der ohmische Widerstand der Ankerleiter und der vom Hauptstrom durchflossenen Spulen, b) die entmagnetisierende Wirkung der Ankerwickelung und c) die nur bei Schlitzankern in Betracht kommenden Wirkungen der Verzerrung des Ankerfeldes. Die beiden ersten Ursachen kann man leicht berücksichtigen. Der Spannungsverlust bei voller Belastung ist offenbar

e = irra +

wobei das zweite Glied bei Nebenschlußmaschinen wegfällt. Fügen wir diese Größe zur Ordinate OV hinzu, so erhalten wir in OE die Spannung, die im Anker wirklich erzeugt werden muß, und diese erfordert eine Erregung von W₂ Amperewindungen. Da es häufig erwünscht ist, die Ankermaße eines vorläufigen Entwurfs mit Hilfe dieser Angabe zu ermitteln, mag die nachstehende Tabelle überschläglicher Werte von e in dieser Hinsicht von Nutzen sein.

Leistung der Maschine in Kilowatt

Spannungsverlust vom Hundert der Spannung bei voller Belastung bei

Nebenschlußmaschinen

Verbundmaschinen

io

25

50

100

200

5°°

1000

2000

3-5

2,5

1.5

» KJ CO 4^ Cn 0\-J CO O

19

Von den entmagnetisierenden Windungen des Ankers wissen wir im allgemeinen, daß sie in dem Winkel der Bürsten Verschiebung

liegen. Nehmen wir an, daß die Bürsten bei voller Belastung gerade unter den Polspitzen liegen, so erhalten wir die entmagnetisierenden Amperewindungen durch Multiplikation der Zahl der zwischen zwei benachbarten Polspitzen liegenden Leiter mit der Stromstärke-in ihnen.

Dieses Produkt multiplizieren wir noch mit dem Streuungskoeffizienten v; da ihre Wirkung auf das Feldsystem aufgehoben werden muß, fügen das Ergebnis zu dem Werte _V₂ hinzu und erhalten dadurch den Punkt W₃. Durch Projektion dieses Punktes auf

fi B

—V*--

A!

;U

a:

E¹

Fig. 386. Feldverteilung vor der PolflUche bei glattem Anker.

Fig. 387. Feldverteilung vor der Polfläche bei gezahntem Anker.

die Kurve erhalten wir in der Ordinate = OE₁ die erforderliche Gesamtspannung.

Bei glatten Kernen bringt die Verzerrung des Feldes im Luftzwischenraum keinen Spannungsabfall hervor. Es sei in Fig. 386 AB die Breite einer Polfläche, EF die Feldstärke im Luftzwischenraum, dann ist die Fläche AB CD proportional der wirksamen Kraftlinienzahl Oa und wir können diesen durch das Rechteck dargestellten Wert als gleichmäßig auf den Luftzwischenraum verteilt ansehen. Bei voller Belastung ist die Kraftlinienzahl am vorderen Polhorn größer, am hinteren kleiner, etwa wie durch AHGB dargestellt und da die Durchlässigkeit des Zwischenraumes überall gleich groß ist, muß diese Fläche gleich dem Rechteck AB CD sein. Wenn z. B. Xz die Zahl der Amperewindungen für den Luftzwischenraum und Xv die der unter den Polen liegenden und die Verzerrung verursachenden Amperewindungen, so ist die

X₈ - Xv,

Linie FE proportional Xs,

„ ah

„ BG

Xg +

es findet also bei glatten Kernen keine Verminderung der gesamten Kraftlinienzahl statt.

Wir erhalten also aus der Fig. 385 unmittelbar die Zusatzwickelung für eine Maschine mit solch einem Anker. Wir sehen, daß, wenn wir die Belastung abschalten, die Geschwindigkeit der Maschine aber die gleiche bleibt, die Spannung vom Werte OV auf den Wert OEl steigt. Die zusätzliche Amperewindungszahl ist also durch X₃— X₁ gegeben, die Amperewindungszahl des Nebenschlusses durch X,. Bei reiner Nebenschlußwickelung müßte man also in den Nebenschlußkreis einen Regelwiderstand einschalten, durch den die Zahl der Amperewindungen von XL bei Leerlauf auf X₃ bei voller Belastung geändert werden kann.

Bei Zahnankern muß die Verzerrung des Feldes berücksichtigt werden, weil die Durchlässigkeit der Zähne nicht gleichmäßig ist. Es sei, wüe vorher, das Rechteck AB CB (Fig. 387) proportional der wirksamen Kraftlinienzahl, EF gleich der Feldstärke im Luftzwischenraum. Wäre die Durchlässigkeit der Zähne konstant, so könnte man das Feld vor der Poloberfläche als gleich dem Werte bei Leerlauf betrachten, nur ungleich verteilt, wie durch AHGB dargestellt. Die an dem vorderen Polhorn vergrößerte Kraftliniendichte verringert die Durchlässigkeit der dort befindlichen Zähne und umgekehrt bewirkt die Verkleinerung der Kraftlinienzahl am hinteren Polhorn eine Vergrößerung der Durchlässigkeit der dort liegenden Zähne, so daß die Linie HF G die Form der Kurve KL annimmt; diese Form ist die der Sättigungskurve über diesen Bereich. Wie man sieht, ist die Fläche A KL B erheblich kleiner als AH GI?, es findet also eine Verringerung der wirksamen Kraftlinienzahl Oa und folglich ein entsprechender Spannungsabfall statt, der in der Regel um so größer ist, je größer die Kraftliniendichte in den Zähnen ist.

Die Zahl der Zusatzamperewindungen, die zum Ausgleich der Wirkung der Verzerrung des Nutzfeldes erforderlich ist, wird folgendermaßen bestimmt. Es sei OL in Fig. 388 die Sättigungskurve der fraglichen Maschine, OXl und OXg die auf dem oben gezeigten Wege bestimmten, für die Leerlauf-, beziehentlich Vollastspannung erforderlichen Amperewindungen (ohne Berücksichtigung der Verzerrung); nun trage man

OA = Xs — Xv und OB=Xg + Xv

auf 01 ab, dann stellt ^4 das hintere, B das vordere Polhorn dar. Wäre keine Verzerrung vorhanden, so würden die zur Erzeugung einer Spannung von Fy Volt notwendigen Amperewindungen im Luftzwischenraum ein Eeld hervorbringen, das der Eläche AB CD proportional wäre. La aber Verzerrung vorhanden ist, ist das Eeld der kleineren Fläche ABLK proportional. Wir müssen nun den Punkt F so weit auf der Kurve verschieben, daß die Eläche Ay By Ly Ky

I    L_ji

E,

1)

.......!c

ä; x,a:

Fig. 388. Berechnung der Windungen zum Ausgleich der Feldverteilung.

gleich AB CD wird. Daraus erhalten wir in dem Punkte W₄ die der vollen Belastung entsprechende Zahl der Amperewindungen. Damit also die Klemmenspannung bei voller Belastung gleich 0 V ist, müssen bei Verbundwickelung die Keihen-Amperewindungen gleich _V₄— JV₄ und die Nebenschluß-Amperewindungen Xy sein. Handelt es sich um eine Nebenschlußmaschine, so muß der Nebenschluß-Regulierwiderstand im stände sein, die Zahl der Ampere-windungen von W₄ auf zu verringern. Ohne Regulierwiderstand würde bei konstanter .Geschwindigkeit der Spannungsabfall zwischen Vollast und Leerlauf gleich 0E₂—OV sein.

Die Vorausbestimmung des Spannungsabfalles und des Wertes der Zusatzwickelung kann nach diesen Methoden naturgemäß nicht

genau sein; das läßt sich durch einen rechnerischen Vorgang allein überhaupt nicht erreichen, und ist auch in der Tat gar nicht notwendig. In der praktischen Ausführung hat der Regulierungswiderstand bei Rebenschlußmaschinen genügend Spielraum, die etwa vorhandene Ungenauigkeit auszugleichen, und Kompoundwickelungen werden stets auf Grund von Versuchen im Prüfraum justiert. Die Vorausbestimmung des Spannungsabfalles ist daher nur zur Ermittelung des Wickelungsraumes der Magnetspulen erforderlich und hierfür gibt die vorstehend beschriebene Methode sehr gute Ergebnisse.

e₂-

X,

Fig. 389. Berechnung des Widerstandsregulators für eine Nebenschlußwickelung.

Widerstand des Nebenschlußregulators. Kennen wir die WTerte X₁ und JV₄ (beziehentlich Xx und W₃ bei glatten Kernen), so ist die Bestimmung des Widerstandes des Nebenschlußregulators sehr einfach. Ist in Fig. 389 OC die Leerlaufkurve der Maschine, sind X₁ und _V₄ die Amperewindungszahlen bei Leerlauf, bezw. voller Belastung, und ist der Regulator bei voller Belastung kurzgeschlossen, so finden wir die Punkte P und Q durch Aufwärtsprojizieren und verbinden sie beide mit 0. Dann ist, wenn S₆ die Zahl der Windungen im Nebenschluß bedeutet, der Nebenschlußstrom bei Leerlauf X₁ :    und bei voller Belastung Al₄ : Ss, daraus er

gibt sich

r„ =

Ss-OV

= tg a₂ und

rn + rr = -

Sg-OV

= tg «i.

Schneidet man anf OX ein Stück gleich OR — der Zahl der Nebenschlußwindungen Ss im selben Maßstab wie A4 und X ab, und errichtet ein Lot R T, so ist

rn

_ RS

r„ + F,~ RT

Dann gibt (RT—RS) unmittelbar den Wert rr in Ohm und kann seinem Werte nach ausgemessen werden.

Im Kapitel XXYI über Regulierwiderstände findet man einige Methoden zum Entwerfen dieser Hilfsvorrichtungen angegeben und eine Tabelle der geeigneten Legierungen für Widerstandsdrähte.

Regelnder Nebenschluß. Um die Wirkung der Zusatzwickelungen zu regeln, wird zu ihnen oftmals ein Eisenwiderstand im Nebenschluß gelegt. Mit der Belastung steigt die Erwärmung dieses Nebenschlusses und damit sein Widerstand im Verhältnis zu den Kupferspulen, wodurch die Wirkung der Zusatzwickelung vergrößert wird.

Eigenregelung. Die regelnden Eigenschaften einer Maschine lassen sich auch in der Weise bestimmen, daß man durch Versuche oder Berechnung aus der Sättigungskurve feststellt, um wieviel Volt die Spannung steigt, wenn die Maschine mit den gesamten Amperewindungen erregt wird. Die sich hierbei ergebende Spannungserhöhung kann zum Unterschied vom Spannungsabfall als Eigenregelung bezeichnet werden.

Kapitel XVIII.

Das Entwerfen von Gleichstrommaschinen.

Die Kunst, Dynamomaschinen zu entwerfen, läßt sich ohne Praxis und Erfahrung nicht erlernen; wie alle übrigen Zweige der technischen Wissenschaft beruht sie auf gewissen fundamentalen Grundsätzen, die in bestimmter Form niedergelegt sind und genau gelehrt werden können; aber in ihrer Anwendung zur Befriedigung der Forderungen einer stetig sich ausdehnenden Industrie ist Spielraum genug zur Betätigung persönlichen Könnens. Zeit und Erfahrung haben zwar die allgemeinen Umrisse gelehrt, in denen sich der Entwurf bewegen muß, aber noch niemals ist es jemand gelungen, bloß nach Kegeln eine gute Dynamomaschine zu entwerfen. Eine Kenntnis von elektrischen und mechanischen Grundprinzipien, vom Maschinenwesen und von den vorhandenen erfolgreichen Formen, das durchdringende Verständnis für die Gründe, warum sie erfolgreich waren, diese und noch viele andere Kenntnisse sind zum Entwerfen von Maschinen notwendig, die in dem heutigen scharfen Wettbewerb sich bewähren sollen. Diese Kunst bedarf des Auges zum Sehen nicht weniger, als des Geistes zum Verstehen.

Die erforderlichen Formeln und Berechnungen sind zum größten Teil schon in den vorhergehenden Kapiteln enthalten. Ein sorgfältiges Studium dieser und der genauen in diesem Kapitel gegebenen Berechnung anerkannt guter Maschinen wird die üblichen Methoden ausreichend klar machen. Zudem werden wir noch eine größere Zahl von praktischen Angaben und eine Anleitung zum Entwerfen beifügen, wobei auf die Ausführungsbeispiele des nächsten Kapitels Bezug genommen wird, und hoffen auf diese Weise dem Leser einen klaren Einblick in die Methoden verschaffen zu können. Anders vorzugehen wäre zwecklos, da so sehr viel auf das Können und die Erfahrungen des Entwerfenden ankommt, auf die Art der Maschine und die in Bezug auf Geschwindigkeit, Leistung, Spannung, Regelung und Erwärmung gestellten Bedingungen, denen entsprochen werden muß, so daß feste, auf jeden einzelnen Fall zutreffende Regeln sich unmöglich aufstellen lassen. Die nachstehenden Bemerkungen und Ausführungskonstanten beziehen sich durchweg auf neuere größere Maschinen mit genuteten Trommelankern und vielpoligen Feldmagneten, soweit nicht ausdrücklich angegeben ist, daß sie sich auf andere Typen beziehen.

Es gibt zwei Hauptwege zum Entwerfen einer Dynamomaschine, die bestimmte Anforderungen in Bezug auf Funkenlosigkeit, Erwärmung und Wirkungsgrad erfüllen soll; Leistung, Geschwindigkeit und Spannung sollen in beiden Fällen als gleich angenommen werden. Bei einer bestimmten Polzalil und Ankerleiterzahl können die Gegenwirkungen des Ankers niedrig gehalten werden, indem man entweder a) Kraftliniendichten in den Zähnen von weniger als 16 000 Linien auf 1 cm² bei großem Luftzwischenraum, oder b) Dichten von über 17 500 Linien in den Zähnen mit kleinem Luftzwischenraum anwrendet; denn der hohe Widerstand der Zähne bei solchen hohen Kraftlinien dichten wirkt wie eine Vergrößerung des Luftzwischenraumes. Der erste Weg entspricht europäischer, der zweite amerikanischer Praxis. Es scheint, daß der letztere in Bezug auf das Vermeiden des Funkens der bessere ist (in Bezug auf Wirkungsgrad und Erwärmung sind beide gleich), daher wählen wir ihn, da wir so eine günstigere Maschine erhalten.

Koch nach einer anderen Richtung können die beim Entwerfen befolgten Wege voneinander abweichen. Man kann entweder damit beginnen, nach allgemeiner Erfahrung Geschwindigkeit, Größe und elektrische Verhältnisse anzunehmen, dann die Hauptmaße des Entwurfs festzulegen, die in den verschiedenen Teilen in Wärme umgesetzte Energie zu berechnen und so den Wirkungsgrad bestimmen, und dann die ersten Verhältnisse zu ändern, je nachdem die Erwärmung irgend eines Teiles zu groß oder zu klein sich erwiesen hat. Oder aber man beginnt damit, nach Erfahrungssätzen im voraus zu bestimmen, wieviel Energieverlust wir in den einzelnen Teilen zulassen wollen — so viel Watt im Eisenkern, so viel im Kupfer des Ankers, so viel in den Feldspulen. Daraus ergibt sich ein bestimmtes Bild der erforderlichen kühlenden Oberfläche, der zulässigen Stromdichten im Kupfer und der Kraftliniendichten im Eisen. Dieses Vorgehen bietet manche Vorteile. Ähnliche Erwägungen sind schon seit langer Zeit beim Entwerfen von Transformatoren maßgebend gewesen und allmählich auch als vorteilhaft beim Entwerfen von Dynamomaschinen erkannt worden. Wenn in dieser Weise die zulässigen Verluste im allgemeinen angenommen sind, und man richtet nun sein Augenmerk darauf, eine funkenfreie Stromumkehrung zu erreichen, so wird man finden, daß der Entwurf in Bezug auf Wirkungsgrad genügen wird.

Wollte man umgekehrt allgemeine Annahmen in Bezug auf Stromumkehrung machen, und nun nur einen möglichst guten Wirkungsgrad erstreben, so würde man finden, daß der Entwurf eine keineswegs fehlerlose Ausführung darstellte.

Die neuere Entwickelung des Gegenstandes hat das Vorgehen sehr vereinfacht; obwohl eingehende Berechnungen wiederholt werden müssen, um den Einfluß kleiner Abänderungen kennen zu lernen, so besteht doch über die wesentlichen Punkte bei jedem verlangten "Entwurf keine Ungewißheit mehr. Auch noch in anderer Hinsicht ist das Entwerfen von Dynamomaschinen fortgeschritten. Früher wurde der Entwurf hergestellt, ohne daß man genau wußte, welche Spannung die Maschine bei den verschiedenen Geschwindigkeiten geben würde, und man bestimmte die Geschwindigkeit erst durch Versuche an der fertigen Maschine, indem man ihr eine Riemenscheibe von solcher Größe gab, daß die Betriebsbedingungen erfüllt wurden.

Heute, wo die meisten Dynamomaschinen unmittelbar von einer Dampfmaschine oder einer Turbine angetrieben werden, wird die Geschwindigkeit durch die Antriebsmaschine im voraus festgelegt. Daher geht jetzt jeder Entwurf von einer bestimmt vorgeschriebenen Geschwindigkeit, Spannung und Stromstärke aus.

Beziehung der Gröfse zur Leistung und Geschwindigkeit

Umdrehungszahl. Beim Entwerfen einer Reihe von Dynamomaschinen mit verschiedenen Leistungen muß man im Auge behalten, daß die Umdrehungszahlen von der Antriebsmaschine abhängig sind, und daß man eine 1000 Kilowatt-Maschine nicht mit derselben Umdrehungszahl betreiben kann, wie eine solche von 10 Kilowatt. Man darf auch nicht annehmen, daß die Umdrehungszahl umgekehrt¹) proportional der Quadratwurzel aus der Leistung ist; wenn eine

zehnpferdige Maschine einer bestimmten Gattung 800 Umdrehungen in der Minute macht, wird eine lOOOpferdige derselben Art etwa ¹/ also 80 Umdrehungen machen.

10r

Betreffs der Beziehung zwischen Ankergröße und Umdrehungszahl ist zu beachten, daß die Zentrifugalkraft für jedes Kilogramm Masse am Umfang direkt proportional dem Radius ist, während bei gegebener Umfangsgeschwindigkeit die Zentrifugalkraft umgekehrt proportional dem Radius ist. Die Rücksicht auf hinreichenden Widerstand gegen die Wirkungen der Zentrifugalkraft verlangt also, daß Maschinen mit großem Durchmesser mit geringerer Umdrehungszahl laufen müssen, aber mit größerer Umfangsgeschwindigkeit laufen können, als solche mit kleinem Durchmesser. Die üblichen Umfangsgeschwindigkeiten können aus folgender Formel entnommen werden:

P

Umfangsgeschwindigkeit (in m/sec) = a • j- —

worin a und b Koöffizienten sind, deren Größe für a etwa bei 28 und für b zwischen 150 und 300 liegt, wenn die Leistung P in Kilowatt ausgedrückt wird. Dies ergibt folgende Werte:

50

100

200

300 | 400    500

1000

1500 2000

Umfangsgeschwindigkeit in m/sec

3-3

bis

5-7

9.2

II

bis

bis

bis

iß H

bis

bis

18

bis

19    20

bis

bis

5-7

9,2

13

15

17

18

20

21

21

Diese Werte können beim Entwerfen als sicherer Anhalt dienen; indessen kann ein erfahrener Konstrukteur unter Umständen wohl aus diesen Grenzen herausgehen. Bei zwei Arten von Maschinen kann man diese Grenzen nicht innehalten, nämlich bei Dampfturbinenmaschinen, wo man über diese Werte weit hinausgeht, und bei Erregermaschinen, die auf der Welle großer Wechselstrommaschinen aufgekeilt sind, wo die Umfangsgeschwindigkeit weit kleiner ist.

Größe und Leistung. Es ist üblich, die Beziehung zwischen den Abmessungen eines Ankers und seiner Leistung durch Leistungs-koöffizienten auszudrücken. Die Leistung eines Ankers von gegebener Größe, der mit einer bestimmten Geschwindigkeit in magnetischen Feldern von gegebener Stärke umläuft, ist nahezu unabhängig von der Polzahl, sie hängt aber von dem Durchmesser d des Kernkörpers und von seiner Länge l parallel der Achse (gemessen zwischen den Endplatten) ab. Die Praxis hat ergeben, daß die mit Rücksicht auf Erwärmung und Funkenlosigkeit zulässige Kormalleistung weder genau dem Inhalt des Ankers noch seiner Oberfläche proportional ist. Zar vorläufigen Berechnung haben zwei Formeln Anwendung gefunden, die auf der Annahme beruhen, daß die Leistung eines Ankers in Beziehung zum Inhalt oder zur Oberfläche gebracht werden kann. Die eine, von Esson¹) aufgestellt, setzt das Produkt d²l proportional der Leistung und umgekehrt proportional der Geschwindigkeit. Die andere, von Steinmetz²) herrührend, setzt einfach das Produkt d l proportional der Leistung. In beiden Fällen werden die Größen mit einem Leistungskoëffizienten verbunden, der keine Konstante, sondern nach der Gattung und Größe der Maschine verschieden ist³).

Essons Koeffizient. Nach Esson setzen wir

d²l —

(I)

60 n

worin x der Leistungskoöffizient ist. Als die Formel von Esson aufgestellt wurde (1891), war der Wert von x, wenn l und d in Zentimetern, P in Kilowatt ausgedrückt werden, etwa 1200 000 für Trommelanker und 800 000 für Ringanker. Nach den inzwischen gemachten Fortschritten können die Werte erheblich kleiner genommen werden. Nach Scott⁴) gelten jetzt folgende Werte für x:

500000 540 000 900 000 .    .    1 140 000

.    .    2 300 000

Sehr große Schwungrad-Dynamomaschinen etwa Große vielpolige Dynamomaschinen ....

Kleine „    „    ....

Große zweipolige Kleine „

i) Esson: On the Design of Multipolar Dynamos, Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 20, S. 272, 1891. Dort hat die Formel die Form:

Leistung = 0,072 d* / n Watt

für Trommelanker und

Leistung = 0,048 d² l n Watt

für Ringanker, wo d und l in Zentimetern und n die Umdrehungszahl in Sekunden bedeuten. Die Formeln beruhen auf der Annahme, daß die magnetische Dichte im Luftraum = 5000 und das Verhältnis des Polbogens zum Polstand = 0,71 ist.

2)    Vergl. des Verfassers Mehrphasige elektrische Ströme und Wechselstrommotoren, 2. Aufl., 1902, Halle a. S., S. 286.

d=

Ei

3)    Rothert gibt dieser Formel die auch von Fischer-Hinnen benutzte Form:

--,

r-p-m-X

worin A — der Kubikwurzel aus dem Leistungskoëffizienten x, p die Zahl der Polpaare, \ = —, das nach der Zahl der Pole angenommen wird.

4) Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 32, S. 398, 1903.

Eine von Kapp¹) angegebene Formel stimmt mit der oben gegebenen überein und ergibt Werte für den Koeffizienten, die zwischen 400 000 für große Trommelmaschinen und 2 000 000 für kleine Ringmaschinen schwanken.

Der Wert x ist keineswegs eine Konstante; selbst bei Maschinen gleicher Art und gleicher Herkunft ändert, er sich aus später zu erklärenden Gründen mit der Größe der Maschine. Fig. 390 zeigt ein 1600000

moooo 1200000

X 1000000 => 800000

OJ

600000

tOOOQO 100000

KILOWATT

50

100

150

200

250 .

300

Fig. 390. Werte des Es son sehen Koeffizienten.

Diagramm, aus dem die Änderungen von x zu ersehen sind, die an einer Normalreihe von Maschinen der Firma Kolben & Co. gefunden wurden. Bei der 10 Kilowatt-Maschine ist x — 1000 000, bei der 100 Kilo watt-Maschine x = 050 000 und bei einer 275 Kilowatt-Maschine x = 470 000. Blood benutzt ebenfalls diesen Wert als Maßstab und erachtet eine Maschine als zu groß bemessen, wenn x unter diesen Wert herabgeht.

(II)

Steinmetzscher Koeffizient. Die einfachste von allen diesen empirischen Regeln ist die von Steinmetz²) gegebene, wonach _ d-l = o-P .

1) Elektromechanische Konstruktionen, Berlin 1902, S. 16, wo die Formel lautet:

= C•(—V / (—) Kilowatt,

VlOO' MCO'

worin d und / in Zentimetern, U die Umdrehungen in einer Minute und C ein Faktor ist, der zwischen 0,5 für kleine Ringmaschinen und 2,5 für große Trommelmaschinen liegt.

2) Man gelangt zu einem Zahlenwert für diese Koeffizienten durch folgende Überlegung: Unter der Annahme einer günstigsten Geschwindigkeit

Hierin ist g ein Wert, der nicht weit von 20 abweicht, wenn P in Kilowatt angegeben wird. Bei älteren Maschinen und solchen von kleiner Leistung findet man auch g — 35 bis 40; bei großen, gut gebauten Maschinen geht a auch bis auf 12,5 herab. Von den in vorliegendem Werk beschriebenen Maschinen hat die im Kapitel XX beschriebene 1600 Kilowatt-Maschine von Hobart den kleinsten Wert für er, nämlich 9, und die ebenda befindliche sehr langsam laufende Erregermaschine von Kolben den größten Wert, 86.

der Leiter in einem Magnetfelde von bester Dichte, einer bestimmten Grenze der Erwärmung und eines bestimmten Verhältnisses zwischen Ankerverlust und Normalleistung, soll die Leistung in einem bestimmten Verhältnis zur wirksamen Ankeroberfläche stehen, also proportional d l sein.

Ist v die Umfangsgeschwindigkeit in Metern in der Sekunde, 33 die mittlere Kraftliniendichte (in Linien auf 1 cm²) im Luftzwischenraum, & das Verhältnis zwischen Polspann und Polstand, P die Leistung in Kilowatt bei voller Belastung, q die Zahl der Ampereleiter auf 1 cm Umfang, dann ist die ganze den Anker umgebende Poloberfläche = %-d l-cj; cm². Da nun die ganze Leistung der Maschine unter den Polen stattfindet, so kann man die sekundliche Leistung gleich setzen der Umfangskraft X Umfangsgeschwindigkeit oder Leistung = Kraft (auf die Einheit der Oberfläche) X Gesamtoberfläche X Umfangsgeschwindigkeit, oder (Strom in Ampere, v in m/sec, daher Faktor 10) P — 33- q-ty- Ti -dl-v-10 Erg/sec, oder P=%$-q-i(-T:-d-l-v-\o — 9 Kilowatt.

Geben wir nun 33, q, und v die an guten funkenfreien Maschinen gefundenen Werte von (der Reihe nach) 8000, 200, 0,7, 14, so erhalten wir P= 0,049’d-l, woraus dl\P = 20,5 den obigen Wert des Steinmetzschen Koëffizienten ergibt. Da der Wert der Konstanten auf der Bedingung der Funkenfreiheit beruht, so ist klar, daß die Grenze der Leistung nur von der Erwärmung abhängt, da d l das Maß der kühlenden Oberfläche darstellt. Hieraus folgt, daß der Wert der Konstanten fast allein von der Geschwindigkeit abhängig ist. Dies ist der Grund für die oben angegebenen großen Unterschiede und spricht sehr für die Wahl großer Umfangsgeschwindigkeiten, also Ankerformen, die sich dem Schwungradtypus nähern.

Beispiele aus den in den Kapiteln XIX und XX beschriebenen Maschinen

Kilowatt

Steinmetz

scher

Koeffizient

Vielpolige Stromerzeuger, Engl. El. Mfg. Co. ,,    „    Hobart .    .    .    .

Siemens & Halske Brown, Boveri & Co

IIOO

1600

400

IOOO

480

194

Zweipolige

Kolben & Co.....

Walker Co......

Gen. Electr. Co. .    . *

Johnson & Phillips (1887)

Cn -p.

tO Cn -fi. Ui -OOO

C/iKIOKhhhIO i-i 4^ CO Cp 03 Cn 4“ CO 03 VO M

Jo O W O 'Ö Cn vb <6 w o>

Verhältnis des Durchmessers zur Länge. Haben wir mittels der einen oder der andern Regel einen vorläufigen Wert für d’l ermittelt, so ist nunmehr das Produkt zu trennen. Dies kann geschehen durch Annahme der höchsten zulässigen Umdrehungsgeschwindigkeit, die durch Division mit der Zahl der Umdrehungen in der Zeiteinheit und % den größt zulässigen Wert für d ergibt. Eine andere Regel, die von der Zahl der Pole ausgeht und für Stahlgußkerne von rundem Querschnitt sehr gute Werte ergibt, ist die, daß die Länge des Ankerkernes gleich dem halben Polstand sein soll, oder 1 = dr.\2p. Setzen wir diesen Wert in die Gleichungen (I) und (II) ein, so erhalten wir:

60 n

77

oder

P x x2 60 n 4j>²

und

d* =

77

oder l² =

P • t: a

woraus d und / bestimmt werden können, P in Kilowatt. Sollen die Polkerne geblättert werden, dann erhalten wir unter der Annahme, daß 1= dem Polspann und dieser gleich dem Polstand X 4» (ungefähr gleich 0,7) ist, l — z dtyjp, und diesen Wert in die beiden Gleichungen (I) und (II) einsetzend, erhalten wir:

und

d* =

y.p

P X 77² t[>2 60 n p²

rf² = -—‘--f--; l²

Zweckmäßige Formel für die Leistung. Wie der Verfasser an anderer Stelle²) gezeigt hat, kann eine Formel, die keine abzuscbätzenden Zahlenwerte enthält, aus den grundlegenden Sätzen abgeleitet werden. In folgendem bedeute 53 die mittlere Kraftliniendichte an der Polfläche, l die Länge des Ankerkernes, welche gleich der axialen Länge der Poloberfläche zu nehmen ist, 4* das Verhältnis zwischen Polspann und Polstand, qx die Zahl der Ampereleiter auf die Einheit der Länge des Umfangs oder die »spezifische Belastung«. Dann haben wir, da die von einem Pol ausgehende Kraftlinienmenge gleich der Dichte 23 X der Fläche ist, die Gleichung:

O = 23 • d • r • 4» • Ijp-

Ferner sei ia der Ankerstrom, c die Zahl der parallel ge-

i

schalteten Ankerkreise, so ist der Strom in jedem Leiter. Mit N

(der Zahl der Ankerleiter) multiplizierend, erhalten wir die Zahl der Ampereleiter um den Anker hemm, die wir gleich dem Produkt ql X dem Umfang setzen und so erhallen:

N— ql • 7r d • c\ia.

Nun ist die allgemeine Formel für Gleichstrommaschinen (Ia

S. 256):

E=^-n-N- ©/IO»

c

so

Setzen wir die oben gefundenen Werte für N und O ein erhalten wir, wenn wir _EWa/1000 = P Kilowatt setzen:

d² l

• (HI)

P-lQio

Diese Formel¹) zeigt, warum der Leistungskoeffizient x nicht konstant ist, denn wir können sie so schreiben:

worin

d²l =

X 60 n

(IVa)

60 • 10¹⁰

(IVb)

i) Hieraus kann man unter Zugrundelegung passender Werte für das Verhältnis d\l zu passenden Angaben für d gelangen. Für Maschinen mit zylindrischen Stahlgußpolen, wo l—d iz\2,p ist, wird

P-P

d = 7280

n 33 • qx • '1

«der für geblätterte Pole, wo l — diz^fp ist

¹

Könnte man diese Annahme machen, so würde das Entwerfen einer Reihe von Dynamomaschinen eine sehr einfache Sache sein, wie Short gezeigt hat; es könnten dann alle Anker gleiche axiale Länge erhalten, alle Feldmagnetpole gleich groß gemacht werden und nur deren Zahl 4, 6, 8, io, 12 oder mehr im einfachen Verhältnis zur verlangten Normalleistung vermehrt werden.

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

²

Journ. Electr. Inst. Engin., Bd. 32, S. 445, 1903.

a'= 578° 1ff    Pp

f « • 33 -qt • 4²

Eine Besprechung der Formel d^l von Arnold ist in der Elektrot. Zeitschr., Bd. 24, S. 285, 1903 zu finden; von Rothert ebenda, Bd. 24, S. 405, 1903. Arnold bemerkt, daß •/. durch Verwendung einer größeren Menge Kupfer auf dem Feldmagnet verkleinert werden kann. Rothert macht darauf aufmerksam, daß, je niedriger z, um so kleiner auch die Polfläche, um so größer die Kraftliniendichte im Luftzwischenraum, woraus größere und schwerere Pole sich als notwendig ergeben. Dies gibt eine Erklärung für die auffällige Tatsache, daß für kleine vierpolige Maschinen von weniger als 3 bis 5 Kilowatt der Anker groß gemacht werden muß, wenn die ganze Maschine klein werden soll. In einer Reihenfolge von Maschinen nimmt der Koëffizient z nicht immer mit der Verringerung der Leistung ab, weil an der Stelle, wo ist. Nehmen wir übliche Zahlen werte, also z. B. 93 nicht kleiner als 7000 für 1 cm², q₁ nicht mehr als 240 auf 1 cm Umfang und $ = 0,7, so erhalten wir

x = 500 000.

In den oben erwähnten Bällen wurde der Faktor x bei zweipoligen Maschinen zu 1100 000 und mehr gefunden; das bedeutet natürlich eine schlechte Ausnutzung des Materials, denn die Faktoren 93, und des Divisors sind klein. Der Grund, warum x (wie aus der Fig. 890 zu sehen) bei großen Maschinen kleiner ist als bei kleinen, ist der, daß es bei großen Maschinen möglich ist, mit höherer Polflächendichte oder größerer spezifischer Belastung (auf 1 cm des Umfangs) des Ankers zu arbeiten. Um eine Maschine klein in den Abmessungen (also in den Kosten) zu halten, muß jede der drei Größen 93, ql und möglichst groß sein.

In ähnlicher Weise läßt sich auch ein passender Wert für a finden. Ist v die Umfangsgeschwindigkeit in m/sec, so ist die Zahl der Umläufe in 1 Sekunde — 100 v/k d, wenn d in Zentimetern ausgedrückt ist. Setzen wir diesen Wert in die Gleichung (III) ein, so erhalten wir:

(Va)

d-l = o-P

wo

(Yb)

iz-10⁸

a = — :—

93-^₁-t{j"y

ist, woraus, wenn diese Werte aus der Praxis bekannt sind, ein passender Wert von g und damit die Größe des Ankers für alle Fälle gefunden werden kann. Setzen wir passende Werte von v (S. 482)

in die Formel ein, so können wir die Näherungsformel (P in Kilowatt)

<t= 12-

P + 150

ableiten. Diese Werte sind in der Kurve Fig. 391 aufgezeichnet. Mittelwerte der Praxis stimmen mit dieser Kurve gut überein. Bei man von der vierpoligen Form zur sechspoligeu übergeht, die Kraftliniendichte im Luftzwischenraum sich ändert, bei der kleinen sechspoligen Form ist sie geringer, als bei der vierpoligen gleicher Leistung, und demgemäß x größer. Nach Rothert ist x bei einer Maschine von ioo Kilowatt 350000, bei 1000 Kilowatt 270000. Hier ist / nicht die ganze Länge, sondern die Länge nach Abzug der Luftspalten. Da er 33 = 11200 bis 13000 nimmt und qx größer als 260, so sind seine Maschinen ungewöhnlich klein.

Eine weitere Besprechung der Leistungsformeln hat Bauch in der Zeitschr. f. Elektrot. u. Maschinenbau 189g, S. 463, veröffentlicht. Seine Methode ist von Bradwell in seinem Werke »Dynamomaschinen«, Potsdam 1902^ angenommen worden.

500 Yolt-Maschinen ist der Durchmesser in Zentimetern ungefähr gleich der Leistung in Kilowatt multipliziert mit 2,5 und dividiert durch den mittleren Spannungswert eines Kommutatorsegmentes. Man darf aber nicht vergessen, daß durch diese Formel nur vor-50

4-0

o 30

OJ

t 20

CD

10

KILOW1AT T

200

400

600

800

1000

Fig. 391. Werte des Steinmetzschen Koeffizienten.

läufige Werte von d und l bestimmt werden, die auf Grund weiterer Festsetzungen später geändert werden.

Arbeitskonstanten und Versuchswerte.

a) Kraftliniendichte. Durchschnittswerte der Dichte in den verschiedenen Teilen der Maschine enthält folgende Aufstellung:

Dichte im

Linien auf i cm²

Material

Eisen- oder Stahlblech

9300 20 000

7 000 bis 8 500 12 000 ,, 15 000 11000 „ 15000 5 400 „    8 000

Wenn die Stromumkehrung funkenfrei sein soll, darf die Dichte in den Zähnen von dem hier gegebenen Werte nicht erheblich abweichen. H. S. Meyer einpfiehlt eine scheinbare Dichte von 22000 bis 24000. Die Dichte im Ankerkern muß kleiner sein und wird durch den zulässigen Eisenverlust bestimmt.

>>

>>

Stahlguß oder Schmiedeeiseu

Gußeisen.

b)    Stromdichten. Als Anhalt für die Abmesungen der Leiter in den verschiedenen Teilen merke man sich, daß die Stromdichte in den Ankerleitern 2,3 bis 3,1 A/mm² betragen kann, in den Ver-bindungsleitungen zum Stromwender 3,7 bis 6,2 und in den Feldspulen 1 bis 1,2 A/mm². Der Querschnitt wird natürlich schließlich durch die zulässige Erwärmung und den Spannungsabfall bestimmt. Für Feldmagnetwickelungen beachte man die im Kapitel VII (S. 164 bis 169) gegebenen Regeln; sind die Kerne zylindrisch und ziemlich lang, kann man auch bis zu 1,6 A/mm² hinaufgehen.

c)    Zahl der Pole. Es gibt zwei Wege zur annähernden Vorausbestimmung der Polzahl; der eine benutzt die Abhängigkeit von der vorgeschriebenen Geschwindigkeit, da diese die Häufigkeit der magnetischen Umkehrungen beeinflußt, der andere die vorgeschriebene Stromstärke.

1. Um die Eisenverluste klein zu halten, sollte die Zahl der magnetischen Wechsel in der Sekunde kleiner als 20 sein; nur bei überkompoundierten Maschinen ist 22 noch ein zulässiger Wert. Vorzügliche Maschinen hat man mit geringeren Zahlen bis zu 12 oder 15 herab gebaut, aber sie werden dabei verhältnismäßig schwer. Da der Magnetismus eines Ankerkernteiles jedesmal eine Umkehrung erfährt, so oft er an einem Pol vorbeigeht, so wird die Polzahl annähernd umgekehrt der Geschwindigkeit sein. Als vorläufigen Wert können wir setzen:

(Via)

= 1080

i’>vr

2. Das zweite Hilfsmittel¹ 2) bietet die vorgeschriebene Stromleistung, insofern es nicht gut ist, mehr²) als 200 Ampere von einer

Reihe Bürsten abnehmen zu lassen. Da bei der Schleifenwickelung die Zahl der Bürstenreihen in jedem positiven und negativen Satz gleich der Zahl der Polpaare ist, so ist die Gesamtzahl der Bürstenreihen gleich der Polzahl. Hieraus ergibt sich, daß ein vorläufiger "Wert der Polzahl gefunden werden kann, wenn man die vorgeschriebene Stromstärke durch 100 teilt, also

(VI b)

---1ÖÖ

Soll also die Maschine 950 Ampere geben, so würden 10 Pole zu nehmen sein. Maschinen für elektrolytische Zwecke und sehr langsam laufende Erregermaschinen für große Wechselstrommaschinen bilden Ausnahmen. Im allgemeinen gibt diese Regel zu wenig Pole bei kleinen Maschinen und zu viele bei großen.

3. Bei den oben angegebenen Kraftliniendichten sollte die Zahl der Ampereleiter für jeden Pol bei voller Belastung nicht viel über 14 000 hinausgehen. Man kann daher auch einen ungefähren Wert der erforderlichen Polzahl dadurch erhalten, daß man die Gesamtzahl der Ankerleiter mit dem Vollaststrom multipliziert und durch 14 000 teilt, also

(VI c)

p = N-illU000

Diese Regel setzt die Kenntnis von N voraus, wir können sie aber dazu benutzen, den für N gewählten Wert nachzuprüfen.

4. Für große Maschinen gibt es noch eine Regel, nach der man die Leistung in Kilowatt durch 100 teilt, 3 hinzuaddiert und den nächsthöheren geraden Wert wählt.

d) Magnetische Dichte für einen Pol. Sind d, l und p ermittelt, so erhält man einen vorläufigen Wert von CD, indem man Werte für iß und ^ annimmt, z. B. 33 = 7000 und = 0,75. Da die Polfläche = 7; d-^-ljp ist, so wird

(VII a)

CD = 33 • d - ■ • IJp

Der so ermittelte Wert muß berichtigt werden, wenn N bestimmt ist, und zwar aus der Formel

E-10⁸

(VII b)

2600 Ampere haben nur 18 Pole und die sechspoligen Maschinen der Oerlikon-Gesellschaft (für die Volta-Gesellschaft in Rom geliefert) geben 1500 Ampere. Browns achtpolige Maschine für elektrolytische Zwecke (Tafel VIII) liefert 4000 Ampere.

oder bei Wellenwickelung

(J) =

E-c-10⁸

n-p-N

(VIIc)

Auch die beiden folgenden Formeln geben gute Werte:

109P

<£ =

und

v-c-qx

. . (Ylld)

3,2 -10 io P

n-c-d-ql

(VII e)

Hierbei ist v in m/sec, n für die Sekunde, P in Kilowatt aas

zudrücken.

Bei einfacher Schleifenwickelung mit nur zwei Leitern in jeder Schleife ist folgende Formel genau, wenn die mittlere Spannung e zwischen zwei Stromwenderstäben bekannt ist:

—•50•10⁶

n-p

e) Zahl der Ankerleiter. Zur Bestimmung eines Wertes für N bieten sich ebenfalls zwei Wege dar; der eine benutzt den Durchmesser und die zulässige spezifische Belastung, der andere die Dichte, Spannung und Geschwindigkeit. Lassen wir eine spezifische Belastung ql (z. B. 240 Ampereleiter auf 1 cm Umfang) zu und sind c Stromwege vorhanden, so führt jeder Leiter ^'/c = ^₁ Ampere und die Zahl der Ampereleiter um den ganzen Anker herum ist:

N'i{ = q₁’~ d,

(Vllf)

woraus folgt

ql-~cl

q±- d-c

.    . (Villa)

oder annähernd

N ^ 750 • djii .    .

Diese Regeln ergeben Werte, die bisweilen erheblich von den richtigen ab weichen. In manchen Fällen ist folgende Regel besser: Man nehme zunächst einen Wert für O an und berechne N aus der elektromotorischen Kraft und der Geschwindigkeit. Ist n die Zahl der Umdrehungen in der Sekunde, E die elektromotorische Kraft bei Leerlauf, so ist bei Schleifenwickelung

P.10⁸

.    . (VIII b)

N=

n■ O

Bei Wellenwickelung in Reihenparallelschaltung ist

E-c- IO⁸

11- 0- p

(VIII c)

. . (VIII d)

In jedem Falle¹) muß der vorläufige Wert so berichtigt werden, daß er für die AVickelungsart paßt.

Beispiel. Man suche die Zahl der Ankerleiter für die Maschine MP 8, 200 Kilowatt, 375 Umdrehungen in der Minute, 125 Yolt, 1600 Ampere. Wählen wir d = 120 cm und CD = 4 • 10⁶; aus (YHIb) finden wir dann jV=450; aus (YIIIc) N— 500. Der wirkliche Wert der in Schenectady gebauten Maschine war N — 480.

f) Zahl der Kommutatorsegmente. Diese ist natürlich gleich N geteilt durch 2, 4, 6 u. s. w.; bei großen Maschinen fast N

immer gleich —. Die für die Bestimmung maßgebenden Yerhältnisse

Li

sind S. 438 und 439 behandelt. Eine gute Begel zur Bestimmung der zulässigen Zahl der Leiter für jedes Segment ist die, daß sie den Wert

AT

• (IX)

10«

K — 3 • l • v ■ ql

nicht übersteigen darf, worin v die Umfangsgeschwindigkeit in ml Sek. ist.

Beispiel. Bei der Hochspannungsmaschine von Brown ist 7=25 cm; -?; = 14; ^ = 120. Demnach soll NjK 8 nicht übersteigen. Die wirklichen Werte sind JV=1416 und K=lll.

g) Größe des Stromwenders. Es ist zweckmäßig, den Durchmesser des Stromwenders wenigstens zu drgj Yiertel von dem des Ankers zu nehmen. Bei großen Maschinen sollte dieses Verhältnis noch größer sein, also der Stromwender nur um 30 bis 40 cm kleiner sein als der Ankerdurchmesser. Nehmen wir also dementsprechend einen Durchmesser an, teilen den Umfang durch K und sehen, ob die Breite der Segmente eine passende Größe bekommt. Diese sollte, ausschließlich der etwa 0,08 cm starken Glimmerisolation, nicht kleiner als 0,5 cm sein. Ein Mittelwert ist 0,75 cm. Nehmen wir ferner an, daß die Bürsten drei Segmente (in Hochspannungsmaschinen 3^) überdecken und 6 Ampere auf 1 cm² entfallen, so finden wir aus dem von jeder Bürstenreihe (=2*^) aufzunehmenden Strom

x) <t> und N lassen sich auch ohne Bestimmung von d aus folgenden Formeln finden:

n-p-q₁

*-V

■ ios

P

die Nettolänge und runden nach oben ab. Yergl. auch die Formel

S. 439.

Der so erhaltene Wert muß dann noch daraufhin untersucht werden, ob die Oberfläche groß genug ist, die im Kommutator in Wärme umgesetzte Energie abzugeben, ohne daß eine zu starke Erhitzung eintritt. Der Stromwender muß etwa 4 cm² Oberfläche für jedes in Wärme umgesetzte Watt haben.

h) Länge des Luftzwischenraumes. Zur Bestimmung eines passenden Maßes für den Luftzwischenraum muß man sich klar machen, daß dieser bei Gleichstrommaschinen und -Motoren eine wichtige Rolle bei der Stromumkehrung spielt, also nicht nur wie bei Induktionsmotoren den zur unbehinderten Drehung erforderlichen freien Raum darstellt. Ein kleiner Zwischenraum gestattet eine Verminderung der Erregung, also auch der Herstellungskosten; ist er aber sehr klein, so ist der Anker bei der kleinsten Exzentrizität sehr ungleichen magnetischen Kräften durch die Pole ausgesetzt. Dagegen ist ein größerer Zwischenraum, obwohl er eine größere Erregung der Feldmagnete nötig macht, vorteilhaft für die Stromumkehrung, insofern er für die verzerrende Wirkung der Amperewindungen des Ankers ein Hindernis bildet. Die Amperewindungen, die auf dem Magnetpol vorzusehen sind, um die Kraftlinien durch den Zwischenraum zu treiben, sind dessen Länge proportional, und wenn sie verhältnismäßig groß an Zahl sind, ist die Stromumkehrung besser. In dieser Hinsicht sind auch die Amperewindungen des Magnetkernes, die die Kraftlinien durch die stark gesättigten Zähne zu treiben haben, günstig. Befriedigende Verhältnisse erhält man nur dann, wenn die Amperewindungen für den Zwischenraum und die Zähne (d. i. der ganze Teil der Erregung, der für diese vorgesehen ist) in einem gewissen Verhältnis zur Ampereleiterzahl des Ankers für einen Pol stehen. Da die für den Zwischenraum erforderlichen Amperewindungen proportional der Länge ⁻ 4 und 94 sind, so kann man unter der Annahme, daß die für die Zähne erforderlichen Amperewindungen in einem bestimmten Verhältnis zu denen des Zwischenraumes stehen (z. B. bei voller Belastung 25 Prozent der letzteren betragen), die Länge 4 des Zwischenraumes durch 91 * und die Ampereleiterzahl des Ankers für einen Pol ausdrücken. Eine einfache Näherungsformel lautet:

h=jX

<7i d

(Xa)

wo j ein Koeffizient ist, der zwischen 1,6 und 3,4 liegt. Der niedere Wert gilt für den Fall, daß die Sättigung der Zähne mehr als 20000 Linien auf 1 cm² beträgt.

Eine andere Formel für den kleinsten Wert von 4 lautet:

(Xb)

4 = 0,09 • d • 4IK worin 4 die Nettolänge des Eisens im Kern ist. Die Formel gibt unter der Annahme einer bestimmten spezifischen Belastung und Polzahl, daß die Gegenwirkung eines Pôles proportional dem Umfang und daher auch proportional d. ist. Hat dagegen das Feld eine bestimmte Dichte und ist die Zahl der Ampereleiter um den Anker herum eine bestimmte Größe, so ist die Stromumkehrung um so leichter, je größer K und je kleiner 4 ist; je kleiner also AT, desto größer muß die Amperewindungszahl des Feldes für einen Pol sein, um der Verzerrung entgegen zu wirken, um so größer also auch 4 Bei glatten Ankerkernen wähle man 1 cm für je 10000 Anker-Ampereleiter für einen Pol; oder

(Xc)

N-l

10000 p

Auch das Auftreten von Wirbelströmen in ungeblätterten Polspitzen kann benutzt werden, um einen kleinsten Wert für den Zwischenraum zu finden. Dieser sollte dann nicht kleiner sein, als ungefähr das l¹^ fache der oberen Nutenweite. Bei geblätterten Polen kann er kleiner sein.

Beim Entwerfen einer ganzen Reihe von Maschinen ist es gut, darauf Bedacht zu nehmen, daß der Zwischenraum bei der ganzen Reihe in einem bestimmten Verhältnis zum Polspann steht. Bei geblätterten Polschuhen mag dies ¹/₅₀, bei gegossenen sein.

Beispiel: Bei dem auf Tafel XIX dargestellten zwölfpoligen Stromerzeuger der Oerlikon-Gesellschaft ist <i=250 cm; 4 = 30,5; qv = 169; p = 12;    = 8700; N= 1326; K= 663 und 4 = 100.

Nehmen wir j =2,5,    so erhalten    wir    aus    der    Gleichung (Xa)

4 = 1,01 cm; während    wir aus (Xb)    1,03    cm    und    aus    (Xc) 1,10 cm

erhalten. Der wirkliche Wert war 1,0 cm. Die Nutenweite war 0,6, also etwa des    Polbogens.

i) Bestimmung    der Energieverluste. Die    Widerstands

wärme des Kupfers, Erwärmung des Eisens durch Hysterese und Wirbelströme und Reibung verursachen unvermeidbare Energieverluste. Man muß sie aber niedrig zu halten suchen, da sie den Wirkungsgrad herabsetzen, und eine unzulässige Erwärmung in keinem Teile der Maschine eintreten darf. Die Erfahrung hat gelehrt, daß

die einzelnen Verluste richtig abgemessen sein müssen, wenn man wünscht, daß die Maschine in keinem Teile zu warm werde, und die Gesamtverluste mit Rücksicht auf Ökonomie des Materials möglichst gering seien. Aus der nachstehenden Tabelle ist zu ersehen, wie sich die Verluste bei Maschinen verschiedener Größe verteilen:

Leistung

in

Kilowatt

Wirkungs

grad

Anker

Verluste in Prozenten

Prozent

Kupfer

verluste

Eisen

verluste

Magnete

Kupfer

verluste

Kommu

tator-

Reibung

Gesamt

verluste

5 bis 40 10 „    60

40 ,,    100

75 »

200 400

300

5°°

IOOO

90

9¹

92

93

94

95

00 m cm co rt- oi 00 OÔ PÔ cm~ oi M

n o 00 0000 m n m tî 4 h h

M M H H M tO

60 Oi Oi ONH öi Cn Oi

10

m -d- -rt- 00 00 cm 6 6 6 6 6 ö

o o\co o\o m

Eine solche Tabelle kann aber auch irreleiten, wenn man sich nicht vor Augen hält, daß die Werte selbst bei Maschinen gleicher Größe sich erheblich mit der Geschwindigkeit und den sonstigen Betriebsbedingungen ändern können. So ist z. B. ein Wirkungsgrad von 93 Prozent zu hoch für eine 75 Kilowatt-Maschine, wenn diese nicht für ihre Leistung ungewöhnlich groß ist.

Die nachstehende Tabelle gibt Durchschnittswerte einer Musterreihe von Stromerzeugern für Bahnbetrieb von Kolben & Co.:

Leistung

in

Kilowatt

Um

drehungs

zahl

Wirkungs- -

grad bei voller

Belastung Erregungs-verlust

Verluste in Watt bei voller Belastung

Prozent

Kommutator-, Reibungsund Lüftungsverlust

Kupfer

verlust

Eisen

verlust

50

100

550

200

400

Soo

750

45°

35°

300

100

100

\0 O Tt- O Tt- o

of 00 00 4- 4-1 n

O'i 0\ ON Ch Cb 0\

8oo

1500

2800

5°°°

5900

8000

lOCO

igoo

3600

6000

6400

7100

1200

2200

4200

7900

9500

135°°

1000

igoo

3600

6800

8000

11000

Die vier ersten sind für direkte Kuppelung mit schnellaufenden Antriebsmaschinen geeignete Lichtmaschinen, der Verlust im äußeren Lager ist eingeschlossen. Die beiden letzten Maschinen sind Stromerzeuger für Bahnbetrieb; hier schließt der Wirkungsgrad den Lagerverlust nicht ein.

Parshall gibt für einen Stromerzeuger zu 550 Kilowatt für Bahnbetrieb folgende Verteilung an: Ankerkupfer 2,25; Ankereisen 2,25; Magnete 0,75; Kommutator u. s. w. 0,75; zusammen 6 Prozent.

Rothert gibt für ähnliche Maschinen an: Ankerkupfer 2,7; Ankereisen 1,8; Magnete 1,5; Kommutator 0,3; zusammen 6,3 Prozent.

j) Berechnung der Bindedrähte. Die Methode der Berechnung ist schon S. 400 und 401 erörtert worden.

Reihenfolge der Berechnung.

Die besonderen Bedingungen, welche die Dynamomaschine zu erfüllen hat, sind, daß sie mit einer vorgeschriebenen (von der Wahl der Antriebsmaschine abhängigen) Geschwindigkeit laufend einen Strom von bestimmter Spannung liefern und bei einer normalen Belastung, einer vorgeschriebenen Stromstärke einen bestimmten Wirkungsgrad haben sollx).

Beispiel. Es ist ein Bahngenerator zu entwerfen, der bei 150 Umdrehungen in der Minute (n = 2,5) 600 Ampere hei 500 Volt Spannung gibt mit einem Wirkungsgrad von 93 Prozent.

1.    Volle Belastung in Kilowatt 500 • 600/1000 «= 300 Kilowatt.

2.    Ein vorläufiger Wert ist für die Polzahl anzunehmen (vergl.

S. 490).

Nach Formel (Via) sind

= 7 Pole mindestens erforder-

1080

150

lieh. Wir nehmen p = 8. Nach Formel (VIb) würde bei 600 Ampere ein sechspoliger Entwurf genügen, aber um sicher zu gehen, nehmen wir acht Pole, so daß bei einem parallel gewickelten Anker acht Kreise zu je 75 Ampere vorhanden und 150 Ampere von einer Bürstenreihe abzunehmen sind.

3. Nunmehr ist ein Leistungskoëffizient anzunehmen und x oder g nach Essons oder Steinmetz’ Regel zu bestimmen. Hierzu müssen wir zunächst 33, q₁ und v annehmen. Daraus ergibt sich d²-l oder cl • l. Nun schreiben wir eine Anzahl von Werten auf, die diesen Produkten entsprechen, und prüfen, welche Oberflächengeschwindigkeiten ihnen entsprechen und welche Abmessung der Polform sich daraus ergibt. Aus diesen Werten wählen wir den am besten zusagenden aus.

Ist 33 = 7000, qx = 240, ^ == 0,8, und nehmen wir nach den Angaben S. 482 vorläufig als passende Umfangsgeschwindigkeit

12,5 m/sec an, so erhalten wir aus (Vb) für er den Wert 18,8, und

32

aus (Ya) d/= 5600, oder aus (IYb) den Essonschen Koeffizienten x = 450 000; woraus d*l = 450 000-300/150 = 900 000.

4. Nun müssen wir d und l trennen; dazu schreiben wir eine Keihe von Yersucliswerten auf, von denen wir die passendsten auswählen.

d-l

d*-l

Umfangs

geschwindigkeit

m/sec

30

200

6000

35

170

5950

38

160

6080

40

150

6000

45

130

5850

1200 000 1011500 972 800 900 000 760 500

15,4

13,2

12,2

11,4

10,2

Der Durchmesser, der uns die Umfangsgeschwindigkeit gibt, die der angenommenen am nächsten kommt, ist d = 160 cm, der Umfang ist 502,6. Teilen wir durch 8, so ist der Polstand = 62,8 und der Polbogen = 0,8-62,8 = ro 50 cm. Die Poloberfläche würde also 50 X 38 cm sein. Dies ist ein passendes Maß zur Ausführung in BlechJ).

5. Nunmehr ist O zu wählen nach Formel (VII). Da die Poloberfläche 50 X 38 = 1900 cm² ist, so würde bei einer Dichte 33 = 7000 (die so niedrig angenommen ist, damit sie bei voller Belastung nicht zu groß wird) (0 = 1900 X 7000 = 13 300 000. Die Formeln VIId und VIIe geben den Wert 12 500 000, Vllf unter Annahme einer Spannung von 5 Volt auf ein Konimutatorsegment (D= 12 500000 Linien.

6. N ist aus VIII b und VIII c zu bestimmen. Nach VIII b soll 750 X 160/75 = 1600 nicht überschritten werden. Nach VIIIc erhalten wir, da E = 500, n = 2,5 und O = 13 300 000 ist, N = 1505. Wenn wir nun vollkommene Symmetrie haben wollen, ohne die wir Ausgleichswickelungen nicht anwenden können, muß N ein Vielfaches der Polzahl sein, also ist weder 1505 noch 1600 geeignet, aber 1536 ist passend. Prüfen wir diesen Wert nach Villa, so ist die spezifische Belastung ql = 230 Ampere auf 1 cm des Umfangs. Prüfen wir ihn nach VIc, so darf N-i^lp 14 000 nicht wesentlich übersteigen. Wir haben hier 1536-75/8 = 14400. Dies paßt, also setzen wir N endgültig auf 1536 fest.

i) Soll der Pol aus Stahlguß bestehen und kreisförmigen Querschnitt haben, so kann es vorteilhaft sein, daß die Poloberfläche eine mehr längliche Form erhält, also z. B. 54 x36 cm; dies würde die richtige Größe sein, wenn man d — 170 cm gewählt hätte.

Zum Schluß muß man noch </> durch VIIb nachprüfen; dies ergibt 13000000 als endgültigen Wert von O.

7.    Zahl der Kommutatorsegmente. Anker mit Schleifenwickelung können ein Segment für jede Schleife aus zwei Leitern haben. Die neuere Praxis vermeidet es, mehr als eine Schleife auf ein Segment zu nehmen, um die Durchschnittsspannung für ein Segment niedrig zu halten. In allen Fällen ist es gut, die Zahl der Segmente groß zu nehmen. Wir hatten 1536 Leiter, also 192 auf einen Pol und 96 Schleifen auf einen Pol, also 500/96 = 5,2 Volt für jede Schleife. Da es unerwünscht ist, diese Spannung unnötig zu vergrößern, entscheiden wir uns für 8 X 96 = 768 Segmente im ganzen. Nach Arnolds Regel, S. 438, soll die Mindestzahl 0,037-JV-1/7, also hier 0,037• 1536-1/75 = 492 betragen. Hätten wir zwei Schleifen auf ein Segment nehmen wollen, so wären wir mit 384 unter die zulässige Zahl herabgegangen. Als weitere Prüfung benutzen wir Formel IX, nach der N\K nicht über 3,06 sein darf. 2 ist hier also der einzig mögliche Wert.

8.    Größe des Kommutators. Da die Breite jedes Segmentes nicht unter 0,5 cm herabgehen kann, so muß der Umfang des Kommutators wenigstens 768 X 0,5 = 384 cm und der Durchmesser 122 cm sein. Der größeren Sicherheit wegen wählen wir ein etwas größeres Maß, 132 cm. Wenn eine Bürste 1,5 cm breit ist, so würde, da hier jeder Bürstensatz 150 Ampere aufnehmen muß, bei einer Dichte von 6,2 Ampere auf 1 cm² eine Nettolänge von 16 cm oder •einschließlich eines Randes 20 cm erforderlich sein. Bei einer Glimmerisolation von 0,7 mm würde die Breite eines Segmentes an der Oberfläche nur 4,7 mm betragen.

9.    Nunmehr ist die Art der Ankerwickelung festzustellen. Die Praxis erstrebt neuerdings äußerste Einfachheit, d. h. sie bevorzugt die Schleifenwickelung auf Trommeln, und zwar in der Form der Mantelwickelung, wegen der großen Kühlungsfläche, die Leiter in zwei Lagen und zu je zwei, vier oder sechs Leiter in einer Nut. Vereinzelt wird allerdings auch noch die Reihenparallelwickeluug angewendet, die den Vorteil bietet, daß weniger Ankerleiter für dieselbe Spannung gebraucht werden und diese Leiter dicker sind, und, wie auf S. 377 gezeigt ist, bei kleinen Verschiedenheiten in der Stärke der Pole weniger Anlaß zur Erwärmung durch ungleiche Ströme in den verschiedenen Kreisen geben. Beispiele von Reihenparallelschaltung geben die folgenden, in den nächsten Kapiteln behandelten Maschinen von Kolben & Co., zehnpolig, 350 Kilowatt,

3²*

Oerlikon Gesellschaft, zwölfpolig, 350 Kilowatt, Brown, Boveri & Co., Hochspannungsmaschine, yierpolig.

Zeitweise bestand die Gewohnheit, ein und denselben Ankerkern mit der gleichen Zahl von Leitern zu bewickeln, z. B. für 125, 250 und 500 Yolt, wenn der Magnet vier oder acht Pole hatte. Wenn für 250 Yolt eine Parallel (Schleifen) Wickelung mit so viel Kreisen, als Pole vorhanden waren, aufgebracht wurde, wurde für 125 Yolt eine zweifache Parallel (Schleifen) Wickelung mit so vielen Kreisen gewonnen, als Pole vorhanden waren; und für 500 Yolt eine Reihenparallel (Wellen) Wickelung mit halb so vielen Kreisen als • Pole aufgebracht. Dem Anfänger wird entschieden abgeraten, eine Wellenwickelung zu verwenden.

Wir wählen also eine Schleifenwickelung. Da wir acht Pole haben, so ist der größte Wickelungsschritt bei 1536 Leitern tjl — 193 ; y₂ — — 191. Da der Polspann nur 0,8 ist, ist der kleinst mögliche Schritt nur yx — 155; y^ — — 153. Nehmen wir an, daß sechs Leiter in einem Schlitz sind, so würde bei 34 Schlitzen auf einen Polbogen der größte Schritt über 33 Zähne reichen, der kleinste über 25 Zähne. Wir wählen als Mittelwert 29 Zähne. Dann wäre der Schritt yx — 176 und ?/₂ —— 174.

10.    Kühlungsoberfläche des Ankers. Bei der Mantelwickelung ist das Maß, um welches die schrägen Endteile vorstehen, etwa gleich dem halben Polstand zu wählen. Dieser ist 62,8 cm; zählen also zur Länge des Ankers 38 cm rund 63 cm hinzu, so erhalten wir 101 cm als äußere Länge des Ankers und in tt-160-101 = 51000 cm² die Kühlungsoberfläche.

vor-

11.    Zur Bestimmung der verschiedenen Yerluste, die übrigens auch schon in einem früheren Stadium des Entwurfs hätte genommen werden können, können die S. 496 gegebenen Werte dienen. Die Kühlungsoberfläche soll wenigstens 160 cm² für 1 Kilowatt der Leistung betragen (vergl. S. 170), andernfalls kann die Temperatur nicht mit den angegebenen prozentualen Yerlusten in den zulässigen Grenzen gehalten werden.

Ergibt die Berechnung der Yerluste, daß die Ankeroberfläche ungenügend ist, so muß der Anker von neuem und größer entworfen werden. Der Wirkungsgrad soll 93 Prozent sein, demnach 7 Prozent Verlust. Nehmen wir 1 Prozent für Reibung, 0,75 Prozent für die Erregung und ebensoviel für den Kommutatorverlust, so bleiben

4,5 Prozent für den Ankerverlust, von denen wir 2,5 auf den

Kupfer- und 2 auf den Eisenverlust rechnen. Der Ankerverlust wäre demnach 4,5 Prozent von 300 000 Watt oder = 13 500 Watt. Da die Kühlungsoberfläche = 51000 cm² ist, so muß 1 cm² 0,205 Watt oder 3,8 cm² 1 Watt ausstrahlen. Aus der Fig. 99, S. 170, ergibt sich bei der Umfangsgeschwindigkeit 12,5 m/sec etwa 180 Grad Temperaturerhöhung, wenn auf 1 cm² Fläche 1 Watt ausgestrahlt wird, demnach hier 180• 0,265 = etwa 48 Grad. Hiernach würde es gut sein, den Kupferverlust durch Verwendung etwas stärkerer Leiter zu vermindern. Nach der oben angegebenen Regel müßte die Kühlungsfläche mindestens 160 X 300 = 48 000 cm² haben, ist also mit 51000 reichlich groß.

12. Zahl und Abmessungen der Nuten. Die erstere hängt ab von der Wickelungsart und der Zahl der Kommutatorsegmente. Es ist heutzutage fast ausnahmslos üblich, große Maschinen mit Kupferstreifen zu bewickeln, zwei (bisweilen auch vier) Lagen übereinander. Aber ob die Weite der Nuten groß genug zu machen ist, um zwei, vier oder sechs Leiter aufzunehmen, hängt von den Umständen ab. Wenn man vier oder sechs Leiter in eine Nut legen kann, hat man einfache Bauart und spart Arbeit und Raum; man sollte daher stets diese Anordnung wählen, wenn zu befürchten ist, daß der Zahnquerschnitt in magnetischer Hinsicht etwas klein ausfällt. Bei 500 Volt-Maschinen wechselt die Tiefe der Nuten von 2,5 bis 5 cm. Wählen wir versuchsweise einen Wert für die Stromdichte (S. 490) in den Leitern, so haben wir auch einen Näherungswert für den Querschnitt, und wenn die Gruppierung bestimmt ist, kann die Fläche der Nut ausgerechnet werden unter Benutzung des Raumfaktors (S. 150). Dann ist zu untersuchen, ob hierbei ein genügender Querschnitt für den Zahn übrig bleibt. Da die mittlere Kraftlinienzahl im Luftzwischenraum etwa 7750 und in den Zähnen etwa 20 000 Linien auf 1cm² ist, so sollte man annehmen, daß die Zähne nur 775/2000 des Umfanges einnehmen. Aber es ist zu bedenken, daß das Eisen in den Zähnen nicht gleichmäßig ist, und auch häufig Luftkanäle zwischen den Blätterungen sich befinden. Bei Nuten mit geraden parallelen Wänden sind die Zähne an den Spitzen ebenso breit oder ein wenig schmäler als die Nutenbreite, und da die Zähne nach den Wurzeln zu etwas schmäler werden, ist die mittlere Breite geringer als die der Nuten, sie beträgt in der Regel nur drei Viertel der letzteren. Die Zahl und Anordnung der Leiter muß dann noch nach passenden Wickelungsverhältnissen berichtigt werden

Da jeder Leiter 75 Ampere führt, so ist bei 8 A/mm² ein Querschnitt von ¹/4c cm² erforderlich. Entscheiden wir uns dahin, sechs Leiter in eine Nut zu legen, so brauchen wir für das Kupfer einen Querschnitt von 1,5 cm², und bei einem Kaumfaktor von 0,4 als kleinsten Nutquerschnitt 1,5/0,4 = 3,75 cm². Da 256 Nuten und ebensoviel Zähne auf den Umfang von 502,6 cm entfallen, so kann die Nutenbreite nicht wohl über 1 cm hinausgehen; die Tiefe muß dann mindestens gleich 3,75 cm sein. Es ist zweckmäßig, eine vergrößerte Zeichnung einer Nut mit der Anordnung der Leiter und der Isolierung anzufertigen, wie in Fig. 392 gezeigt ist.

- io mm -

ü'

ll

ll

38 mm

ii

Fig. 392. Lagereng der Ankerleiter in einer Nut. Maßstab 2:1.

Ist die Nut mit 0,3 mm starker Isolierung ausgefüttert und drei Leiter mit je 0,37 mm starker Isolierung durch ein Manilla-papierband von 0,6 mm Stärke zusammengebunden worden, so ist die Gesamtbreite der Isolierung in der Nut gleich 2 - 0,3 —J— 6 - 0,37 + 2 • 0,6 = 4 mm, es bleibt also für die Dicke der drei Kupferstreifen eine Breite von 10 — 4=6 mm übrig, also muß jeder 2 mm dick und dementsprechend 12,6 mm hoch sein. Da die Ecken der gezogenen Streifen etwas abgerundet sind, so wird bei diesen Abmessungen gerade der Querschnitt die berechnete Größe von 0,25 cm² haben. Die Tiefe der Nut berechnet sich also zu

2-12,6 + 4-0,37 + 4-0,6 +3-0,3 = 30mm. Hierzu sind noch etwa 8 mm für den Holzkeil und Packung zu rechnen, so daß die Tiefe rund 38 mm sein wird.

13. Nun ist der innere Durchmesser des Kernes mit Rücksicht darauf zu bestimmen, daß der Eisenquerschnitt unterhalb der Zähne genügend groß ist. Einen vorläufigen Wert gewinnen wir, indem wir entweder den Durchmesser mit der Polzahl teilen oder den halben Polbogen nehmen. Die endgültige Festsetzung erfolgt mit Rücksicht auf den zulässigen Eisenverlust, der die Kraftliniendichte beherrscht.

Auf dem ersten Wege erhalten wir 160/8 = 20 cm, auf dem zweiten 50/2 = 25 cm als vorläufige Werte der radialen Eisentiefe. Wir nehmen einstweilen das Mittel 22,5 cm, so daß der

innere Radins sich zu 160 — 2 (22,5 -{- 3,5) = 108 cm ergeben würde.

Nun gehen ¹/₂ O — 6500000 Linien durch das Ankereisen; da die Nettolänge des Ankereisens zu etwa 30 cm anzunehmen ist, beträgt sonach der Querschnitt 22,5-30 = 675 cm² und 33 = r-j 9600 Linien, ein Wert, der niedrig genug ist, um den Eisenverlust in zulässigen Grenzen zu halten.

14.    Nunmehr ist das Maß des Luftzwischenraumes nach den Grundsätzen S. 494 festzulegen. Da die Nutenbreite an der Spitze 10 mm ist, sollte der Zwischenraum nicht unter 13 mm sein. Dies ist bei einem Ankerdurchmesser von 160 cm als reiner Spielraum genug, aber die Formel (Xa) verlangt 2,5-240-160/8-7000 = 1,7 cm, wenn Mr für j einen Mittelwert 2,5 einsetzen. Nach (Xb) muß 4 — 0,09 • 160• 30/768 = 0,6 cm sein; dieser kleinste Wert wäre aber nur zulässig bei geblätterten Polschuhen. Formel (Xc) gibt 1536 • 75/10 000 • 8 = 1,44 cm. Wir nehmen den höchsten dieser drei Werte und geben dem Feldmagnet eine Bohrung von 163,4 cm.

15.    Bestimmung der Abmessungen der Magnete. Diese müssen einen Querschnitt haben, der die der vollen Leistung entsprechende .Kraftlinienzahl einschließlich der das Streufeld bildenden Linien aufnehmen kann; die Länge muß so groß sein, daß die Erregerspulen Platz finden. Die Kraftlinienzahl im Kerne O wird gleich v • On sein, worin v der Streuungskoëffizient und On bei voller Leistung genommen ist. Wegen der Werte von v vergl. S. 134. Bei zylindrischen Kernen erhält man einen guten Yersuchswert für die Länge, wenn man diese gleich dem Durchmesser nimmt; meist wird man allerdings noch unter diesen Wert herabgehen können, wrenn die magnetischen Berechnungen klargestellt haben, wde groß die Erregerwickelung sein muß. Eine andere Faustregel nimmt die Länge des Pôles gleich 20 mal der Länge des Zwischenraumes bei Nebenschlußmaschinen und 40 mal bei überkompoundierten Maschinen. Der Querschnitt ist durch die zulässige Kraftliniendichte bestimmt.

Da die Kraftlinienzahl bei Leerlauf zu 13 000000 für jeden Pol angenommen ist, müssen bei voller Belastung (bei einer Nebenschlußoder Kompound-, aber nicht bei einer überkompoundierten Maschine) etwa 13 500000 vorhanden sein. Mit einem Koeffizienten v = 1,21 bei voller Belastung muß O = 16400000 werden. Nehmen wir 16300 Linien als einen passenden Wert der Kraftliniendichte bei vreichen Stahlkernen, so sind 1006 cm² notwendig. Bei kreisrundem Querschnitt würde sich ein Durchmesser von 35,9 cm ergeben oder bei

Nach der anderen Regel

quadratischem eine Seite von 31,7 cm. haben wir 1,6-20 = 32 cm. Um sicher zu gehen, nehmen wir vor

läufig 33 cm.

16. Querschnitt und Größe des Joches. Das Joch muß 8200000 Linien führen. Soll es aus Gußeisen bestehen und die

Beanspruchung 6200 Linien für 1 cm² nicht übersteigen, dann sind etwa 1360 bis 1380 cm² erforderlich. Da Gußeisen angenommen ist, wird man einen nach außen ovalen, nach innen flachen Querschnitt wählen mit einer Breite von 76 cm und einer Dicke von 23 cm in der Mitte, wobei der äußere Durchmesser des Magnetrahmens etwa 275 cm wird.

Die bisher ermittelten Werte sollen im folgenden noch zusammengestellt werden.

Allgemeine Angaben:

Leistung (bei voller Belastung)......

Klemmenspannung (bei voller Belastung) .    .    .

Stromstärke (bei voller Belastung).....

Umdrehungszahl für die Minute......

Umfangsgeschwindigkeit (m/sec)......

Polzahl...............

Anker:

Kernscheiben, äußerer Durchmesser.....

„    innerer    „    .....

Länge zwischen den Endplatten......

Zahl der Nuten............

Tiefe der Nuten ...........

Breite der Nuten...........

Abstand der Nuten voneinander am Ankerumfang gemessen..........

Eisenstärke im Kern, unterhalb der Zähne .    .

Zahl der Leiter............

300 Kilowatt 500 Yolt,

600 Ampere,

150

12,5

160 cm, 108 „

38 „ 256 „

3,5 cm,

1,0 „

1,88 cm, 22,5 cm, 1536

6 in 1 Nut, Parallelschaltung, .    .    . 2,1 X 12 mm,

.    2,75 X 12,65    „

.    .    .    25 mm²,

.    .    .    262 cm,

Wickelungsschritt (in Zahl der Leiter) y{ = 176; y^— — 174, „    „    ,,    ,, Zähne) ....    33,

Äußere Länge des Ankers (einschl. Wickelung) .

Anordnung der Leiter......

Wickelungsart.........

Abmessungen jedes Leiters (nackt) .    .

„    „    „ (isoliert) .    .

Querschnitt jedes Leiters (nackt) Mittlere Länge einer Schleife .

101 cm.

Kommutator:

Durchmesser............

Zahl der Segmente.........

Arbeitslänge der Segmente.......

Länge der Polkerne.........

Breite des Joches..........

132 cm

768

20 „

0,47 cm, 0,07 „

163,4 cm, 275 cm, 229 „

55

55

17. Nunmehr beginnt die eigentliche Berechnung, indem auf Grund dieser vorläufig ermittelten Werte zunächst eine Zeichnung hergestellt wird, die ein Bild der äußeren Verhältnisse der Maschine gibt und an deren Hand nunmehr eine genaue Berechnung nach den in den vorhergehenden Kapiteln gegebenen Grundsätzen von 1. der Erregung, 2. der Erwärmung³), 3. des Funkens und 4. des Wirkungsgrades angestellt wird, wie sie bei den weiter unten zu besprechenden typischen Maschinen durchgeführt wird. Prüft man die Ergebnisse dieser Berechnungen, so ist leicht zu übersehen, in welcher Weise der Entwurf dann noch zweckmäßig zu ändern ist, um noch besser den gestellten Bedingungen zu entsprechen. Aus diesen Erwägungen heraus würden dann schließlich andere Entwürfe herzustellen sein, die in einzelnen Punkten von dem vorläufigen abweichen, aber alle die gestellten Bedingungen erfüllen. Wären z. B. die Anforderungen bezüglich des Funkens nur gerade erfüllt, empfiehlt es sich, die Berechnung mit einer kleinen Vergrößerung des Ankers noch einmal zu machen, oder wenn diesen Anforderungen der Entwurf in weitgehendstem Maße entgegenkommt, den Durchmesser etwas kleiner zu wählen. Oder wenn der Wärmeverlust in einem Teile, z. B. den Zähnen, größer oder kleiner ist, als er nach der Erfahrung sein sollte, muß der Entwurf so abgeändert werden, daß eine größere oder kleinere Kraftliniendichte entsteht. Es kann auch wünschenswert erscheinen, eine andere Anordnung der Leiter im Schlitz zu versuchen. Geringe Änderungen in dieser Beziehung können erhebliche Unterschiede in der magnetischen Sättigung der

S. 400.

Zähne herbeiführen. Diese ist recht hoch zu machen, so daß die scheinbare Dichte gleich 20000 und auch 23 000 wird. Solche Dichten gestatten die Ankerabmessungen zu verkleinern; aber um sie zu erreichen, ohne daß die Zähne zu schmal werden, muß man 4, 6 oder 8 Leiter in einen Schlitz von 10 bis 15 mm Weite ein-legen. Wenn ferner Zweifel obwalten, daß die Kühlfläche ausreicht, so sind weitere Änderungen und Berechnungen erforderlich.

Wenn der Entwurf nach allen diesen Richtungen hin befriedigt, kann zur Ermittelung der Gewichte und Kosten geschritten werden. Diese, auf 1 Kilowatt bezogen, sind dann mit andern Maschinen zu vergleichen und zu prüfen, ob der Entwurf noch billiger herzustellen ist. Ist z. B. das Gewicht im Verhältnis zur verlangten Leistung zu groß, so ist zu erwägen, ob nicht ein größerer Durchmesser des Ankers, also größere Umfangsgeschwindigkeit bei Verkleinerung der Länge eine Besserung herbeiführen kann. Einen leichteren Entwurf kann man oft durch eine größere Polzahl erreichen, obwohl damit im allgemeinen die Kosten der Bearbeitung sich erhöhen. Die hier gegebenen Regeln ermöglichen, eine Maschine zu entwerfen, die in Bezug auf Funken, Erwärmung, Wirkungsgrad und Regelung durchaus gut ist; die Wahl unter den verschiedenen, nach und nach hergestellten Entwürfen in Bezug auf die Kosten ist eine Frage, die von den Marktpreisen der Materialien, den örtlichen Löhnen und den Selbstkosten der Fabrik abhängig ist.

Anderes Vorgehen beim Entwerfen.

Es ist natürlich möglich, auch in anderer Weise beim Entwerfen vorzugehen. Rothert gibt in seiner ausgezeichneten Abhandlung in der Elektrotechnischen Zeitschrift 1901, S. 191, folgenden Weg an:

Für die Bestimmung der Ankerabmessungen benutzt er eine Konstante, die nach den verschiedenen Maschinengattungen verschieden ist und bei einem gegebenen Durchmesser die Länge des Kernes gibt, und eine Formel ähnlich der in (I) (S. 483) aufgestellten und bestimmt die Polzahl nur nach der vorgeschriebenen Geschwindigkeit, und zwar nach der Regel, daß die Frequenz (d. i, das Produkt aus der Zahl der Polpaare in die Umdrehungszahl in 1 Sekunde) zwischen 17 und 20 bei einer 500 Volt-Maschine, oder 18,5 und 22 für eine bis auf 550 Volt überkompoundierte Maschine betragen soll. Hieraus wählt er die Ankerabmessungen so, daß bei einem Polspann von etwa 72 Prozent des Polstandes, die Poloberfläche annähernd ein Quadrat bildet, in dessen Mitte er einen zylindrischen Stahlpol

setzt. Er rechnet den Wirkungsgrad erst dann aus, wenn er die Hauptabmessungen festgesetzt hat, da dieser seiner Meinung nach hei großen Maschinen wenigstens immer richtig wird, wenn sie nur ungefähr nach anderer Hinsicht richtig entworfen sind. Eür viel wichtiger sieht er die Frage der Abkühlung an, die indessen durch geeignet angebrachte Lüftungskanäle unterstützt werden kann. Die Hauptfaktoren aber, die von dem entscheidendsten Einfluß auf die Abmessungen sind, bilden die besondere magnetische Sättigung der Zähne und die durch hohe Stromdichten im Kupfer erreichte Materialausnutzung. Für die Zähne benutzt er bei voller Belastung eine Dichte von 23 500 scheinbaren Linien, als Ankerstromdichte 2,68 bis 2,95 Ampere auf 1 mm². Bei einer zulässigen Erwärmung um 35 Grad C. und 8,5 bis 11,5 m/sec Umfangsgeschwindigkeit beträgt der Verlust auf 1 cm² Ankeroberfläche 0,25 bis 0,33 Watt. Für die feststehenden Magnetspulen nimmt er die Stromdichte von 1.4 bis 1,65 A/mm² und bei einer Erhöhung der Temperatur um 35 Grad einen Verlust von 0,12 Watt auf 1 cm² der Abkühlungsfläche.

Eine andere Art der Berechnung setzt die Polzahl zuerst fest, dann die Zahl der Stromwege durch den Anker, die annähernde Größe der Leiter aus der Spannung für 1 Segment und der verlangten Spannung die Zahl der Leiter. Aus der Spannung für 1 Segment kann die Zahl der Leiter für 1 Segment und die passende Länge des Kernkörpers bestimmt werden, und aus der Wahl der Gruppierung der Leiter in den Nuten und deren Isolierung die Größe der Nuten. Die zulässigen Werte der Verluste werden festgestellt und aus den für die Zähne ermittelten die Abmessungen der Zähne gefunden. Hieraus und aus der Zahl der Nuten ergibt sich dann der Durchmesser. Die Berechnung des Feldmagnets findet in der schon beschriebenen Weise statt,

Corsepius hat in seinem Werk: »Leitfaden zur Konstruktion von Dynamomaschinen« (3. Auflage, Berlin 1903) noch eine andere Art der Berechnung gegeben, wobei er von der Art der Anordnung der Leiter in der Nut und von der mittleren Entfernung der Nuten voneinander ausgeht und Formeln zur Ableitung des Durchmessers aus diesen Werten und aus der Geschwindigkeit, der Spannung und der Polzahl angibt.

Verfeinerung des Entwurfs.

Bei fast allen der oben erwähnten Berechnungsvorgänge lassen sich Feinheiten anbringen, und erfahrene Konstrukteure haben ihre eigenen Methoden, Einzelheiten besonders auszuarbeiten. "Wir müssen uns damit begnügen, einige dieser Verbesserungen anzugeben.

Koeffizient der magnetischen Streuung. Da dieser nicht konstant ist, sondern mit der Belastung größer wird, berechnen ihn manche mit großer Genauigkeit für die verschiedenen Belastungen. Bei Gleichstrommaschinen ist das im allgemeinen überflüssig, aber ■bei Wechselstrommaschinen, wo der Spannungsabfall bei induktiver Belastung hauptsächlich von der Streuung abhängt, ist es sehr wichtig.

Gleichwertiger Polbogen. Bisher wurde es für ausreichend erachtet, den Polbogen oder die wirkliche Breite des Pols als einfachen Bruchteil des Polstandes anzusehen, wobei sowohl Polspann wie Polstand an der Ankeroberfläche gemessen wurden. Das Verhältnis = Polspann/Polstand, zwischen 0,6 und 0,8 bei verschiedenen Maschinen schwankend, setzt voraus, daß der Polspann eine bestimmte Länge ist. Da aber die Polspitzen meist weggeschnitten werden, um eine für eine gute Stromwendung geeignete Zusammen-drängung des Eeldes zu erzielen, wie S. 243 beschrieben ist, so ist ■der äußere Spann von Spitze zu Spitze in Wirklichkeit kein genaues Maß für die wirksame Breite des Eeldes. Der wirkliche Polspann kann aber auf folgende AVeise gefunden werden. Man ermittelt zuerst die Verteilung des Eeldes bei Leerlauf, indem man einen Pol aufzeichnet und den Ankerumriß in dem berechneten Abstand darunter zeichnet, sodann, von der Polmitte ausgehend, gleiche Längen rechts und links abträgt, z. B. neun auf jeder Seite, dann die erfahrungsmäßige Form des Eeldes in der AVeise andeutet, daß in jedem Teile eine Linie als Darstellung der den Luftzwischenraum in dem betreffenden Teile durchsetzenden Kraftlinien gezeichnet wird, wie in Eig. 393 angedeutet ist. Nun bestimmt man aus der Zeichnung die Länge dieser Linien: die in der eigentlichen Polfläche liegenden sind naturgemäß alle gleich. Dann trage man über einer gleichgeteilten Basis Ordinaten auf, deren Länge umgekehrt proportional der Länge der Linien ist. Die Endpunkte dieser Ordinaten bilden eine Kurve der Verteilung der Intensität des Eeldes durch den Zwischenraum (bei Annahme einer überall gleichen Länge des Pôles von vorn nach hinten), da die Kraftlinien dichte (ungestört durch Ankergegenwirkung) umgekehrt proportional der Länge des Weges durch den Luftzwischenraum ist. Ist die Länge des Pols von vorn nach hinten nicht überall gleich groß, sondern verschieden, wie z. B. wenn die Polecken, wie in Eig. 153b, poligonal geformt sind, so muß die Höhe der betreffenden Ordinaten entsprechend verringert werden. Hat man so eine korrigierte Kurve erhalten, wie in Fig. 399, so muß in sie ein Kechteck eingetragen werden, so daß die Fläche ab cd gleich der Fläche unterhalb der Kurve ist. Dann stellt die Länge a d im selben Maßstab den reduzierten oder den

\;

-X"

■f ‘K? J —I «I³    ^5678987654    2___

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BERECHNETER POLBOGEN -

->!

— Polteilung------

Fig. 393. Graphische Berechnung der Feldverteilung.

gleichwertigen Polspann dar, und der wahre Wert von (|j ist das Verhältnis von a d/Polstand (Polteilung), dargestellt durch die Basislinie von 0 bis 0.

Wir sahen (S. 488) bei der Entwickelung der Formel für die Beziehung zwischen Leistung und Größe, wie wichtig es ist, daß dieses Verhältnis möglichst groß wird. Es gibt aber zwei Erwägungen, die dahin führen, es zu verkleinern. Um ein für die Strom-

umkehrung geeignetes Zusammendrängen des Feldes zu erhalten, müssen die Polspitzen abgerundet oder weggeschnitten werden, wodurch naturgemäß der gleichwertige Polspann verkürzt wird. Werden anderseits die Polspitzen einander sehr nahe gerückt, so findet ein erheblicher magnetischer Verlust statt. Bei Gleichstrommaschinen ist dies nicht schlimm. In Fig. 398 war nur ein Pol gezeichnet, sein Feld dehnt sich beiderseits über die neutralen 0-Punkte hinaus, wie durch die punktierten Linien angedeutet; beim Abschätzen der Verteilung des Feldes ist zu berücksichtigen, daß die Einwirkung der benachbarten Pole die Kurve auf 0 bringt.

Hat der Anker weite offene Nuten, so können diese die Verteilung der Kraftlinien stören, daher gehen manche Konstrukteure genauer zu Werke und suchen zwei Kurven auf, eine für den Fall, daß eine Nut dem Punkt 0 gegenüberliegt, die andere für den Fall, daß dort ein Zahn vorhanden ist.

Zusammendrängen des Umkehrfeldes. Auf S. 237 bis 245 haben wir gesehen, wieviel Mühe angewendet worden ist, um ein gleichmäßiges Umkehrfeld unter der rückwärts liegenden Polspitze auch bei voller Belastung zu sichern. Wenn man mit einer kleinen Abänderung des vorbeschriebenen Verfahrens die Kurve der Verteilung der Kraftlinien des Feldes in der Verzerrung, wie sie die volle Belastung hervorruft, aufzeichnet, sieht man, daß sowohl die Breite wie die Neigung der Zusammendrängung genähert wird. Zu einer guten Umkehrung ist aber erforderlich, daß dieser Teil des Feldes nicht nur eine gleichmäßige Stärke, sondern auch eine genügende Breite hat, und daß seine Neigung die erforderliche elektromotorische Kraft in jedem Augenblicke gibt. Wenn das Potential unter der Bürste auf der ganzen Breite gleichmäßig sein soll, darf die Zusammendrängung der Kraftlinien an demjenigen Punkt, der dem Beginn der Stromumkehrung entspricht, nicht zu stark werden, weil sonst das Potential unter der Bürstenmitte fallen wird. Die Dichte darf umgekehrt auch nicht zu schwach sein, da sonst das Potential steigen wird. Ebenso darf das Feld am Ende der Kommutierung nicht zu stark sein, damit kein Potentialabfall entsteht und keine Überkommutierung in der betreffenden Schleife stattfindet. Die Polspitzen müssen daher solche Form haben, daß die (verbesserte) Kurve der Verteilung an den Punkten 0 eine gut begrenzte und nicht zu steile Neigung hat, die sich auf eine genügende Entfernung von 0 nach dem Pol zu erstreckt. Auf sehr einfache Weise hat dies die Maschinenfabrik Oerlikon zu erreichen gesucht, indem sie die Bleche der geblätterten Polkerne zu Blöcken von etwa 2,5 cm Dicke zusammenlegt, die gegeneinander in passender Weise verschoben werden, wie Fig. 394 zeigt. Eine andere Form, die die Zusammendrängung des Feldes und zugleich die Sättigung der Spitzen sichern will, ist in Fig. 395 dargestellt.

Länge der Ankerleiter. Zum Abschätzen der Länge einer Schleife bei den verschiedenen Wickelungsformen gibt es verschiedene einfache Regeln. Bei der Mantelwickelung erhält man die Länge einer Schleife aus den Ankerabmessungen durch die einfache Formel 8 —j— 2 / —|— 7 d/p. So erhält man bei einer achtpoligen Maschine mit cl— 160 cm und 1= 38 cm die Länge einer Schleife zu 224 cm.

Fig. 395. Polhörner mit großer Sättigung.

Fig- 394- Schräge Polhörner der Maschinenfabrik Oerlikon.

Über-

Nebenschluß- und Kompound - Maschinen, kompoundierte Stromerzeuger müssen etwas reichlichere Abmessungen erhalten als Nebenschlußmaschinen für gleiche Geschwindigkeit und Spannung, um eine Vergrößerung der Kraftlinienzahl und ein Ausgleichen der von der zusätzlichen Erregung bei voller Belastung herrührenden Verluste zu ermöglichen, oder, was auf das gleiche hinausläuft, sie müssen bei gleichen Abmessungen und gleicher Geschwindigkeit für eine um 5 bis 7 Prozent geringere Leistung, oder bei gleicher Leistung mit um 5 bis 7 Prozent größerer Geschwindigkeit entworfen

werden.

¹

   Wiener (Practical Calculations, 2. Aufl. 1902, S. 287a) schlägt vor, die Wahl der Polzahl nur von der Geschwindigkeit abhängig zu machen, indem man die Wechselzahl und damit die Eisenverluste klein hält. Er setzt die Wechselzahl auf 10 bis 15 bei langsam laufenden, steigend bis zu 25 und auch 30 bei schnell laufenden Maschinen fest. Mit anderen Worten: für langsam laufende Maschinen ist die Polzahl zu finden, indem man die Umdrehungszahl n in 200 oder 300 teilt und den nächst höheren geraden Wert nimmt. Hierbei wird aber die Größe der Maschine unberücksichtigt gelassen ; es wäre widersinnig, einer 40 Kilowatt-Maschine dieselbe Polzahl wie einer von 8co Kilowatt zu geben, bloß weil jede vielleicht mit I2D Umdrehungen in der Minute umläuft. . Fischer-Hinnen (Gleichstrommaschine, 1899) empfiehlt vier Pole als passend für Maschinen zwischen 6 oder 20 Kilowatt und 100 oder 150 Kilowatt und sechs Pole bis zu 200 oder 300 Kilowatt.

²

   Gleichwohl gibt es gute Maschinen mit einer kleineren Polzahl als nach dieser Regel zulässig. Die großen Berliner Maschinen der A. E. G. von

³

Die Eisen Verluste sind S. 99 bis 103 berechnet; die Bindedrähte

Gewicht und Kosten.

Jeder Entwurf, bei dem entweder die Kraftliniendichte im Eisen oder die Stromdichte im Kupfer unnötig niedrig ist, wird schwer und teuer, im umgekehrten Falle steigt die Erwärmung zu

sehr oder die Verluste werden zu groß. Man kann wohl einen hohen Wirkungsgrad mit niedrigen Dichten erreichen, aber eine leichtere Maschine erhält man mit demselben Wirkungsgrade mit höheren Dichten, wenn besondere Einrichtungen zur Kühlung vorgesehen sind. Die Isolation vergrößert die Maße der Maschine, daher ihr Gewicht und die Kosten. Sie ist daher so dünn als möglich zu nehmen und durch Verwendung von Glimmer und Vermeidung von runden Drähten ein möglichst hoher Raumfaktor anzustreben. Das Einlegen mehrerer Leiter in einen Schlitz führt eine merkbare Ersparnis in der Ankergröße herbei und ermöglicht eine sonst nicht erreichbare Kraftliniendichte in den Zähnen.

Da die Kosten der Materialien und der Löhne in den verschiedenen Fabriken verschieden sind, so kann ein Entwurf, der in der einen Fabrik die gestellten Bedingungen am billigsten erfüllt, in einer anderen weniger gut sein. Immerhin gibt es einige Regeln, die von allgemeiner Geltung sind.

So wiegen Maschinen mit geringer Umfangsgeschwindigkeit stets mehr als solche mit höherer Geschwindigkeit; ebenso solche mit Gußeisenmagneten mehr als solche mit Stahlmagneten. Das Ankergewicht (ausschließlich der Welle) soll bei gleicher Geschwindigkeit der Leistung in Kilowatt annähernd proportional sein. Bei Ankern mit einem größeren Durchmesser als 100 cm sind Gewicht und Kosten ziemlich genau proportional dem Produkt d²1, bei den kleineren ändern sich diese Werte mehr nach dem Verhältnis von d zu L Das Verhältnis zwischen Kupfer und Eisen ist kleiner bei Maschinen mit größerem Werte von d\l (bei gleicher Leistung und Geschwindigkeit). Die Gesamtherstellungskosten sind nicht den Leistungen proportional; Maschinen mit hoher Geschwindigkeit sind bei gleicher Leistung billiger als solche mit geringerer Geschwindigkeit. Selbst bei Reihen von Maschinen derselben Art und Herkunft, aber verschiedener Größe sind die Kosten nicht proportional d²l. Man kann aber die einfache Eormel

Kosten = A-\-B (d²l)

aufstellen, worin A und B Konstanten sind, die jedes Werk für sich ermitteln muß. Scott¹) hat für ein englisches Werk und englische Maße in Zollen (Kosten in Pfund Sterling) den Wert der Konstanten zu M = 140, B = 0,018 angegeben, woraus sich der Preis einer Maschine von dt =62" und Z= 15" zu 1293 # in der Fabrik berechnet. Für Markwährung und Maße in Zentimetern sind die Werte der Konstanten M = 2800, Z? = 0,022, und der Preis einer Maschine von d= 160 cm und l = 38 cm berechnet sich zu 24000 Mk. Für die Schätzung der Materialkosten bei Maschinen dieser Größe hat er folgende Werte angegeben:

Anteil in Prozenten der genannten Materialkosten

Material

zus. 31 Prozent für Kupfer.

39 Prozent für Eisen.

100

Wilson²) hat das Verhältnis von Preis und Leistung hauptsächlich der zweipoligen Maschinen untersucht, Mavor³) gezeigt, daß die Leistung und die Kosten, bezogen auf eine Umdrehung, in einem bestimmten Verhältnis stehen. Neuerdings⁴) hat er die beste Geschwindigkeit für einen Motor gegebener Größe unter gegebenen Wärmegrenzen sowie die günstigste Nutentiefe untersucht.

Hob art⁵) hat geprüft, wie man am billigsten Reihen von Stromerzeugern desselben Musters entwerfen kann; er bevorzugt hohe Umfangsgeschwindigkeit, großen Stromwender und hohe Stromdichte im Anker, zwischen 3,6 bis 3,9 Ampere auf 1 mm³. Er berechnet auch die Kosten des wirksamen Materials, d. h. desjenigen Eisens und Kupfers, das magnetisch oder elektrisch ausgenutzt wird, also mit Ausnahme der Grundplatte, Ankerwelle und -stern, Lager und dergl. Er gibt für Maschinen von 80 bis 150 Kilowatt einen mittleren Wert von 16,5 Mk. als Kosten der wirksamen Materialien für 1 Kilowatt an. Die Gesamtherstellungskosten für 1 Kilowatt nehmen bei größeren Einheiten ab, da das Verhältnis der wirksamen zu den gesamten Materialien mit zunehmender Größe der Einheit günstiger wird. Bei gleicher Leistung sind ungefähr die Kosten umgekehrt proportional der Quadratwurzel aus der Geschwindigkeit.

Niederspannungen]aschinen verlangen einen großen und dementsprechend teureren Stromwender als Hochspannungsmaschinen gleicher Leistung und Geschwindigkeit.

Die wirklich gezahlten Materialpreise waren im Jahre 1904 (in England): Kupfer für Anker- und Feldmagnetspulen 1,7 Mk. für 1 kg, Ankerbleche 0,30 Mk., Stahlguß oder Schmiedeeisen für Polkerne und Joch 0,38 Mk., Gußeisen 0,25 Mk.

Die meisten der vorstehend angegebenen Untersuchungen beziehen sich auf große und mittelgroße Maschinen, die Preise für Maschinen etwa unterhalb 5 Kilowatt sind vergleichsweise höher wegen der größeren Arbeitslöhne, so daß bei ihnen der Preis wesentlich davon abhängig ist, ob und in welcher Weise eine Massenfabrikation möglich und durchgeführt ist. Der Preis einer 50 Kilowatt-Maschine beträgt zur Zeit (1904, England) 1,7 Mk. für 1 kg Gesamtgewicht, er verringert sich bei größeren Maschinen und fällt auf etwa 1,0 Mk. bei 1000 Kilowatt Leistung. Bei sehr kleinen Maschinen hingegen steigt der Preis bis zu 6 Mk.

Hobart hat in der Zeitschrift Electrician, Bd. 51, S. 810, 1903, dargelegt, daß bei einer Reihe von Maschinen gleicher Art, z. B. 500 Volt-Maschinen mit Mantelwickelung, der Herstellungspreis mit großer Genauigkeit proportional ist dem Produkt aus dem Ankerdurchmesser in die ganze Ankerlänge gemessen über den Endverbindungen. Er ist daher einfach proportional der zylindrischen Oberfläche des Ankers. Er schlägt vor, daß die spezifische Leistung definiert werden soll durch das Verhältnis der vollen Leistung zum Produkt von Ankeroberfläche und Geschwindigkeit. Ist L die ganze Länge, d der Durchmesser des Ankers, beide in Zentimetern, P die Leistung in Watt, Q die spezifische Leistung, n die Zahl der Umläufe in 1 Sekunde, so haben wir:

w d-L- 60 n

oder

d-L

-• Q-60 n

Q ist hiernach in der Tat die Leistung in Watt auf 1 cm² und eine Umdrehung in der Minute. Die Werte von Q sind für einige der weiter unten beschriebenen Maschinen folgende : Oerlikon, 500 Kilowatt, 0,07; Scott and Mountain, 150 Kilowatt, 0,02; General Electric Co., 550 Kilowatt, 0,08; Hobart, 1000 Kilowatt, 0,125.

Günstigste Ausnutzung des Materials.

Ein guter Entwurf muß das Material aufs beste ausnutzen. Das Kupfer muß die zulässig höchste Stromstärke, das Eisen die größte Kraftlinienzahl haben, die mit günstiger Wirkung und Abkühlung verträglich ist, und das Kupfer das Feld mit der größten Geschwindigkeit schneiden, die die Rücksicht auf mechanische Festigkeit zuläßt.

Der wirksame Raum. Mavor⁶) hat den Begriff des wirksamen Raumes eingeführt. Er versteht hierunter den Raum, welcher die Ankerleiter enthält, und zwar vom Ankerumfang bis zu den Zahnwurzeln herab, der also mit Eisen, Kupfer und Isoliermasse ap-gefiillt ist. In diesem wirksamen Raum findet die ganze Induktion statt und in ihm werden die mechanischen Kräfte ausgeübt. Mavor ermittelte die Zahl der Erg in 1 Sekunde und 1 cm³ bei der Einheit der Geschwindigkeit und des Feldes zu 5. Da nun die von einer Linie während des Durchganges eines Stromes durch ein Feld geleistete Arbeit einfach proportional dem Strom ist, so bildet Mavors Wert ein Maß für die Stromdichte im

Querschnitt des wirksamen Raumes. Wir können diesen Begriff noch weiter ausdehnen und nicht nur den Mittelwert des Stromes, der jedes Quadratcentimeter des Querschnitts parallel zur Welle durchsetzt, sondern auch den Mittelwert der Kraftlinien, die ihn radial durchsetzen und der Geschwindigkeit, mit der er sich tangential bewegt, darauf beziehen. Ist cl der Durchmesser, l die Länge des Kernkörpers, s die Tiefe der Nuten, so ist der Inhalt des wirk-

samen Raumes gleich zzd-l-s, also die Leistung auf 1 cm³ =

E-i

TZ-d-l - s.

Setzen wir für E den Wert n-N-O-pjc-lO⁸ und bedenken, daß

n = vl%d, wo v die Umfangsgeschwindigkeit in Zentimetern in der Sekunde, so erhalten wir:

N-i-O-p-v

c~²d²ls-10

Leistung in 1 cm³

Dies können wir in drei Faktoren zerlegen:

N-i

O-p v ~-c-d s tz d l 10⁸

«■ß*T

Leistung in 1 cm³

wo a die Stromdichte, ß die magnetische Dichte auf 1 cm² des wirksamen Raumes und y ein Faktor proportional der Umfangsgeschwindigkeit.

Ermitteln wir diese drei Faktoren a, ß und y für eine Maschine, so können wir den Entwurf in Bezug auf die spezifische Ausnutzung des Materials mit andern vergleichen. Einige Konstrukteure gehen so vor, daß sie eine hohe Stromstärke benutzen: bei ihnen wird a groß sein. Andere arbeiten mit hohen Kraftliniendichten: bei ihnen ist ß groß. Noch andere lieben hohe Geschwindigkeiten und vergrößern dadurch die spezifische Leistung einer gegebenen Menge von wirksamem Material. Funkenfreie Stromumkehrung bedingt aber, daß ß ebenfalls hoch ist, wenn a hoch ist, während ß auch ohne a hoch sein kann; ebenso ist y ganz unabhängig von a und ß.

Der Verfasser hat mehr als 50 neuere Stromerzeuger, darunter die in diesem Buch erwähnten, einer genauen Prüfung in Bezug auf diese drei Faktoren unterzogen und gefunden, daß a meist zwischen 46 und 71 liegt; nur sehr wenige Maschinen fallen aus diesen Grenzen hinaus. Die Werte von ß liegen meist zwischen 4600 und 7000, äußerste Werte sind 3400 und 9000; die Werte von y liegen meist zwischen 0,0001 und 0,00023, gehen auch in einzelnen Fällen noch über den letzteren Wert hinaus. Die Leistung für 1 cm³ des wirksamen Umfangs bewegt sich zwischen 2,8 und 7,3, geht aber in einem einzigen Falle auf 0,9 herab und erreichte bei der Hobartschen 1600 Kilowatt-Maschine den Wert 9,9. Für Maschinen mit glatten Ankern gelten diese Berechnungen nicht, ebensowenig für Bogenlichtmaschinen und ganz kleine Maschinen (vergl. die Tabelle am Schlüsse des Kapitels XX).

Schema zum Entwerfen. Das nachstehende Schema erweist sich sowohl bei der Untersuchung bestehender als beim Entwerfen neuer Maschinen sehr nützlich. Hobart hat ein noch eingehenderes Schema in der Zeitschrift Electrical Review vom 5. und 12. Dezember 1902, S. 928 und 975 veröffentlicht.

Schema für den Entwurf von Gleichstrommaschinen.

Pole;

Art der Maschine_; _

drehungen in 1 Minute;

Kilowatt;

Um-

Yolt;

A mpere.

Entworfen von_

Gebaut von _

Im Betrieb ______

Muster__

G esam tge wicht_

Spannung bei Leerlauf Überkompoundierung _

bei voller Belastung _Yolt

Prozent.

Prüfung.

Be

lastung

Umdreh, in der Minute

Span

nung

Strom

Anker

Neben

schluß

Leistung in Kilowatt

Kupfer

Anker

Verluste in Watt Er- Rei-Eisen regung bung

Ins

gesamt

Wir

kungs

grad

³/r

IX/4

Stunden; Ampere ;

Prüfung nach ununterbrochenem Betriebe von

_Ampere; Nebenschluß _

_Yolt; Widerstand des Nebenschlusses

Ohm; Gemessener Widerstand der Nebenschluß Wickelung:

Ankerstrom

E. M. K.

kalt (.

Grad C.)

Ohm; warm (

Grad C.)

Ohm.

Bemerkungen:

Luftzwischenraum.

Länge in der Mitte von Eisen zu Eisen Durchmesser der Bohrung

Polstücke.

Länge parallel der Welle „ des Polbogens Polbogen / Polstand

Magnetkern.

Äußere Län Stärke der

Magnetspule. Isolation

Elektrische Größen.

n    n    n

Art der Wickelun Zahl der Windungen auf i Stab Wickelungsformel Ampere auf x Kreis

erregung)

Strom bei voller Belastung auf i cm2 Rheostatenwiderstand iR Abfall im Rheostaten (Verlust in Volt)

auficm²

Abmessungen.

Anker.

Durchmesser, äußerer Umfang

Polstand auf der äußeren Ankerfläche

Länge zwischen den Endplatten

Durchmesser X Kernlänge | Leistung

Dicke der Kernplatten

Zahl der Lüffungskanäle

Weite eines Kanals

Wirksame Länge des Kernes

Radiale Tiefe des Kemkörpers

Innerer Kerndurchmesser

Zahl der Nuten

Tiefe „

Weite „    „

„    „    „ an d. Ankeroberfläche

Kleinste Zahnbreite Zahnbreite an der Ankeroberfläche Gesamtzahl der Leiter Zahl der Kreise Art der Wickelung Zahl der Leiter in Reihe zwischen

-j- und —

Stärke oder Querschnitt der Leiter (nackt)

Stärke oder Querschnitt der Leiter (isoliert)

Mittlere Leiterlänge einer Windung Schritt der Wickelung (vom u. hinten) „    „    „ (Zahl der Zähne)

Anordnung der Leiter in der Nut Kupferquerschnitt / Nutquerschnitt (Raumfaktor)

Länge d. wirksamen Leiters auf i Volt Gesamtisolation zwischen Leiter und Kern

Länge, radial

„ parallel zur Welle Breite oder Durchmesser

an den Seiten n „    „ am Kern

Länge des Wickelungsraumes ohne Isolation

Stärke des Nebenschlußdrahtes Mittlere Länge einer Windung Kompoundwickelung, Stärke oder Querschnitt des Drahtes

Joch-

Äußerer Durchmesser Innerer Durchmesser Dicke

Länge, parallel zur Welle

Stromwender.

Durchmesser

Länge eines Stabes, total

Größe der zylindrischen Oberfläche

Arbeitslänge des Stabes

Zahl der Stäbe

Breite der „

Tiefe „    „

Stärke d. Isolation zwischen d. Stäben Umfangsgeschwindigkeit m / sec

Bürsten.

Zahl der Bürstensätze „ in i Satz

Länge, nebeneinander Breite (am Umfang) der Bürste in Zentimetern

Breite (am Umfang) der Bürste in Vielfachen der Stabbreite Größe der Berührungsfläche einer Bürste

Gesamte Berührungsfläche einer Polarität

Anker.

EMK eines Kreises (Leerlauf) (Vollast)

„    „ i cm² der Leiter

* R Abfall im Anker (Verlust in Volt) Widerstand von Bürste zu Bürste (60 Grad C.)

Ampere auf x cm² des wirksamen Raumes

Stromwender.

Durchschnittsspannung zwischen den Stäben

Umkehrdichte / Polflächendichte i R Abfall (der Bürstenberührung)

Feldspulen.

Art

Zahl der Windungen in Reihe, i Spule „    „ Spulen in Reihe

Mittlere Länge einer Windung Gesamtwiderstand (6q Grad C.) Strom bei voller Belastung

Leerlauf (Nebenschluß-

Kompoundwickelung.

Anordnung

Zahl der Windungen in Reihe, x Spule Mittlere Länge einer Windung Gesamtwiderstand 160 Grad C.) Strom bei voller Belastung

Gegenwirkungen.

Ampereleiter auf i Pol

„    unter dem Pol

„    zwischen den Polen

„    i cm Umfang, volle Be

lastung

Amperewindungen im Zwischenraum und den Zähnen geteilt durch die unter dem Pol

Dichte im Zwischenraum unter dem hinteren Polhorn bei x¹^ Belastung

Feld.

Amperewindungen, Leerlauf, Leerlaufspannung

Amperewindungen, Leerlauf, Volllastspannung

• Prozent zuzufügen für Ankergegenwirkungen

Gesamtamperewindungen bei voller Belastung

Amperewind ungen, Nebenschlußspule bei voller Belastung

Amperewindnngen, Kompoundspule bei voller Belastung

Amperewindungen, insgesamt bei voller Belastung

Eigenregelung, Prozent

m

cd

(V

Zwischenraum-

koëffizienten.

Bei der Berechnung des Zwischenraumes ist die Kraftliniendichte mit 0,796 zu multiplizieren, um die Zahl der Amperewindungen für

1 cm des

Schema der Berechnung der Feldwickelung.

Linien. Koëffizient der Streuung

Linien, bei voller Belastung

Kraftlinien bei Leerlauf

Erforderliche Zahl der Amperewindungen

Amperewindungen auf d. Längeneinheit (aus der Kurve)

Mittlere

magnetische

Länge

Kraftlinien

dichte

Querschnitt

Kraftlinienzahl von i Pol

Zwischenraumes zu finden.

— Amperewindungen d. Nebenschlusses

Nebenschlußstrom _ Prozent

des Vollaststromes =__Ampere ;

also Zahl der Nebenschlußwindungen für jeden Pol __

Ausgleichswickelu n'g.

Die Zahl der entmagnetisierenden Amperewindungen erhält man annähernd durch Multiplikation Polhörnem liegenden Zahl der Leiter mit der Stromstärke in jedem Leiter.

der zwischen zwei

Amperewindungen für die Kom-Vollaststrom

=-; also Zahl der Reihen-

Wickelung für jeden Pol =

poundwickelung

Bemerkungen:

cm³,

Gesamtamperewindungen bei Leerlauf =

Gesamtamperewindungen bei voller Belastung . . = Hierzu Amperewindungen für die Ausgleichswirkung = Hiervon ab die Amperewindungen bei Leerlauf . . =

Unterschied =

Ankerkörper

Zähne

Zwischenraum

Polkem

Joch

Ankerkörper

Zähne

Zwischenraum

Polkern

Joch

jnupmaq rag

J3HOA mg

Berechnung der Nebenschlußspule.

Stromdichte auf x cm³ Kupfer =-, Draht Nr. -, Durchmesser (nackt) _, besponnen _

Zahl der Nebenschlußwindungen --, diese erfordern Wickelungsraum _ cm?. Kleinste Länge einer

Windung -—. größte -, also mittlere Länge — -cm =-m. Widerstand einer Spule (bei 60 Grad C.)

--—Ohm. Wattverlust einer Spule--Unter derAnnahme, daß der Gesamtverlust im Nebenschluß o 7s Prozent

der Gesamtleistung ist, ist der Verlust einer Spule höchstens -Watt. Mit diesem Werte berechnet sich das

Kupfergewicht aus folgender Formel:

Kupfergewicht einer Spule in Kilogramm = -⁵° X (Amperewindungen X mittlerer Länge einer Windung in Metern)³

Watt auf i Spule (bei 20 Grad C.) X ¹⁰⁸

— cm lang ist und -cm äußeren Durchmesser hat, ist die Kühlungsoberfläche

Watt, und voraussichtliche Erwärmung um _Grad.

NB. Die gesamte Kühlungsoberfläche aller Spulen in Quadratzentimetern sollte etwa 100 mal der Gesamtleistung in Kilowatt sein. Voraussichtliche Erwärmung 470 Grad für 1 Watt/cm².

Da die Spule also auf 1 cm³ _

Berechnung der Reihenwickelung.

Angenommene Stromdichte - Ampere auf i cm³ Kupfer, daher erforderlicher Querschnitt des Kupfers

- cm-; wird erzielt durch Kupferstreifen von ---- cm Breite und __ cm Dicke. Mittlere Länge einer

-; Gesamtlänge der erforderlichen Streifen -cm für i Pol, oder_ insgesamt. &

Windung

Bedingungen der Prüfung

Dauer

Spannung

Ankerstrom

Prüfung der Erwärmung.

Temperaturerhöhung in Graden

Neben

schlußstrom

Temperatur des Raumes

Anker Nebenschi. Reihe

Thermo

meter

Wider

stand

Thermo

meter

Wider

stand

Thermo

meter

Wider

stand

Strom

wender

Lager

Rahmen

Nach-Stunden

Bemerkungen Datum _

Geprüft von

Gewichte und Kosten.

Kosten der fertigen Maschine

Maschinenteil

Material

Gewicht

Auf i kg

Insgesamt

Auf

r Kilowatt

Auf

ioo Umdrehungen

Joch

Pole

Ankerkern

Ankerkupfer

Strom wender

Nebenschlußspule

Reihenwickelung

Ankerkreuz

Ankerwelle

Bürstenhalter u. s. w.

Grundplatte u. Lager

Insgesamt

Kapitel XIX.

Untersuchung ausgeführter Maschinen.

Wir wollen nun einige Maschinen verschiedener Art an der Hand der entwickelten Grundsätze und Methoden untersuchen.

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[fei

Fig. 396. Nebenschlußmaschine von Scott und Mountain.

Beispiel I. Yielpolige Nebenschlußmaschine mit genutetem Trommelanker, gebaut von Scott und Mountain. M. P. 6 — 150 — 450 — 250 Yolt 600 Ampere. (Dargestellt in den Fig. 396 u. 427 und Tafel Y und beschrieben im nächsten Kapitel XX.)

Aus den Zeichnungen entnehmen wir folgende Daten:

Allgemeine Angaben.

.    150 Kilowatt,

Leistung bei voller Belastung Klemmenspannung bei voller Belastung .    .    .    250 Yolt,

Stromstärke bei voller Belastung Umdrehungen in 1 Minute .    .

Umfangsgeschwindigkeit .    .    .

Zahl der Pole......

600 Ampere, 450

19,7 m/sec,

Art der Belastung

Beleuchtung.

Abmessungen.

Anker:

Kernscheiben, äußerer Durchmesser .    .

innerer

Zahl der Nuten............

Tiefe des Eisens im Kern unter den Zähnen .

Ganze Länge des Kernes........

Wirksame Länge des Kernes (Länge des Eisens) Durchmesser des fertigen Ankers ....

Zahl der Leiter..........

Anordnung der Leiter........

Wickelungsart..........

Maße jedes Leiters (nackt)......

»    » v (isoliert)......

Querschnitt jedes Leiters.......

Mittlere Länge einer Ankerwindung .    .    .

Feld magn ete:

Durchmesser der Bohrung......

Polwinkel............

Windungen auf ein Polpaar.....

Mittlere Länge einer Windung ....

Drahtdurchmesser (nackt)......

Drahtquerschnitt..........

Nebenschlußstrom.........

Stromwender:

Durchmesser...........

Zahl der Segmente.......

Wirksame Länge.........

88,8 cm, 45,7 „ 124

4,13 cm, 1,02 cm, 2,U „ 2,03 „ 14,92 „ 27,94 cm, 22,86 „ 83,8    „

496

4 in 1 Nut, parallel, 1,78X0,28 cm 1,85X 0,36 „ 0,50 cm2 .    .    168,6 cm,

85,4 cm, 43 Grad,

3602

109,2 cm,

2 mm,

3,2 mm²,

4,1 Ampere,

53.34 cm,

248

19,05.

Aus den Zeichnungen sieht man, daß die stählernen Magnetkerne von kreisrundem Querschnitt und mit dem Joch verschraubt sind ; die Polenden bilden ein Stück mit den Kernen.

Der Feldrahmen ist zweiteilig gegossen, beide Teile sind zusammengeschraubt. Die Feldspulen sind sämtlich in Reihe geschaltet. Der Anker hat zwei Lüftungskanäle von je 9,5 mm Weite; die Kernscheiben haben einen Firnisanstrich als Isolation, wofür etwa 18 Prozent der ganzen Länge zu rechnen sind. Die Wickelung ruht in Kuten mit parallelen Wänden, sie hat sechs parallele Kreise und sechs Bürstensätze, die um je 60 Grad voneinander abstehen.

Wir wollen nun zunächst die Sättigungskurve der Maschine konstruieren. Wir haben:

oder

E = n-N-Oj 10

450

• 496 • OjlO8 E= 0,000037 2 O.

Der Streuungskoöffizient dieser Maschine ist v —1,17, daher ist

60

rPm

300

280

260

230

200

8 ioo ooo 7 530 000 7 000 000 6 180 000 5 400 000

9 480 000 8 800000 8 200 000 7 230 000 6 320000

Aus der Zeichnung ergibt sich die Länge des mittleren Kraftlinienweges im Joch .    .

in zwei Kernen im Ankerkern . in zwei Zähnen in zwei Zwischenräumen

•n

11

11

11

11

11

11

11

11

11

11

11

66 cm

71 „

38 „

8,25 cm,

11

11

11

11

1,59 „

und die magnetischen Querschnitte

des Joches ........

der Magnetkerne .....

des Ankerkörpers.....

Da der Polwinkel 43 Grad beträgt, ist die Zahl der unter einem Pol liegenden Zähne

284 cm², 502 „

342 „

124-43

360

14.8.

Wegen der hohen Kraftliniendichte in den Zähnen werden sich die Kraftlinien ziemlich stark nach der Seite ausdehnen, so daß wir

16 Zähne als unter einem Pol liegend annehmen können. Da die Entfernung von Mitte zu Mitte Kut an der Ankeroberfläche = 2,14 cm ist, so ist die Breite der Zähne = 2,14 — 1,02 «== 1,12 cm. Demnach beträgt die Fläche der Zähne unter einem Pol 16 • 1,12 • 22,86 — 410 cm2.

Die Fläche des Luftz wischenräum es ist als Mittel aus der Zahnfläche und der Polfläche

656 cm².

903 -j- 410

Damit haben wir alle Angaben, die zur Konstruktion der Sättigungskurve und der Charakteristik bei Leerlauf nötig sind. Es genügt für unsere Zwecke, zwei Punkte der Kurve zu bestimmen, da alle anderen in gleicher Weise ermittelt werden. Wir nehmen die Punkte für E = 260 und E = 230; die zugehörigen Werte sind in den beiden folgenden Tabellen⁷) zusammengestellt:

'Pa = 6180 000.

cPtn = 7 230 OOO.

E = 230.

Maschinenteil

Material

Magnetische

Querschnitt cm²

Länge

Kraftlinien

dichte

cm

Wert von 0 aus der Kurve

Ampere

windungs

zahl

Joch

2 Magnetkerne 2 Zwischenräume 2 Zähne Ankerkern

Stahlguß

>>

Luft

Eisenblech

^1 o

W r-t C\

f gf„2 S

x ^x

^__

vq 00

12 700

14    400 9 400

15    000

7.4

13.2

7520

490 940 12 030

10

80

80

E — 260.

Gesamt-Amperewindungen für einen Pol 13620 cPa = 7000000.

= 8 200 000.

Maschinenteil

Material

Magnetische

Querschnitt cm²

Länge

cm

Kraftlinien

dichte

Wert von 0 aus der Kurve

Ampere-

windungs-

zahl

Joch

2 Magnetkerne 2 Zwischenräume 2 Zähne Ankerkern

Stahlguß

>1

Luft

Eisenblech

13

23-7

vq CO

8480

5°

2,4

86o

1 690 13 5°° 410

90

Gesamt-Amperewindungen für einen Pol 16550

Die Werte von 0, der Amperewindungszahlen auf 1 cm des Kraftlinienweges sind aus den Kurven der Tafel I entnommen (durch Multiplikation der Abszissen mit 0,8), und zwar ist für Stahlguß Kurve A und für Eisenblech Kurve G benutzt. Die Werte weichen

20300.

natürlich je nach der Herkunft des Materials etwas voneinander ab. Der Werts für den Luftzwischenraum wird, wie auf S. 93 u. 138 entwickelt, unter Benutzung des Koeffizienten 0,8 ermittelt.

In gleicher Weise erhalten wir für die Punkte E~ 200, Amperewindungszahl 11250,

E = 280,

E — 300,

25 900,

Verbinden wir diese fünf Werte durch eine Kurve, so erhalten wir den wirksamen Teil der Sättigungskurve, wie in Fig. 397 dargestellt. Daraus finden wir für E = 250 die Amperewindungszahl bei Leerlauf = 15300.

Die für volle Belastung erforderliche Amperewindungszahl ist um einen Betrag größer als der für Leerlauf, der abhängig ist:

1.    von dem Wattverlust bei voller Belastung,

2.    von der Entmagnetisierung des Ankers,

3.    von der Verzerrung des Ankerfeldes.

Der Widerstand des arbeitenden Ankers ist einschließlich

Bürstenhalter und Kohlebürsten 0,0081 Ohm von Bürste zu Bürste. Der Widerstand der Reihenspulen beträgt 0,00083 Ohm. Daher ist der Gesamtwiderstand des Hauptstromkreises in der Maschine 0,0081 -f- 0,000 83 = 0,00893 Ohm.

Der Spannungsabfall bei voller Belastung ist demnach: e = 600 • 0,00893 = 5,3 Volt.

Die Klemmenspannung der Maschine soll bei voller Belastung = 250 Volt sein, also muß der Anker 255,3 Volt erzeugen. Hierfür ergibt sich aus der Kurve Fig. 397 für die Amperewindungszahl bei voller Belastung der Wert W₂ = 15 900, unter der Voraussetzung, daß keine Ankergegenwirkung besteht. Die Zahl der zwischen den Polspitzen liegenden Nuten ist

•124 = 5,8.

60 — 43 360

In jeder Nut liegen vier Leiter, von denen jeder bei voller Belastung 100 Ampere führt. Unter der Annahme, daß die Bürsten gerade unterhalb der Polspitzen liegen, ist also die Zahl der entmagnetisierenden Amperewindungen des Ankers bei voller Belastung

5,8-4-100 = 2320.

Multiplizieren wir diesen Wert mit v= 1,17, so erhalten wir in 2320-1,17 = 2715

die Zahl der für jedes Polpaar zum Ausgleich erforderlichen Amperewindungen.

Addieren wir hierzu X₂ — 15900, so ist ^3 = 18 615 die Amperewindungszahl ohne Berücksichtigung des Spannungsabfalles, der von der Verringerung der Durchlässigkeit der Zähne am vorwärts

Fig. 397. Vorausberechnung der Magnetisierungskurve der sechspoligen Maschine von Scott und Mountain.

IIOOO 12000 13000 14-000

AMPEREWINDUNGEN FÜR EIN POLPAAR.

ro

220

a₂40

N

° 230

lU 250

« 260

. 270

0,0000372

ro

oo

290

300

I-

rC

-to-

•*3

gerichteten Polhorn wegen der Verzerrung des Feldes herrührt. Dieser Verlust ist aber vorhanden und muß, wie S. 475 angegeben, berücksichtigt werden.

Wir haben an Amperewindungen unter einem Polpaar

47

^•124.4.100 = 6500.

Wir tragen demnach jederseits des Punktes X₃ der Abszissenachse diesen Wert 6500 ab und erhalten die Punkte A und B¹)₁ die die vor- und rückwärts liegenden Polhörner darstellen. Wenn keine Verzerrung des Hauptfeldes stattfände, würde dieses der Fläche AB CD proportional sein, es ist jedoch wegen dieser Verzerrung der kleineren Fläche ABLK proportional. Um eine Fläche gleich dem Rechteck AB CD zu erhalten, müssen wir den Punkt F der Kurve so

weit hinaufrücken, daß

Fläche A‘B‘L‘K‘ = Fläche AB CD

ist. Dadurch erhalten wir den Punkt Af₄, der die erforderliche Amperewindungszahl bei voller Belastung unter Berücksichtigung der Verluste ergibt. Dieser Wert ist:

X₄ = 19 700.

Vergleichen wir die berechneten mit den wirklichen Werten der ausgeführten Maschine, so ist:

Leistung

Berechnete Werte

Wirkliche Werte

bei Leerlauf .    .

bei voller Belastung

15 3°° 19 700

14 800 17 800

Der Unterschied zwischen den berechneten und den ausgeführten Werten rührt vermutlich davon her, daß das tatsächlich benutzte Eisen besser gewesen ist, als hier angenommen.

Die Erregung bei voller Belastung berechnet sich folgendermaßen: Nebenschlußwindungen auf ein Polpaar 3602 mit 4,1 Ampere, Reihenwindungen 5 von je 600 Ampere, zusammen

3602 X 4,1 -p 5 X 600 = 17 800 Amperewindungen.

Verluste.

1. Kupferverlust²). Anker:

wkl = ia²- Ä„ = 600²- 0,004 = 1440 Watt.

Reihenspulen:

wk2 = 600²-0,00083 = 298 Watt.

Demnach der Kupferverlust wk = wky -\-Wk₂ = 1738 Watt 2. Eisenverlust.

In den Zähnen sind

4,13 • 1,06 • 22,86 • 124 = 12 400 cm³ Eisen.

1)    Vergl. Fig. 388.

2)    Vergl. S. 167.

Die Zahl der Wechsel der Magnetisierung ist

6-450/60 = 45 oder 22,5 Kreisläufe in der Sekunde.

Bei voller Belastung ist die Kraftliniendichte = 20000 Linien auf 1 cm². Aus der Kurve Fig. 57, S. 101, ergibt sich für 1000 cmä Eisen hei der Hysteresekonstanten r\ = 0,003, ein Wert von 2,3 Watt Verlust für einen Kreislauf, demnach für 22,5 Kreisläufe und 12400 cm³

e\

= 12,4 • 2,3 - 22,5 = 640 Watt.

In ähnlicher Weise finden wir aus der Kurve der Fig. 58, S. 103, den Wirbelstromverlust für zehn Perioden und 1000 cm3 eines 0,5 mm starken Eisenbleches bei dieser Kraftlinien dichte zu

1,5 Watt. Da das hier verwendete Blech nur 0,45 mm dick ist, so beträgt der Wirbelstromverlust in den Zähnen

we 2 = 12,4-1,5 - 2,25²-

/0,45\2 \ 0,5 /

= 76 Watt.

Im Ankerkern sind -• {75,5² —

45,7²j • 22,86/4 = 64 000 cm³.

Bei voller Belastung ist die Kraftliniendichte im Anker etwa 10 700. Nehmen wir wieder die Hysteresekonstante vj = 0,003, so finden wir wie vorher aus der Kurve, daß für einen Kreislauf und 1000 cm³ der Hysterese verlast = 8 Watt ist, also insgesamt we3 = 64-8-22,5 = 1150 Watt.

Der Wirbelstromverlast beträgt bei dieser Dichte für zehn Perioden und 1000 cm³ (siehe Tab. VI, S. 102) 0,44 Watt bei 0,5 mm Blech, daher bei 22,5 Kreisläufen und 0,45 mm Blech

we± = 64-0,44-2,25²-

/0,45\²

\0/5Ö/

= 116 Watt.

Im Ankerkern ist also der Eisenverlast = 1266 Watt und im ganzen Anker — we — wel -f- we2 -\~ w<>z ~b — 1982 Watt.

3. Erregerverlust. Der Widerstand der Erregerspule ist gleich 610hm, daher die Stromstärke bei voller Belastung = 250/61 = 4,1 Ampere und der

Verlust = ivx = 4,1 • 250 = 1025 Watt.

4. Stromwender Verluste.

Auf dem Stromwender liegen 24 Bürsten, vier für jeden Pol, von etwa 11,3 cm² Fläche, so daß

also die Berührungsfläche = 270 cm² beträgt. 600 Ampere treten durch eine Fläche von 135 cm² ein und verlassen den Stromwender

durch die anderen 135 cm².

Nehmen wir an, daß der Berührungswiderstand 0,2 Ohm für 1 cm² beträgt, so ist der i²r Yerlust am Stromwender 2• 600²-600• 0,2/135 = 1070 Watt.

Die Umfangsgeschwindigkeit des Stromwenders ist 12,5 m/sec. Unter der Annahme eines Bürstendruckes von 0,1 kg auf 1 cm2 und eines Reibungskoeffizienten von 0,3 ist der Reibungsverlust 0,1 • 0,3-270 -12,5 -736

75 = 995 Watt

daher der Stromwenderverlust

wc — 2065 Watt.

5. Reibungs- und LüftungsVerluste. Da die Maschine Seilantrieb besitzt, wird der Reibungsverlust ziemlich hoch sein, etwa 3 Prozent der Leistung, also

wr — 4500 Watt.

Danach beträgt also der Gesamtverlust

W = Wk -[- We -j- Wx -j- Wc -f- Wr

= 1738 -f 1982 + 1025 + 2065 -f 4500 = 11310 Watt oder rund 11,3 Kilowatt.

= 93 Prozent.

Der Wirkungsgrad ist demnach 150

⁷¹ ~~ 150 -f LI,3

Wahrscheinliche Erwärmung, a) Anker. Nach der Zeichnung ist die Wärme ausstrahlende Oberfläche des Ankers gleich 16100 cm².

Die Umfangsgeschwindigkeit des Ankers ist gleich -•83,8-450 = 1180 m in 1 Minute = r^> 20 m/sec.

1440.

. .    2059,

Der Kupferverlust im Anker ist „ Eisenverlust „    „    „

rund 3500 Watt,

demnach 3500/16100 = 0,215 Watt auf 1cm² Oberfläche.

Aus der untersten Kurve der Eig. 99 ergibt sich bei einer Geschwindigkeit von 20 m/sec eine Temperaturerhöhung von 130 Grad bei großen, gut gelüfteten Ankern; dann ist hier die Temperaturerhöhung des Ankers ta — 120-0,215 = 26 Grad.

b) Eeldmagnet. Hier ist die ausstrahlende Oberfläche jeder Spule = 2200 cm², also die Gesamtoberfläche = 13200 cm².

Der Yerlust in den Spulen ist schon zu 1025 Watt ermittelt worden; in der Reihenwickelung gehen noch 600²■ 0,00083 = 298 Watt

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

verloren. Die mutmaßliche Temperatursteigerung der Feldspulen beträgt demnach⁸)

1025 -f 298

18200

•485 = 49 Grad.

c) Stromwender. Nach Seite 469 haben wir für die Erwärmung dieses Teiles die Formel

69 Grad.

300-2060

Tr- 53,34 -24- (1 + 0,1 -12,4)

Funken. Den Wert der quermagnetisierenden Amperewindungen haben wir schon zu Xc — 6500 ermittelt. Für den Luftzwischenraum und die Zähne sind 16700 Amperewindungen bei einer Kraftliniendichte in der Luft von 10000 erforderlich, daher ist

10000-

= 6100.

die Dichte unter dem vorwärtsgerichteten Polhorn 16700 —6500

16700

das ist mehr als genügend für funkenfreie Stromumkehrung (S. 251).

Wenn wir die S. 250 angegebenen Merkmale einer guten Stromumkehrung mit den hier ermittelten Werten vergleichen, so ergibt sich folgendes:

$3 = 10000, W₀ = 189,

K = 248, k — 2,

= 0,8,

= 83,8,

woraus sich ergibt

Yx = 10000-2/189 = 106

Y₂ = 248-0,8/83,8 (1 -f 2) = 0,79,

und

Yx und Y₂ liegen also beide über den S. 252 angegebenen Mindestwerten, und wir dürfen annehmen, daß die Maschine funkenfrei arbeiten wird.

In Fig. 398 sind die bei der Prüfung der ausgeführten Maschine im Prüfraum der Fabrik erhaltenen Werte dargestellt.

Beispiel II. Überkompoundierter vielpoliger Bahn-Stromerzeuger mit geschlitztem Trommelanker, gebaut von der Walker Manufacturing Company. MP 10 — 440 — 85 — 550 — 800.

Die nachstehend aufgefährten und in den Fig. 399, 400 und 401 angegebenen Hauptabmessungen sind dem Verfasser von dem

006

250

200

160

OOI

OS

0 N n N N Vd 5

♦5000

009

+60

•60-

4-0

«e-

avaosoMnwai^

OOOO*

700

35000

009

500

REINEN KRBIS.

30000

STROM

400

300

200

e Charakteristik

Ampere Windungen fü

OOOS2

20000

15000

Ausser

OOOOI

Fig. 398. Messungen an der sechspoligen Maschine von Scott & Mountain.

OOI

0003

lOd N3NI3 fand 39N3WN3INm.JVäM

10000

0008

0009

4000

2000

verstorbenen Professor S. H. Short, früher Chefingenieur des Werkes, freundlichst zur Verfügung gestellt worden.

Allgemeine Angaben.

Leistung bei voller Belastung

440 Kilowatt.

Klemmenspannung bei voller Belastung ....    550    Yolt,

.    .    800    Ampere,

.    .    500    Yolt,

Stromstärke

Klemmenspannung bei Leerlauf .    .

Umdrehungen in 1 Minute .    .    .    .

Umfangsgeschwindigkeit.....

Zahl der Pole.........

Art der Belastung ......

85,

10 m/sec,

10,

Bahnbetrieb.

Abmessungen.

Anker:

Kernscheiben, äußerer Durchmesser .    .

innerer

55

55

co

Zahl der Nuten Tiefe „

Weite „

Abstand der Nuten (von Mitte zu Mitte) .    .

Tiefe des Eisens im Kern.......

Ganze Länge des Kernes........

Eisenlänge

Gesamtzahl der Leiter ....

Zahl der Leiter in einer Nut .

Art der Wickelung.....

Abmessungen der Leiter, nackt

isoliert

464

55

55

55

47 cm,

35 „

1856,

4,

55

55

55

Querschnitt

Mittlere Länge einer Windung......

Eeldmagnete.

Durchmesser der Bohrung.......

Polwinkel.............

Windungen auf ein Polpaar im Nebenschluß .

in Reihe .    .    .

55

55

Parallel 0,15 X 1,8 cm, 0,2 X 1,9 cm, 0,275 cm2 262 cm,

231 cm 27 Grad.

. 2200,

.    19,

Mittlere Länge einer Windung im Nebenschluß .    201 cm,

in Reihe .    .    .    198,5 cm

Durchmesser des Nebenschlußleiters, nackt .    .

besponnen .

55

55

55

55

55

55

55

55

5?

55

55

0,41 cm, 0,47    „

0,132 cm²,

Querschnitt „

Abmessungen der Leiter in Reihe, nackt 5 zu 1,9X0,71 cm,

isoliert 5 „    2,0 X 0,81 „

55

55

55

55

55

55

-i

Qu erschnitt Nebenschlußstrom bei Leerlauf

„ voller Belastung .    .

5 X 1,35 cm²,

10.7    Ampere,

11.8

«übu

~OM ¹

Hl

.....

I?

es

«s

ft#

85, Hauptabmessungen.

O.

-1-

CL,

CL

|

ci

£

'SlvÏHJMq

--•VafiSW"⁰'¹

982?

rg

fi

pÛ

^2

c3

/.

-v

r

&

CO

Stromwender. Durchmesser .    .    .

Beschliffene Länge .

177,8 cm.

21,6 „

Zahl der Stäbe......

928,

3,

„    „ Bürsten auf einen Pol

1,9 X 6,35 X 6,35 cm, .    .    12,5 cm².

Größe der Bürsten.....

am Kommutator .    .

Fläche „

Bei dieser Maschine, die als Muster eines Stromerzeugers für Bahnbetrieb gelten kann, ist das Joch um die im Querschnitt quadratischen schmiedeeisernen Magnetkerne herum gegossen. Die Polhörner sind mit den Polen verbunden, nachdem die Wickelungen aufgebracht sind. Die Reihenwickelung liegt nicht über der Nebenschluß Wickelung, sondern in einer besonderen Abteilung der Spule, wie man aus dem Querschnitt (Fig. 400) sehen kann. Die Ankerschlitze sind ganz gerade mit leicht gerundeten Ecken und gleich

-.V

0:1

j-t ff II--

u- ...^^ k- 7.85-•1,

212-

........a *

-100-

330-

360

■* i

•>l

Fig. 400. Magnetspule.

464 Nuten. Zahnbreite = Nutenbreite. Fig. 401. Nuten und Zähne.

weit wie die mittlere Breite der Zähne. Im Anker sind vier Liiftungs-kanäle von je 1,43 cm Weite. Die Papierisolation zwischen den einzelnen Kernscheiben nimmt 15 Prozent des ganzen Querschnittes ein, das Verhältnis zwischen der wirksamen Länge und der ganzen Länge des Eisenkernes ist also gleich 0,788. Es sind zehn parallele Kreise im Anker vorhanden und zehn, je 36 Grad voneinander abstehende Sätze von Kohlebürsten rund um den Kommutator angeordnet.

Wir wollen nun diese Maschine in derselben Weise prüfen wie die vorige. Zunächst ist wieder die Sättigungskurve und die Charakteristik für Leerlauf zu konstruieren. Wir haben

sr>

Æ7 = —— -1856 - CP« -10—⁸

60

oder

E = 0,0000263 • Oa.

Der Streuungskoeffizient dieser Maschine ist von der Fabrik experimentell festgestellt zu v = 1,13, und zwar war er nahezu unabhängig von der Belastung. Hieraus ergibt sich:

<Pa

cfJm

460

I7500OOO

I90000C0

I975⁰⁰⁰⁰

21300000

22000000

22800000

I975OOOO 215OOOOO

223OOOOO 24IOOOOO 249OOOOO 2580OOOO

Aus Fig. 399 und den schon oben gegebenen Daten erhalten wir die mittlere Länge des Kraftlinienweges in

dem Magnetjoch.....

den Magnetkernen ....

im Ankerkern.....

in zwei Zähnen.....

in zwei Luftzwischenräumen und die Kraftlinienquerschnitte

des Joches ......

der Magnetkerne .... des Ankerkernes ....

Die Zahl der wirksamen Zähne unter einem Pol ist 464-27

5°°

520

560

580

600

127 cm, 89 „ 83,8 cm.

8,9 „

2,54 „

63,5X23,6 = 1500 cm²

40X40 = 1600 „ 23,5X35 = 823 „

360

= 34,8.

Der Luftzwischenraum ist im Vergleich zum Ankerdurchmesser groß, und da die Zähne eine große Kraftliniendichte haben, so wird eine erhebliche Ausbreitung des Feldes stattfinden, daher nehmen wir an, daß 37 Zähne die Kraftlinienmenge aufnehmen. Die mittlere Entfernung der Nuten ist 1,52 cm und ihre Weite 0,76 cm, daher die Fläche der Zähne

37 -(1,52 — 0,76)-35 = 990 cm².

Wegen der hohen Kraftliniendichte in den Zähnen und der Abrundungen an den Kanten der Zähne wird die Fläche des Luftzwischenraumes der der Poloberfläche sehr nahe kommen. Diese ist

ic.231-27-47

360

= 2557 cm².

= 2250 cm²

Dieser Wert würde auch genau gleich der Fläche des Luftzwischenraumes sein, wenn im Ankerkern keine Lüftungskanäle wären. Verkleinern wir den oben erhaltenen Wert im Verhältnis der Länge nach Abzug der vier Lüftungskanäle von je 1,43 cm zur ganzen Länge, so erhalten wir 2557-41,3

47

als Fläche des Zwischenraumes.

Die beiden nachstehenden Tabellen geben die Berechnung für zwei Punkte der Sättigungskurve, nämlich für E — 520 und E — 560. Die angegebenen Kraftliniendichten in den Zähnen sind die wirklichen Werte, die aus den scheinbaren Werten mit Hilfe der Kurve A (Fig. 79) ermittelt sind. Die Werte der Amperewindungen auf 1 cm des Umfanges (Î) sind aus den Magnetisierungskurven Tafel I entnommen, und zwar für Gußeisen die Kurve P, für Schmiedeeisen Kn und für das Blech die Kurve des steirischen Bleches.

= 22300000.

<pa =19 750 OOO.

E = 520.

Maschinenteil

Material

Magnetische

Länge Fläche cm²

cm

Gußeisen 127 2 Magnetkerne Schmiedeeisen 89 2 Zwischenräume 2 Zähne Ankerkern

Joch

Luft

Eisenblech

1500

1650

2250

Kraftlinien

dichte

Werte von O (aus der Kurve)

Ampere-

Windungen

84

990

2X830

7380 13490 8800 19200 11900

41

13.²

7050

255

3> 5

3200 1180 17900 2260 300

E = 560.

Gesamt-Amperewindungszahl auf 1 Polpaar 26840

<Ijm = 24100000.

•Pa = 21 3OOOOO.

Maschinenteil

Material

Magnetische

Länge

cm

Fläche

cm²

Kraftlinien-

dichte

Werte von 0 (aus der Kurve)

Ampere

windungen

Joch

2 Magnetkerne 2 Zwischenräume 2 Zähne Ankerkern

Gußeisen

Schmiedeeisen

Luft

Eisenblech

I27

89

²-54

8,9

1500

1650

2250

990

84

2X830

8000

i4=:oo

9470

20300

12800

50

20,6

755°

4I5

4-3

6350

1840

19200

3700

360

Gesamt-Amperewindungszahl auf 1 Polpaar 31450

In gleicher Weise andere Punkte der Kurve berechnend, erhalten wir für

E — 460, Amperewindungszahl == 20710,

= 24040, = 34960, = 39100.

E = 500,

E = 580,

E = 600,

Zeichnen wir eine diese sechs Punkte verbindende Kurve auf, so erhalten wir den in Pig. 402 dargestellten wirksamen Teil der Leerlaufcharakteristik. Daraus erhalten wir die Zahl der Amperewindungen bei Leerlauf = 24250.

Die für die volle Belastung erforderliche Amperewindungszahl ist um einen Betrag größer als der für Leerlauf, der abhängig ist

640]

VOLT

620

600

-jo!

F,

<T

‘ll

fO

UD

OM

580

540

IX-

X.

UJ

OZS N

soo

4 80

4CO

AMPEREj/VINDUNGfN fÜR EIN tfOLPAAR

70000

00009

POOPS,H ff

xj >x»

A A' 30000

Fig. 402. Magnetisierungskurve der zehnpoligen Maschine der Walker Co.

000047

Xil

20000

00001

440

1.    von der verlangten Überkompoundierung,

2.    von dem Verlust bei voller Belastung,

3.    von der Entmagnetisierung des Ankers,

4.    von der Verzerrung des Ankerfeldes.

= 1,77 Ohm.

Da 1856 Leiter in Reihe den Anker umgeben, sind 928 Windungen vorhanden. Aus den S. 465 angegebenen Eormeln erhalten wir bei einer Temperatur von 60 Grad 0,0200-928-2,62 27^5

= 0,0177 Ohm.

ra =

Der Widerstand des Ankers ist bei dieser Temperatur demnach 1,77

10²

= 0,0011 Ohm.

rr =

Da 19 Windungen Reihenleiter auf ein Polpaar kommen und die mittlere Länge einer Windung gleich 1,985 m ist, so ist der Widerstand der Reihenwickelung bei 50 Grad 0,0193-19-1,985 5-1,35

Demnach ist der Gesamtwiderstand des Hauptstromkreises in der Maschine

0,0177 -f 0,0011 = 0,0188 Ohm.

Der Spannungsabfall der Maschine bei voller Belastung ist

demnach

e = 800-0,0188 = 15 Volt.

Da die Klemmenspannung hierbei 550 Volt betragen soll, so muß der Anker im ganzen 550 -j- 15 = 565 Volt liefern. Indem wir diesen Punkt auf der Kurve aufsuchen und ihn auf die Abszissenachse herabloten, finden wir in _V₂ die Zahl der Amperewindungen, die auf ein Polpaar bei voller Belastung gerechnet werden müssen, wenn die Ankergegenwirkung nicht berücksichtigt wird.

Nun ist die Zahl der zwischen den Polspitzen liegenden Nuten gleich

36—27

360

•464 = 11,6.

In jeder Nut befinden sich vier Leiter, die je etwas über 80 Ampere Strom bei voller Belastung führen; daher ist die Zahl der entmagnetisierenden Amperewindungen unter der Annahme, daß die Bürsten gerade unter den Polhörnern liegen,

11,6-4-80 = 3700.

Die kompensierenden Amperewindungen sind daher auf ein Polpaar 3700-1,13 = 4180.

360

Fügen wir diesen Wert zu X₂ hinzu, so finden wir W₃, den "Wert der Amperewindungen bei voller Belastung unter der Annahme, daß ein Spannungsabfall durch verminderte Durchlässigkeit der Zähne am vorderen Polhorn und eine Verzerrung des Feldes nicht vorhanden wäre. Dies trifft aber bei der hohen Kraftliniendichte der Zähne nicht zu. Wir müssen also diesen Verlust, wie S. 475 angegeben, berücksichtigen. Unter einem Polpaar liegen nach der Formel 27

. 464 •4-80 = 11100 Amperewindungen.

Wir tragen diesen Wert beiderseits von JV₃ auf der Abszisse ab und erhalten so in A und B die Punkte, die das rückwärts und vorwärts gelegene Polhorn darstellen. Wäre keine Verzerrung des Hauptfeldes vorhanden, so wäre das letztere der ETäche AB CD proportional. Da aber Verzerrung stattfindet, ist das Feld proportional der kleineren Fläche ABLK. Um diese Fläche in ein dem Rechteck AB CD gleiches zu verwandeln, müssen wir den Punkt F auf der Kurve verschieben bis in die Lage F‘, so daß die Fläche A'B‘L‘K‘ = ABCD.

Damit erhalten wir in W₄ den Punkt, der die bei voller Belastung notwendige Zahl der Amperewindungen angibt. Dieser Wert ist

Xi = 38 500.

Die folgende Tabelle gibt den Vergleich unserer Werte mit den an der Maschine im Betriebe ermittelten.

Leistung

Berechnete Werte

Wirkliche Werte

Bei Leerlauf .    .    .

„ voller Belastung

24250

38500

23600

41200

Die berechneten Werte sind etwa 2*/₂ Prozent zu groß bei Leerlauf und etwa 6 Prozent zu klein bei voller Belastung. Dies ist ein ganz günstiges Ergebnis, das sich noch wesentlich besser gestaltet haben würde, wenn die magnetischen Eigenschaften des verwendeten Eisens bekannt gewesen wären.

Berechnung des Wirkungsgrades bei voller Belastung.

1.    Kupferverlust. Dieser beträgt:

Wk = p Ba = 8002-0,0188 ivk — 12 000 Watt.

2.    Eisenverlust. Das Eisengewicht der Zähne ist:

4,445 - 0,76 - 35 • 464 • 0,0078 = 417 kg.

Die Frequenz beträgt

85

— • 5 = 7,1 Perioden in 1 Sekunde. 60

Die magnetische Dichte in den Zähnen beträgt bei voller Belastung etwa 20000. Aus den Kurven der Fig. 56, S. 100, entnehmen wir, daß bei einer Frequenz von 30 Perioden und einer Dichte von 16000 Linien der Hystereseverlust etwa 8,6 Watt, der Wirbelstromverlust etwa 3,3 Watt für 1 kg beträgt. Demnach ist der Hystereseverlust in den Zähnen

417 • 8,6 - 7,1 - (20 000)¹«⁶

30 - (16 000)¹’⁶

und der Wirbelstromverlust

==1213 Watt,

= 120 Watt,

417-3,3-(7,1)2-20 0002

302-16000²

so daß der gesamte Eisenverlust rund 1330 Watt beträgt.

Das Gewicht des Ankerkernes ist

(219,72— 172,7²)-35 -0,0078 = 3940kg.

Bei voller Belastung ist hier die Kraftliniendichte etwa 13 200 auf 1 cm². Aus den Kurven S. 100 sehen wir, daß bei dieser Dichte

und 30 Perioden in der Sekunde der Hystereseverlust etwa 5,7 Watt und der Wirbelstromverlust etwa 2 Watt für jedes Kilogramm beträgt.

Daher ist der Hystereseverlust im Kern bei 7,1 Perioden

3940-5,7--^ = 5300 Watt, o u

und der Wirbelstromverlust

3940-2-

(MV

V 30 /

= 440 Watt.

Also der Eisenverlust im Kern = 5740 Watt. Hierzu der

Eisenverlust in den Zähnen = 1330 Watt addiert, gibt als Gesamteisenverlust des Stromerzeugers

ive — rund 7070 Watt.

schlußstrom

= 10,6 Ampere betragen. Demnach wx = 10,6 • 550 = 5830 Watt.

3. Erregungsverlust. Es sind 2200 Nebenschlußwindungen für jedes Polpaar vorhanden; bei dem vorher berechneten Wert von 38500 Amperewindungen bei voller Belastung würde der Neben-38500 -19-800

2200

4. Stromwenderverlust. Es sind im ganzen 30 Kohlenbürsten vorhanden mit einer Berührungsfläche von je 12,58 cm², also im ganzen 377 cm², daher der i²r-Verlust am Kommutator

2•800²-

0,2

189

1350 Watt,

unter der Annahme eines Berührungswiderstandes von 0,2 Ohm für 1 cm² (vergl. S. 219).

Die Umfangsgeschwindigkeit des Stromwenders ist x-177,8- 85

100-60

= 7,9 m/sec.

Nehmen wir den Bürstendruck zu 0,1 kg auf 1 cm² und den Reibungskoeffizienten zu 0,3 an, so ist der Reibungsverlust am Stromabgeber

0,1-377-7,9-0,3" 736

75

= 880 Watt.

Daher ist der Gesamtverlust durch Bürstenwiderstand und Reibung Wb = 2230 Watt.

5. Reibungs- und Lüftungsverlust. Dieser ist mit 1 Prozent der Leistung bei voller Belastung hoch genug geschätzt, also

wr — 4400 Watt.

Der Verlust bei voller Belastung ist also insgesamt w = Wk we    wx -(- Wb + wr = 31540 Watt,

also ist der Wirkungsgrad 440

440 -f 31,5

— 93 Prozent.

Voraussichtliche Erhitzung, a) Des Ankers. Nach den Zeichnungen ist die wTärmeaus-strahlende Oberfläche etwa 70000 cm². Die Umfangsgeschwindigkeit x-228,6-85

100-60

10,2 m/sec.

Die Wattverluste im Anker sind bei voller Belastung: Eisenverluste 7070 Watt,

Kupferverluste 800²-0,0177 — 11300 Watt,

zusammen 18370 Watt oder

18370

0,26 Watt auf 1 cm².

70000

Aus der unteren Kurve der Eig. 99 sehen wir, daß bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 10,2 m/sec die Temperatursteigerung für 1 Watt auf 1 cm² 185 Grad ist, daher ist hier ta — 185 • 0,26 == 48 Grad.

b)    Feldmagnetsystem. Hier ist die ausstrahlende Oberfläche-jeder Spule etwa 13 000 cm², also insgesamt 130000 cm². Die Verluste in der Nebenschlußwickelung sind bereits zu 5830 Watt bestimmt worden, der Verlust in der Keihenwickelung ist 800² • 0,0011 — 700 Watt, demnach die wahrscheinliche Erwärmung der Feldspulen

= 24 Grad.

tm -

(5830+ 700)-485 130000

= 31 Grad.

c)    Stromwender. Nach der Formel S. 469 haben wir 300-2230

7c-177,8- 21,6 • (1 + 0,1 • 7,9)

Funken. Den Wert der quermagnetisierenden Amperewindungen haben wir schon zu AU = 11100 bestimmt.

Für den Luftzwischenraum und die Zähne sind bei voller

= 5300 Linien/cm².

9400-

Belastung etwa 25000 Ampere Windungen erforderlich, wobei die Kraftliniendichte im Zwischenraum etwa 9400 ist. Daher ist die Dichte unter dem vorderen Polhorn annähernd 25 000 —11000

25000

Dies ist genug, um eine funkenfreie Stromumkehrung zu gewährleisten.

Wenn wir die S. 252 angegebenen Merkmale einer guten Stromumkehrung mit den hier gefundenen Werten vergleichen, so-ergibt sich folgendes:

53₃ = 3000 Linien/cm²,

X₀ = 1856 • 80+ • 228,6 = 207 Ampereleiter auf 1 cm bei voller Belastung,

K = 928 Stromwenderstäbe,

k = 3,3 Zahl der gleichzeitig kurzgeschlossenen Stäbe, g— 1,27 cm Luftzwischenraum und d = 228,6 cm Kerndurchmesser,

woraus sich ergibt:

T₁ =3000-3,3/207 = 48,

Y₂ = 928 • 1,27/228,6 (1 + 3,3) = 1,2.

Nach S. 252 soll bei dieser Maschinengattung Y₁ nicht unter 15, Y₂ nicht unter 0,6 sein, beide Bedingungen sind erfüllt, der Entwurf ist demnach gut. In der Tat läuft die Maschine mit eingestellten Bürsten vollständig und mit festen Bürsten nahezu vollständig funkenfrei, selbst bei Überlastungen bis zu 25 Prozent.

Da die Kraftliniendichte im Zwischenraum 9400 und die

spezifische Belastung 207 Ampereleiter auf 1 cm beträgt, so ist das Dichteverhältnis (S. 251) nicht weniger als 45; das Umkehrverhältnis

ist hier, da die Spannung für ein Segment 5,9 Volt ist, gleich 45/5,9 = 7.6.

' ■ß

F-

fei

gf

' ij

___/SC

:Và

v'.<

••

.«r^eSEEs.;

mm

Fig. 403. Elektrometallurgische Maschine von Brown, Boyeri & Ço. MPC 8 — 480 — 250 — 120 — 400g.

Beispiel III. Vielpolige Nebenschlußmaschine mit geschlitztem Trommelanker, gebaut von Brown, B o v e r i & Co. MPC — 8 — 480 — 250 — 120 — 4000. (Dargestellt in. den Big. 403 u. 404 und Tafeln YII u. VIII.)

Die

Die Maschine ist interessant wegen der außergewöhnlich hohen Stromleistung, die zwei Stromabnehmer erforderlich macht, nachstehenden Hauptabmessungen und Angaben sind den Zeichnungen entnommen.

Allgemeine Angaben.

480 Kilowatt,

Leistung bei voller Belastung Klemmenspannung bei voller Belastung .    .    .    120 Volt,

. Stromstärke bei voller Belastung Umdrehungen in 1 Minute .

Umfangsgeschwindigkeit .    .    .

Zahl der Pole......

4000 Ampere, 250,

22,5 m/sec,

8,

Art der Belastung

Elektrometallurgie.

<JÊÊ

A,

wm

wy:'

Ni

Fig. 404. Elektrometallurgische Maschine von Brown, Boveri & Co. M P C 8 — 480 — 250 — 120 — 4000.

Abmessungen.

Anker:

Äußerer Durchmesser der Kernscheiben Innerer

Zahl der Nuten .

Tiefe „

Weite „

Entfernung von Mitte zu Mitte Nut (mittlere) Tiefe des Eisens im Kern.....

175 cm

135 „ 392,

VI

Ganze Länge des Kernes Eisenlänge

4,32 cm 0,55 „ 1,35 „ 16 cm,

50 „

40 „

Durchmesser des fertigen Ankers .

Zahl der Ankerleiter.....

Anordnung......•    .

Wickelungsart.......

Abmessungen eines Leiters, nackt

isoliert

.    .    175,5 cm

392

55

55

55

zu 2 parallel in 1 Nut, .    .    parallel,

.    .    0,3-2

.    .    0.4-2

■5

Querschnitt Mittlere Länge einer Ankerwindung

.    .    0,6 cm²

.    .    2,9 m.

Feldmagnete:

Durchmesser der Bohrung .    .

Polwinkel........

Windungen auf ein Polpaar Mittlere Länge einer Windung Durchmesser des Drahtes, nackt

178 cm 30 Grad

612,

55

55

isoliert .    .

Querschnitt „

Nebenschlußstrom hei Leerlauf (beobachtet) .    .    37,

„ voller Belastung (beobachtet) 48.

55

1,83 m, 0,77 cm, 0,82 „ 0,466 cm²

55

Stromwender (2 Stück).

Durchmesser......

Zahl der Segmente .    .    .

Wirksame Länge .    .    .    .

130 cm

.    196,

26,7 cm.

¹

Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 32, S. 400, 1903.

²

   Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 26, S. 160, 1897.

³

   Ebenda.

⁴

   Ebenda, Bd. 32, S. 473, 1902.

⁵

   Ebenda, Bd. 31, S. 170, J901.

⁶

Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 31. S. 218, 1901.

⁷

Vergl. hierzu die Tabelle S. 144.

⁸

Vergl. S. 167, Formel 11.

Aus den Zeichnungen sieht man, daß die Magnetkerne kreisrund und in einem Stück mit den Jochen gegossen sind. Der Rahmen besteht aus zwei Teilen, die an der Spitze und dem Boden miteinander verbolzt sind. Alle Feldspulen sind hintereinander geschaltet. Die Ankernuten sind gerade. Es sind zwei Lüftungskanäle von je 1,5 cm Weite vorhanden. Die Kernscheiben sind mit Papier isoliert, das 15 Prozent des ganzen Querschnittes einnimmt. Es sind zwei vollständig voneinander getrennte Wickelungen vorhanden, für jeden Stromwender eine, deren jede aus acht parallelen Stromkreisen besteht und acht Bürstensätze speist.

• 196- <Pa/10⁸, woraus

Zunächst entwerfen wir wieder die Sättigungskurve. Wir haben E=n-N- GDa/10⁸ oder 250

60

E ■= 0,00000815 Oa.

35

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Anfl.

Ans der Tabelle der Streuungskoeffizienten entnehmen wir für Maschinen dieser Art und Leistung den Wert v = 1,18, daher haben wir

‘t’a

’t'm

180

160

140

120

IOO

80

22 050 OOO

19 600 OOO

17 200 OOO

14 7OOOOO

12 250 OOO

9 800 000

2Ö OCX) OOO 23 200 OOO 20 250 OOO

17 400 OOO 14 500 OOO II 600 OOO

Aus den Zeichnungen erhalten wir die Länge des mittleren Kraftlinien weges

im Joch .......

in zwei Magnetkernen .    .

im Ankerkern.....

in zwei Zähnen.....

in zwei Luftzwischenräumen und die Kraftlinienquerschnitte im Joch .......

in den Magnetkernen .    .    .

im Ankerkern.....

102 cm, 70 „

75 „ 8,6 cm. 2,5 cm

14-60= 840 cm². 71-47²

1730 „ 16-40 = 640    „

Wie man sieht, sind die Flanken der Zähne nahezu parallel. Da der Polwinkel 30 Grad ist, so haben wir

392-30

360

= 32,6

Zähne unter einem Pol.

Die mittlere Entfernung von Mitte zu Mitte Nut ist = 1,35 cm, also die Zahnbreite 1,35 — 0,55 = 0,8 cm; demnach ist die Fläche der unter jedem Pol liegenden Zähne

32,6-0,8-40 = 1040 cm².

Die Fläche des Luftzwischenraumes ist das Mittel aus Zahnfläche und Polfläche, also

1740 + 1040

1390 cm².

Damit haben wir alle zur Konstruktion der Sättigungskurve und der Leerlaufcharakteristik erforderlichen Angaben. Wir suchen wieder zwei Punkte auf, und zwar für E = 130 und Æ7 = 100r nehmen in Tafel I die Kurven Kr und C und erhalten

Gesamt-Amperewindungen auf ein Polpaar 24320

In gleicher Weise finden wir andere Punkte der Kurve und erhalten für #=180, Amperewindungen 41500,

J57 = 160, #=140,

32 750,

27 000,

#=120,

22 200.

Zeichnen wir diese Punkte auf, so erhalten wir die Sättigungskurve der Maschine in Fig. 405, in welcher die Abszisse X₁ die bei Leerlauf notwendige Zahl von Amperewindungen darstellt.

Wir wollen nun die für volle Belastung erforderliche Erregung feststellen. Da in den Zähnen bei dieser Maschine mittlere Kraftliniendichten vorhanden sind, so braucht ein Ausgleich für eine Verringerung der Durchlässigkeit wegen Verzerrung des Hauptfeldes nicht vorgesehen zu werden. Mit anderen Worten, wir haben nur den Spannungsverlust und die entmagnetisierende Wirkung des Ankerstromes in unserer Berechnung zu berücksichtigen.

In jedem Anker sind 196 Nuten, deren jede zwei parallel geschaltete Stäbe enthält. Es sind also 98 Windungen mit einem Kupferquerschnitt von 2-0,6 = 1,20 cm² vorhanden. Die ganze Wickelung jedes Ankers hat also einen Widerstand (bei 40 Grad) von

0,045 Ohm.

Maschinenteil

Material

Kraftlinien

Querschnitt cm²

Länge

Kraftlinien

dichte

Wert von 0

Ampere

windungs

zahl

cm

Joch

2 Magnetkerne 2 Luftzwischenräume 2 Zähne Ankerkern

Stahlguß

Eisenblech

102

^1

Cn ooto o

b\Cn

2X840

1730

1390

1040

2X640

8 6oo 8300

8    800 il 700

9    600

cq^ t> co 06 cö o 00 (N

390

260

17500

30

150

E = 130.

Gesamt-Amperewmdungen auf ein Polpaar 18330 <Pa = I59OOOOO.

<1>m = l8 800 OOO.

Maschinenteil

Material

Kraftlinien

Querschnitt cm²

Länge

cm

Kraftlinien

dichte

Wert von 0

Ampere

windungs

zahl

Joch

2 Magnetkerne 2 Luftzwischenräume 2 Zähne Ankerkern

Stahlguß

Eisenblech

102

7°

75

2X04O

1730

1390

1040

2X640

11 200

10    800

11    400 15 300

12    400

6,2

5-8

9100

630 410 22 800

21

180

300

E — 100.

<#>a = 12 250 000.

'I>tn = 14 500 OOO.

1,9-98-2,9 1,20-IO⁶

Daher der Widerstand jedes Ankers r 0,045

0,000 70

p'¹    64

und da beide Anker parallel geschaltet sind:

0,00070

ra

0,00035 Ohm.

aoo

VOLT

leo

160

CO

o

O '«o

120

II

UJ

Ul

£ ⁸⁰

Ul

2 ⁶⁰

80

x,ip£^

j A vIPEREWI^ DUNGEN jXj, EIN POL JAAR .

30000

80000

Fig. 405. Magnetisierungskurve der elektrometallurgischen Maschine von Brown, Boveri & Co.

IOOOO

40000

Der Spannungsverlust bei voller Belastung ist daher e == 4000 • 0,00035 = 1,4 Yolt.

Die ganze induzierte elektromotorische Kraft muß also = 121,4 Yolt sein. Projizieren wir diesen Wert von der Ordinatenachse auf die

Kurve, so erhalten wir in der zugehörigen Abszisse X₂ die Zahl der Ampere Windungen X₂.

Zwischen den Polspitzen liegen

360

.392 = 16,3 Nuten;

die Stromstärke in jeder beträgt bei voller Belastung 250 Ampere, es sind also

16,8-250

4080 Amperewindungen des Ankers als entmagnetisierend anzusehen unter der Annahme, daß bei dieser Belastung die Bürsten gerade unter den Polspitzen liegen. Multiplizieren wir diesen Wert mit dem Streuungskoëffizienten 1,18 und addieren das Produkt zul₂, so erhalten wir JC₃ = 26 700 als Wert der bei voller Belastung erforderlichen Amperewindungen.

Nachstehende Tabelle gibt den Vergleich der berechneten mit den gemessenen Werten:

Leistung

Berechnete Werte

Gemessene Werte

bei Leerlauf .    .

bei voller Belastung

22 200 26 700

22 7OO 29 4OO

Bei voller Belastung ist der berechnete Wert zu klein; wahrscheinlich liegt es daran, daß der Streuungskoëffizient, den wir als gleich angenommen haben, bei voller Belastung größer ist als bei Leerlauf. Ferner ist noch der Spannungsabfall unberücksichtigt geblieben, der von dem Berührungswiderstand der hier benutzten Kohlenbürsten herrührt, der etwa bei voller Belastung dem Widerstand des Ankers zu vergleichen ist.

Berechnung des Wirkungsgrades bei voller Belastung.

1.    Kupferverlust. Hier ist

wk = 4000²-.0,00035 = 5600 Watt.

2.    Eisenverlust. Das Gewicht des Eisens in den Zähnen

4,32-0,8-40-392-0,0078 Die Zahl der Perioden ist

250 ,

-TT— • 4

423 kg.

60

16,7.

Bei voller Belastung ist die Kraftliniendichte in den Zähnen etwa 14000 auf 1 cm². Aus den Eisen verlustkurven Fig. 56 sehen wir, daß bei dieser Dichte und 30 Perioden der Hystereseverlust

etwa 7 Watt und der Wirbelstromverlust etwa 2,5 Watt für jedes Kilogramm Eisen beträgt, daher ist hier der Hystereseverlust 423.7-16,6/30= 1640 Watt

und der Wirbelstromverlust

/16,6\2 V 30 /

so daß der Gesamtverlust in den Zähnen 1640 -J- 320 = 1960 Watt beträgt.

423-2,5-

320 Watt,

Das Gewicht des Ankerkernes ist 1662— 135²

• 40-0,0078 = 2300 kg.

Bei voller Belastung ist die Kraftliniendichte etwa 11800 auf 1 cm². Aus den Eisenverlustkurven S. 100 entnehmen wir den Hystereseverlust bei dieser Dichte und 30 Perioden zu 5,2 Watt für 1 kg und den Wirbelstromverlust zu 1,8 Watt, demnach ist der Hysterese Verlust im Anker

2300-5,2. ₃₍₎

und der Wirbelstromverlust

77-

16,6

6600 Watt

2300-1,8-

/16,6\2 V 30 /

= 1300 Watt.

Demnach ist der Eisenverlust im Kern im ganzen gleich 7900 Watt. Hierzu den Verlust in den Zähnen mit 1960 Watt addiert, gibt den gesamten Eisenverlust des Ankers

we — 9860 Watt.

3. Erregungsverlust. Es sind 612 Windungen auf jedem Polpaar vorhanden; das gibt bei dem berechneten Wert der Erregung bei voller Belastung die Stromstärke

43,5 Ampere.

26700

612

Demnach ist

wx = 43,5 -120 = 5210 Watt.

4. Stromwenderverluste. Wegen der starken Ströme, die die Kohlenbürsten abnehmen müssen, sowie wegen des Vorhandenseins zw.eier Stromabnehmer und deren hoher Umfangsgeschwindigkeit sind hier die Stromwenderverluste von besonderer Bedeutung. Auf jeden Stromwender drücken 64 Bürsten (acht für jeden Pol). Da die Fläche jeder Bürste etwa 8 cm² beträgt, so ist die ganze Berührungsfläche der Bürsten rund 500 cm²; der Strom tritt auf einer Fläche von 250 cm² ein und auf einer ebenso großen Fläche aus. Unter der

Annahme eines Berührungswiderstandes von 0,125 Ohm auf 1 cm2 {vergl. S. 219) haben wir also einen 7²r-Verlust von 2-2000²-0,125/250 = 4000 Watt, also bei zwei Stromwendern 8000 Watt.

17 m/sec.

Die Umfangsgeschwindigkeit ist tu. 1,3 - 250/60

= 5000 Watt.

Nehmen wir den Bürstendruck zu 0,1 kg für 1 cm² und den Reibungskoeffizienten zu 0,3 an, so ist 2 -0,1 -500 -17 -0,3 -736

75

Daher ist der Gesamtverlust durch Bürstenwiderstand und Reibung wb = 13000 Watt.

5. Reibungs- und Lüftungsverlust. Dieser wird unter 1 Prozent der ganzen Leistung bleiben, also wr— 4800 Watt.

Der Verlust bei voller Belastung beträgt demnach w — Wk -j- we -f- wx -[- Wb -f- wr — 33 670 Watt.

Da die Leistung 480 Kilowatt beträgt, so ist der Wirkungsgrad bei voller Belastung

= 93 Prozent.

480

T‘ — 480 -f 33,7 Wahrscheinliche Erwärmung.

a) Anker. Nach den Zeichnungen kann man die wärme-ausstrahlende Ankeroberfläche zu etwa 32 000 cm² annehmen. Der

Ankerverlust ist

wa = Wk -f- w = 15 260 Watt.

0,48 Watt.

Demnach kommen auf 1 cm² Strahlungsfläche 15260 32 000

Aus der unteren Kurve der Pig. 99 sehen wir, daß bei der Umfangsgeschwindigkeit des Ankers von 22,5 m/sec eine höchste Temperatursteigerung von 120 Grad für 1 Watt auf 1 cm² zu erwarten ist; demnach ist ta = 120 • 0,48 = 58 Grad C.

b) Feldmagnet. Die wärmeausstrahlende Fläche jeder Spule

Wa

beträgt etwa 7500 cm². Aus der Formel (9) S. 167 tm = 485 ——

können wir die Endtemperatur auf

42 Grad

1'm -

485-5210

8-7500 schätzen.

r₂

392-1,25

175(1 + 2)

0,9.

c) Stromwender. Nach der Formel S. 469 ist

300-m^

tjt —

^(1+0,1 v)

300-6500

= 67 Grad.

Tr- 130 - 26,7-(1 -f- 0,1-17)

Funken. Der Wert der quer magnetisierenden Amperewindungen ist

30

360

-392-250 = 8150..

Bei voller Belastung ist die Zahl der Amperewindungen für die Zähne und den Luftzwischenraum etwa 22000, wobei die Dichte in den ersteren etwa 10500 ist. Hiernach ergibt sich die Kraftliniendichte an dem rückwärts gerichteten Polhorn zu etwa

22000 — 8150

10500-

22000

= 6700.

Dieser Wert ist groß genug, um eine funkenfreie Stromumkehrung zu sichern (vergl. S. 251).

Vergleichen wir die S. 252 angegebenen Merkmale einer guten

Stromumkehrung mit den hier berechneten Werten, so ergibt sich folgendes :

Q3₃ = 10500, 392-250

X,

TT- 175

1800.

K= 392

k = 2, d= 175, g — 1,25,

woraus sich ergibt

10500-2

1800

117 und

Nach S. 252 soll bei einer Maschine dieser Gattung Y₁ nicht unter 15 und Y₂ nicht unter 1,2 sein; diese zweite Bedingung ist nicht ganz erfüllt. Aber der ersten Bedingung ist in so hohem Maße genügt, daß man doch annehmen kann, es werde sich bei der normalen Belastung von 4000 Ampere keine merkbare Funkenbildung einstellen.

Beispiel IY. Dynamomaschinen mit obenliegendem glatten Trommelanker und Kompoundwickelung. Entworfen von Kapp. Dargestellt auf Tafel II u. III und Eig. 406a.

Aus den Zeichnungen und den vom Konstrukteur gelieferten Angaben ergibt sich folgendes:

Allgemeine Angaben:

21 Kilowatt,

Leistung bei voller Belastung Klemmenspannung bei voller Belastung .    .    .    105 Yolt,

Stromstärke bei voller Belastung Umdrehungen in 1 Minute .    .

Art der Belastung.....

200 Ampere,

780

.    . Beleuchtung.

Abmessungen.

Anker:

Kernscheiben, äußbrer Durchmesser .    .

innerer

55

55

28 cm. . 16 „

Radiale Tiefe des Eisens Ganze Länge des Kerns Eisenlänge

Durchmesser des fertigen Ankers

Zahl der Leiter......

Abmessungen eines Leiters, ackt

40,6 cm, 33,3 „

.    29,5 „

120,

55

55

fl .3

Querschnitt

Abmessungen der Yerbinder, nackt .    .

Querschnitt

Mittlere Länge einer Windung — 2 Leiter-]- 2 Yerbinder ............

Feldmagnete:

Material............

Durchmesser der Bohrung......

Polwinkel .    -.........

Ganze Höhe der Schenkel......

Breite parallel zur Welle......

Dicke der Schenkel........

Breite des Joches.........

Tiefe

Yon Mitte zu Mitte Schenkel.....

Zahl der Nebenschlußwindungen ....

„    „ Lagen auf jedem Schenkel .    .    .

„    „ Drähte in jeder Lage ....

,5

5,

. .    2-(0,28-0,53) cm,

.    .    .    0,64-0,61 „

. . .    0,3 cm²,

.    .    .    4,1-0,13 cm,

. . .    0.53 cm²

173.5 cm

Schmiedeeisen. 30,3 cm 135 Grad. 76,2 cm,

31 cm.

.    . 3058,

11

.J

-4

.1^

.ï

Fig. 406a. Feldmagnet nebst Lager und Achse der zweipoligen Maschine von Kapp.

Tb &

,::f

ü|

-N

n>

|P

r--i

ii*

*• 1__JL

(t)

'S

-- [

;;

•«jfcrzD

w~r

Durchmesser des Drahtes, nackt „    „    „ isoliert

0,165 cm, 0,2 cm, 0,0214 cm², 30,1 Ohm,

Querschnitt .... Widerstand bei 50 Grad

23.

.    .    2-(1,22-0,33) cm,

. . . 2- (1,3- 0,41) „

. . .    0,8 cm²,

. . .    0,0079 Ohm.

Widerstand bei 50 Grad

Wie die Zeichnungen erkennen lassen, bestehen die Schenkel aus zwei rechteckigen Stäben aus bearbeitetem Schmiedeeisen, ohne besondere Polstücke; als Polspitzen dienen zwei angeschraubte Schmiedestücke von geeigneter Form. Das Joch wird zum Teil von der gußeisernen Fundamentplatte gebildet, im wesentlichen aber von einem unterwärts mit der Grundplatte verschraubten Schmiedestück. Die Nebenschlußwickelungen der Schenkel sind hintereinander, jedoch die Reihenwickelung parallel geschaltet, wie aus den vorstehenden Angaben zu entnehmen ist. Jeder Ankerleiter wird von zwei rechteckigen Kupferstreifen von den oben angegebenen Abmessungen gebildet, die aufeinander gelegt, doppelt mit Baumwolle umwickelt und gefirnißt sind.

Wir wollen nun den Entwurf dieser Maschine in gleicher Weise wie die früheren prüfen und nachrechnen. Zunächst ist wieder die Leerlaufcharakteristik zu ermitteln. Aus der Grundgleichung für die induzierte elektromotorische Kraft ergibt sich

780

60

E = 0,000 015 6 • Oa.

Es ist hier nicht nötig, mehr als zwei Punkte der Kurve im einzelnen zu berechnen, da der Leser nunmehr wohl schon genügend mit dem Vorgang der Berechnung vertraut sein wird. Nehmen wir also einen Punkt unter und einen über dem Wert bei voller Belastung, etwa E — 90 und .27=115.

Dann sind die entsprechenden Kraftlinienzahlen im Anker 0>a = 5770000 und Oa = 7370000.

Aus der Tabelle S. 134 ergibt sich, daß der Streuungskoëffizient bei dieser Maschinenart und -stärke v = 1,28 ist. Daher sind <Z>„ = 7 390000 und Om = 9430000

Kraftlinien zu erzeugen, um die gewünschte Dichte im Anker zu erhalten.

Aus den Zeichnungen ergibt sich die Mittlere Länge des Weges im Anker .    .    .    .' .

in beiden Schenkeln

im Joch .....

Länge der zwei Luftzwischenräume.....

und die Querschnitte der Kraftlinienwege:

Querschnitt des Eisens im Anker . . . 12 • 33,3 = 400 cm², „    in den Schenkeln . 14,6 • 38,1 — 556 „

.    .15,2-43,2 = 658    „

33

33

33

33

33

33

33

33

14 cm • 117 „

- 18 „ 2.2 cm

33

33

33

33

33

im Joch

Entsprechend der S. 139 gegebenen Regel ist nunmehr ' der magnetische Querschnitt des Luftzwischenraumes zu bestimmen. Da aber im vorliegenden Falle der Anker etwas länger ist als die Polfläche, müssen wir hier die Länge der letzteren als gleich der ganzen Länge des Ankers annehmen. Daraus ergibt sich der magnetische Querschnitt der Polfläche zu

•40,6 = 1450 cm².

—30,3 •

135

360

Die hinzuzufügende Fläche wird nicht kleiner als

1,1 {76,2 +2 (

-•30,3 •

135

360

)}

= 162 cm²

sein; demnach ist der magnetische Querschnitt des Luftzwischenraumes gleich 1612 cm².

Wir können nun in die beiden untenstehenden Tabellen für E = 90 und E = 115 die entsprechenden Werte einfügen. Die Werte der Amperewindungen für 1 cm (?) sind aus den Kurven der Tafel I entnommen (Kurve Kr und L)₁ diejenigen des Luftzwischenraumes aus der Formel S. 138 berechnet.

E—90.

<#>a = 5770000.

— 7390000.

Maschinenteil

Material

Magnetische

Querschnitt cm²

Länge

Dichte

Ampere

windungs

zahl

cm

Joch

2 Schenkel 2 Luftzwischenräume Ankerkern

Schmiedeeisen

18

658

6,2

117

Eisenblech

2,2

14

556

1612

400

110

1 160 6 300

IIO

Zusammen 7 680.

E= 115.

a = 7370000.

Maschinenteil

Material

Magnetische

Querschnitt cm²

Länge

Dichte

Ampere

windungs

zahl

cm

Joch

2 Schenkel 2 Luftzwischenräume Ankerkern

Schmiedeeisen

Eisenblech

t8

117

2,2

658

556

1612

14

400

14300 17 000 4 600 18400

13.8

61

3680

88

250

7    100

8    100 1 240

Zusammen 16 690.

In gleicher Weise finden wir andere Punkte der Kurve, so für E — 105, Amperewindungszahl 10 950

9 600,

6 350,

4400.

Zeichnen wir diese sechs Punkte auf, so erhalten wir die in Pig. 406b dargestellte Kurve der Leerlaufcharakteristik. Die erforderliche Amperewindungszahl für Leerlauf ergibt sich daraus zu

X₁ = 10 950

und diesè muß durch die Nebenschlußwickelung aufgebracht werden. Bei voller Belastung muß die im Anker erzeugte elektromotorische Kraft die bei Leerlauf um einen Betrag übersteigen, der den Spannungsabfall in der Ankerwickelung und den Keihenspulen wettmacht. Der Widerstand der ganzen Ankerwickelung bei 60 Grad ist

2^2 Qi ?2

worin N die Windungszahl des Ankers = 60, qi Länge und Querschnitt eines Ankerleiters, hq₂ eines Verbinders in Meter und Quadratmillimeter bedeuten; es ist

/1,10    0,64\

V 30 ⁺ 53 )

E = 100

E = 80, E — 60.

r=0.02-N-

r = 0.02 • 60 •

= 0,059 Ohm.

Hieraus ergibt sich 0 059

= 0,0148 oder rund 0,015 Ohm.

4

Hierzu kommt noch der Bürstenwiderstand, welcher bei einer Berührungsfläche von 3 cm² und einem Widerstand von 0,012 Ohm/cm2 für Kupferbürsten an jeder Bürste 0,004 Ohm beträgt; es ergibt sich hiernach als Widerstand von Bürste zu Bürste 0,015 -f 0,008 = 0,023 Ohm.

ra = -

Addieren wir diesen Wert zu dem oben angegebenen Widerstand der (warmen) Reihenspulen und multiplizieren mit dem Strom bei voller Belastung, so erhalten wir den Yerlust e — 200 • 0,031 = 6,2 Yolt.

INDUZIERTE EMK * $>a X 0, 0000156

20

40

80

OOI

VOLT

120

2000

Fig. 406b. Magnetisierungskurvc der Kappschen zweipoligen Maschine.

4000

6000

8000

OOOOI

12000

000+1

16000

AMPEREWINDUNGEN AUF DEN FELDMAGNETEN

7x

.J

Die ganze bei voller Belastung im Anker induzierte elektromotorische Kraft muß also sein E — 105 -f- 6,2 = 111,2 Volt.

Greifen wir diesen Wert auf der Ordinatenachse ab und projizieren den zugehörigen Punkt der Kurve auf die Abszisse, so erhalten wir den entsprechenden Wert von X₂ unter der Voraussetzung, daß die Bürsten immer auf dem neutralen Punkte lägen. Dies ist aber nicht der Pall, bei voller Belastung liegen sie unter den Polspitzen. Der Abweichungswinkel ist 180 — 135 = 45 Grad; in diesem Winkel liegen

45

120-

360

= 15 Leiter.

Da jeder Leiter 100 Ampere führt (abgesehen von dem sehr kleinen Nebenschlußstrom), so ist

15-100 = 1500

die Zahl der entmagnetisierenden Amperewindungen des Ankers. Diese müssen auf dem Feldmagnet ausgeglichen werden, dessen Streukoöffizient 1,28 ist, daher sind 1,28 • 1500 = 1920 Amperewindungen zum Ausgleich erforderlich.

Addieren wir diese Zahl zu W₂, so erhalten wir aus Fig. 406 b die erforderliche Zahl der Amperewindungen bei voller Belastung zu Xs = 15350, die von der Keihen- und der Nebenschlußwickelung gemeinsam aufgebracht werden müssen.

Vergleichen wir diese Werte mit denen der ausgeführten Maschine, so ergibt sich folgendes:

Wickelung

Berechnete Werte

Beobachtete Werte

io 670 4 600 15 270

10 950 4 400 15 35°

Nebenschluß-Amperewindungen Reihen-Amperewindungen .    .

Insgesamt........

Mit dieser Kompoundwickelung regelt die Maschine sich

sehr genau.

Nun wollen wir noch den Wirkungsgrad und die Erwärmung der Maschine bestimmen. Da es sich um eine Lichtmaschine handelt, wird der höchste Wirkungsgrad wahrscheinlich bei ³/₄ Belastung liegen, wir wollen daher diese der Berechnung zu Grunde legen.

1. Kupferverlust. Der gesamte Widerstand der Anker- und

der Reihenwickelung ist vorher zu 0,031 Ohm in warmem Zustande ermittelt. Der Kupferverlust ist also bei ³/₄ Belastung 150²-0,031 = 700 Watt.

= 366 Watt.

2. Der Erregerverlust in den Nebenschluß ergibt sich zu 105-105

30,1

3. Eisenverluste. Das Eisengewicht ist 282— 162

*(    4

• 33,3 • 0,007 8 = 108 kg.

Die Frequenz ist

780

60

— 13 in der Sekunde

und findet statt bei ³/₄ Belastung und einer Kraftliniendichte von etwa 17 500 Linien.

Aus den Kurven der Fig. 54, S. 100, entnehmen wir, daß bei einer Wechselzahl von 30 und einer Dichte von 12400 Linien der

Hystereseverlust für 1 kg Eisen etwa 5,6 Watt und der Wirbelstromverlust etwa 2 Watt beträgt, demnach ist bei der vorliegenden Maschine der Hysterese Verlust

108- |ö.6~.

13 17 500¹’⁶

30 12400¹’⁰

— 108-4,15 = 450 Watt.

Der Wirbelstromverlust ist

108

= 108-0,76 = 72 Watt.

Demnach der gesamte Eisenverlust im Anker 450 + 72 = 522 Watt.

Die Yerluste durch Reibung, Lüftung und am Stromwender werden etwa 2 Prozent der Leistung bei voller Belastung betragen, also 21000-2

100

= 420 Watt.

Addieren wir die einzelnen Verluste, so erhalten wir 2008 Watt

als Gesamtverlust der Maschine bei ³/₄ Belastung. Demnach ist der Wirkungsgrad

15750

= 89 Prozent.

17 758

Dieser Wert ist wahrscheinlich etwas zu niedrig, der Unterschied wird vermutlich in einer zu hohen Schätzung der Eisenverluste begründet sein.

Wir wollen nunmehr die wahrscheinliche Temperatursteigerung bei voller Belastung bestimmen.

a) Anker. Die Eisenverluste werden hierbei etwa gleich den vorhin berechneten, also = 520 Watt sein; der Kupferverlust ist 200²-0,023 = 920 Watt, also der Ankerverlust im ganzen

wa = 1440 Watt.

Nach den Zeichnungen ist die wärmeausstrahlende Oberfläche etwa = 5700 cm², demnach entfallen auf 1 cm² der Oberfläche = 0,25 Watt.

Aus der unteren Kurve der Fig. 99 sehen wir, daß bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 12 m/sec die wahrscheinliche Erwärmung 170 Grad betragen wird. Wir nehmen hier die untere Kurve, weil der Anker dieser Maschine besonders gut gelüftet ist (vergl. Tafel II). Die Temperatursteigerung wird also wahrscheinlich gleich

0,25-170 = 43 Grad.

Der Verlust in den Feld Wickelungen ist bei voller Belastung zu 366 -j- 200²-0,0079 = 682 Watt bestimmt.

Da die ausstrahlende Oberfläche etwa 9000 cm² beträgt, ist die wahrscheinliche Erwärmung

682

im

9000

. 485 = 36,5 Grad.

Da diese Maschine bei voller Belastung und richtiger Bürstenverteilung durchaus funkenlos läuft, so ist es von Interesse, zu sehen, wie weit sich der Entwurf mit den durch unsere empirischen Formeln für funkenfreien Betrieb festgestellten Bedingungen deckt. Die Zahl der quermagnetisierenden Amperewindungen bei voller Belastung ist

135

360

-120-100 = 4500.

Für den Luftzwischenraum sind bei voller Belastung 7850Ampere-wdndungen erforderlich, wobei die Dichte 4400 Linien beträgt. Die Dichte am hinteren Polhorn ist demnach annähernd

= 1900.

4400-

7850 — 4500

7850

ein Wert, der etwas unterhalb des S. 250 angegebenen Kleinstwertes von 2000 liegt.

Prüfen wir nach den S. 252 angegebenen Merkmalen einer guten Stromumkehrung, so erhalten wir Sß₃ = 4400 Linien /cm², d = 28 cm Ankerdurchmesser,

K = 60 Kommutatorsegmente.

k = 2, Zahl der gleichzeitig kurzgeschlossenen Kommutatorsegmente.

g— 1,1 cm Luftspalt von Eisen zu Eisen. qx — 120-100/r-28 = 137 Ampereleiter auf 1 cm Umfang bei voller Belastung.

Daraus ergibt sich

Fj = 4400-2/137 = 64.

Y₂ = 60-1,1/28 (1 -f 2) = 0,8.

Bei dieser Art Maschinen soll Y{ mindestens 15 sein; diese Bedingung für funkenfreien Lauf ist tatsächlich erfüllt. Dagegen ist Y₂ etwas zu klein; es wird aber offenbar der Nachteil des zu kleinen Y% durch den großen Wert von Yx wieder ausgeglichen.

Das Dichteverhältnis (S. 251) ist hier 4400/137 ==32 und das Umkehrverhältnis 18, was durchaus genügend ist.

Beispiel V. Yielpoliger Kompoundgenerator für Bahnbetrieb. M. P. 16 — 1000 — 90 — 500 Yolt — 2000 Ampere. Entworfen von Hobart, gebaut von der Union-Elektrizitäts-Gesellschaft in Berlin für die Sheffield Corporation.

Es ist dies ein Beispiel eines langsam laufenden Stromerzeugers mit direktem Antrieb. Die Bauart ist in der Elektrotechnischen Zeitschrift vom 16. Januar 1902 beschrieben; der Entwurf befindet sich unter den von Hobart im Journ. Instit. Electr. Engineers, Bd. 31, S. 170, beschriebenen Maschinen und ist auch von ihm in der Elektrotechnischen Zeitschrift vom 15. August 1901 besprochen. Um dieses Beispiel möglichst nützlich zu gestalten, wollen wir hier so Vorgehen, als wenn die Maschine von ihren ersten Anfängen an zu entwerfen wäre.

Yorschrift. Die Maschine soll mit 90 Umdrehungen in der Minute 2000 Ampere leisten mit einer Spannung von 500 Yolt und einem Wirkungsgrade bei voller Belastung von 94 Prozent. Bei normaler Belastung und Dauerbetrieb soll die Erwärmung nicht mehr als 50 Grad über den umgebenden Raum steigen. Die Maschine soll 30 Minuten lang eine Überlastung von 25 Prozent und vorübergehend eine Überlastung von 50 Prozent ertragen können, ohne erhebliches Funken oder stärkere Erhitzung. Die Bürstenstellung soll bei allen Belastungen unverändert die gleiche sein.

1. Bestimmung von Versuchs werten für die Ankerabmessungen. Bei der Leistung von 1000 Kilowatt ist eine passende Umfangsgeschwindigkeit 18 bis 20 m in der Sekunde (S. 482). Um Essons Formel III (S. 487) anwenden zu können, wählen wir zunächst folgende Werte: 33^= 8600; ql = 260 Ampere/cm;

= 0,72. Aus Gleichung IYb (S. 487) ergibt sich danach

= 373000.

60-10¹⁰

8600-260-0,72 Dies in IYa eingesetzt, gibt

4140000.

Stellen wir einige Versuchswerte, die dieser Gleichung genügen, zusammen und fügen die entsprechenden Umfangsgeschwindigkeiten hinzu, so erhalten wir:

dH

250

66.2

300

46,0

350

33.8

400

25,8

450

20.5

414000

414000

414000

414000

414000

m/Sek.

11.8

14.1

16.5

18.9

21.2

Wir nehmen den dritten Wert, der eine nicht zu hohe Umfangsgeschwindigkeit ergibt, also d— 350, l — 33,8 oder rund 35 cm so daß das Verhältnis l:d= 1:10 wird.

2. Zahl der Pole. Da der Strom bei voller Belastung 2000 Ampere beträgt, können wir nicht gut weniger als 16 Pole nehmen; denn bei einer Schleifenwickelung mit 16 Stromkreisen würden an jedem Biirstensatz schon 250 Ampere aufzunehmen sein. Anderseits werden für einen sparsamen Entwurf 16 Pole auch Irnreichen.

3.    Polfläche. Der Umfang ist x*350 = 1100 und der Polstand etwa 69 cm. Der gleichwertige Polbogen ist 72 Prozent hiervon oder 50 cm, demnach die Polfläche etwa 50 • 35 = 1750 cm².

4.    Kraftlinienzahl von einem Pol. Bei der angenommenen Dichte von 8600 Linien wird der vorläufige Wert der von einem Pol ausgehenden Kraftlinien 1750X8600 = 15000000 Linien sein.

5.    Ankerleiter. Bei 90 Umdrehungen in 1 Minute ist

90

n = — = 1,5 Umdrehungen in 1 Sekunde. Ist E — 500, so ergibt 60

sich aus der allgemeinen Formel

N=E- 108/w Oa

500-108/1,5-15-106 N= 2222.

Nun ist es bei der Schleifenwickelung, besonders wrenn Aus-gleichringe vorgesehen sind, vorzuziehen, daß die Zahl der Leiter ein gerades Vielfaches der Polzahl ist. 2222 ist durch 16 nicht teilbar und muß daher geändert werden. Da wir E = 500 Volt genommen und für einen inneren Spannungsverlust nichts gerechnet haben, so ist es besser, N zu vergrößern als zu verkleinern. Wir nehmen daher N — 144 • 16 =* 2304. Dann wird Oa auf etwa 14500000 herabgemindert.

36*

6.    Prüfung der bisherigen Ergebnisse. Da acht Polpaare vorhanden und n — 1,5, so wird die Wechselzahl gleich 12, was nicht zu hoch ist. Da ferner 16 Stromwege im Anker vorhanden sind und jeder einen Strom von 125 Ampere führt, so ist die Zahl der Ampereleiter auf 1 cm² 125-2304/1100 == 262; auch dieser Wert ist nicht so hoch gegenüber dem angenommenen, um unsicher zu sein.

7.    Kommutatorsegmente. Nehmen wir eine Schleife auf ein Segment, so erhalten wir K— 2304/2 = 1152. Dies ergibt 72 Schleifen auf jeden Pol, mit einer durchschnittlichen Spannung von 500/72 = 6,95 Yolt für jede Schleife. Prüfen wir nach Arnolds Kegel (S. 438):

K soll nicht kleiner sein als 0,037-2304 1^125 = 956. Demnach ist 1152 genügend.

8.    Größe des Kommutators. Die Umfangsgeschwindigkeit soll etwa 13 m in der Sekunde betragen und die Breite eines Segmentes möglichst nicht unter 7 mm sein. Nach der ersteren Bestimmung würde bei 1% Umdrehungen in 1 Sekunde -•dc-n — 1300, also ~de = 866,6 cm geben, während die letztere Bestimmung einen Umfang von mindestens 0,7 X 1152 = 806,4 cm verlangt. Nehmen wir 850 cm, so ist der Durchmesser dc — 270 cm, die Umfangsgeschwindigkeit 12,7 m/sec und die Breite eines Segmentes 7,4 mm. Nehmen wir die Glimmerisolation 0,76 mm dick, so bleibt als reine Breite des Segmentes 6,64 mm. Um 250 Ampere bei 5 Ampere Dichte auf 1 cm² aufzunehmen, sind 50 cm² Bürstenberührungsfläche erforderlich, daraus bestimmt sich die Arbeitslänge der Segmente zu 50/0,664 = 75 cm. Nun darf aber die Bürste nicht breiter als 2 cm sein, wobei sie nahezu drei Segmente bedecken würde; da zwei Glimmerschichten dazwischen liegen, ist die wirksame Breite kleiner. Nehmen wir sie zu 1,85 cm an, so genügt eine Nettolänge von 50/1,85 = 28,5 cm. Fügen wir noch 5,5 cm als Zwischenraum zwischen den Bürsten und 4 cm für die Bänder an beiden Enden hinzu, so erhalten wir 38 cm als ganze Länge des Stromwenders. Seine Abkühlungsfläche würde danach -• 270-38 = 32 000 cm² betragen.

9. Ganze Länge und Abkühlungsfläche des Ankers. Wir nehmen eine Mantelwickelung. Schätzen wir die Länge, um welche die schrägen Teile über die Enden hinausragen, zu 0,325 des Polstandes, so ist die ganze Länge des Ankers 35 + 2 (68,8 • 0,325) = 80 cm,

da der Polstand 1100/16 = 68,8 cm betagt. Demnach ist die Abkühlungsfläche 1100-80 = 88 000 cm².

10.    Bestimmung der Verluste. Wir könnnen den Kupferverlust im Anker zu 2,5 Prozent und den Eisenverlust zu 1,75 Prozent, zusammen 4,25 Prozent der Leistung bei voller Belastung annehmen, demnach zu 42 500 Watt. Die Kommutatorverluste schätzen wir zu 0,75 Prozent oder 7500 Watt, die Erregungsverluste zu 1,25 Prozent oder 12 500 Watt.

11.    Wahrscheinliche Erwärmung des Ankers. Nach Hobart¹) ist die Temperatursteigerung bei Ankern von solch großen Abmessungen, die gut gelüftet sind, zu 0,7 bis 1 Grad für jedes Watt zu rechnen, das auf 100 cm² der Abkühlungsfläche verloren geht. Da der Anker besonders gut gelüftet ist, können wir den niedrigeren Wert nehmen. Dann ist die Temperatursteigerung, da hier auf 100 cm2 42 500 / 880 = 48,3 Watt kommen, 48,3 X 0,7 = 33,8 Grad C.

12.    Anker lei ter. Wählen wir die Stromdichte auf 1 mm² nicht über 3 Ampere, so würde der 125 Ampere führende Leiter einen Querschnitt von wenigstens 42 mm² haben müssen. Wegen der etwaigen Überlastung ist der Querschnitt ein wenig größer zu wählen. Nehmen wir mit Rücksicht hierauf nur 2,9 Ampere auf 1 mm², so würde sich der Querschnitt auf 43,2 nun² stellen. Um einerseits hinlänglich Raum für die Isolierung zu haben und anderseits hohe Sättigung in den Zähnen zu bekommen, wollen wir annehmen, daß sechs Leiter in jeder Nut unterzubringen sind. Daraus ergibt sich der Kupferquerschnitt in einer Nut zu 43,2-6 = 259 mm²-Die mittlere Länge einer Windung ist etwa 275 cm, demnach die Gesamtlänge der Kupferleiter 316 800 cm. Der Inhalt der Kupfermasse beträgt dann 137 000 cm³ und das Gesamtgewicht ungefähr 1200 kg.

Der Kupferquerschnitt in jeder Nut wrar 259 mm². Da erfahrungsgemäß bei Maschinen dieser Art ein Raumfaktor von 0,515 erreicht²) wird, so ergibt sich als Querschnitt der Nut 259/0,515 = 503 mm². Die Zahl der Nuten ist 2304/6 = 384; demnach ist bei einem Umfang von 1100 cm die Entfernung von Mitte zu Mitte Nut 11000/384 = 28,6 mm. Die Kraftliniendichte im Luftzwischenraum ist 8600; sie soll in den

13. Ankernuten.

x) Elektrotechn. Zeitschrift vom 15. August 1901.

2) Dies ist ein ungewöhnlich hoher Wert bei 500 Volt-Maschinen, der nur bei besonders guter Isolierung erreichbar, wenn mehrere Leiter in jedem Schlitz angeordnet werden.

Zähnen wenigstens 25000 (scheinbar) sein. Nun beträgt die Eisenlänge des Ankers wegen der Isolation und der Lüftungskanäle nur etwa 24 cm bei der ganzen Länge des Ankers von 35 cm. Hierdurch steigt die Dichte schon von selbst auf 12 500; aber da die scheinbare Dichte 25 000 erreichen soll, ist klar, daß der Querschnitt wenigstens auf die Hälfte herabgemindert werden muß. Mit anderen Worten, die Nuten müssen wenigstens so breit sein als die Zähne, besser etwas breiter. Nehmen wir 14,8 mm als Nutenbreite, also

13,8 mm als Breite der Zähne an der Oberfläche des Ankers, dann muß die Tiefe der Nuten 503 /14,8 = 34 mm betragen. Dies ist ein passender Wert, obwohl es nötig sein wird, ihn nachzuprüfen, wenn die sechs Leiter mit ihrer Isolierung zusammen angeordnet sind.

14. Anordnung der Leiter in der Nut. Bei der Mantei-wickelung sind die sechs Leiter so anzuordnen, daß zwei übereinander und drei nebeneinander liegen. Eine bei Maschinen dieser Art passende Stärke der Isolierung ist 1,3 mm zwischen Zahn und Leiter, und ein 0,4 mm dickes Band um die einzelnen Leiter. Die vorstehenden Enden bedürfen noch einer weiteren Umwickelung. Danach berechnet sich die Dicke x der Kupferleiter aus der Gleichung 3 x -j- 6 • 0,4 -|- 2 • 1,3 = 14,8, woraus x — 3,26 mm.

Damit beim Einpressen der Leiter in die Nut Beschädigungen der Isolierung vermieden werden, ist es besser, das Maß etwas kleiner zu nehmen, etwa 3,2 mm. Da der Querschnitt jedes Leiters 43,2 mm2 sein soll, ist die Höhe 43,2/3,2 = 13,5 mm zu nehmen. Die isolierten Leiter erfordern demnach zu zweien übereinander 2 • 18,5 —j— 4 - 0,4 = 28,6 mm. Hierzu die Isolierung der Nut und ein zwischen den oberen und den unteren Leiter eingelegter Streifen mit 3,9 mm, sowie für das Zusammenpacken 1,5 mm gerechnet, ergibt eine Nutentiefe von 28,6 -\- 3,9 -f- 1,4 — 34 mm. Bei dieser Anordnung erweisen sich die oben vorläufig angenommenen Werte der Abmessungen als passend, obwohl es vorteilhafter gewesen sein würde, die Tiefe der Nuten etwas größer zu nehmen.

14. Innerer Kerndurchmesser. Da der Polbogen 50 cm beträgt, würde ein vorläufiger Wert für den Kern etwa die Hälfte 25 cm sein, da der Kern die Hälfte der Kraftlinienzahl aufnehmen muß. Da indessen die Eisenlänge wegen der Isolation und der Lüftungskanäle nur zu 0,68 der ganzen Länge anzunehmen ist, so würde die Kraftliniendichte immer noch 8600/0,68 — 12 600 Linien betragen, was für den Kern zu hoch ist. Die Dichte sollte 10 000 keinesfalls überschreiten. Wir wollen daher die Kerntiefe zu 25-12 600/10 000 = 31,6 cm annehmen. Verdoppeln wir diese Zahl, addieren die doppelte Zahnlänge und subtrahieren von 350, gibt 280 cm als inneren Durchmesser.

15.    Kraftliniendichte in den Zähnen. Nunmehr ist die Dichte in den Zähnen nachzuprüfen. Die Breite der Zähne an der Oberfläche ist 13,8 mm, an der Zahnwurzel wird die Breite allerdings etwas kleiner sein, aber bei einem so großen Anker ist der Kehler, ■den man macht, wenn man die Breite überall als gleich, oder die Flanken als parallel ansieht, sehr gering, auch wird er mehr als aufgehoben durch den entgegengesetzt wirkenden Fehler, der in der Annahme liegt, daß die Kraftliniendichte in den Schlitzen vernachlässigbar klein ist. Nun ist die Zahl der von einem Pol in den Anker eintretenden Kraftlinien 14500 000, die Zahl der unter einem Pol liegenden Zähne gleich 19, wenn wir jederseits einen Zahn wegen der Streuung zugeben. Die reine Eisenlänge des Ankers zu 0,68-35 = 23,8 cm angenommen, würde demnach die reine Eisenfläche unter •einem Pol 19-23,8-1,38 = 620 cm² betragen, demnach die scheinbare Dichte in jedem Zahn 14500 000/620 = 23 400 Linien sein. Diese Dichte ist, wenn auch ziemlich hoch, doch für einen so gut gekühlten Anker nicht zu groß; hierbei ist zu berücksichtigen, daß das Eisen nur 12 Kreisläufe in einer Sekunde durchzumachen hat.

16.    Luftzwischenraum. Da die Nuten 14,8 mm breit sind, ist die kleinstmögliche Länge des Zwischenraumes 2 ■ 14,8/3 = 9,89 mm. Nach einer andern Regel (Xb, S. 495) ist die Länge in Zentimetern = 0,09-dl\K oder 0,09-350-35/1152 = 0,96 cm.

Wir nehmen l — 10 mm als den nächsten ganzen Wert; das ist ¹/₅o des Polspannes.

17.    Länge des Polkernes. Ein Versuchswert für Kompoundmaschinen ist 40 mal der Länge des Luftzwischenraumes. Da bei der vorliegenden Maschine die Dichten überall ziemlich hoch sind, ist es sicherer, einen etwas höheren Wert, sagen wir 48 maH = 48 cm, zu nehmen.

18. Querschnitt des Polkernes. Da die nutzbare Kraftlinienzahl für jeden Pol bei Leerlauf 14 500000, bei voller Belastung 14900000 Linien ist, so kommen bei einem Streuungskoöffizienten von 1,125 also 16800000 Linien auf jeden Pol. Läßt man bei Verwendung von Flußstahl eine Dichte von 15 000 Linien auf 1 cm2 zu. so ist der erforderliche Querschnitt etwa 1120 cm². Dem würde ein Kreisquerschnitt vom Durchmesser 38 cm entsprechen.

19. Abmessungen des Joches. Geben wir den Polschuhen eine Stärke von 5 cm, so würde der innere Durchmesser des Joches 350 —|— 2 —(— 10 —|— 96 = 458 cm sein. Wählen wir die Breite gleich 70 cm, so daß die Seiten der Spulen gedeckt sind, so muß die radiale Dicke aus dem erforderlichen Querschnitt bestimmt werden. Die Kraftlinienzahl ist etwa 8400 000; bei Verwendung von Gußeisen und einer Dichte von 4000 Linien würden demnach 2100 cm²

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711.25

erforderlich sein, woraus sich die durchschnittliche radiale Stärke zu 30 cm bestimmt. Zweckmäßig gibt man der Querschnittsform zwei Versteifungsrippen; auf diese entfällt nach allgemeinen Konstruktionsgrundsätzen etwa die Hälfte

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Fig. 408. Radstern.

Fig. 407. Kemplatte und Lüftungsstück.

des Materials. Sie überragen den äußeren Umfang des Joches um etwa 20 cm, den inneren um etwa 38 cm; demnach ist der Durchmesser des äußeren Rippenkreises 458 —f- 76 = 534 cm.

20. Nunmehr ist es zweckmäßig, die erste Zeichnung zu entwerfen, um mit der wirklichen Berechnung der Maschine fortzufahren. Aus der Zeichnung muß die Erregung bei den verschiedenen Spannungen wie bei den vorigen Beispielen berechnet und die Sättigungskurve oder Leerlaufcharakteristik aufgezeichnet werden. Die verschiedenen Verluste sind dann zu bestimmen, die entsprechenden Temperatursteigerungen und der Wirkungsgrad bei ver-

schiedenen Belastungen zu ermitteln. Wenn nötig, sind die Abmessungen der Maschine zu ändern und die Berechnungen daraufhin durchzusehen. Tatsächlich ist die Maschine, obwohl der Entwurf die hier ermittelten Abmessungen auf wies, während des Baues in der Werkstätte noch etwas geändert worden. Yon den Änderungen ist die wesentlichste die Yergrößerung des Luftzwischenraumes von 10 auf 13 mm¹). Hobart gab von dem Entwurf die nachstehenden Angaben :

Amperewindungen für jeden Pol bei Leerlauf und voller Spannung .    . iiooo

,, voller Belastung u. voller Spannung 14000 ,, zum Ausgleich der Ankerrückwirkung 3000

Verluste

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yy

yy

yy

yy

yy

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Verluste und Wirkungsgrad bei 60 Grad

Watt

in Proin zent der Prozent vollen Leistung

Eisenverlust im Anker........

Kupferverlust im Anker.......

Bürstenübergangsverlust.......

Bürsteureibungsverlust........

Sonstiger Kommutatorverlust.....

Verlust in der Nebenschluß wickelun g Verlust in der Reihen wickelun g ....

Verlust im Nebenschluß-Regelungswiderstand .    .

Verlust in der Zusatzwickelung.......

Summe der gleichbleibenden Verluste.....

Summe der veränderlichenVerluste bei voller Belastung 31600

18000 29,0 x,8 24000 38,8 2,4

7.2    0,44 0,28

4400

2800

200

2250

1250

750

30500

4-5

Gesamtverluste bei voller Belastung

62100    100    6,21

Der nutzbare mechanische Wirkungsgrad bei voller Belastung (Proz.) 94,1

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94,0

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88,5

Wattverlust auf 1 dm² Anker-Umfläche .    .

1    ,,    Kommutator-Umfläche

,,    1    „    Magnet-Umfläche

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48

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Gewichte: Ankereisen

•    530° kg> 9⁰⁰ »»

Joch im ganzen einschließlich der beiden Lagerfüße 27000 ,,

62000 „ 19500 Mk.

Ankerkupfer .    .    .

Kommutatorsegmente Magnetkupfer .    .

Polschuhe.....

Polkerne ....

Gesamtgewicht ohne Welle .    .

Kosten des wirksamen Materials

1) Formel Xc auf S. 495 würde 2304-125/16-10000 = 1,8 cm ergeben; Xa für 7 = 2 würde 2 262-356/16 2600 = 1,3 cm liefern.

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Fig. 409. Längsschnitt.

Fig. 410. Vorderansicht.

Die Fig. 407 bis 414 stellen die Maschine dar. Die Stahlgußpole sind mit je zwei Schrauben am Joch befestigt. Das Joch ist mit zwei Lagerfüßen versehen, die mit je zwei nachstellbaren

Schrauben auf einer Grundplatte ruhen. An der tiefsten Stelle wird das Joch noch von einem nachstellbaren Block unterstützt. Die Spulen der Magnete bestehen aus Eisenblech mit umgebördelten

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Fig. 411. Untere Hälfte des Magnetringes, Foltern und Polschuh.

Flantscken. Die Nebenschluß Wickelung hat 640 Windungen aus 4,5 mm Draht, die Reihenwickelung 2lj₂ Windungen auf jedem Pol,

letzterer besteht aus flachen Kupferstreifen von 1 mm Dicke und 80 mm Breite. Die Kernscheiben sind aus Segmenten zusammengesetzt (Fig. 407), von denen jedes 32 Nuten enthält, also — J/₁₂ des Kreisringes ist. Jedes Segment ist mit zwei Ansätzen versehen, durch welche die sie mit dem Radstern ver-jLb bindenden Schraubenbolzen hindurchgehen. Als Isolation ist ein Überzug von Asphalt-

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Fig. 412.

Schlußplatte des Ankers.

Fig. 413.

Schnitt durch den Stromwender und Einzelheiten.

firnis vorgesehen. Die Lüftungsstücke (Fig. 407) aus Gußeisen, 13 mm dick, werden etwa alle 60 mm zwischengelegt. Die Endplatten (Fig. 412) sind mit vorstehenden Rändern zum Stützen der

Wickelung versehen und zur besseren Kühlung ausgeschnitten. Bindedrähte sind nur über die vorstehenden Enden der Wickelung gelegt. An der Rückseite des Ankers liegen Ausgleichsringe, acht an der Zahl. Der Kommutator, dessen Anordnung aus der Fig. 413 zu ersehen ist, ist mit den Armen des Radsternes verbolzt. Die

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MW

Fig. 414. Stromerzeuger von Hobart, MP 16—iooo — 90: erbaut von der Union-Elektrizitäts-Gesellschaft, Berlin.

Befestigung ist mittels konischer stählerner Ringe ausgeführt, die innen auf die stählernen Klemmringe an den Enden des Kommutators aufgeschraubt sind. Zwei vorspringende Ambroinringe sind als zweite Isolierung an den äußeren Rändern der Kommutatorfläche vorgesehen. Die Bürsten sind in 16 Reihen zu je acht Bürsten angeordnet, deren Berührungsfläche je 19 X 32 mm beträgt. Fig. 414 gibt eine Ansicht der Maschine.

Beispiel VI. Ein kleiner Stromerzeuger, abgeänderte Maschine, von Kolben & Co.

Dieses letzte Beispiel soll den Entwurf einer kleinen Maschine behandeln und zeigen, wie die Hauptabmessungen in solchem Ealle bestimmt werden.

Es ist eine kleine Dynamomaschine von 3 Kilowatt zu entwerfen, die bei 1100 Umdrehungen in der Minute 120 Volt erzeugt und überkompoundiert ist, so daß sie bei voller Belastung 25 Ampere mit einer Klemmenspannung von 123 Volt liefert.

Bei kleinen Maschinen kann man die Stromdichte auf 1 cm

des Umfangs nicht so hoch nehmen, wie bei großen Maschinen. 60 bis 80 Ampere ist ein übliches Maß; wir wollen als mittleren Wert ql = 70 A/cm wählen. Das Verhältnis des Polbogens zum Polstand nehmen wir zu 0,7 an. Die Kraftliniendichte an der Polfläche kann zu 5000 Linien genommen werden. Aus der Formel III (S. 487) erhalten wir dann

</²Z =

6690.

10¹⁰- 3

5000 • 70 • 0,7-18,3

Nehmen wir an, daß die Polfläche quadratisch ist, so ist / = 0,7 •-djp, und für == 4, /= 0,55 c/, woraus d²l — 0,55 ds, d'⁶ = 12-160 oder d — 23 cm, Z = 12,7 cm.

Demnach wird der Ankerumfang 72 cm und der Polstand = 18 cm sein. Da der Polbogen 70 Prozent des Polstandes ist, so wird er = 12,6 cm sein. Die Poloberfläche wird etwa 160 cm² und die (vorläufig angenommene) Kraftlinienmenge demnach 160-5000 = 800 000 Linien sein.

Diese Maschine wird einige Merkmale aufweisen, die auch den modernen Wagenmotoren eigen sind; so werden, obwohl die Maschine vierpolig ist, nur zwei Bürstensätze vorhanden sein; die Ankerspulen werden Formspulen sein und in Schlitze des Ankers eingelegt werden; die Wickelung wird daher eine Reihenparallelschaltung mit nur zwei Wegen; ferner werden aus Gründen der Vereinfachung des Aufbaues nur zwei von den vier Polen bewickelt werden. Bei einem solchen Anker muß sowohl die Zahl der Zähne als die der Stromwenderstäbe eine ungerade sein (vergl. S. 422). Als Versuchswert für die Kraftlinienzahl bei voller Belastung hatten wir vorläufig Oa — 800000 ermittelt. Da die Klemmenspannung bei dieser Belastung 123 Volt sein soll und etwa 5 bis 6 Proz. als Spannungsverlust zu rechnen sind, so wollen wir der Rechnung 130 Volt zu Grunde legen.

N=

= 443.

Dann ist

E — — -n-N- ©a/10⁸ oder c

4 1100

130 • 10⁸ =

La

60

-jV-800 000, woraus

130-10⁸-2-60

4-1100-800000

Da nun die Leiter auf Formen zu Spulen gewickelt werden sollen, die je aus 2, 4 oder 6 Windungen bestehen, und die Zahl der Leiter in einer Nut gleich 4, 6, 8 oder 12, so müssen wir die Zahl der Nuten und der in einer Nut befindlichen Drähte so wählen, daß das Produkt, die Zahl iV, möglichst unter 443 bleibt. Bei vier Leitern in jeder Nut würde die Zahl der Nuten zu groß, bei zwölf Leitern in jeder Nut dagegen zu klein werden. Denn bei einem Umfang des Ankers von 72 cm würden 80 bis 90 Nuten zu viel, 30 dagegen zu wenig sein. Wir könnten 51 Nuten zu je acht Drähten (zusammen also 408 Leiter) oder 69 Nuten zu je sechs Drähten (zusammen 414 Leiter) nehmen. Um die Wahl zu treffen, ist zunächst die erforderliche Drahtstärke zu bestimmen und dann zu sehen, ob wir besser sechs oder acht Leiter in jeder Nut unterbringen. Da zwei Stromwege im Anker vorhanden sind, muß jeder 12,5 Ampere führen. Rechnen wir 0,3 mm² Drahtquerschnitt für 1 Ampere, so würden 3,75 mm² Querschnitt erforderlich sein, also der Durchmesser 2,2 mm sein müssen. Von diesem Draht, der umsponnen 2,5 mm dick ist, würden sechs übereinanderliegend bei einer Stärke der Nutauskleidung von 0,9 mm eine Nutenbreite von 4,3 mm und eine Nutentiefe von wenigstens 21 mm bedingen (wobei 5 mm für die Isolierung zwischen der oberen und der unteren Spule und für die obere Isolierung gerechnet sind). Versuchen wir acht Leiter in jeder Nut unterzubringen, zu zwei neben- und vier übereinander liegend, so muß die Breite einschließlich der Isolierung wenigstens 7 mm und die Tiefe wenigstens 16 mm sein. Unter der Annahme, daß die Breite der Nuten gleich 0,4 der Nutenteilung ist, wird diese bei der ersten Anordnung gleich 11 mm, bei der letzteren gleich 17,5 mm sein. Da der Umfang gleich 72 cm ist, so gestattet die erstere Anordnung 67 Nuten (also 6-67 = 402 Drähte), die letztere 41 Nuten (also-8-41 = 328 Drähte) anzuwenden. 328 Drähte ist zu wenig, 402 genügen. Statt der 67 Nuten können 69 genommen werden, ohne daß die Zahnbreite zu gering wird; hierbei erhalten wir 6-69 = 414 Drähte, was günstiger ist. Bei 69 Nuten wird die Zahnteilung 72/69 = 1,05 cm und das Verhältnis der Nutenweite zur Zahnteilung = 0,41, was nicht zu hoch ist. So wollen wir also 69 Nuten zu je 6 Leitern, also im ganzen 414 Leiter, wählen, und zwar in der in Fig. 415 dargestellten Anordnung. Daraus ergibt sich der Wert von Oa zu

= 860000 Linien

130 -108.60-2

4-1100-414

statt der erst angenommenen 800 000 Linien. Dadurch wird die Poloberflächendichte 5400 Linien statt 5000. Die Zahndichte wird 5400/0,41 = 13 200 Linien an der Zahnspitze oder mit Rücksicht auf die Isolierung zwischen den Blechen etwa = 14 800 und an den Zahnfüßen etwa = 19 600 Linien sein.

f?

Fig- 4*5-

Nut mit 2X3 Leitern.

Fig. 416. Maschine für 3 Kilowatt nach Kolben. Maßstab 1:8.

Ein passendes Maß für die Höhe des Luftzwischenraumes (vergl. die auf S. 494/5 angegebenen Regeln) wird etwa 3 mm sein; dann wird die Bohrung des Feldes einen Durchmesser von 23,6 mm haben.

Bei Feldmagneten dieser Art ist die Streuung natürlich größer, als wenn alle Pole bewickelt sind. Der Streuungskoeffizient wird gleich 1,3 zu wählen sein, woraus sich die Kraftlinienmenge in den Polkernen zu 1120 000 Linien ergibt. Die übliche Berechnung des magnetischen Kreises (vergl. S. 142) ergibt hier 4220 Amperewindungen als notwendig für jedes Polpaar bei voller Belastung und etwa 3520 bei Leerlauf. Demnach besteht die Nebenschlußwickelung bei einer Nebenschlußstromstärke von 1,6 Ampere (d. i. 6,4 Proz. des Vollaststromes) aus 2200 oder mit einem kleinen Aufschlag zur Regelung aus 2300 Windungen. Die Hauptstromwickelung erfordert 700/25 = 28 Windungen auf jedem Pol. Die 69 Ankerspulen zu je drei Drahtwindungen werden in Reihe geschaltet, wie in Fig. 251 (S. 367), und umgreifen 17 Zähne.

Von jedem Bürstensatz sind 25 Ampere aufzunehmen. Lassen wir 5 Ampere auf 1 cm² Bürstenfläche zu, so genügt ein Querschnitt von 5 cm². Zwei Bürsten nebeneinander von je 1,4-1,8 cm werden also genügen. Der Stromwender erhält zweckmäßig einen Durchmesser von 10 cm und eine Breite von 4,7 cm. Die 69 Stäbe erhalten dann an der Oberfläche eine Stärke von 4 mm bei einer Stärke der Glimmerisolierung von 0,6 mm. Die ganze Länge des Drahtes auf dem Anker beträgt etwa 155 m und der Widerstand (warm) etwa 0,18 Ohm oder mit einem Zuschlag von 2 X 0,035 Ohm für den Bürstenwiderstand im ganzen 0,25 Ohm. Es entfallen auf 1 cm des Umfangs 5,7 Drähte von je 12,5 Ampere, demnach ist die Stromdichte am Umfang etwa 72 Ampere auf 1 cm.

Die Nebenschlußwickelung besteht zweckmäßig aus 2300 Windungen eines Drahtes von 1 mm² Durchmesser nackt und von 1,3 mm isoliert auf jeder der beiden Spulen. Da die mittlere Länge einer Windung etwa 48 cm beträgt, so ist die ganze Länge des Drahtes auf beiden Spulen etwa 2200 m und sein Widerstand (warm) etwa 50 Ohm. Bei der Spannung von 123 Volt muß der Regelungswiderstand etwa 22 Ohm betragen. Die Reihenwickelung führt 25 Ampere, der Querschnitt muß also etwa 15 mm² sein. Hierfür paßt ein Draht mit einem Durchmesser von 4,5 mm nackt und 4,8 mm umsponnen. Die 28 Windungen jeder Spule haben zusammen eine Länge von 38 m und einen Widerstand (warm) von etwa 0,05 Ohm.

Die Verluste werden annähernd betragen:

Watt

Prozent der Verluste

Prozent der Leistung;

Kupferverluste........

Eisenverluste.........

Erregungsverluste......

Regelungsverluste......

Stromwenderverluste.....

Reibung und Luftwiderstand .    .

CO UO^O 000

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Bei der vollen Leistung von 3 Kilowatt wird also der Wirkungsgrad 3000

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100

= 0,845 oder 84,5 Proz. sein.

Kapitel XX.

Beispiele neuerer Dynamomaschinen (für Beleuchtung und Zugförderung).

Gleichstrommaschinen werden je nach ihrem Zwecke in verschiedenen Formen und Größen hergestellt; sie weichen nicht nur in der Stromstärke, sondern auch in der Spannung, mit welcher sie arbeiten sollen, voneinander ab. Gebräuchliche Spannungen sind folgende :

Für Glühlampen und allgemeine Verteilung bei konstanter Spannung gewöhnlich 100 bis 125 Volt oder 200 bis 225 Volt. Gelegentlich bei Einzelanlagen 50 oder 60 Volt.

Für dieselben Zwecke bei Ureileiteranlagen 200 bis 250 Volt oder bei Verwendung von 200 voltigen Lampen 400 bis 500 Volt. Desgleichen bei Fünfleiteranlagen 400 bis 500 Volt.

Bei Generatoren für Straßenbahnbetrieb 400 oder 500 oder

550 Volt, meist mit Nebenschlußwickelung oder überkompoundiert

Bei Bogenlichtbeleuchtung in Reihenschaltung werden gewöhnlich Maschinen mit Reihenwickelung für 10 Ampere und bis zu 5000 Volt angewendet.

Zum Laden von Akkumulatoren gebraucht man Nebenschlußmaschinen mit nicht zu stark magnetisierten Feldmagneten.

Für galvanoplastische und elektrochemische Prozesse werden meist Nebenschlußmaschinen mit niedriger Spannung, aber großer Stromstärke benutzt; bisweilen auch besonders erregte Maschinen zu 100 oder 200 Volt.

Für Kraftübertragung auf weite Entfernungen gewöhnlich Reihenmaschinen zu 1000 oder 2000 Volt oder mehr; der Regel nach sind für diese Zwecke Wechselstrommaschinen vorzuziehen.

Die Rücksicht auf den verfügbaren Raum verbietet es natürlich, hier alle neueren marktgängigen Maschinen zu beschreiben oder auch nur zu erwähnen; viele ausgezeichneten Muster hervor-

37

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

ragender Firmen konnten nicht mitgeteilt werden. Es sind nur solche Maschinen erwähnt, von denen der Verfasser genauere Angaben oder Zeichnungen zu bringen in der Lage war, dank dem Entgegenkommen der betreffenden Fabriken oder Ingenieure. Manche in den früheren Angaben enthaltene Muster sind nunmehr als veraltet weggelassen. In der von Boistel hergestellten französischen Ausgabe haben noch eine Anzahl in Frankreich bevorzugter Maschinen Aufnahme gefunden.

Zweipoliger Stromerzeuger von Kapp (Tafel II u. IIIr Fig. 406a). Diese von Kapp entworfene und von Johnson und Phillipps 1887 gebaute Maschine gehört zu den Formen, bei denen Anker und Welle nach der Spitze des Feldmagnetes zu belegen sind; der Anker ist ein glatter Trommelanker. Die Maschine leistet 21 Kilowatt und gibt 200 Ampere bei 105 Volt Spannung und 780 Umdrehungen. Sie ist im Kapitel XIX, S. 553 bis 562, durchgerechnet.

Eine Eigentümlichkeit der Maschine besteht in der Art, wie die Leiter umgetrieben werden. Wie der Schnitt auf Tafel II zeigt, befinden sich zwischen den Kernscheiben in Zwischenräumen einige stärkere Scheiben mit Öffnungen zum Lüften und mit vorstehenden Stahlstücken. Um diese Stahlstücke sind Stücke von harter weißer Fiber angebracht; da diese in abwechselnder Lage vortreten, so können die Kupferleiter nicht geradegestreckt gelegt werden, sondern erhalten eine sinusartige Form. Aus der Tafel II ersieht man auch, wie die Kernscheiben mittels Platten, die Öffnungen zum Lüften besitzen, zusammengehalten werden.

Die Figuren zeigen auch die Einzelheiten der Bürstenhalter und -Steller, die Bauart des Feldmagnets, der Lager und Schmiervorrichtungen.

In Bezug auf andere von Kapp entworfene Stromerzeuger wird auf sein ausgezeichnetes Werk »Elektromechanische Konstruktionen« (2. Aufl. Berlin 1902) verwiesen.

Dynamomaschinen der Maschinenfabrik Oerlikon. Seit vielen Jahren hat die Maschinenfabrik Oerlikon bei Zürich ausgezeichnete Maschinen gebaut. Bis 1892 war Brown Konstrukteur der Firma, später haben nacheinander Kolben und Dr. Behn-Eschenburg die Entwürfe hergestellt. Von dieser Firma rührt ein Entwurf eines vielpoligen Stromerzeugers her, nach dem seit 1890 in den Vereinigten Staaten von Amerika, wie auch in England viele Maschinen gebaut worden sind.

Die Fig. 418 zeigt eine MP 4 — 80 — 600 Maschine. Der Anker ist 52 cm lang, 36 cm breit und hat 152 Nuten zu 1,4 X 2,2 mm2 mit je 2 Leitern. Der Stromwender besitzt 152 Stäbe. Die Magnete sind mit Spulen zu 820 Windungen aus 2,6 mm starkem Draht (isoliert 3 mm) bewickelt; die 4 Spulen sind hintereinander geschaltet.

Von dieser Art arbeitet eine Maschine von 450 Volt in der Zentrale der Central-Londoner Eisenbahn, eine andere von 550 Volt in Zürich. Beide Maschinen sind völlig gleich nur weicht die Zahl

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Fig. 417. Vierpolige Maschine der Maschinenfabrik Oerlikon für 60 KW (1895).

der Nuten und der Leiter entsprechend der verschiedenen Spannung voneinander ab.

Das Stahlgußjoch hat außen einen Durchmesser von 190,5 cm, seine Länge parallel zur Welle beträgt 44 cm. Die vier Feldspulen haben bei der Züricher Maschine je 3200 Windungen, bei der Londoner 2600; der Drahtdurchmesser ist bei der ersteren 2 mm, bei der letzteren 2,2 mm. Erstere ist kompoundiert, indem auf jedem Pol 3V₂ Windungen eines Kupferbandes aufgebracht sind, dessen Abmessungen 0,35X17,15 cm isoliert betragen. Die Polteilung ist 80 cm; die Polstücke haben rechteckigen Querschnitt, die Länge parallel zur Welle ist 49 cm, der Polbogen 60 cm. Der Luft-

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Zwischenraum ist bei beiden Maschinen 1,25 cm. Der Durchmesser des Ankers ist 100 cm, seine Länge, über der Wickelung gemessen, 68 cm, und zwischen den Endplatten des Kernes 50 cm; es ist nur ein einziger Lüftungskanal von 2,5 cm Weite im Anker vorhanden.

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Fig. 418. Vierpolige Maschine der Maschinenfabrik Oerlikon für 80KW (1905).

Die Züricher Maschine hat 240 Nuten und 480 Leiter von je 0,29 X 2,35 cm, die Nuten sind 0,65 cm breit und 2,6 cm tief; bei der Londoner Maschine sind 208 Nuten und 416 Leiter von 0,35X2,64 cm vorhanden, die Nuten sind 0,85 cm breit und 3 cm tief.

Die Wickelung der Züricher Maschine ist zweigängig ^Symbol (q))

mit vier Bürstensätzen und vier parallelen Stromwegen durch den Anker. Die Maschine in London hat eine eingängige Schleifenwickelung mit vier parallelen Stromkreisen. Der Stromwender hat 58 cm Durchmesser, 240 Stäbe bei der Züricher, 208 bei der Londoner Maschine; die Länge jedes Stabes beträgt etwa 23 cm.

Auf Tafel XIX ist ein Stromerzeuger für Bahnbetrieb MP 12 — 500 — 100 — 550 Volt — 900 Ampere derselben Pirma dargestellt. Eine Ansicht der Maschine gibt die Fig. 419.

Zwei solcher Maschinen sind für die Baseler Straßenbahn geliefert; sie sollten nachstehende etwas ungewöhnliche Anforderungen in Bezug auf ihre elektrische Leistung erfüllen:

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Fig. 419. Zwölfpoliger Stromerzeuger für Straßenbahnbetrieb ; MP 12 —500—100 — 550 — 900; erbaut von der Maschinenfabrik Oerlikon für die Straßenbahn in Basel.

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Verbrauch in Pferd .

(also bei der Höchstleistung nur 4 Prozent Abfall der Umdrehungszahl).

Die Maschinen sollen bei einem Dauerbetrieb von 18 Stunden eine Leistung von 347 Kilowatt geben und dabei an keiner Stelle eine Temperatursteigerung über 35 Grad aufweisen. Sie sollen eine Überlastung bis zu 520 Kilowatt 2 Stunden lang und vorübergehend eine solche bis zu 675 Kilowatt aushalten können. Sie sollen ferner

206

550

100

347

550

100

510

550

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eine gelegentliche Verdoppelung der Geschwindigkeit zulassen und eine Prüfspannung zwischen Wickelung und Rahmen von 2000 Volt aushalten können. Bei gleichbleibender Geschwindigkeit und gleicher Stellung der Kurbel am Erregungswiderstand soll die Spannung von 550 auf 588 Volt steigen oder auf 512 Volt fallen können, wenn die Leistung der Maschine von 250 Pferd auf Null herabgesetzt oder auf 500 Pferd gesteigert wird. Bei einer Änderung der Geschwindigkeit der Antriebsmaschine um 3 Prozent soll die Änderung der Spannung 12 Prozent nicht überschreiten. Die Maschinen haben reine Nebenschlußschaltung.

Diese Maschine, die das normale »G 120«-Muster darstellt, hat folgende Hauptabmessungen: Der Durchmesser des Ankers ist 250 cm, die Länge zwischen den Endplatten 36,2 cm. Es ist nur ein einziger Lüftungskanal von etwa 2 cm Weite vorhanden. Die Zahl der Leiter von 1,2 zu 0,35 cm² Querschnitt beträgt 1326; sie liegen zu zweien in 663 Nuten, die 0,6 cm breit und 3 cm tief sind. Der Luftzwischenraum ist gleich 1 cm. Die Segmente der Kernscheiben sind auf einem gußeisernen Armkreuz befestigt. Die Schaltung der Wellenwickelung ist eine Reihenparallelschaltung mit einem Wickelungsschritt yl — y₂ = 111. Hierdurch wird die Zahl der Leiter auf die Hälfte derjenigen herabgemindert, die bei reiner Parallelschaltung (12 Pole, 12 Stromkreise) nütig gewesen wäre. Der Stromwender ist aus 663 Stäben aus hartgezogenem Kupfer hergestellt, die auf einem Gußeisenring aufgebaut sind; die radialen Streifen, die die Stäbe mit der Wickelung verbinden, sind aus Eisen. Der Stromabgeber hat einen Durchmesser von 180 cm und eine wirksame Länge von 15 cm. Es sind zwölf Reihen von je sechs Kohlebürsten vorhanden, die auf einem Bronzehalter befestigt sind. Der innen ausgedrehte Stahlgußring ist zweiteilig. Die zwölf Polkerne aus Stahlguß haben einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 35,1 cm, ihre Grundflächen sind der inneren Ringfläche entsprechend abgedreht und mit zwei Schrauben befestigt. Die Nebenschlußwickelung auf den Spulen besteht aus 950 Windungen eines Drahtes von 3,56 mm Dicke. Der Stahlring ist durch eine T-förmige Rippe verstärkt. Die Polkerne sind bei dieser Maschine, wie man sieht, auffallend kurz. Das ganze Magnetgestell steht mit zwei seitlichen Füßen auf zwei gußeisernen Grundplatten, die auf dem Betonfundament befestigt sind. Das Stirnlager der Maschine ist auf einer besonderen Fußplatte festgeschraubt; es ist mit Ölringen zur selbsttätigen Schmierung versehen. Das Gewicht des Magnet-

gestelles einschließlich der Polkerne beträgt etwa Tonnen, die Kupferwickelung in den zwölf Magnetspulen wiegt ungefähr 10/2 Tonnen. Das Gewicht des Ankers ist etw^a 11 Tonnen; davon

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entfallen etwa 4,7 Tonnen auf die Kernscheiben, 600 kg auf die Kupferleiter und 400 kg auf die Stromwenderstäbe.

An den fertigen Maschinen vorgenommene Versuche ergaben folgende Resultate. Der Widerstand der Nebenschlußwückelung war 38 Ohm, der des Ankers, von Bürste zu Bürste gemessen, 0,02 Ohm. Der Wirkungsgrad war bei allen Belastungen zwischen 350 und 500 Kilowatt etwa 94 Prozent. Die Temperaturzunahme betrug nach zwölfstündigem Betriebe bei voller Belastung etwa 25 Grad C. Bei von

allen Belastungen, selbst bei plötzlicher Änderung der Stromstärke 300 auf 1000 Ampere und ohne Änderung der Stellung der

Bürsten zeigten sich keine Funken am Stromabgeber. In Fig. 420 sind die Ergebnisse der Versuche graphisch dargestellt; die Figur zeigt auch die Leerlaufcharakteristik der Maschine.

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Fig. 421a. Maschine für Straßenbahnbetrieb; erbaut von der Maschinenfabrik Oerlikon für das Elektrizitätswerk der Stadt Bern.

Die Figuren 421a und 421b stellen eine der neuesten für das Elektrizitätswerk der Stadt Bern gelieferten Maschinen dar, die für Straßenbahnbetrieb bestimmt ist und die bei 395 Umdrehungen in der Minute Strom von 245 bis 270 Ampere bei 550 Volt erzeugt. Der Eisendurchmesser des Ankers beträgt 86,5 cm, die Eisenlänge 38 cm, die Zahl der Nuten 167 von 0,9 cm Breite und 3 cm Tiefe. Jede Nut enthält vier Leiter von 0,2 X 1,1 und 0,3 X 1,2 cm. Die Bohrung des Magnetgestelles hat einen Durchmesser von 87,9 cm. Die sechs hintereinander geschalteten Spulen bestehen aus je 3654 Nebenschlußwindungen von 1,4/1,8 mm Draht und 7,5 Reihen-Avickelungen aus Kupferband von 0,25 X 10 cm Querschnitt. Die

Stromabgeber bestehen aus hartgezogenen Kupferlamellen mit Glimmerisolation, welche in einer gußeisernen Büchse solide befestigt sind. Als Stromabnehmer werden Kohlenbürsten verwendet. Für die Maschine war folgende Garantie gegeben worden: Die Maschine soll dauernd 200 P und während einiger Stunden 220 P an ihrer Welle

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Fig. 421b. Maschine für Straßenbahnbetrieb; erbaut von der Maschinenfabrik Oerlikon für das Elektrizitätswerk der Stadt Bern.

auf nehmen und mit nicht unter 92 Prozent Wirkungsgrad in elektrische Energie von 550 Volt umwandeln können. Die Spannung soll von Leerlauf bis Vollbelastung bei gleichbleibender Umdrehungszahl innerhalb 2 Prozent konstant sein. Der Spannungsabfall soll bei der von Leerlauf bis Vollbelastung effektiv vorkommenden Verminderung der Umdrehungszahl des antreibenden Motors höchstens 6 Prozent von Leerlauf bis Vollauf betragen, ohne jegliche Änderung

am Spannungsregler. Bei Benutzung als reine Nebenschlußmaschine wird, die Maschine ebenfalls die vorher erwähnten Leistungen abgeben mit 92 Prozent Wirkungsgrad bei Vollast und einem Spannungsabfall von 8 Prozent bei gleichbleibender Umdrehungszahl, und von 12 Prozent bei dem vorhin erwähnten effektiven Abfall der Umdrehungszahl des antreibenden Motors, alles von Leerlauf bis Vollbetrieb ohne jegliche Änderung am Spannungsregler. Die Stromabgeber werden bei Einstellung auf mittlere Belastung bei den im Straßenbahnbetriebe vorkommenden Belastungsschwankungen absolut funkenlos laufen, wobei Bürsten und Stromabgeber auch bei Maximalbelastung nur mäßige Erwärmung und geringste Abnutzung zeigen.

Brown, Boveri & Co. in Baden (Schweiz) haben viele Arten von Gleichstrommaschinen gebaut. Die meisten sind mit der Mantelwickelung mit zwei überein andergelegten zylindrischen Lagen, die Brown im November 1892 geschützt wurde, versehen. Fig. 422, eine normale Maschine mit Biemenantrieb, Stahlgußring und stählernen Polkernen, zeigt die übliche Ausführungsform. Alle größeren Ausführungen sind mit angeschraubten geblätterten Polschuhen versehen. Sind die Maschinen mit Kompoundwickelung versehen, so sind die Nebenschluß- und die Reihenspulen getrennt für sich auf Formen hergestellt, die Reihenspulen liegen dem Anker am nächsten. Das Armkreuz ist aus Gußeisen, die Bindedrähte aus Bronze. Die Polkerne sind je durch eine kräftige zentrale Schraube an dem Gestell befestigt.

Die Fig. 423 stellt eine interessante Maschine dar, die in einer Hinsicht von der normalen Bauart abweicht. Es ist eine Doppelstrommaschine, die außer dem üblichen Stromabgeber für Gleichstrom noch mit drei Schleifringen versehen ist, von denen gleichzeitig Drehstrom abgenommen werden kann. Der Stellring für die Bürstenhalter ist seitlich am Magnetring befestigt, während die Bürsten für die Schleifringe von der Fußplatte des Lagers getragen werden. Die Hauptmaße dieser Maschine, die für die Beleuchtungsanlage in Alloa (Schottland) gebaut worden ist, sind folgende: MP (Gleichstrom und Drehstrom) — 8 — 194 — 350 — 490 Volt (oder 300 A Volt) — 396 Ampere. Der Ankerkern hat einen Durchmesser von 107 cm, eine Länge von 31,5 cm, und 128 Nuten von 4,8 cm Tiefe bei 1,25 cm Breite. In jeder Nut liegen zwölf Leiter, zu vieren übereinander, von 8,25 X 3,3 mm² Querschnitt. Die äußere Länge der Ankerwickelung ist etwa 63,5 cm; der Luftzwischenraum 0,9 cm. Die radiale Länge der Magnetkerne beträgt 20 cm, ihr Durchmesser 26 cm. Der äußere Durchmesser des Ringes ist 182 cm, der des Stromabgebers 82,3 cm. Die 384 Stromabgeberlamellen haben eine Länge von 17,5 cm. Die Feldmagnete haben eine Nebenschlußwickelung von 1820 Windungen auf jeder Spule, die Drahtstärke

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Der Raumfaktor in den Nuten ist 0,315, in den

beträgt 2,1 mm.

Magnetspulen 0,568. Die Stromdichte ist im Anker 3 A/mm², in den Feldspulen 1,5 A/mm², an den Bürstenkontakten 6,2 Ampere auf 1 cm². Die Kraftliniendichte ist im Luftzwischenraum 6500. in den Zähnen 18000 Linien bei Leerlauf. Die Erregung bei Leerlauf ist 6600 Amperewindungen für jeden Pol, wovon der Luftzwischenraum und die

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Fig. 423. Doppelstrommaschine von

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Zähne etwa 5360 erfordern. Die Zahl der quermagnetisierenden Amperewindungen ist etwa 6600, die der entmagnetisierenden 3000, die Zahl der Ampereleiter 205 auf 1 cm des Umfangs.

Auf der Tafel IX ist ein vierpoliger Trommelanker mit Mantel Wickelung dargestellt, die Figuren lassen die wesentlichen Konstruktionselemente dieser Form erkennen; vergl. S. 408 und Fig. 316.

Fig. 424 zeigt eine für vertikalen Turbinenantrieb geeignete Maschinenform. Die dargestellte Maschine ist eine Erregermaschine aus der Turbinenanlage der Stadt Aarau. Die Maschine leistet

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Fig. 424. Stromerzeuger von Brown, Boveri & Co., mit senkrechter Achse für Turbinenantrieb.

16 Kilowatt bei 300 Umdrehungen in der Minute und gibt 200 Ampere von 80 Volt Spannung; sie dient zur Erregung einer der großen schirmförmigen Wechselstrommaschinen der Kraftstation. Ihre Höhe über der Grundplatte ist etwa 115 cm.

Neuerdings hat die Firma besondere Maschinen für direkten Antrieb durch Dampfturbinen entworfen. Die ungewöhnlich hohen Umdrehungszahlen der Dampfturbinen haben besondere Änderungen der normalen Bauart zur Folge gehabt. Die Anker haben verhältnismäßig kleinen Durchmesser, aber entsprechend größere Länge, und die Feldmagnete sind in besonderer Weise kompoundiert. Eine 100 Kilowatt-Maschine dieser Art wird im Kapitel XXIII beschrieben und in Fig. 483 dargestellt.

Die Firma Scott und Mountain stellt eine Musterreihe von Stromerzeugern her, von einer zwölfpoligen Form von 280 Kilowatt und 90 Umdrehungen herab zu einer vierpoligen Form von 42 Kilowatt und 680 Umdrehungen. Die größeren Maschinen sind natürlich zum unmittelbaren Antrieb bestimmt, die kleineren für Seil- oder Riemenantrieb. Diese Maschinen sind durchweg durch kräftige mechanische Bauart ausgezeichnet, besonders durch die vergleichsweise besonders starke Ausbildung der Lager. Bei den größeren Maschinen wird der Stromwender mittels Leisten vom Ankerstern getragen und bei den kleineren von einer Ausladung der Ankernabe ; das Ganze wird von einem auf die Welle geschraubten und durch eine Stellschraube gesicherten Ring gehalten. Durchweg sind die Anker genutet und die Wickelung als Mantelwickelung ausgeführt. Die Polkerne bestehen aus Stahlguß, die Magnetringe entweder ebenfalls aus Stahlguß oder aus Gußeisen, letzteres bei den größeren Abmessungen. Die Ankerleiter sind nicht aus einem Stück um den Anker herumgebogen, sondern einzeln mit Kupferklemmen verlötet; von dieser Bauart verspricht inan sich besondere Vorteile in Bezug auf leichte Ausbesserung. Bei der auf Tafel V dargestellten Maschine sind vier Leiter in jeder Fut untergebracht, jeder ist für sich isoliert, sodann sind sie zu je zweien mit Manilapapier umwickelt und in die mit gefirnißter Preß-pappe ausgekleidete Nute eingelegt. In der gezeichneten Maschine ist die Isolation zwischen Leiter und Kern 1,9 mm stark. Die Verbinder sind unmittelbar an die Stäbe des Stromwenders geführt und dort verlötet, wodurch eine sowohl in mechanischer wie in elektrischer Hinsicht vorzügliche Verbindung geschaffen ist. Die Bindedrähte sind vom Anker durch eine Lage gefirnißter Preßpappe isoliert. Die Bauart der Stromwender bietet nichts Eigenartiges. Bei den größeren Maschinen werden Ausgleichsringe verwendet, die auf der Rückseite der Stromwender angebracht sind und von einem Gußstahlring festgehalten werden.

Bei der in Fig. 425 dargestellten Maschine sind sechs Ausgleichsringe vorhanden, die hinter den Verbindern auf dem Stromwender befestigt und, wie aus der Zeichnung zu ersehen, isoliert sind. Die Ringe sind je 2,54 cm tief und 0,3 cm dick, die Isolierung ist zwischen den Ringen 0,2 cm und an den Enden 0,3 cm stark.

Diese Firma bevorzugt sehr hohe Kraftliniendichten, die bei den Zahnwurzeln 21700 und mehr auf 1 cm² und über 15 500 in den Magnetkernen betragen; auch im Luftzwischenraum ist die Dichte entsprechend hoch. Die Bauart der Feldmagnetspulen ist besonders-

bemerkenswert. Sie bestehen aus dünnem Blech, haben aber starke hölzerne Endflantschen, die-ihnen zwar ein gutes äußeres Ansehen verschaffen, aber doch anscheinend einen wertvollen Raum Aveg-nehmen.

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Fig. 425. Stromerzeuger MP 12 — 280 — 90 von Scott & Mountain, mit Ausgleichsringen,

Eig. 426 zeigt eine Detailzeichnung des auf Tafel V dargestellten Generators. Um die aus Eisenblech bestehenden Kernzylinder sind zwei Lagen gefirnißter Leinwand gewickelt und außerdem noch eine 1,5 mm starke Preßspanlage aufgebracht. Kach der Angabe der Firma ermöglicht die Verwendung der Blechkerne, die die Wärme der Wickelung sofort an das Maschinengestell über-

Die Fig. 427 zeigt das Wickelungsschema der beschriebenen sechspoligen Maschine, deren Entwurf im Kapitel XIX, S. 521, durchgerechnet wird. Der Leiter hat rechteckigen Querschnitt und ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich, hochkantig gewickelt. Diese Spulen werden zunächst ohne Isolation aufgewickelt, dann auseinandergebogen und umwickelt. Die Verbindung von einer Reihenspule zur nächsten erfolgt durch biegsame, angeschraubte Kuppelstücke. Es

tragen, eben die sehr hohen Stromdichten in den Feldspulen. Sie gestatten, damit über 1,55 Ampere auf 1 mm² hinauszugehen. Da hierdurch der erforderliche Wickelungsraum kleiner wird, wird auch die Gesamtausdehnung der Maschine und demgemäß der Preis geringer.

Fig. 426. Feldmagnetspule eines Stromerzeugers von Scott & Mountain.

werden ausschließlich Kohlenbürsten verwendet, die Stromdichte ist •etwa 4,7 Ampere auf 1 cm² bei den größeren und 3,2 bei den kleineren Maschinen. Die von der Firma für diese Maschinen gegebene Garantie ist auszugsweise nachstehend wiedergegeben:

Belastungsschwankungen innerhalb der Grenzen Leerlauf und 25 Prozent Überlastung dürfen kein Funken hervorrufen, ebensowenig darf ein Verbrennen der Bürsten oder ein Schwärzen des Stromabgebers stattfinden. Die Maschine soll vorübergehend eine Überlastung von 50 Prozent ohne Bürstenverstellung und Funken aushalten und der Anker einer Wechselstromspannung von 2000 Volt widerstehen können.

Fig. 428 stellt eine zehnpolige Maschine mit Riemenantrieb der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft dar, der für 257 Ampere und 550 Volt entworfen ist. Diese Maschinen haben Stahlgußjoche und Polkerne, sie sind leichter als Maschinen gleicher Leistung und Geschwindigkeit mit einer kleineren Polzahl. Der in der Fig. 336,

S. 418, besonders dargestellte Anker hat einen im Verhältnis zur Länge besonders großen Durchmesser, wodurch eine größere Umfangsgeschwindigkeit erreicht ist.

Die in Fig. 429 dargestellte Dynamomaschine der Allgemeinen Elektrizitäts-Gesellschaft hat 18 Pole, leistet 660 Kilowatt bei 240 Volt

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Fig. 427. Ankerwickelung des sechspoligen Stromerzeugers von Scott & Mountain.

Spannung und 105 Umdrehungen in der Minute; die Stromstärke ist demnach 2750 Ampere.

Die Nebenschluß Wickelung hat 1152 Windungen auf jedem Pol in 16 Lagen zu 72 Windungen; der Durchmesser des Drahtes ist nackt 4,5 mm, mit doppelter Baumwollumspinnung 5,1 mm, die Länge des Drahtes einer Spule ist etwa 1452 m, der Widerstand 1,6 Ohm. Das Gesamtgewicht des Drahtes aller 18 Spulen ist etwa 3780 kg. Die Spulen sind in zwei Kreise zu je neun parallel geschaltet. Der Anker hat 720 Nuten mit je zwei Leitern, deren Querschnitt nackt

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

4,2 X 7,2 mm² ist. Die Länge des einzelnen Leiters mit seinen Endverbindungen beträgt 1,19 m. die Gesamtlänge der ganzen Wickelung ist etwa 1700 m und ihr Widerstand bei 15 Grad C. annähernd 0,0081 Ohm.

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rig. 428. Zehnpolige Gleichstrommaschine der Allgemeinen Elektrizitäts-Gesellschaft,

Berlin (Modell b G. 1250;.

Die 1440 Leiter sind als Wellenwickelung geschaltet; der Wickelungsschritt ist 79 Leiter, so daß die Wickelung 18 mal um den Anker herumgeht und 18 parallele Stromkreise entstehen.

Tafel XY zeigt eine der für das Elektrizitätswerk Dortmund gelieferten Doppelschwungrad-Maschinen der Felten & Guilleaume Lahmeyerwerke Akt.-Ges. Die Leistung jedes Ankers beträgt 185 Kilowatt, die der Doppeldynamo also 870 Kilowatt, bei 260 bis 870 Yolt und 90 Touren in der Minute. Die Maschinen sind mit

liegenden Zwillings-Dampfmaschinen gekuppelt und dienen bei Parallelschaltung der Anker zum Lichtbetrieb, während zur Speisung

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Fig. 429. 18poliger Stromerzeuger der Allgemeinen Elektrizitäts-Gesellschaft, Berlin ; M P 18 — 660 — 105 — 240 — 2750.

des Straßenbahnnetzes die Anker in Hintereinanderschaltung arbeiten. Der mittlere Rahmen trägt beiderseits aufgeschraubt je einen Anker mit Kollektor. Das Gußeisenjoch ist glockenförmig ausgebildet und trägt 30 Pole aus Gußstahl. Die Stabwickelung des Ankers ist nach dem Trommelsystem und unter Benutzung der Arnoldschen Reihenparallelschaltung ausgeführt. Die Hauptdaten sind: Ankerdurchmesser 5 m, Gewicht des Ankers G — 47 Tonnen, Schwerkreisdurchmesser D== 4,5 m, Ungleichförmigkeitsgrad ¹IWq, GD‘i= 760 000.

Die Firma Kolben & Co. in Prag hat sich durch vorzügliche Maschinen seit Jahren einen wohlbegründeten Ruf erworben. Die Fig. 430 zeigt eine kleine vierpolige Maschine dieser Firma von 3 Kilowatt Leistung. Von den vier Polen sind nur zwei bewickelt,.

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Fig. 43°. Stromerzeuger für 3 Kilowatt von Kolben & Co.

die beiden anderen sind Folgepole seitlich am Rahmen. Bei 1100 Umdrehungen in der Minute leistet sie 25 Ampere mit einer Klemmenspannung von 123 Volt. Das Magnetgestell und die Kerne bestehen aus Stahlguß, die Stützlager aus Gußeisen. Der äußere Durchmesser der Kernscheiben ist 23,14 cm, der innere 10,16 cm. Die Länge zwischen den Endplatten etwa 11,4 cm. Der Anker hat 69 Nuten von 4,24 mm Breite und 20 mm Tiefe, in jedem liegen sechs Leiter, insgesamt also 414 Leiter, die einen Durchmesser von 2,2 mm (nackt), bezw. 2,8 mm (umsponnen) haben. Der Luftzwischenraum ist 3 mm. Der aus 69 Stäben bestehende Stromwender hat einen Durchmesser von 10 cm und eine Länge von 5 cm; die Glimmerisolation ist 0,6 mm stark. Es sind zwei Satz Kohlenbürsten mit je zwei Bürsten vorgesehen, deren Größe so bestimmt ist, daß auf 1 cm² Berührungsfläche etwa 5 Ampere entfallen. Jeder Polkern trägt eine Nebenschlußspule, die aus 2300 Windungen eines Drahtes von 1 mm Stärke besteht, der umsponnen einen Durchmesser von

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Fig. 43t. Zehnpoliger Stromerzeuger für Zugförderung von Kolben & C o.

1,4 mm besitzt, und einer Reihenwickelung von 28 Windungen aus Draht von 4,4 mm Durchmesser nackt und 4,9 mm isoliert. Der Wirkungsgrad ist bei voller Belastung 85 Prozent.

70

Auf der Tafel VI ist ein Gleichstromerzeuger MP 4

— 750

Umformersatzes bildet und mit einem synchromen Einphasenmotor direkt gekuppelt ist und 270 Ampere bei 260 Volt leistet. Das Joch und die Polkerne bilden ein einziges Stahlgußstück, aus dem gleichen

260 — 270 dieser Firma dargestellt, der einen Teil eines

Material bestehen auch die an die Polkerne angeschraubten Polschuhe. Die Feldspulen haben 2400 Windungen aus 1,8 mm starkem Draht, die natürlich alle hintereinandergeschaltet sind; der Wickelungsraum ist 17,8 cm lang und 6,5 cm tief. Der Durchmesser des Ankers beträgt 59,4 cm, seine Länge 35,3 cm zwischen den Endplatten; Lüftungskanäle sind nicht vorgesehen. Die Wickelung ist als Mantel-Wellenwickelung ausgeführt, und zwar in zwei Stromkreisen von je 226 Leitern, die zu je zwei in einer Nut liegen, deren Anzahl demnach 113 beträgt. Die Leiter haben rechteckigen Querschnitt von 55 mm² Fläche, die Nuten 8 mm Breite bei 27 mm Tiefe. Der mechanische Aufbau zeigt überall äußerste Einfachheit, die Bauart des Ankersternes ist besonders gut durchgebildet. Der Stromwender hat 113 Stäbe, sein Durchmesser beträgt 35 cm.

Die Tafeln XVI, XVII, XVIII und Fig. 431 stellen einen Stromerzeuger für Bahnbetrieb, Modell MP 10 — 250 — 125 — 550 Volt — 454 Ampere derselben Firma dar. Die zehn Polkerne sind aus einem Stück mit dem Ring aus Stahlguß hergestellt; die Gußstahl-Polstücke sind auch bei diesem Modell angeschraubt. Tafel XVIII zeigt die Anordnung der Feldspulen und Polstlicke im einzelnen. Letztere sind schief geformt, um zu ermöglichen, daß die Ankerleiter bei der Umdrehung erst allmählich ins Feld cintreten. Die Maschine ist kompoun-diert, jeder Pol hat 5x/₂ Windungen eines Kupferbandes von 13,5 cm Breite und 1,5 mm Dicke außen um die Nebenschlußwickelung gewunden. Der äußere Durchmesser des Joches ist 267 cm, die größte radiale Stärke 15 cm; der Durchmesser der Polkerne ist 35,5 cm. Da die Feldbohrung 170,8 cm und der Durchmesser des Ankers 167,9 cm ist, so ist der Luftzwischenraum 1,45 cm lang. Die Wickelung ist eine Wellenwickelung in Reihenparallelschaltung mit vier parallelen Stromkreisen und zehn Bürstensätzen. Der Anker hat 437 Nuten von

6,5 mm Breite und 25 mm Tiefe; in jeder Nut liegen zwei Leiter von 42 mm² Querschnitt. Der Raumfaktor, d. h. das Yerhältnis zwischen reinem Kupferquerschnitt zum Querschnitt der Nut ist 0,516. Die Endverbindungen der Ankerleiter werden dadurch hergestellt, daß die Leiter mit einzeln isolierten Kupferstäben verbunden werden, die den Anker wie Stäbe eines Stromwenders umgeben. Dies ist eine mechanisch ausgezeichnete Bauart. Die Yerbinder werden dann einfach in Einschnitte dieser Stäbe gelegt und dort verlötet. Der Stromwenderdurchmesser ist 1 m, er hat 437 Stäbe, entsprechend den 437 Nuten des Ankers. Zur Isolierung der Stäbe ist Glimmer in der Stärke von 0,9 mm benutzt, Dieser Stromerzeuger ist zur

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Fig.432. Langsam laufende Erregermaschine MPX 10 — 38 — 75, von Kolben & Co.

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direkten Kuppelung mit der Antriebsmaschine bestimmt, es ist daher hierfür ein Flansch auf dem einen Wellenende vorgesehen. Der Ankerstern ist auf der Welle mit Hilfe von stählernen Schrumpfringen befestigt.

Das Wickelungsschema dieser Maschine ist eingehend auf S. 366 und 367 beschrieben.

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Fig. 433. Mehrpolige Maschine der General Electric Co.

Fig. 432 zeigt eine besondere Art von Stromerzeugern, nämlich eine sehr langsam laufende Erregermaschine, die auf dem Ende der Welle einer sehr großen Wechselstrommaschine von nur 75 Umdrehungen in der Minute befestigt ist. Dieser Umstand bedingt besondere Änderungen der Bauart. Der Durchmesser der Kernscheiben ist 85,8 cm, die Länge zwischen den Endplatten 38,4 cm; da die Leistung nur 38 Kilowatt ist, so erreicht der Steinmetz-Koeffizient den außergewöhnlich hohen Wert von 86,5. Der Durchmesser des Stromwenders ist nur wenig kleiner als der des Ankers, die Verbinder können daher nur sehr kurz sein. Die Maschine hat Nebenschluß Wickelung.

Ein 18poliger Stromerzeuger derselben Firma für elektrolytische Zwecke wird im nächsten Kapitel eingehend beschrieben.

Dynamo maschinell der General Electric Co. Diese Firma hat die von Edison herrührende zweipolige Form der Dynamo-

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Fig. 434. Mehrpoliger Stromerzeuger für Zugförderung, erbaut von der General Electric Co.

maschinell seit langer Zeit schon durch mehrpolige Formen ersetzt, deren Bauart sich eng an die der Schweizer Firmen anlehnt.

Fig. 438 zeigt eine Ansicht einer 60 Kilowatt-Maschine der normal für Maschinen unter 100 Kilowatt angenommenen Form mit vier Polen. Die Magnetkerne und das Joch bestehen aus besonders weichem Stahlguß. Die Ankerwickelung ist zwischen Zähnen in den Kernscheiben eingebettet; Lüftungskanäle sind vorgesehen. Die Isolation besteht aus abwechselnden Lagen von Glimmer und zähem Papier.

In der Fig. 434 ist eine Ansicht eines sechspoligen Stromerzeugers für Bahnbetrieb mit Riemenantrieb von 400 Kilowatt (500 Y, 800 A)

und 150 Umdrehungen in der Minute dargestellt. Diese Maschinen sind entworfen mit einer Kraftliniendichte von 13200 Linien auf 1 cm²' in den Polkernen, 10900 im Joch, ebensoviel im Ankerkern, und 21000 in den Zähnen; diese letztere hohe Sättigung ist gewählt, um der Verzerrung des Feldes entgegenzuwirken. Die zulässige Stromstärke in den Ankerleitern ist auf nur 2,3 Ampere auf 1 mm² bemessen. Einige erheblich größere Maschinen dieser Art sind für direkten Antrieb gebaut, so z. B. sechs Maschinen von je 1500 Kilowatt für die Kraftstation in Brooklyn.

Herr Parshall hat freundlicherweise die Angaben für den auf den Tafeln X und XI dargestellten Entwurf geliefert. Es ist dies eine neuere sechspolige Maschine von 150 Kilowatt mit Trommelanker, die bei 200 Umdrehungen in der Minute 300 Ampere bei 525 Volt leistet. Die Kernscheiben sind mit 154 Nuten versehen, in denen die Leiter in zwei Lagen übereinander liegen. Zur Verminderung des Funkens ist eine doppelte Wickelung (S. 337) gewählt, so daß in jeder Nut vier Leiter liegen und der Stromwender 308 Stäbe hat. Die besonders eigenartige Bauart des letzteren ist aus der Tafel XI zu erkennen. Die aus einander übergreifenden Segmenten gebildeten Kernscheiben haben nach innen vorstehende Lappen, durch die sie miteinander verbolzt und auf den genuteten Ankerstern gekeilt sind. Jeder Pol hat eine Erregung von etwa 10 000 Amperewindungen, von denen bei voller Belastung etwa 4000 auf die Kompoundwickelungen entfallen. Die Nebenschlußwickelung hat 5815 Amperewindungen, die in folgender Weise verteilt sind: 4350 für den Luftzwischenraum, 645 für das Joch, 450 für die Polkerne, 300 für die Ankerzähne und 70 für den Ankerkörper. Die Menge der Kraftlinien für jeden Pol beträgt 8700000.

Parshall, der diese Maschine für die General Electric Co. in Schenectady entwarf und seitdem viele andere Entwürfe für europäische Firmen geliefert hat, hat im Verein mit H obart zwei größere Werke über Dynamomaschinen herausgegeben: »Armature Windings« (London 1898) und »Electric Generators« (London 1900). In dem letzteren findet man genaue Konstruktionsangaben und Beschreibungen folgender Maschinen:

MP    12 —    1500 —    75 — 550 Volt —    2500    Ampere,

MP    6—    200 —    135 — 500 Volt—    400    Ampere,

MP    10 —    300 —    100 — 125 Volt —    2400    Ampere,

MP    6 —    250 —    320 —-500 Volt—    455    Ampere.

Die erste, für die Ausstellung in Chicago 1893 gebaut, ist nicht besonders gut, die dritte, eine Maschine für Lichtbetrieb, ist ersichtlich wenig befriedigend, am besten ist die an zweiter Stelle genannte Maschine ausgefallen.

Der Anker hat 1760 Leiter, die in zwei Lagen übereinander in den 220 Nuten eingebettet und als Mantel-Schleifenwickelung geschaltet sind. Die Stromdichte beträgt 2,73 Ampere auf 1 mm² in den Ankerleitern, 10,34 A/mm² in den Kommutatorverbindern, 1,24 A/mm² in den Nebenschlußspulen, 1,20 A/mm² in den Reihenspulen und 7 A/cm² an den Bürstenkontakten. Die Kraftliniendichten bei voller Belastung sind folgende: 11800 Linien im Ankerkern, 18 800 (scheinbare) Linien in den Zähnen, 7000 im Luftzwischenraum, 15 000 in den stählernen .Polkernen, 10 800 im Stahlring. Die Erregung war wie folgt verteilt (in Prozenten):

Bei Leerlauf

Bei voller Belastung

Ankerkern..........

Zähne ...........

Luftzwischenraum.......

Polkerne.........

Magnetring..........

Ausgleich der Entmagnetisierung .    .

Ausgleich der Verzerrung .    .    .    .

5,0

10.4

63,0

21,5

14,0

24,4

5,0

100,0

143,2

Zur Erregung waren bei Leerlauf 7630, bei voller Belastung 10990 Amperewindungen für jeden Pol erforderlich. Die Wärmeverluste im Anker beliefen sich auf 0,26 Watt auf 1 cm² der ausstrahlenden Oberfläche, die Temperatursteigerung betrug 30 Grad bei Thermometermessung, 37 Grad bei Widerstandsmessung. Die Verluste waren in Prozenten der Nettoleistung bei voller Belastung im Ankereisen 1,38, Ankerkupfer 4,4, Stromabgeber und Bürsten 0,735, Erregung 1,21 einschließlich Reihenspulen und Rhéostat. Die Kurven in den Fig. 383 und 384 beziehen sich auf diese Maschine.

Pars hall hat auch sehr ausführliche Angaben über einen langsam laufenden Stromerzeuger von 550 Kilowatt der General Electric Co. veröffentlicht, der, obwohl im Verhältnis zur Leistung ziemlich schwer, eine vorzügliche Ausführung in Bezug auf funkenfreien Betrieb und geringe Erwärmung zeigt. Der Anker dieser Maschine ist in Fig. 435 dargestellt. Wir wollen diese Maschine auf dem S. 497 angegebenen Wege nachrechnen. Die Maschine soll vielpolig

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für Zugförderung, MP io — 550—90.

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muß sie iiberkompoundiert sein. Der vorgeschriebene Wirkungsgrad ist 94 Prozent bei voller Belastung. Da diese 1000 Ampere beträgt, müßten wir, wenn wir nicht versuchen wollten, mehr als 200 Ampere von jedem Bürstensatz aufnehmen zu lassen, wenigstens zehn Pole und zehn Bürstensätze (fünf positive und fünf negative) vorsehen. Bei einer zehnpoligen Maschine mit Stahlpolen wird voraussichtlich der Ankerdurchmesser wenigstens fünfmal so groß wie die Länge des Kernkörpers werden. Wenden wir die Formeln auf S. 487 an und wählen 33 == 6500, ql — 235,    = 0,75, so erhalten wir aus (IVb)

x = 520 000, also

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3170000

520 000-550

90

oder l — dj5 einsetzend d³ — 15850000, woraus d— 250 cm und l = 50 cm sich ergibt. Die wirklichen Werte der Maschine waren d = 244 cm und l — 52 cm; hieraus berechnet sich der Steinmetzsche Koeffizient % zu 23,0. Die Umfangsgeschwindigkeit ist 11,5 m/sec und der Umfang 767 cm; der Polstand an der Ankeroberfläche ist demnach 76,7 cm. Nehmen wir den Polbogen zu 0,75 des Pol-_ Standes, also zu etwa 56 cm an, so wird die Polfläche (die nicht ganz rechteckig, sondern an den Ecken etwas abgestumpft ist), etwa 2850 cm² sein. Nehmen wir 6500 Linien auf 1 cm² als passenden Wert der Kraftliniendichte an der Polfläclie (bei Leerlauf), so würden auf jeden Pol etwa 18 500000 Linien entfallen. Aus der Formel VII h (S. 491) würden wrir daraus, da die Leerlaufspannung E — 500 Volt und die Zahl der Umdrehungen in 1 Sekunde n— 1,5 ist, den vorläufigen Wert für die Zahl der Ankerleiter

JV= 500-108/1,5.18500000 = 1802

erhalten.

Die wirklich genommene Zahl der Leiter ist 1800, die zu je sechs in 300 Nuten untergebracht sind. Wir Avollen diesen Wert nach der Regel prüfen, wonach es nicht ratsam ist, mehr als 240 Ampereleiter auf 1 cm² zu nehmen (S. 492). Die 1800 Leiter, von denen jeder 100 Ampere führt (da sich die 1000 Ampere auf zehn Stromwege verteilen), bedecken den Umfang von 767 cm; dies ergibt 235 Ampereleiter auf 1 cm des Umfangs, ein Wert, der also ausreichend niedrig ist. Da ferner n= 1,2 und fünf Polpaare vorhanden, so ist die Zahl der Änderungen der Magnetisierung in 1 Sekunde nur 7,5. Entsprechend den 900 Stromwenderstäben, deren Breite wenigstens 0,75 cm betragen muß, ist der Umfang des Stromwenders zu etwa 675 cm anzunehmen; in Wirklichkeit beträgt er 690

und demgemäß der Durchmesser 220 cm ; die Länge der Stäbe ist 23 cm. Da der Ankerumfang 767 cm beträgt und 300 Nuten vorhanden sind, ist die Nutenteilung 2,56 cm. Die Breite der Nut soll etwa die Hälfte sein; sie ist 1,32 cm. Da sechs Leiter von je 100 Ampere in der Nut liegen und die Stromdichte im Kupfer etwa 2,3 A/mm² beträgt, so muß jeder Leiter etwa 43,5 mm², also die sechs Leiter jeder Nut etwa 2,6 cm² Kupfer-Querschnitt haben. Bei einem Raumfaktor von 0,4 müßte also der Querschnitt einer Nut etwa 6,5 cm² und seine Tiefe bei der Breite von

1,32 cm etwa 5 cm betragen. Sie ist genau 5,08 cm, so daß noch etwas Raum für den die Nut abschließenden Keil verbleibt. Der Kupferleiter hat 0,414 cm² Querschnitt. Der Luftzwischenraum soll nicht wesentlich kleiner, als die Nutenbreite 1,32 cm sein, sie ist in Wirklichkeit 0,95 cm.

kompoundiert sein soll, muß der Polkern ziemlich lang sein, also als Yersuchswert nicht kürzer als 40 mal die Länge des Luftzwischenraumes, da . auch die Zähne lang sind; wir nehmen sie danach gleich 38 cm an. Der wirkliche Wert war 45,7 cm. Nachdem wir die wesentlichsten Abmessungen in dieser Weise nachgerechnet haben, wird es genügen, die weiteren von Par sh all herrührenden Angaben noch anzuführen:

38 cm,

Da die Maschine iiber-

Fig. 436. Nut der Maschine von Parshall für 550KW.

Reine Eisenlänge des Ankerkernes . Innerer Durchmesser des Ankerkernes

Länge des Feldringes parallel zur Welle .    .    .

Zahl der Ausgleichsringe........

Zahl der Ausgleichspunkte an jedem Ringe .    .

Wickelungsschritt...........

Der Ankerstern hat fünf Arme mit 15 schwalbenschwanzförmigen Nuten zur Aufnahme der Kerne. Wickelungsart ist die Mantel-Schleifenwickelung. Durchschnittsspannung zwischen zwei Stäben des Stromwenders 6,1 Volt. Breite der Kohlenbürsten 2,54 cm gleich drei Stabbreiten. Stromdichte an der Berührungsfläche der Bürsten 6,2 Ampere auf 1 cm². Die Nebenschlußwickelung besteht aus 1154 Windungen auf jeder Spule, und zwar 780 Windungen aus

10

29 Zähne.

Draht Nr. 9 (B & S) 16,63 mm²] und 374 Windungen aus Draht Nr. 10 {B & S) [5,26 mm²].

Der Spannungsabfall bei voller Belastung verteilt sich wie folgt: 12,6 Yolt entfallen auf den Kupferwiderstand des Ankers (bei 60 Grad), 2,4 Yolt auf den Bürstenkontakt, 0,6 Yolt auf den Widerstand der Kompoundwickelung, im ganzen 19 Yolt. Um also eine Klemmenspannung von 550 Yolt zu erzielen, müssen im Anker 569 Volt erzeugt werden. Das bedeutet — gleichbleibende Geschwindigkeit vorausgesetzt — eine Erhöhung der Kraftlinienmenge im Anker bei voller Belastung auf 19000000 Linien für jeden Pol. Bei einem Streuungskoëffizienten von 1,125 wird hiernach die Kraftlinienmenge in den Polkernen 19000000 bei Leerlauf und 21400000 bei voller Belastung (550 Yolt).

Die Erregungen sind von Parshall Avie folgt angegeben:

bei Leerlauf

Sä

bei Vollast

A mperewin düngen bei Leerlauf bei Vollast

Kernkörper .

Zähne .....

Luftzwischenraum . Polkerne .    .    .    .

Feldring .

9150 16800 6600 12100 10700

10400

18400

7500

13600

12300

190

340

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880

640

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Insgesamt

7050

9450

Es sind 180 Ankerleiter für jeden Pol vorhanden, von denen jeder bei voller Belastung 100 Ampere führt, so daß auf jeden Pol 18000 Ampereleiter entfallen, von denen 20 Prozent oder 3600 entmagnetisieren, die übrigen 80 Prozent oder 14400 quermagnetisieren. Die Zahl der auf jeden Pol bei der vollen Belastung von 550 Volt vorgesehenen Amperewindungen ist 12350.

Der Wärmeverlust im Ankereisen wurde auf 1,93 Watt für 1 kg geschätzt; da der Kern 5700 kg wog, so war der Kernverlust 11000 Watt. Der Ankerwiderstand betrug bei 60 Grad von Bürste zu Bürste 0,0125 Ohm; daher war der 7²r-Verlust bei 1000 Ampere 12 500 Watt; demnach der ganze Ankerverlust 23500 Watt. Da die ausstrahlende Oberfläche 80000 cm² betrug, entfielen auf 1 cm2 0,3 Watt. Es wurde nach achtstündigem Betriebe bei voller Belastung •eine Temperatursteigerung beobachtet von 26 Grad durch Thermometermessung, 38 Grad bei Widerstandsmessung. Der gesamte Erregerverlust, i²r-Verlust, jeder Spule betrug bei 60 Grad 422 Watt. Da der äußere Cylinderumfang einer Spule 8700 cm² betrug, entfielen 0,05 Watt auf 1 cm². Es wurde nach achtstündigem Betriebe

bei voller Belastung eine Temperaturerhöhung beobachtet von 26 Grad durch Thermometer-, 45 Grad durch Widerstandsmessung. Der i²r-Verlust an den Bürstenkontakten betrug 2400 Watt, an den Stromwenderstäben 400 Watt. Der Reibungsverlust am Stromwender wrar 870 Watt, demnach die gesamten Verluste am Stromabgeber 3670 Watt. Da dessen ausstrahlende Oberfläche 15000 cm² betrug, so entfielen 0,243 Watt auf 1 cm². Beobachtet wurden nach achtstündigem Betriebe mit voller Belastung 22 Grad. Die Verluste waren demnach insgesamt: im Anker 23500 Watt, in den Feldmagneten 4220 Watt, im Stromwender 3670 Watt, zusammen 31390 Watt. Demnach der

Wirkungsgrad (ausschließlich der Lagerreibung) 550 / 581,39 = 0,945 = 94,5 Prozent.

Bei einer zulässigen Temperaturerhöhung von 30 Grad (Thermometermessung) gibt P a r s h a 11 folgende bequeme Regeln zur Ermittelung der erforderlichen Abkühlungsoberflächen an: Für 1 Kilow'att Leistung der Maschine soll die Abkühlungsoberfläche des Ankers 121 cm², der Feldspulen 97 cm², des Stromabgebers 24 cm² sein.

Hobart hat weitere Ergebnisse von Versuchen an dieser Maschine in der Zeitschrift Electrical Review, Bd. 50, S. 456, vom 21. März 1902 veröffentlicht.

In der Elektrotechn. Zeitschrift, Bd. 22, S. 650, August 1901, veröffentlicht Hobart ausführliche Angaben über eine größere Maschine der General Electric Co. MP 14 —1000 —100 — 575 —1740 und vergleicht sie mit Maschinen gleicher Leistung und ähnlicher Bauart von Rothert und der weiter unten beschriebenen Maschine von Siemens & Halske (Wien) MP 14 — 1000 — 95 — 550 — 1820.

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Fig. 437. Ankerspule der Maschine von Parshall für 550 KW.

Eine der größten überhaupt bis jetzt gebauten Gleichstrommaschinen zeigt die Fig. 438. Es ist dies ein Stromerzeuger von 2700 Kilowatt Leistung, mit 36 Polen, der überkompoundiert bei 75 Umdrehungen in der Minute 525 Volt bei Leerlauf und 575 Volt bei der vollen Leistung von 4695 Ampere gibt. Die Maschine ist in Boston, Mass., auf gestellt.

Der Anker hat 660 cm Durchmesser und 40,6 cm Kernlänge. Der Ankerstern ist aus Gußeisen und außen mit Nuten versehen, in

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Fig. 438. Stromerzeuger für Zugförderung, M P 36 — 2700 — 75, der General Electric Co.

welche schwalbenschwanzförmige Vorsprünge der Kernscheiben ein-greifen. Er ist so gebaut, daß er als Fächer wirkt und Luft in die Kanäle des Ankerkernes treibt. Die Wickelung ist eine Mantelwickelung, mit Ausgleichsringen an der Rückseite. Die Ankerspulen

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Thompson, Dj'namomaschinen. 7. Aufl.

sind zweiteilig, die Lötstellen der Verbindungen liegen ebenfalls hinten. Der Stromwender, dessen Durchmesser 475 cm beträgt, wird von Vorsprüngen des Ankerkernes getragen. Die Kohlenbürsten ruhen auf dem Stromwender nicht genau radial, sondern sind leicht nach vorn geneigt, um sie möglichst leicht in ihren Führungen beweglich zu machen. Das gußeiserne Gestell ist in der Mitte wagerecht geteilt, um den Anker leicht zugänglich zu machen. Jede Hälfte mußte aus drei einzelnen Teilen zusammengesetzt werden, um den Transport zu erleichtern. Die Polkerne bestehen aus Stahlguß und sind mit geblätterten Polstücken versehen, die aus Blechen von zwei verschiedenen Größen bestehen, wodurch eine allmähliche Ausbreitung der Kraftlinien hervorgebracht wird. Die Polkerne sind am Ring mit Schrauben befestigt. Die Spulen haben einen Körper aus doppeltem Eisenblech und Flantschen aus schmiedbarem Eisen. Die Nebenschlußwickelung liegt nach dem Ring, die Reihenwickelung nach dem Polstücke zu. Das Gewicht des Ankers ist 72 Tonnen, das der ganzen Maschine 140 Tonnen.

Für diese Maschine wurden folgende Garantieen gegeben: Die Isolation zwischen Feldspulen und Magnetgestell, und zwischen Ankerwickelung und Ankerkern muß 10 Sekunden lang eine Wechselstromspannung von 4000 Volt und 60 Sekunden eine solche von 2000 Volt aushalten. Die Temperaturerhöhung soll nach 24 stündigem Betriebe mit voller Belastung 35 Grad nicht übersteigen und auch nach einer hiernach folgenden zweistündigen Überlastung um 50 Prozent nicht mehr als 55 Grad betragen. Die Maschine soll bei der vorgeschriebenen Spannung eine Überlastung von 50 Prozent 2 Stunden lang und vorübergehend eine solche um 100 Prozent ohne Verstellung der Bürsten und ohne schädliches Funken ertragen können.

Auf der Tafel XIII ist ein 1900 von Fischinger entworfener und von der Aktien-Gesellschaft Elektrizitätswerke vorm. Kummer & Co. in Dresden gebauter Stromerzeuger für Bahnbetrieb MP 18 — 880 — 90 — 570 — 1550 dargestellt. Es ist eine Schwungradmaschine, bei welcher eine besondere Einrichtung zur Verhinderung der Verzerrung des Kraftlinienfeldes angewendet ist. Das bei Gußeisen sehr beliebte und vorzügliche Ergebnisse liefernde Mittel, durch Einschnitte in den Polschuhen dem Zusammendrängen der Kraftlinien an dem Austritts-Polhorn zu begegnen, stieß bei Stahlgußgestellen auf Schwierigkeiten, denn die Aussparung der schmalen Zwischenräume vermochte der Stahlgießer nicht auszuführen.

Durch das hier angewendete Hilfsmittel (D. R.-P. Nr. 104022) nun wird die Zusammendrängung der Kraftlinien an dem Austritts-Polhorn in folgender Weise verhindert (vergl. die Nebenfigur der Tafel) :

Der Polschuh wird aus zwei Stücken zusammengesetzt, deren eines aus Gußeisen, deren anderes aus StahlfaçonguB besteht. Das letztere nimmt die Eintrittsseite, das andere die Austrittsseite des Polschuhes ein. Vermöge der größeren Permeabilität des Stahlgusses werden nun die Kraftlinien nach dieser Hälfte des Polschuhes hinübergezogen und dadurch an dem Eintritts-Polhorn eine Zusammendrängung der Kraftlinien erzielt, aus welcher ein starkes Feld hervorgeht. Diese Wirkung wird noch dadurch verstärkt, daß die Berührungsfläche des Stahlgußteiles des Polschuhes mit dem Magnetpol eine größere ist, als diejenige des anderen Teiles, während die Austrittsflächen der Kraftlinien entgegengesetzte Verhältnisse aufweisen. Die Abmessungen sind so getroffen, daß die Pohlschuhteile ohne weiteres miteinander vertauscht werden können, wenn einmal die Drehrichtung der Maschine geändert werden soll.

Die Anordnung ist nach den vorgenommenen Versuchen von ausgezeichneter Wirkung, das Magnetfeld ist außerordentlich gleichmäßig. Das Magnetgestell wiegt mit den Spulen etwa 23000 kg.

Der Anker ist ein sogen. Lochanker und besitzt rechteckige Nuten, in welche zuverlässig isolierende Röhren gebettet sind, die zur Aufnahme der Wickelung dienen. Die Nuten sind so gestaltet, daß ein Herausfliegen der Ankerstäbe verhindert wird.

Die Wickelung ist eine Stab-Schleifenwickelung.

Das Ankerblech ist bestes Dynamoankerblech, zweimal geglüht und gestreckt. Der Anker, dessen Durchmesser 5,5 m beträgt, besteht aus 18 Segmenten, welche blattweise von Mitte zu Mitte gegeneinander versetzt und mit dem Schwungring durch 36 schwalbenschwanzförmige Keile verbunden sind. Die letzteren werden durch Klauen gehalten, welche auf dem Schwungring angegossen sind. Vermöge der Anordnung einer zweiten Reihe Keile, welche ersteren hintersetzt sind, kann der Anker genau centriert werden, so daß das lästige Abdrehen erspart wird.

Der Stromwender sitzt auf der verlängerten Nabe des Ankers, so daß er auch dann noch in festem Zusammenhänge mit der Ankerwickelung steht, wenn der Anker von der Kurbelwelle der Dampfmaschine entfernt ist.

39*

Die Stäbe des Stromwenders bestehen aus hartgezogenem Kupfer. Die Bürstenbrücke besteht aus Gußeisen und ist auf dem verlängerten Lagerkörper durch Handrad leicht und bequem drehbar angeordnet.

Die Bürstenbolzen sind wiederum ihrerseits drehbar in den

Armen der Bürstenbrücke gelagert und sämtlich untereinander mechanisch verbunden, so daß sie zwecks Anspannens und Abhebens der Bürsten von einer Stelle aus bewegt werden können.

Um die verlangte Schwungmassenwirkung Gv² — 12 000 000 zu erhalten, ist im Ankereisen ein — auch schon aus Festigkeitsgründen erforderlicher — Ring von 4,5 Tonnen Gewicht angeordnet. Der Anker wiegt mit dem Stromwender etwa 35 Tonnen; er ist auf der Welle durch zwei doppelte Tangentialkeile befestigt.

Die Tafel XXII stellt einen von Postel-Vinay in Paris gebauten Stromerzeuger für Lichtbetrieb MP 16—400—70—132—3000 dar. Es ist eine der an Zahl sehr geringen größeren Maschinen, die mit Ringwickelung entworfen sind. Die Abbildungen lassen erkennen, daß die aus Segmenten zusammengesetzten Kernscheiben schwalbenschwanzförmige Nuten besitzen, in welche Träger eingreifen; diese sind an einen Ring angeschraubt, der einerseits mit dem Ankerkern verbolzt ist. Das Gerüst des Stromwenders ist seitlich am Radstern angebracht. Bemerkenswert ist an dem Aufbau, daß kein äußeres Lager vorhanden ist; der Ankerstern wird fliegend von der Maschinenwelle getragen. Der Entwurf des gleich hinter dem Anker befindlichen Lagers rührt von den Gebrüdern Farcot, den Erbauern der Antriebsmaschine, her. Die Tafel zeigt dieses Lager mit besonderen Anordnungen zum genauen Centrieren.

Die Hauptangaben der Maschine sind folgende: Ankerdurchmesser 310 cm, Ankerkernlänge 50 cm, Zahl der Nuten von 3 cm Tiefe und 1,67 cm Breite 882; jede Nut enthält zwei Leiter von 2X0,4 cm2 Querschnitt. Auf 1 cm des Umfangs entfallen 177 Ampereleiter. Der Luftzwischenraum beträgt 1 cm. Jeder Pol ist mit 139 Windungen aus Draht von 0,85 cm versehen. Der äußere Durchmesser des Feldringes beträgt 1432 cm. Der Stromwender hat 882 Stäbe von 40 cm Länge und einem Durchmesser von 180 cm. Der Widerstand des Ankers ist 0,0015 Ohm, der der 16 Nebenschlußspulen in Reihe 1,3 Ohm. Die Zahl der Kraftlinien im Pol bei voller Belastung ist 13 700 000 Linien.

Die Firma Siemens & Halske hat lange Jahre ihre Maschinen zweipolig gebaut, dann aber für die großen Stromerzeuger vielpolige

Typen geschaffen. Etwa um das Jahr 1886 begann sie — und unabhängig von ihr die beiden Firmen Ganz & Co. und Fein — mit dem Bau der »Innenpolmaschinen« genannten Form¹), die einen außen den Feldmagneten umgebenden Ringanker besitzt. Eine Maschine dieser Art ist auf der Tafel XXY dargestellt. In verschiedenen Centralen in Berlin sind heute noch solche Maschinen dauernd im Betriebe. Sie sind paarweise an den Enden der Kurbelwellen der Antriebsmaschinen angeordnet, letztere sind stehende Kompound-Dampfmaschinen mit Kondensatern, von Kerkhove & Co. in Gent gebaut, und leisten (indiziert) bei 75 Umdrehungen in der Minute 1180 Pferd. Jede Dynamomaschine liefert 2000 Ampere bei 140 Yolt und 60 Umdrehungen. Der Feldmagnet hat zehn vorspringende Pole; sie sind mit rechteckigen Kernen auf einem runden Feldring befestigt, der von einer U-förmigen, am Lager befestigten Stütze getragen wird. Die Erregerspulen sind hintereinander und im Nebenschluß zum Anker geschaltet. Der Anker besteht aus Blechscheiben mit Papierisolation, die durch isolierte Bolzen zusammengehalten werden, welche an einem Sternrad aus Bronze befestigt sind und den Feldmagnet umgeben.

In der Fig. 341, S. 421, ist der Aufbau in den Einzelheiten erkennbar. Die Wickelung besteht aus äußeren, geraden Kupferbarren, die durch gebogene, auf der Innenseite des Ringes von dem Ende eines Barrens zum Anfang des nächsten reichende Kupferstangen miteinander zu einer endlosen, eine Spirale bildenden Wickelung verbunden sind. Die den Strom abnehmenden Bürsten schleifen auf der Außenseite des Umfanges des Ankers, der so gleichzeitig als Stromwender dient. Er hat einen Durchmesser von 274 cm.

Die Bürstenhalter sind auf einem Stellring befestigt und so angeordnet, daß sie sämtlich gleichzeitig vom Stromabnehmer abgehoben werden können.

Die Tafel XXY zeigt einen noch größeren Stromerzeuger; der Ring hat einen Durchmesser von 360 cm.

Seitdem die Firma in den Siemens-Schuckertwerken aufgegangen ist, werden die Gleichstrommaschinen sämtlich als Außenpolmaschinen gebaut. Die Leistung der größten normalen Maschine (Fig. 439) beträgt 2000 Kilowatt, bei einer Umdrehungszahl von 75 in der Minute. Sie wird ausgeführt für Spannungen zwischen 400 bis

Fig- 439- Stromerzeuger für 2000 KW der Siemens-Schuckert werke, Modell GM, mit Stahlguß -Feldring.

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2250 Yolt. Die kleinsten Maschinen, die hauptsächlich als Motoren Verwendung finden, haben eine Leistung von ¹/l00 P, hei einer Höchstspannung von 110 Voit. Das Magnetgehäuse ist bei allen Maschinen von kreisrunder Gestalt und besitzt nahezu rechteckigen Querschnitt mit schwach gewölbter Außenseite, seine Breite ist so bemessen, daß die Spulen vom Gehäuse überragt werden. Das Gehäuse ist einteilig bei den Maschinen bis zu 35 Kilowatt, bei den übrigen zweiteilig. Als Material für das Gehäuse wird Gußeisen bei den größeren Maschinen von 250 Kilowatt Höchstleistung an auch Stahlguß benutzt, wodurch sich das Gewicht der ganzen Maschine um ungefähr 20 Prozent verringert.

Die Anker sind bei allen Maschinen mit Nuten von rechteckigem Querschnitt und mit Trommelwickelung versehen und bestehen aus dünnen, mittels Papier voneinander isolierten Eisenblechscheiben, die durch zwei auf den Endscheiben liegende Druckringe und hindurchgezogene Schraubenbolzen zusammengepreßt werden. Die Druckringe dienen gleichzeitig als Wickelungsträger. Bei den kleineren Maschinen werden die Bleche unmittelbar auf die Achse geschoben, bei den größeren auf eine mit Armen versehene Nabe aufgesetzt. Je nach der Größe der Maschine wird der Anker von einer Anzahl achsialer und radialer Luftkanäle durchzogen, welche eine kräftige Kühlung des Ankereisens und der Wickelung herbeiführen. Die Ankerwickelung ist als Schablonenwickelung ausgeführt und isoliert in die offenen Nuten eingelegt. Diese Art der Wickelung wird dadurch ermöglicht, daß die einzelnen Spulen vorher auf besonderen Schablonen zu Rahmen zusammengesetzt, sorgfältig isoliert und in ihre endgültige Form gebracht werden. Man erreicht auf diese Weise nicht nur eine zuverlässige Isolierung, sondern auch eine leichte Auswechselbarkeit der einzelnen Spulen. Die Wickelungen sind in den Nuten durch Keile und ihre Stirnverbindungen durch herumgelegte Drahtbandagen gesichert.

Die Stromwender bestehen aus Hartkupfer. Ihre Stäbe haben prismatische Form und werden durch sclrwalbenschwanzförmige Ansätze in der Stromwenderbuchse und dem aufgeschraubten Deckel befestigt. Als Isolationsmaterial wird Glimmer und Mikanit verwandt. Die Spulen sind mit den Stromwenderstäben teils durch Einlegen und Verlöten der Spulenenden, teils durch Flachkupferstäbe verbunden. Bei den größeren Maschinen sitzt die Stromwenderbuchse auf der Ankerbuchse, so daß Anker und Stromwender ein Ganzes bilden.

Die Bürstenträger sind bei den Maschinen bis zu 220 Kilowatt Leistung zweiteilig und sitzen schellenartig auf einem zylindrischen

Anguß des Stromwenderlagers. Sie haben strahlenförmig verlaufende Arme, die der Polzahl entsprechend gleichmäßig verteilte Bürstenachsen tragen. Die Enden der Bürstenachsen sind mit Isoliermasse umpreßt und in die Rahmen des Bürstenträgers eingeklemmt. Bei den größeren Maschinen sind die Bürstenträger am Magnetgestell befestigt, sie haben entweder die Gestalt einer Schale, die von einer großen Anzahl länglicher Lüftungsschlitze durchbrochen ist, oder sie bestehen aus einem flachen Ring mit angeschraubten radial gerichteten Armen. Ein am Magnetgehäuse angebrachtes Handrad mit Schraubenspindel ermöglicht, den Bürstenträger zur Bürsteneinstellung zu verschieben. Der Strom wird von den Bürstenachsen zu den hinter der Bürsten trägerschale isoliert aufgehängten Sammelringen geführt. Die Sammelringe liegen vollständig geschützt, so daß eine zufällige Berührung unmöglich ist. Für die Stromabnahme vom Stromwender dienen Kohlenbürsten, die an gut federnden Bürstenhaltern befestigt sind. Die Bürsten laufen bei allen Belastungen praktisch funkenfrei. Für sehr große Stromstärken werden statt der Kohlenbürsten Kupfergazebürsten verwandt.

Die auf Tafel IV dargestellte sechspolige Gleichstrommaschine GM 312 leistet 145 Kilowatt bei 110 Volt und 660 Umdrehungen in der Minute. In jeder Nut befinden sich vier Stäbe von 13X4,5 mm2 Querschnitt. Die Windungszahl beträgt mithin 120. Der Anker ist als Trommel in Parallelschaltung gewickelt. Die Ankerstäbe sind auf Schablonen gebogen und bilden einen Zylinder. Der Widerstand des Ankers beträgt 0,00129 Ohm. Der hohen Stromstärke wegen ist die Maschine mit zwei Stromwendern ausgerüstet, deren einzelne Stäbe durch eingelötete Kupferstreifen miteinander parallel geschaltet sind. Jeder Stromwender hat 120 Stäbe. Die Schenkelwickelung hat 6X450 Windungen von 3,8 mm starkem Kupferdraht und einen Widerstand von 4,51 Ohm.

Die Tafeln XXII und XXIII stellen eine von Ganz & Co. für Schiffsbeleuchtung erbaute Dynamomaschine MP 6—64—320 dar, die 170 Ampere von 330 bis 400 Volt leistet. Auffallend ist an dieser Maschine die vergleichsweise niedrige Zahl der Nuten im Anker, deren nur 47 bei der sechspoligen Maschine vorhanden sind. Dies würde eine erhebliche Verzerrung des Feldes und starke Wirbelströme in den Polstücken hervorrufen, wären diese letzteren nicht in besonderer Weise eingerichtet. Wie aus der Tafel XXIII zu ersehen, sind die Polkerne aus Blechen aufgebaut, die mittels Schwalbenschwanz mit dem Joch verbunden und in drei verschiedenen

Formen gestanzt sind. Die einzelnen Bleche sind so aneinander gereiht, daß die mit den Torspringenden Spitzen versehenen Bleche, deren Zahl nur ¹ji der Gesamtzahl ist, sehr stark gesättigt werden und eine wohl abgestufte Verteilung der Kraftlinien bewirken.

Die Hauptabmessungen der Maschine sind folgende: Durchmesser des Ankers 55,6 cm; innerer Durchmesser des Kernes 30,5 cm; Kernlänge 28 cm. Es sind vier Luftkanäle von je 6,35 mm Weite vorhanden. Die Kernscheiben sind 0,5 mm dick. Die 47 Nuten enthalten je zehn Leiter und sind 1,7 cm breit und an der Spitze auf 4 mm verengt. Die Nuten tiefe beträgt im ganzen 30 mm, kommt aber wegen der vorspringenden Zahnspitzen nur mit etwa 25 mm in Betracht. Die Zahnteilung ist 3,7 cm; die Zahnbreite aus der Spitze 3,3 cm, an der Wurzel nur 1,5 cm. Der Elachkupferleiter mißt nackt 11X 2,5 mm², besponnen 11,5 X 3 mm². Die Wickelung ist eine Reihenparallelschaltung mit zwei Stromkreisen. Die Wickelungsschritte sind ungleich y-^ =-[- 77 und y₂ — -j- 79; demnach y — 78 und py —j— c == 6*78 —|— 2 = 470. Der Luftzwischenraum ist nur 3 mm, ein Maß, das nur bei der überaus sorgfältigen Blätterung der Pole möglich ist. Die Länge der Polfläche parallel zur Achse ist 26 cm, der Polbogen 22 cm. Die Länge des Polkernes ist etwa 18 cm. Der Stromwender hat einen Durchmesser von 40 cm, die Länge der beschliffenen Fläche ist 10,5 cm; auch dieses Maß -würde viel zu klein sein, wenn nicht Bürstenhalter mit Gegendruck (Fig. 377, S. 460) verwendet würden, bei denen die beiden Kohlenbürsten fast die ganze Länge beschleifen können. Es sind im ganzen sechs Bürstensätze und 235 Stromwenderstäbe vorhanden. Die Glimmerisolation ist 0,5 mm stark. Der Feldring besteht aus Stahlguß. Jede Polspule besteht aus 1360 Windungen eines Drahtes, dessen Durchmesser nackt 1,7 mm, umsponnen 2,2 mm ist. Die Drahtlänge der Nebenschluß Wickelung ist nahezu 8000 m, ihr Widerstand (warm) etwa 60 Ohm. Nach sechsstündigem Bètriebe war die Temperaturerhöhung 41,5 Grad im Anker und 48 Grad im Feldmagnet. Der Verlust betrug bei voller Belastung etwa 5685 Watt, von denen auf das Ankerkupfer 2114 Watt, auf das Ankereisen 1257 Watt, die Erregung 1371 Watt, den Bürstenkontakt 486 Watt, und die Bürstenreibung und den Luftwiderstand 457 Watt entfielen. Der Wirkungsgrad war demnach bei der vollen Leistung von 64 Kilowatt 92 Prozent.

Bei den für Schiffszwmcke bestimmten Maschinen beträgt die Spannung in der Regel nur 120 bis 130 Volt. Sie sind als Doppelstrommaschinen gebaut mit drei Schleifenringen neben dem Stromwender, so daß Drehstrom zum Antrieb von Motoren abgenommen-werden kann, während der Gleichstrom nur für die Beleuchtung benutzt wird.

Die Stromerzeuger der English Electric Manufacturing Co. (Dick, Kerr & Co.) in Preston werden nach einem von S. H. Short herrührenden Entwurf gebaut. Die Fig. 440 stellt eine

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Elektrotechnische Zeitschrift, April und Mai 1887; La Lumière Électrique, Bd. 24, S. 182, 1887; Centralblatt für Elektrotechnik, Bd. 9, S. 186, 410 u. 58 r, 1887.

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Fig. 440. Stromerzeuger für elektrische Bahnen von Dick, Kerr&Co., Preston.

Ansicht einer solchen Maschine, Fig. 442 Schnitte eines zwölfpoligen Stromerzeugers von 1100 Kilowatt Leistung bei 100 Umdrehungen dar¹). Mit dem schweren gußeisernen Feldring sind die geblätterten Polkerne fest vergossen; die gußeisernen Polschuhe werden durch Schraubenbolzen festgehalten. Fig. 441 zeigt die Form der geblätterten Polkerne. Wie die Fig. 442 erkennen läßt, bestehen die Polschuhe-aus zwei Teilen, die in V-förmige Nuten der Polkerne eingreifen nnd durch Bolzen so zusammengehalten werden, daß ein Zwischenraum zwischen ihnen bleibt, der dazu beitragen soll, eine Verzerrung des Feldes der Poloberflächen zu verhindern. Um ein wohl abgestuftes Zusammendrängen des Feldes an den Polspitzen zu sichern, sind sier wie aus der Fig. 443 zu erkennen ist, genutet.

Den Aufbau der Nebenschlußspulen zeigt die Fig. 444. Die Rahmen haben gegossene Endplatten, die behufs möglichst guter Lüftung durchbrochen sind. Die Nebenschluß- und Kompound-

Fig. 441. Polkerne und Bleche zu Fig. 440.

Wickelungen liegen neben-, nicht, wie üblich, übereinander. Die letzteren sind aus Flachkupfer hergestellt und hochkantig gewickelt.

Der Anker ist mit einfacher Schleifenwickelung versehen, jedes 'Wickelungselement besteht aus einer ungeteilten Schleife aus Flachkupfer. Fig. 445 zeigt den fertigen Ankerkern. Ausgleich ringe oder Kurzschlußverbindungen von Punkten der Wickelung von ungefähr gleichem Potential sind zur Erleichterung der Stromumkehrung vorgesehen, sie sind in der Figur zwischen den Yerbindern am Stromwender und den Endplatten des Ankers zu erkennen.

In der Fig. 277, S. 387, sind die Kernscheiben dieser Maschine dargestellt und die Art ihrer Herstellung, von der rohen, mit 1 bezeichneten Platte, bis zu der fertigen Scheibe 4. Die Fig. 298r

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Fig. 442. Ansicht und Schnitt 4er Maschine MP 12

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S. 395, zeigt den fertig bearbeiteten Ankerkern, dessen sechs Arme mit Schwalbenschwanz unten zum Festhalten der Kernscheiben

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Fig. 443. Magnetgerüst der zehnpoligen Maschine von Dick, Kerr & Co.

Fig. 444. Feldmagnetspulen.

versehen sind. Auch der Sitz des Stromwenders ist zu erkennen und die Löcher für die Befestigungsbolzen.

Der Aufbau des aus Segmenten zusammengesetzten Kernes ist aus der Fig. 299, S. 396, zu ersehen. Die Biirstenanordnung ist in der Eig. 380, S. 462, dargestellt. Der Bürstensteller wird von einem kräftigen Gußeisenring getragen, der an dem Feldring befestigt ist, wie in Fig. 440 zu sehen ist. Ein Wurmrad dient dazu, den Steller zum Einstellen der Bürsten zu bewegen.

Hob art hat in einer Abhandlung über das Entwerfen von Dynamomaschinen *) in großer Zahl Angaben über mehrere von ihm entworfene Maschinen mitgeteilt. Unter ihnen ist besonders bemerkenswert ein großer Generator MP 22 —1600—85 — 550 —2900, der ■die hohe Umfangsgeschwindigkeit von 20,3 m in der Sekunde und den auffallend niedrigen Steinmetzschen Koeffizienten 9,3 hat, ein Beweis für die sparsame Materialverwendung. Die wesentlichsten Abmessungen dieser Maschine sind folgende:

Anker:

Kernscheiben, äußerer Durchmesser .    .

„    innerer „    .    .

Zahl der Nuten............

Tiefe „    „    ...........

Breite „    „    ...........

Durchmesser des fertigen Ankers

Zahl der Leiter......

Anordnung........

Wickelungsart.......

Abmessungen der Leiter nackt .

450 cm, 375 „ 440,

3.4    cm,

1.4    „

3,2 ,,

CO CO

21,8 „

450

.    .    2640,

.    .    6 in 1 Nut,

Schleifen — parallel, .    .    1,35X0,3 cm,

.    .    0,405 cm²,

.    .    1,86 cm,

452 cm,

72.

38 cm, 48,5 cm,

i) Journ. Inst. Electr. Eng., Bd. 3 t, S. 170, 1901. Man vergleiche auch einige Artikel von Hobart in Electr. Rev., Bd. 50, S. 329 u. ff., im Februar und März 1902.

Äußerer Durchmesser des Eeldringes.    .    .

Luftzwischenraum.........

0h

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Kraftlinienmenge in den Kernen......

Kraftliniendichte in den Polkernen (Stahl) .    .    .

im Luftspalt an der Poloberfläche

„ Feldring (Stahl).....

in den Zähnen (scheinbare) .    .

im Kernkörper......

ii

ii

ii

17 000 000 15 000 10000 5 400 23 000,

9 800

Stromwender:

Durchmesser.............

Zahl der Stäbe............

Wirksame Länge............

Weitere Angaben:

Stromdichte in den Ankerleitern......

Kaumfaktor der Nuten..........

Durchschnittliche Spannung zwischen zwei Stromwenderstäben ...........

Amperewindungen für einen Pol bei Leerlauf ii n ii ii Vollast Die Verluste bei voller Belastung sind:

Verlust im Ankereisen..........

„ Ankerkupfer........ .

Stromwender, Widerstandsverlust......

350 cm 1320, 24,5 cm

3,4 A/mm²,

0,51,

ii

9,2 Volt,

5 A/cm², 7900,

132 Ampere, 248,

13 000 16 000.

ii

Reibungsverlust Streuverlust. . Erregung, Nebenschluß .    .

77

32 000 Watt, 24400    „

5 800    „

5 300

77

77

300

77

ii

-Widerstand .    .

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Reihenwickelung

13 000 2 000 3 000

11

11

11

ii

ii

eiserner Nebenschluß

(S. 478)

Insgesamt

Summe der gleichbleibenden Verluste .    .

„ veränderlichen Mechanischer Wirkungsgrad bei voller Belastung

„ halber „ viertel

ii

ii

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ii

ii

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11

1000 „

86 800 Watt. 52 600 Watt, 34 200    „

94.9 Prozent

92,8

88.1

77

Der Verlust in Watt auf 1 cm² der Umfangsfläche bei einer Temperatursteigerung von 60 Grad war im Anker 0,6, im Stromwender 0,37, in den Magnetspulen 0,09.

Die Kernscheiben wogen 7800 kg, das Ankerkupfer 1100 kg, die Stromwenderstäbe 1700 kg, das Magnetkupfer 2700 kg, die Polkerne 10 000 kg, der ganze Magnetring (einschließlich der Füße) 33 000 kg.

Eine andere, in derselben Abhandlung von Hob art erwähnte, in Sheffield aufgestellte Maschine der Union Elektrizitätsgesellschaft, MP 16 —1000—90 —500—2000, ist auf S. 562 bis 572 durchgerechnet worden.

In Eig. 445 ist die Ansicht einer Maschine MP 8 —300 —150 — 500/550 — 600 der Electric Construction Company von Wolverhampton dargestellt. Der Feldring besteht aus weichem Gußeisen und ist um die Polkerne aus Eisenblech herumgegossen; die Polschuhe aus weichem Schmiede-Eisen sind angeschraubt. Der Ankerkern ist aus Holzkohlen-Eisenblechen von 28 cm radialer Tiefe aufgebaut, besitzt eine Länge von 38 cm und enthält vier Lüftungskanäle. Er wird von gußeisernen Endplatten zusammengehalten, die mittels Flantschen die Mantelwickelung tragen. Anker und Stromwender sind auf einem gußeisernen Armkreuz befestigt, das am Stromwenderende auf die Welle gekeilt ist und am anderen Ende in einen breiten Plantsch ausläuft, an den das Schwungrad angeschraubt ist. An der Innenseite des Armkreuzes sind schräge Flächen angegossen, die als Fächer wirken. Die Anker Wickelung besteht aus 1536 Leitern mit einem rechteckigen Querschnitt von 0,4 cm². Der Stromwender von 106,5 cm Durchmesser hat eine Arbeitsfläche von 29,2 cm Länge und 768 Stäbe. Jede Wickelungsabteilung besteht aus einer einzigen, auf einer Form hergestellten Windung ohne Verbindungsstelle, die am Ende hochkantig nach, dem Stromwender abgebogen ist. Der äußere Durchmesser des Ankers ist 157 cm. Die Nuten haben gerade, mit besonderer Isolierung versehene Seitenflächen. Der Isolationswiderstand ist zu 100 Megohm bestimmt und die Temperatursteigerung soll nach achtstündigem Betriebe bei voller Belastung 28 Grad nicht übersteigen Die Leiter werden in den Nuten durch Keile aus Hartholz und um die vorstehenden Enden gelegte Bindedrähte festgehalten. Der Stellring läuft auf einer am Magnetgehäuse vorgesehenen Rollbahn und wird von einem Wurmrad bewegt. Der Nebenschlußstrom ist bei voller Belastung 8,3 Ampere; die Nebenschlußwickelung ist auf

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Fig. 445. Achtp öliger Stromerzeuger für Zugförderung für 300 KW, erbaut von der Electric Construction Co.

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Formen hergestellt und mit konischen Enden versehen. Die Maschine ist um 10 Prozent überkompoundiert, die Spannung steigt bei voller Belastung auf 550 Yolt. Die Beihenwickelung ist ebenfalls eine Formspule, die aus zwei flachen Spiralen von hochkant gewickelten rechteckigen Streifen besteht, deren innere Enden miteinander verlötet sind, so daß die äußeren Enden frei an der Oberfläche liegen. Bei voller Belastung nimmt die Reihen Wickelung etwa

1,2 Kilowatt auf und hat etwa 0,033 Ohm Widerstand.

Die Wiener Firma Siemens & Halske²) stellte auf der Pariser Weltausstellung 1900 einen großen Stromerzeuger für Zugförderung aus, MP 14 — 1000 —95, der 550 Yolt 1820 Ampere bei voller Belastung gab. Der Anker hat einen Durchmesser von 250 cm, seine Länge beträgt 54 cm zwischen den Kernplatten. Es sind fünf Lüftungskanäle von je 1 cm Weite vorhanden. Die Leiter, 1144 an der Zahl, haben einen Querschnitt von 0,4 X 1,8 cm und sind zu je vier in einer Nut eingebettet, deren also 286 vorhanden waren von 1,3 cm Breite und 5 cm Tiefe. Die Wickelung ist eine Reihenparallelwickelung mit 10 Stromkreisen. Der Stromwender hat 210 cm Durchmesser und 572 Stäbe, die durch 0,8 mm starke Glimmerscheiben voneinander isoliert sind. Der Luftzwischenraum beträgt an der engsten Stelle 0,89 cm, an der breitesten 1,2 cm ; die mittlere Kraftliniendichte ist 9000 Linien auf 1 cm². Der Feldring besteht aus Stahlguß. Der äußere Durchmesser der Maschine beträgt 396 cm. Die 14 Feldspulen haben je 770 Drahtwindungen; die Amperewindungszahl ist bei voller Belastung etwa 18 500, die erforderliche Erregung beträgt 13 Kilowatt oder 1,3 Prozent der vollen Leistung, der Maschine. Es sind 14 Bürsten vorhanden. Die Temperatursteigerung ist nach 24stündigem Betriebe mit der vollen Belastung 30 Grad. Das Gesamtgewicht der Maschine ist 45 000 kg.

Eine eingehende Besprechung vieler anderer neuerer Maschinen findet man in dem Buch von Guilbert: »The Generators of Elec-tricity at the Paris Exhibition 1900« (Paris, Naud, 1902).

Schluß Übersicht. Die hier beschriebenen Maschinen sind in der nachstehenden Tabelle in der Weise zusammengestellt, daß sich daraus ein Bild über die verschiedenen Werte der wichtigsten, bei ihrem Entwurf benutzten Koeffizienten ergibt. Die Koeffizienten a und ß sind auf S. 515 erklärt und bedeuten die Werte der durchschnittlichen Stromdichte und der durchschnittlichen magnetischen

Dichte im wirksamen Raum bei voller Belastung. Die Werte in der letzten Spalte, die Leistung in Kilowatt für 1 cm³ des wirksamen Raumes sind wie die vorhergehenden Koeffizienten aus der normalen Volleistung, für die die Maschinen berechnet sind, abgeleitet. Natürlich sind die Maschinen nicht unter gleichen Voraussetzungen entworfen; schon das Maß der zulässigen Erwärmung wird von den Konstrukteuren sehr verschieden angenommen, so daß es ganz unmöglich ist, die Werte auf eine gleiche Grundlage zurückzuführen. Immerhin sind sie keineswegs ohne Wert als Vergleichsmittel. Ist die Umfangsgeschwindigkeit einer Maschine groß, so ist natürlich die Materialausnutzung besser, und wenn bei einer solchen Maschine die Dichten a und ß ebenfalls hoch sind, so wird auch die Leistung für die Einheit des wirksamen Raumes und damit auch die Leistung im Verhältnis zum Gewicht und den Kosten hoch sein. Die achtpolige Maschine der International Electrical Engineering Company und die 22polige Maschine von Hobart sind Beispiele hierfür. Die von diesen Maschinen erreichten hohen spezifischen Werte zeigen unfraglich den Weg, auf dem in Zukunft noch weitere Ersparnisse beim Entwerfen zu erreichen sein werden. Alles weist auf den Nutzen der rasch laufenden Dampfturbinen für alle Dynamomaschinen mit Dampfantrieb und großer Leistung hin. Mit den bei diesen Turbinen unvermeidbaren hohen Umdrehungszahlen lassen sich besonders hohe Umfangsgeschwindigkeiten erreichen, und der Entwurf muß mit diesen Verhältnissen rechnen. Es müssen also die Ankerdurchmesser verhältnismäßig klein, die achsiale Länge groß gewählt werden; Kohlenbürsten sind wegen der hohen Stromwendergeschwindigkeit nicht anwendbar. Diese beiden Umstände erhöhen die Schwierigkeit funkenloser Stromumkehrung und machen die sorgfältigste Beachtung der Frage der Sättigung der Zähne und der Polstiicke sowie der Bekämpfung der Verzerrung des Ankerfeldes zum dringenden Erfordernis. Dafür wird die spezifische Ausnutzung des Materials entsprechend gesteigert werden.

Die Einführung der großen Gasmaschinen und die Ausnutzung billiger Gasfeuerungen können leicht dahin führen, daß bei großen Stromerzeugern von mehr als 1000 Kilowatt Leistung Gasmaschinen statt der Dampfmaschinen zur Anwendung gelangen. Auch diese Entwicklung wird den Dynamobau beeinflussen, denn gerade bei den größten Dynamomaschinen läßt sich die beste Lüftung und die höchste spezifische Ausnutzung des Materials in elektrischer und magnetischer Hinsicht erreichen.

Tabelle der Koeffizienten der Materialausnutzung und anderer Merkmale des Entwurfs von Gleichstromerzeugern.

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Electric

Construction Co.

English

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M P 12 1100

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350490 396

150 500 600

100 550 2000

Hobart ....

International Elec. Engin. Co.

Kolben & Co. . MP4

Kolben & Co. . M P 10 250

Maschinenfabrik

Oerlikon

desgl.

desgl.

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90 550 1000

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Po Pr

Entwürfe für nicht normale Fälle. Hochspannungsmaschine von Brown, Boveri & Co.

Erregermaschine von Kolben & Co./

M. f. Elektrolyse v. d. Maschinen-fakrik Oerlikon desgl.

M. f. Elektrolyse v. d. Maschinenfabrik Thury

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MPC 12

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190

1500

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208

4000

20,3

228 176 12,9 250328 21,4 330 172 18,2

78,3 4450 4,33

90,0 3740 7,1} 57-1 4520 4,76

Kapitel XXL

Maschinen für Elektrometallurgie und Herstellung von Metallüberzügen.

Besondere Formen von Gleichstrommaschinen sind erforderlich für die Herstellung metallischer Überzüge auf Gegenständen, Fertigung plastischer Abbilder, elektrolytische Behandlung von Erzen und Läuterung von Rohmetallen. Im allgemeinen hat man starke Ströme mit geringer Spannung notwendig, denn die Menge des in einem Bade ausgeschiedenen Metalles hängt lediglich von der Stromstärke, nicht aber von der Spannung ab. Da eine geringe Spannung den Strom durch die Widerstände des Kreises zu treiben vermag, so ist die notwendige Spannung in jedem Falle niedrig. Zur Wasserzersetzung braucht man weniger als 2 Yolt. Um in einem Bade Metall auszuscheiden, in dem die Anode aus gleichem Metall besteht, wird in der Regel nur geringe Spannung gebraucht. Wenn überhaupt zu hohe Spannung angewendet wird, oder wenn die Stromdichte (d. h. die auf die Flächeneinheit der Kathode entfallende Stromstärke) zu groß ist, so wird der Metallniederschlag ungleich oder pulverig. Diese Umstände führten zum Bau von Dynamomaschinen für höchstens 4 bis 5 Yolt elektromotorische Kraft und von sehr geringem inneren Widerstand. Wenn indessen, wie bei manchen Prozessen, eine größere Zahl von Bottichen mit der gleichen Stromstärke zu betreiben sind, kann man die Gefäße in Reihe schalten und bedarf dann natürlich einer der Zahl der Gefäße entsprechenden größeren Spannung. Z. B. bei dem Castnerschen Prozeß zur Erzeugung von kaustischer Soda durch Elektrolysieren von gewöhnlicher Salzlösung gebraucht jedes Bad 2,3 Yolt, demnach ist für 20 hintereinander geschaltete Bäder eine Spannung von 46 Yolt erforderlich.

Die erste Anwendung einer Dynamomaschine für Metallausscheidung verdanken wir J. S. AYoolrich, der sich im Jahre 1842 zu diesem Zwecke die Benutzung einer magnetoelektrischen Maschine patentieren ließ. Diese Maschine von Woolrich (Fig. 446) war mehrpolig und besaß einen Anker aus acht Drahtspulen, welche in einer hölzernen Scheibe befestigt waren und sich zwischen den Polen von vier großen, zusammengesetzten Stahlmagneten drehten. Ein einfacher Stromwender setzte die Maschine in den Stand, nicht nur ihren Strom in derselben Richtung, sondern auch in annähernd gleicher Stärke zu liefern. Diese Maschine gehört nun der Stadt Birmingham. Sie war nach Sprague die erste für starke Ströme und zum Antrieb durch eine Kraftmaschine geeignete elektrische

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Fig. 446. Woolrichs Maschine zur Herstellung von Metallüberzügen.

Maschine und machte Faraday große Freude. Sie wurde von Prince and Son erworben und leistete lange Zeit ihre Dienste in den Werken der Elektro metallurgischen Gesellschaft. Die Gleichmäßigkeit des erzeugten Stromes wrurde für bemerkenswert gehalten. Shaw sagt (1844) in seinem Handbuch der Elektrometallurgie: »Sturgeon scheint der erste gewesen zu sein, der Metalle durch eine solche Vorrichtung niederschlug, aber seine Versuche wurden nur in kleinem Maßstab ausgeführt; erst J. S. Woolrich von Birmingham verdanken wir die Vervollkommnung der magnetelektrischen Maschine und ihrer außerordentlichen Leistungsfähigkeit für die Elektro-metallugie.« Eine von Woolrichs Maschinen wurde in Elkingtons Anstalt über 20 Jahre lang benutzt¹).

x) Siehe auch Napiers Manual of Electrometallurgy. 3. Auflage. London 1857.

Der Grundsatz, die Feldmagnete durch eine Batterie zu erregen, wurde von Wheatstone und Cooke 1845 patentiert. 1860 beschrieb Walenn die Methode der Felderregung von neuem und 1862 gab Monckton in seiner Patentbeschreibung an, daß die Elektromagnete, welche als Feldmagnete gebraucht werden, aus einer Batterie oder anderen bekannten Stromquelle gespeist werden könnten. Millward aus Birmingham zeigte, daß ein Feldmagnet, der aus einer kleinen magnetelektrischen Maschine erregt wurde, einen weit stärkeren Magnetismus besaß, als derjenige der Magnete in der erregenden Maschine.

Wilde war aber der erste Erbauer von Maschinen, die dem Zwecke wirklich entsprachen, indem er nach einem älteren Vorschläge von Sinsteden mehrere Maschinen verkettete (S. 14). Er benutzte eine große Maschine, deren Feldmagnete durch den Strom einer kleineren Magnetmaschine erregt wurden. Seine ersten Maschinen, die jahrelang von Elkington benutzt wurden³), besaßen die in Fig. 6, S. 16, dargestellte Form. Beide Anker hatten die von Siemens eingeführte alte Form der Längswickelung; die größere mußte während des Betriebes durch Wasser abgekühlt werden. Um das Jahr 1867, nachdem Siemens und Wheatstone die Selbsterregung gefunden hatten, führte Wilde eine vielpolige Maschinenform mit verbessertem Stromwender ein.

Für Nickelniederschlag führte Wes ton eine kleine Maschine mit stählernen Magnetkernen ein, auf denen die Wickelungen für den Hauptstromkreis lagen. Ein selbsttätig wirkender Stromunterbrecher verhinderte die Umkehrung des Magnetismus durch einen Rückstrom aus dem Bade.

Elmore baute sehr große Maschinen für Kupferläuterung; sie besaßen 18 Elektromagnete in jedem Kranze und lieferten einen

Alle Maschinen für Metallniederschläge sollen mit Nebenschluß Wickelung versehen sein, weil sie andernfalls zu einer Umkehrung des Stromes neigen. Im Jahre 1873 stellte Gramme

Strom von 3000 Ampere bei 7 bis 8 Volt Spannung. Eine solche Maschine würde fast 12 kg Kupfer in der Stunde niederschlagen. Die Wickelung der Feldmagnete lag im Hauptstromkreis. Dies war ein Fehler.

besondere Formen mit sehr geringem Widerstand her. Der Anker hatte eine Streifenwickelung und an jedem Ende einen Stromabgeber.

Er lieferte 1500 Ampere bei 8 Yolt. Siemens & Halske waren ebenfalls frühe auf diesem Felde tätig und erbauten Maschinen mit Stabankern, die bei den Werken in Oker zur Verwendung ge

langten ⁴).

Auch von Brush sind Maschinen mit geringem Widerstand für elektrolytische Zwecke hergestellt worden. Die Feldmagnete besaßen Spulen aus starkem Draht, welche im Hauptstrom lagen, und eine Wickelung aus dünnerem Draht — eine Nebenschlußwickelung — hinzugefügt zu dem Zwecke, den Magnetismus zu erhalten, wenn der Hauptkreis geöffnet war. Mit der Maschine konnte geringe oder größere Arbeit geleistet werden, ohne daß man eine Umkehrung des Magnetismus zu befürchten brauchte. Die Klemmenspannung der Maschine war nahezu gleichbleibend, sie schwankte zwischen 3,3-und 4,1 Yolt, während die Stromstärke von 300 Ampere bis Null

sich ändern konnte.

Andere Maschinen für elektrolytische Zwecke sind fast von allen bedeutenden Firmen entworfen worden.

Das Erfordernis einer großen Stromstärke bei sehr geringer Spannung macht die Herstellung solcher Maschinen schwierig, denn eine niedrige Spannung läßt sich entweder nur mit einer geringen Zahl Windungen auf dem Anker oder mit einem schwachen magnetischen Felde erreichen oder endlich bei sehr geringer Umlaufsgeschwindigkeit. Maschinen mit schwachen Magneten leiden an Funkenbildung, ebenso Maschinen mit wenigen massiven Leitern und wenigen Teilen am Stromabgeber. Sie neigen auch zur Erhitzung infolge örtlicher Wirbelströme. Gewöhnlich verwendet man mehrere unabhängige Wickelungen (vergl. S. 337 u. 346), welche durch Bürsten von geeigneter Stärke sämtlich parallel geschaltet werden.

Im Kapitel X wurde erwähnt, daß der Spannungsabfall, welcher infolge des Widerstandes an der Bürste auftritt, bei Verwendung von Kohlenbürsten auf jeder Seite 0,7 bis 1 Yolt, für die ganze Maschine demnach 1,4 bis 2 Volt beträgt; bei harten Kohlen werden diese Zahlen noch übertroffen. Ein so großer Spannungsverlust wäre bei Maschinen mit niedriger Spannung, wie sie zur Herstellung von Metallüberzügen gebraucht werden, äußerst bedenklich. Deshalb benutzt man bei derartigen Maschinen in der Kegel Kupferbürsten; dadurch vermindert sich der Spannungsverlust auf 0,3 Yolt auf jeder Seite oder 0,6 Yolt für die ganze Maschine.

Sayers hat eine ausgezeichnete Anordnung angegeben, uni einer Maschine Ströme bei verschiedenen Spannungen zu entnehmen. Die Polflächen werden, wie die Fig. 447 zeigt, durch tiefe Einschnitte zerteilt; dadurch entstehen verschiedene neutrale Punkte am Stromabgeber, an denen man ohne Funkenbildung Bürsten anbringen kann. Während z. B. die Spannung zwischen den beiden Hauptbürsten 10 Volt sein kann, läßt sich durch Zwischenbürsten diese Spannung in 7,5 Volt zur Vernickelung und 2,5 Volt zur Versilberung zerlegen.

Crompton & Co. haben eine Methode zur Teilung der Hauptleitungen zwischen zwei Bürstenpaaren erfunden, die benachbarte Stäbe am Stromabgeber berühren. Es wird dadurch möglich, die Maschinen mit weniger Abteilungen im Anker herzustellen. Die geteilten Zuführungen von der Maschine zu den Bädern kosten nicht mehr als eine ungeteilte Leitung; jedoch wird ein vergleichsweise hoher Widerstand in den Weg des Ortsstromes der kurz geschlossenen Abteilung gebracht.

Einige Zahlenangaben über Elektrometallurgie finden sich im Anhang zu diesem Kapitel.

Fig 447. Maschine von Sayers zur Abnahme verschiedener Spannungen.

Für einige elektrometallurgische Vorgänge, welche nur auf der Wärmeentwicklung bei sehr hoher Temperatur beruhen, kann man Wechselstrom verwenden. Zu diesen Vorgängen gehört die Herstellung des Calciumkarbids, des Karborundums, des Phosphors und der Aluminiumlegierungen in dem C o w 1 e s sehen Ofen. Für andere dagegen, insbesondere für fast alle elektrolytischen Vorgänge, muß Gleichstrom angewandt werden. So zur Gewinnung von Aluminium, Natrium, Bleichflüssigkeit, Kaliumchlorat und dergl., ebenso bei der elektrolytischen Behandlung der Erze, Kupferläuterung und allen Vorgängen der Metallausscheidung, einschließlich der Herstellung galvanoplastischer Abbildungen und galvanischer Metallüberzüge. Für manche Niederschläge ist sogar eine besonders niedrige Spannung erforderlich, und wenn auch die Bäder in Reihe geschaltet werden, bleibt doch die erforderliche Spannung der Maschine sehr niedrig.

Demnach kann man die Maschinen dieses Kapitels in zwei Klassen einteilen: a) Elektrometallurgische Stromerzeuger mit Spannungen von 80 bis 200 oder 300 Volt, b) Maschinen für Metallausscheidung von 2 bis 10 Volt. Hierzu kommen dann noch Maschinen zum

Laden von Sammlerbatterieen für Beleuchtung und andere Zwecke; diese besitzen im allgemeinen die Spannungen, die man zur Glühlichtbeleuchtung benutzt, und unterscheiden sich in keinem wesentlichen Punkte von gewöhnlichen Lichtmaschinen.

Die Maschinen der Klassen (a) und (b) unterscheiden sich von •den gewöhnlich für Zwecke der Beleuchtung und Zugförderung benutzten darin, daß sie bei gleicher Leistung einen weit höheren ■Strom zu liefern haben; so muß z. B. von zwei Maschinen zu 1000 Kilowatt die eine, für Zugförderung bestimmte, 550 Volt, die andere, der Aluminiumgewinnung dienende, 80 Volt Spannung haben. ■Obgleich sie dieselbe Betriebskraft beanspruchen, liefert die eine 1818, die andere 12 500 Ampere.

Ton einer Maschine 12 500 Ampere abzunehmen, erfordert besondere Einrichtungen am Stromwender und an den Bürsten, und, wie man ohne weiteres sieht, muß das Ankerkupfer der zweiten Maschine für eine nahezu siebenmal höhere Beanspruchung berechnet werden, als das der ersten.

Die Art, wie man praktisch den Entwurf der Maschine den Anforderungen anpaßt, welche die Abnahme so starker Ströme bei niedriger Spannung stellt, wollen wir nun an einigen neueren Beispielen ausgeführter Maschinen näher betrachten.

Zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium sind verschiedene Maschinenformen angegeben worden. Crompton & Co.⁵) haben eine sehr große zweipolige Trommelmaschine für 5000 Ampere bei 60 Yolt erbaut. C. E. L. Brown²) hat für die Maschinenfabrik Oerlikon einige sechspolige Maschinen für 6000 Ampere bei 20 Volt und 180 Umläufen in der Minute hergestellt. Der Anker hat zwei besondere Wickelungen mit einem Stromwender an jedem Ende, an dem 36 Bürsten in sechs Sätzen zu je sechs anliegen. Der Feldmagnet ist wie der in Fig. 14 dargestellte beschaffen, hat aber sechs Pole und besteht aus einem einzigen Gußstück. Der Durchmesser des Ankers beträgt 96,5 cm, seine Länge 60,9 cm. Die Wickelungen wmrden zuerst in Höhlungen der Kernscheiben eingelegt; als jedoch Schwierigkeiten wegen der Isolierung entstanden, wurde der Anker abgedreht und die Wickelung außen aufgelegt. Obgleich ebensoviel Bürstensätze als Pole vorhanden sind, so daß eine Querverbindung

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der Wickelungen nicht durchaus notwendig ist, so sind dennoch zum Ausgleich der Ströme Querverbindungen hinzugefügt worden. Äqui-

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Fîg- 448* Achtpolige Maschine der Maschinenfabrik Oerlikon mit senkrechter Achse für Turbinenbetrieb.

potentielle Teile des Stromabgebers sind innen durch Ringe mit drei vorragenden Ansätzen querüber verbunden. Brown hat auch einige

achtpolige Maschinen für eine Leistung von 14 000 Ampere bei 30 Volt hergestellt.

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Fig. 449. Maschine der Maschinenfabrik Oerlikon für Elektrometallurgie.

Ein Stromerzeuger für Elektrolyse von Brown, MPC 8 — 480⁶ — 250 findet sich auf den Tafeln VII u. VIII und in Fig. 403 u. 404 dargestellt und wird in Kapitel XIX vollständig durchgerechnet.

Die Maschinenfabrik Oerlikon hat viele erfolgreiche Maschinen für elektrolytische Zwecke erbaut. Für die Aluminiumindustrie hat C. E. L. Brown, damals ihr erster Konstrukteur, sechs- und acht-polige Maschinen entworfen. Diejenige, welche Eig. 448 darstellt, war für 300 P bestimmt und arbeitete in der Fabrik in Neuhausen; es war die erste Maschine mit senkrechter Achse für den Betrieb durch eine Wasserturbine. Bei einer mittleren Leistung von 3000 Ampere läuft die Maschine funkenfrei. Die Bingwickelung besitzt Querverbindungen, durch welche jeder Teil der Wickelung mit zwei um 45 Grad voneinander abstehenden Punkten des Stromwenders verbunden ist; die Querverbindungen bestehen aus gebogenen zweischenkeligen Kupferstreifen und dienen als Ausgleichsleitungen.

Fig. 449 stellt eine 24 polige Dynamomaschine mit senkrechter Welle dar, die 1891 für die Aluminium-Industrie entwarfen wurde. Der Anker wiegt 12 Tonnen und macht 150 Umdrehungen in der Minute; ganze Höhe 3,8 m; Gesamtgewicht 34^2 Tonnen. Die Maschine liefert 7600 Ampere bei 55 Volt, also gegen 600 P. Um diesen Strom abzunehmen, sind 24 Keihen mit je fünf Bürsten in gleichen Abständen voneinander um einen Stromabnehmer von 1,7 m Durchmesser angeordnet. Letzterer liegt unter dem Anker, der mit Trommelwickelung versehen ist. Die Leiter sind Litzendrähte, welche in Durchbohrungen der Kernscheiben liegen. Der Feldmagnet hat die Form eines Kranzes mit 24 eimvärts vorstehenden Polen und besteht aus Gußeisen; er wird von einem gemauerten King getragen.

Einen großen Stromerzeuger für Elektrolyse, den die Maschinenfabrik Oerlikon für die Aluminiumwerke in Rheinfelden geliefert hat, zeigt Fig. 450. Bei dieser Maschine, MPC 32 — 560 — 55 — 80 — 7000, wird die große Polzahl erforderlich durch die sehr große Leistung bei geringer Geschwindigkeit. Wenn 7000 Ampere von 32 Bürstensätzen aufgenommen werden sollen, kommen auf jeden 436 Ampere. Der Ankerdurchmesser beträgt 450 cm, die Kernlänge 41 cm, so daß der Steinmetzsche Koeffizient 33 wird. Die Magnetkerne sind mit dem Joch in einem Stück aus Stahl gegossen; Polschuhe fehlen. Der Anker besitzt Parallelwickelung mit 32 Stromkreisen, so daß der Strom in einem Ankerleiter 225 Ampere beträgt. Die Endverbindungen zu beiden Seiten des Ankers sind aus Evoluten hergestellt, die in Kupfersegmenten endigen; letztere werden genau wie die Stäbe eines gewöhnlichen Stromwenders durch Klemmvorrichtungen festgehalten.

Dieser Aufbau gestattet, am Stronrwenderende des Ankers einen Satz Ausgleichsleiter anzubringen, wie die Abbildung zeigt. Es sind

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Fig- 45°- Elektrolytische Maschine der Maschinenfabrik Oerlikon mit 32 Polen und senkrechter Achse (Rheinfelden).

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544 Nuten im Anker, in jeder Nut liegen zwei Leiter und jeder Leiter hat einen Querschnitt von 8 mm²; die Nuten sind 22,5 mm tief und 13,0 mm breit. Der Stromwender hat 300 cm im Durchmesser und besitzt 544 Stäbe von 33 cm Länge; er ist an der Ankernabe befestigt. Die 32 Btirstensätze enthalten je zwölf Bürsten. Die Feldspulen sind in zwei parallelen Reihen zu 16 geschaltet; jede Spule enthält

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Fig. 451a. Sechspolige elektrolytische Maschine der Maschinenfabrik Oerlikon.

175 Windungen aus 9,2 mm starkem Kupferdraht, der in sieben Lagen zu 22 bis 28 Windungen aufgewickelt ist. Auf jeden Pol kommt bei Leerlauf die Kraftlinienmenge 8 030 000.

Fig. 451a zeigt einen anderen Stromerzeuger der Maschinenfabrik Oerlikon, MPC 6 — 285 — 450 — 90/190 —1500, welcher der Elektrochemischen Gesellschaft Yolta in Rom geliefert worden ist^ vergl. auch Fig. 295, S. 393.

Diese Maschine besitzt gußstählerne Pole, welche mit den Polschuhen in einem Stück gegossen und an das Joch angeschraubt sind. Die Pole tragen eine einzelne radiale Nut, welche etwa 12 cm tief und 5 cm breit ist, und dazu dient, die Verzerrung des Feldes vor den Polflächen zu verhindern, eine Maßregel, die besonders hei dieser Maschine nötig ist, weil hier die Stromdichte am Umfang des Ankers sehr hoch ist; auf 1 cm des Umfangs kommen bei Vollast (1500 Ampere) 330 Ampereleiter, was für eine sechspolige Maschine sehr viel ist.

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Fig. 451b. Bürstenhalter und stellbarer Ring zu der elektrolytischen Maschine der Maschinenfabrik Oerlikon.

Der äußere Durchmesser des Magnetgehäuses beträgt 159 cm, •der des Ankers 90 cm. Der Anker hat 187 Nuten, jede 36,5 mm tief und 6,55 mm breit; in jeder Nut liegen zwei Leiter von 6 mm2 Querschnitt, jeder Leiter für 250 Ampere; an jedem Bürstensatz sind demnach 500 Ampere abzunehmen. Die Schleifen-Trommelwickelung besitzt sechs Kreise; die Enden der auf Formen gewickelten Spulen sind niedergebogen und werden von einem Endschild festgehalten. Der Stromwender mißt 53 cm im Durchmesser und ist sehr kräftig gebaut; die Stäbe werden an beiden Enden gefaßt und in der durch Eig. 295 dargestellten Weise festgeklemmt. Die Feldspulen haben je 600 Windungen eines Drahtes, der nackt 4,8, isoliert 5,2 mm mißt. Die Bürstenträger (Fig. 451b) werden von einem besonderen Ring gehalten, der unabhängig von der Maschine auf der Grundplatte steht. Der Bürstenträger besitzt zwei tangentiale Schrauben; die eine verschiebt den ganzen Ring, die andere hebt alle Bürsten gleichzeitig vom Stromwender ab.

Fig. 452 stellt eine Maschine der Maschinenfabrik Oerlikon dar, welche für die Sodafabrik in Brescia gebaut worden ist. Sie liefert

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Fig. 452. Elektrolytische Maschine der Maschinenfabrik Oerlikon für die Sodafabrik

in Brescia.

150 Volt, 3000 Ampere bei 310 Umdrehungen in der Minute. Der Ankerdurchmesser beträgt 150 cm, die Breite 40 mm; der Anker besitzt 204 Nuten mit je vier Leitern zu 3,3 X 15 mm². Der Stromwender hat 408 Stäbe. Die zwölf Magnetspulen mit je 345 Windungen aus 5,5 (isoliert 5,9) mm starkem Draht sind hintereinander geschaltet.

Tafel XIV zeigt eine der neueren elektrolytischen Maschinen der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin, welche in Rhein-felden aufgestellt ist. Sie besitzt eine senkrechte Achse und wird! von einer Turbine angetrieben. Sie hat 14 Pole, macht 63 U111-

41

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

drehungen in der Minute und gibt 4300 Ampere bei 130 bis 140 Volt. Um die Last auf dem unteren Lager zu verringern, wird sie mit Öl unter 17 Atmosphären Druck geschmiert.

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Fig. 453. Elektrolytischer Stromerzeuger von Thury (Schnitt).

Die elektrolytischen Maschinen von Thury werden von der Société de l’Industrie Electrique in Genf gebaut. Diese Firma baut seit Jahren große Maschinen für Licht und Kraft sowohl, als auch für Elektrolyse. Eine der letzteren, MPC 12 —832 — 90/120 — 208 — 4000, wird in Fig. 453 u. 454 dargestellt.

Diese Maschine, welche in Chèvres aufgestellt ist, hat senkrechte Achse und wird von einer Turbine für 1200 P mit 90 bis 120 Umdrehungen in der Minute angetrieben. Sie liefert 208 Yolt, 4000 Ampere. Magnetring und Polschuhe zeigen die eigentümliche Gestalt, wie bei allen Thury sehen Maschinen. Jede Nebenschlußspule trägt 448 Windungen eines Drahtes von 33 mm² Querschnitt

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Fig. 454. Elektrolytischer Stromerzeuger von Thury (Grundriß).

und die zwölf Spulen sind, wie gewöhnlich, hintereinander geschaltet. Der Anker besitzt 468 Nuten, deren jede einen Leiter von 120 mm2 Querschnitt enthält; die Endverbindungen werden durch Schmetterlingsverbinder von 140 cm² hergestellt.

Der Stromwender hat 100 cm Durchmesser und besteht aus 234 Stäben, welche zwei beschliffene Strecken von 390 mm besitzen; um die schweren Stromwenderstäbe gegen zu hohe Beanspruchung durch die Schwungkraft zu sichern, ist um die Mitte des Stromwenders ein stählerner Schrumpfring gelegt. Dieser Ring ist natürlich

41*

Kig-. 455. Elektrolytischer Stromerzeuger von Thury MPC 12 — 350—250 — 70 — 5000.

von der Oberfläche des Stromwenders gut isoliert. Der Strom von 4000 Ampere wird von zwölf Bürstensätzen abgenommen; jeder Satz

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besteht aus 24 Kohlenbürsten, welche in zwei Gruppen zu zwölf angeordnet sind.

Thurys elektrolytischer Stromerzeuger MPC 12 — 350 — 250, Fig. 455, liefert 70 Yolt, 5000 Ampere. Er wird angetrieben von einer Turbine mit wagerechter Achse bei 250 Umdrehungen in der

Minute. Die Zahl seiner Pole beträgt 12; sie sind aus weichem Eisen hergestellt mit Polschuhen aus Gußstahl. Jede Nebenschlußspule hat etwa 200 Windungen eines Drahtes von 28 mm² Querschnitt, und die zwölf Spulen haben in Reihe einen Gesamtwiderstand von 1,2 Ohm. Die Maschine besitzt zwei Stromwender, deren jeder 2500 Ampere bei 70 Yolt liefert; diese beiden Stromwender werden stets parallel geschaltet, wodurch die Leistung von 5000 Ampere herauskommt. Die Wickelung liegt in Nuten des Ringankers; sie besteht aus zwei unabhängigen Kreisen, jeder aus 228 Leitern in ebensoviel Nuten bestehend, so daß im ganzen 456 Nuten vorhanden sind. Die Leiter haben 67 mm² Querschnitt. Die Stromwender haben 75 cm Durchmesser, und je 228 Stäbe mit einer nutzbaren Länge von 48 cm. Der Strom wird an jedem Stromwender von zwölf Bürstensätzen, jeder zu 15 Kohlenbürsten, abgenommen.

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Tafel XXYI zeigt | eine Maschine MPC 12 yM — 410 — 250 von Alioth 19

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in Basel für elektrolytische Zwecke mit einer in Nuten versenkten 'Ringwickelung und zwei Stromwendern, welche deiPStrom von 5000 Ampere bei 82 Yolt abgeben sollen. Der

Fig. 456. Stromerzeuger von 2 KW zur Erzeugung von Metallniederschlägen; Eddy Manufacturing Company.

Ankerdurchmesser betragt 159 cm, die Länge zwischen den Endplatten 40 cm. Die Zahl der Nuten ist 312, jede 6,5 mm breit und 24 mm tief, mit einem Leiter von 4X20 mm² Querschnitt. Der Luftspalt beträgt 8,5 mm. Die Magnetkerne sind 24 cm lang. Auch diese Maschine hat zwei Stromwender, deren Durchmesser 120 cm

und Arbeitslänge 50 cm beträgt; die Zahl der Stäbe ist 156, mit einer Breite von 12,2 mm; die Glimmerisolation zwischen zwei Stäben ist 0,85 mm stark. Die beiden Wickelungen sind voneinander unabhängig.

Die Eddy Manufacturing Company in Hartford, Conn., hat 20 Jahre lang ausgezeichnete kleine Maschinen zur Herstellung von Metallüberzügen gebaut. Fig. 456 stellt eine solche Maschine dar, wie sie nun von der General Electric Company für 300 Ampere und 5 Yolt hergestellt wird.

Bei kleinen Maschinen fällt der Stromwender unverhältnismäßig groß aus. Daher empfiehlt E. K. Scott für solche Maschinen zur Erzeugung von Metallüberzügen die Innenpolkonstruktion, S. 613, Tafel XXV, bei der die Ankerleiter selbst als Stromwender dienen.

Fig. 457. Stromerzeuger der Westinghouse Gesellschaft, MPC 12 — 360 — 250, zur Kupferläuterung.

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Fig. 457 u. 458 stellen eine Westingbousesche Maschine von 360 Kilowatt für Kupferläuterung dar. Sie gibt 4000 Ampere bei 90 Volt und läuft mit 250 Umdrehungen in der Minute. Ihre Höhe beträgt 2,5 m, die Länge 3 m. Zur Abnahme der starken Ströme besitzt sie zwei Stromwender.

Eine andere Maschine mit zwei Stromwendern, MPC 8—12 — 450 — 4 — 3000, welche von der Holtzer Cabot Co. in Boston erbaut wurde uud zur Kupferläuterung in Mexiko benutzt wird, findet man beschrieben in der Electrical World, Bd. 38, S. 479,

21. September 1901.

Ein von einer Dampfmaschine angetriebener Stromerzeuger für die elektrolytische Gewinnung von Ätznatron ist von C. A. Parsons

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Fig. 458. Anker des Westinghousesehen Stromerzeugers.

& Co. in Newcastle erbaut worden und findet sich beschrieben in Engineering, 16. Oktober 1896.

Maschinen zum Laden der Sammler.

In elektrischen Kraftwerken, wo Sammlerbatterieen benutzt werden, verwendet man gewöhnlich Nebenschlußmaschinen, welche im stände sind, eine um 25 bis 30 Prozent höhere elektromotorische Kraft zu entwickeln, als diejenige, bei welcher die Entladung der Batterie stattfindet. Ihre Stromkreise werden in der Regel so angeordnet, daß die Hauptleitungen je nach Bedürfnis entweder von der Maschine und der Batterie gleichzeitig gespeist werden können, was zur Zeit des höchsten Strombedarfs geschieht, oder von jeder der beiden Stromquellen allein. (Yergl. Kapitel XXIV über die Doppelmaschinen.)

So oft eine Dynamomaschine ausschließlich zum Laden der Sammler gebraucht wird, ist es besser, sie besonders zu entwerfen, so daß ihre Magnete unter den Bedingungen des Betriebs nicht zu hoch gesättigt sind. Denn in diesem Falle wird während der Ladung die Spannung der Maschine mit der Gegenspannung der Batterie zugleich steigen, während sie annähernd die gleiche Größe behält, wenn der Magnetismus der Maschine keiner weiteren Steigerung mehr fähig ist. Das Ergebnis ist, daß der Ladestrom annähernd gleich bleibt, ohne daß ein Wärter nachzuhelfen braucht.

Anhang zum Kapitel XXI.

Zahlenangaben aus dem Gebiete der Elektrometallurgie.

Die nachfolgenden Angaben sind nützlich für die Wahl der Maschinengröße, wenn es sich darum handelt, ein Metall in gewünschter Menge abzuscheiden.

Kupfer.

1 Ampere scheidet aus

0,000 326 g in 1 Sekunde, 0,019 57 g in 1 Minute, 1,173 9 g in 1 Stunde,

851,8 Ampere scheiden aus 1 kg in 1 Stunde.

Um 100 kg Kupfer an einem Arbeitstag von 10 Stunden auszuscheiden, braucht man demnach 8518 Ampere während der ganzen Zeit. Schaltet man 10 Bäder hintereinander, so braucht man

851,8 Ampere, aber die elektromotorische Kraft der Maschine muß zehnmal so groß sein, als für das eine größere Bad. Wenn man Rohkupfer mit Kohlenanoden elektrolysiert, braucht man 1,2 Volt für jedes Bad oder höchstens 15 Volt für die 10 Bäder.

Silber.

1 Ampere scheidet aus 4,025 g in 1 Stunde,

248,8 Ampere scheiden aus 1 kg in 1 Stunde.

Gold.

1 Ampere scheidet aus 2,441 g in 1 Stunde,

409.7    Ampere scheiden aus 1 kg in 1 Stunde.

Nickel.

1 Ampere scheidet aus 1,099 g in 1 Stunde,

901.8    Ampere scheiden aus 1 kg in 1 Stunde.

Die folgenden Zahlen geben Badspannungen und Stromdicliten für die verschiedenen elektrolytischen Vorgänge:

Klemmenspannung an verschiedenartigen elektrolytischen

Bädern.

Kupfer, saures Bad ........

Kupfer, Cyanidbad.........

Silber .............

Gold..............

Messing.............

Eisen (Verstählung).........

Nickel auf Eisen, Stahl, Kupfer mit Nickelanode, anfangend mit 5 Volt, abnehmend

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Nickel auf Eisen, Stahl, Kupfer mit Kohlenanode .............

Nickel auf Zink..........

Platin..............

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Stromdichten zur Erzielung guter Niederschläge.

Ampere auf i dm²

Kupferne Druckstöcke

bester, dichter Niederschlag.......

gut und dicht (Cliché).........

gut, fest..............

fest, feinkörnig an den Ecken......

fein- und grobkörnig.........

Kupfer (Cyanidbad)..........

Zink (Läuterung)...........

Silber...............

Gold...............

Messing..............

Eisen (Verstählung)..........

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Nickel beim ersten Niederschlag 1,2 bis 1,5 4/dm², abnehmend auf...........

Kapitel XXII.

¹

Engineering, 24. Januar 1902, S. 118.

²

Zeitschr. f. Elektrotechnik, Bd. 18, S. 551, 1900.

³

Einen eingehenden Bericht über Wildes magnetelektrische Maschine findet man in Watts Electrodeposition (1886), S. 25.

⁴

Vergl. Elektrotechn. Zeitschr., Bd. 2, S. 54.

⁵

The Electrician, Bd. 21, S. 590. 1888; La Lum. électr., Bd. 21,

⁶

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Maschinen für Bogenlicht und Gleichrichter.

Wenn in einer größeren Beleuchtungsanlage ausschließlich Bogenlampen verwendet werden sollen, so pflegt man die Lampen alle hintereinander zu schalten, und zwar sogar 100 bis 200 Lampen. Man wählt eine Maschine, die bei genügend hoher Spannung eine gleichbleibende oder nahezu gleichbleibende Stromstärke liefert. Die Bogenlampen werden in der Regel für eine Stromstärke von 10 Ampere hergestellt. Manche Lampen werden für 8 oder 6, auch für 4 Ampere gebaut, aber dies sind Ausnahmen. Die als Scheinwerfer, sowie zur Verwendung auf Leuchttürmen dienenden Lampen werden für größere Stromstärken, bis zu 200 Ampere und darüber, eingerichtet. Der Lichtbogen im Gleichstromkreise läßt sich nicht stetig erhalten, wenn nicht für jede Lampe eine Spannung von etwa 40 bis 45 Volt verfügbar ist. Bei unzureichender Spannung sind die Lichtbogen unstet und geben ein zischendes Geräusch von sich. Ein stetiger Bogen verhält sich so, als ob er eine gegenelektromotorische Kraft von etwa 39 Volt ausübe.

Sollen Bogenlampen in Nebeneinanderschaltung betrieben werden, so muß in den Hauptleitungen eine größere Spannung als 45 Volt herrschen — 55 bis 60 Volt ist vorzuziehen —, damit man Zusatzwiderstände zur Stetighaltung des Stromes in jeder Lampe hinzufügen kann. Ist eine Anzahl von Bogenlampen hintereinander geschaltet, so braucht man keine Beruhigungswiderstände, da die Lampen sich gegenseitig so beeinflussen, als wenn Beruhigungswiderstände vorhanden wären. Die Reihenschaltung hat den großen Vorteil, daß an Kupfer zu den Leitungen gespart wird. Wechselstrom-Bogenlampen erfordern nur eine Spannung von 30 bis 33 virtuellen (effektiven) Volt. Bei dem Betrieb von Bogenlampen in Reihenschaltung hat die Dynamomaschine nur die Aufgabe zu erfüllen, die Stromstärke gleichbleibend zu erhalten, gleichviel, ob wenig oder viel Lampen eingeschaltet sind, während die Regelung der Länge des Lichtbogens und der Spannung an jeder Lampe durch geeignete Vorrichtungen bewirkt wird. 20 hintereinander geschaltete Bogenlampen würden demnach eine Dynamomaschine erfordern, die beim Betriebe sämtlicher Lampen eine Spannung von nahezu 1000 Volt entwickeln muß. Dann entfallen 45 Volt auf jede Lampe und 5 Volt auf den Widerstand zwischen jeder Lampe und der nächsten.

Im Jahre 1881 erfand Deprez eine Art gemischter Wickelung, mittels deren bei gleichbleibender Geschwindigkeit eine gleichbleibende Stromstärke von einer Dynamomaschine erhalten werden sollte. Dieder Anordnung zu Grunde liegende Bedingung, daß der Magnetismusproportional der erregenden Kraft ist, trifft, wie wir wissen, nur für den ersten und unstetigen Zustand der Magnetisierung zu; alle Versuche zur praktischen Herstellung einer geeigneten gemischten Wickelung sind deshalb fehlgeschlagen.

Zur Erzeugung gleichbleibender Ströme bei hohen Spannungen von 2000 bis 3000 Volt erscheinen die gewöhnlichen Ring- und Trommelanker mit geschlossener Wickelung, zahlreichen Abteilungen und einem aus vielen Stäben bestehenden Stromwender nicht recht geeignet, weil der Stromwender unter der Einwirkung der langen, von Bürste zu Bürste übergehenden Funken und unter den erheblichen Änderungen der Verschiebung, die untrennbar mit der Betriebsweiseverbunden sind, verdirbt. Nichtsdestoweniger haben einige Fabrikanten guten Erfolg gehabt (vergl. S. 674) mit dem Bau von Hochspannungsmaschinen mit Stromwendern aus vielen Stäben. Die Erfahrung spricht aber im ganzen gegen Anker von solcher Art. Es sind einfachere Formen notwendig, die nicht unter den Bedingungen des. Betriebes versagen. Diesen Formen liegt in der Regel eine andere Anordnung der Wickelung zu Grunde, indem die Wickelung keine-gesehlossene ist.

Maschinen mit offener Wickelung.

Wie auf S. 58 erörtert worden ist, lassen sich Anker herstellen, in denen die einzelnen Wickelungen oder Abteilungen der Windungen nicht zu einem geschlossenen Kreise vereinigt werden. Die Fig. 459 gibt davon ein Beispiel. Diese (zu vergleichen mit der Fig. 27, S. 55) zeigt einen aus zwei getrennten Schleifen bestehenden Anker; die Ebenen der Schleifen stehen senkrecht aufeinander, so daß, Avenn eine Schleife durch die unwirksame Lage geht, die zweite sich in der Lage der stärksten Wirkung befindet. Es besteht kein Grund, weshalb nicht für jede der beiden Schleifen ein besonderer zweiteiliger Stromabgeber, wie der in Fig. 27 abgebildete, zu verwenden wäre, auch kann gegen beide Stromabgeber ein Paar Bürsten -anliegen.

Ebenso ist aber auch klar, daß die beiden Stromabgeber zweckmäßig zu einem vierteiligen, wie Fig. 459 zeigt, zu vereinigen sind; dann sieht man zugleich, daß beim Umlauf nur eine Schleife zwischen ■den Bürsten in Tätigkeit sich befindet, die andere aber während dieser Zeit ausgeschaltet ist. Es würde natürlich die Möglichkeit vorliegen, eine beliebige Anzahl von Schleifen oder Wickelungen in ■der besprochenen Weise anzuordnen, so daß jede Schleife oder Wickelung in der Lage der höchsten Wirksamkeit durch die Bürsten

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Fig. 460. Vierteilige, offene Ankerwickelung.

Fig. 45g. Einfacher Anker mit offener Wickelung.

geschlossen wird, während alle anderen Wickelungen während der Zeit offen gehalten werden.

Es möge ein in Abteilungen bewickelter Ringanker dementsprechend angeordnet werden, so daß jedes Abteilungspaar einen besonderen Stromabgeber besitzt. Die Fig. 460 (zu vergleichen mit Fig. 84, S. 56) stellt einen derartigen Ring dar, an dem die beiden Stromwender zu einem vierteiligen Stromabgeber gestaltet sind.

Es ist zu bemerken, daß jede Wickelung rückwärts mit der diametral entgegengesetzt liegenden verbunden ist; die vorderen Enden der Wickelungen laufen zum Stromabgeber. Ferner würde •es in solchen Ankern keinen Unterschied herbeiführen, wenn die sich rückwärts kreuzenden Drähte sämtlich an dieser Stelle miteinander vereinigt werden.

Man sieht, daß hier die Stellung der Bürsten zur Lage der stärksten Wirkung nicht die gleiche ist, wie bei geschlossenen Wickelungen. Bei den letzteren liegt der Durchmesser der Stromwendung in der Nähe der Windungen mit geringster Wirkung. Bei

Ankern mit offenen Wickelungen wird der Strom unmittelbar von den Windungen, welche die stärkste Wirkung geben, abgeleitet.

Der Strom kann gleichzeitig von mehr als einer Abteilung abgenommen werden, wenn

1.    die Teile der Stromwender gegenseitig übergreifen, oder

2.    ein zweites, vorwärts oder rückwärts verschobenes Bürstenpaar

mit den Bürsten verbunden wird.

Durch Betrachtung der Fig. 461 sehen wir dies etwas deutlicher.

Diese Figur stellt einen solchen Anker dar, in dem jedoch die-Wickelungen oder Schleifen nur durch Wellenlinien angedeutet sind.

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Die Wellenlinie A C kann entweder ein Paar Wickelungen des Ringes (wie in Fig. 460) oder eine einzelne Schleife oder Gruppe-von Windungen auf einer Trommel vorstellen. Für A C ist ein Paar Stromwenderplatten vorhanden, für BD ein anderes, rechtwinkelig dazu.

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Fig. 461. Stromlauf einer vierteiligen, offenen Ankerwickelung.

Die Wickelungen A und C gelangen gerade in die Lage mm⁴ der größten Tätigkeit, sie führen den Bürsten PP' einen Strom zu. Dieser wird erst ein wenig steigen und dann abfallen. Inzwischen sind die Wickelungen B und D untätig. Nimmt jeder der vier Teile des Stromabgebers gerade ein Viertel des Umfanges ein, so ist klar daß die Ebene der Wickelung A, wenn letztere in Tätigkeit gelangt, mit mm‘ einen Winkel von 45 Grad bildet und beim Aufhören der Berülirung auf der anderen Seite wiederum 45 Grad von der Bürster entfernt ist, in allen Zwischenlagen aber mit der Bürste in Berührung bleibt; dasselbe geschieht mit jeder Wickelung, die an den Bürsten vorbeiläuft. Es wird nur dann eine augenblickliche Unterbrechung des Stromes und ein Funken eintreten, wenn die beiden aufeinanderfolgenden Teile unter der Bürste hinweggehen und die Bürste beide Teile nicht zugleich berührt.

Wenn wir uns erinnern, daß Fig. 32, S. 56, die wechselnden Ströme aus einer einzigen Schleife oder einem Paar Wickelungen,, und Fig. 33 dieselben, jedoch durch einen zweiteiligen Stromwender gerichteten Ströme dargestellt, so vermögen wir die Wirkung unserer

neuen Anordnung durch die Darstellung in der Fig. 462 zu verzeichnen. Die unterhalb der ersten Figur angegebenen Winkel sind von der neutralen Linie nn‘ ab gerechnet. Wenn die Wickelung A von der genannten Lage aus 90 Grad durchlaufen hat, so befindet sie sich in -der Lage der stärksten Induktion; weil aber der Teil A des Stromabgebers selbst 90 Grad einnimmt, so wird der Strom von 45 bis 135 Grad aufgenommen. Die schattierten Kurventeile stellen die nicht zusammenhängenden Wirkungen der Wickelungen A und C dar, die während zweier Viertel der Drehung in den Stromkreis gelangen. Die Wickelungen B und D kommen in den Zwischenräumen zur Wirkung, wie die punktierten Linien anzeigen. Die induzierten Ströme zeigen deshalb annähernden Zusammenhang, der von der Anordnung des Stromwenders und der Bürsten abhängig ist.

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Fig. 463.

Fig. 464.

Zusammensetzung der Ströme in einer vierteiligen, offenen Ankervvickelung.

Die Fig. 463 zeigt die Einwirkung von Zwischenräumen zwischen den Teilen des Stromwenders; es ist ersichtlich, daß die Ströme zwar gleichgerichtet, aber unzusammenhängend sind. Verlassen die Bürsten einen Teil des Stromwenders, und sind sie mit dem nächsten Teile noch nicht in Berührung getreten, so müßte eine beträchtliche Funkenbildung unvermeidlich werden, weil in diesem Falle immer der Stromkreis vollständig unterbrochen wurde.

Die Fig. 464 zeigt das Ergebnis, wenn die eine Berührung bereits stattfindet, ehe die andere aufhört; die induzierten Ströme sind nunmehr ununterbrochen, zeigen jedoch in ihrer Stärke noch Schwankungen. Wenn beide Wickelungspaare mit den Bürsten in Berührung stehen, so sind sie nebeneinander geschaltet. In diesem Zustande ist der Widerstand des Ankers nur halb so groß, als wenn ein Wickelungspaar eingeschaltet ist; es wird indessen erforderlich, die untätige Wickelung auszuschließen, andernfalls fließt ein Teil des Stromes unnötigerweise rückwärts durch die in Nebenschaltung befindliche untätige Wickelung. Die beiden Wickelungssätze sind während der Dauer der Nebeneinanderschaltung nicht gleichmäßig wirksam. Die elektromotorische Kraft steigt in dem einen an und fällt in dem andern ab. Kur einen Augenblick ist die Wirksamkeit gleich, und zwar dann, wenn die Wickelungen gleiche Winkel mit mm‘ bilden; zu allen anderen Zeiten sucht die größere elektromotorische Kraft der wirksameren Wickelung einen Rückstrom durch die weniger wirksame zu senden. Dies wird bis zu einem gewissen Grade durch die Selbstinduktion der weniger wirksamen Abteilung verhindert, und, wenn der Kontakt gerade in dem Augenblicke unterbrochen wird, wenn die höhere elektromotorische Kraft der einen Abteilung den Strom in der weniger wirksamen auf Null gebracht hat, wird die Stromwendung ohne Funkenbildung stattfinden.

Aus dem Gesagten wird einleuchten, daß man Anker mit offener Wickelung als Ringe, Trommeln oder Scheiben hersteilen kann, man kann sie auch in einem zweipoligen oder mehrpoligen Felde umlaufen lassen.

Die wichtigsten auf der erörterten Grundlage beruhenden Maschinen sind die von Brush und die von Thomson-Houston; es gehören aber auch einige andere in diese Abteilung der Maschinen mit offener Ankerwickelung.

Maschinen von Brush.

Die bekannteste Maschine der genannten Art ist die von Brush (Fig. 465). Die Feldmagnete sind mittels Platten aus vulkanisierter und gefirnißter Fiber isoliert. Die Kerne der Feldmagnete sind zunächst von einem dünnen Kupferbleche umgeben, dem durch Zusammenlöten der Ränder die Form einer Röhre gegeben ist. Dieser kupferne Überzug hat den Zweck, plötzliche Änderungen des Magnetismus der Eisenkerne zu dämpfen und unschädlich zu machen. Über die Kupferhüllen sind als Isolation vier oder fünf Lagen von sehr starkem, mit Schellackfirnis getränktem Papier gewickelt. In einigen Maschinen von Brush wird eine doppelte Wickelung benutzt; eine Nebenschlußwickelung, »teazer«, wird hinzugefügt, um den Magnetismus der Feldmagnete zu erhalten, wenn der Hauptstromkreis geöffnet wird. Um den Strom gleichmäßig zu halten, wird ein im Kapitel XXVI kurz beschriebener selbsttätiger Regulator eingeschaltet, welcher aus einem Kohlenwiderstand als Nebenschluß zur Feldwickelung und durch eine im Hauptstrom liegende Spule beherrscht wird.

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Der Anker hat, wie der Pacinottische Eing, vorspringende Zähne zwischen den Wickelungen, aber ungleich jener früheren Ankerform sind die aufeinanderfolgenden Abteilungen nicht zu einem geschlossenen Stromkreise miteinander verbunden.

Der Eing ist aus einem dünnen, 1,5 mm starken Eisenband hergestellt. Fig. 466 zeigt den Aufbau, in Wirklichkeit ist aber das Band viel dünner und daher die Zahl der Lagen weit größer, als es nach der Figur den Anschein hat. Das Band ist auf einen kreisförmigen Grundring A‘ aufgewunden, der in Abständen mit H bezeiclmete vorragende Querstücke von der gleichen Stärke trägt, welche die Windungen voneinander trennen, gute Lüftung zulassen und für die Aufnahme der Wickelung geeignete Vorsprünge bilden

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Fig. 466. Ankerkern einer Brushschen Bogenlichtmaschine.

sollen. Der Eing ist durch gut isolierte radiale Bolzen befestigt. Alle Eisenteile, die an den Spulendraht stoßen, sind zunächst mit einer Lage von starkem, mit Schellackfirnis getränktem Leinen bedeckt, bei Ankern der größeren Maschinen werden noch Lagen von festem, ebenso getränktem Papier hinzugefügt. Starkes Baumwollentuch trennt die zusammenstoßenden Drahtlagen voneinander, und zwar sowohl in den Ankerwickelungen, als auch in den Wickelungen der Feldmagnete.

Sämtliche Spulen werden mit der Hand in derselben Dichtung gewickelt; die inneren Enden der diametral gegenüberliegenden Spulen werden zusammengelötet und sorgfältig von allen anderen Drähten und Metallteilen isoliert. Die äußeren freien Enden jedes Spulenpaares werden getrennt längs der Achse und durch den Zapfen geführt, dann mit diametral gegenüberliegenden Teilen des Stromwenders verbunden. Für jedes Spulenpaar ist ein besonderer Stromwender vorhanden.

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Die in Fig. 465 abgebildete Maschine besitzt zwölf Spulen auf dem Anker, sechs in drei Paaren gruppierte Stromwender und drei Bürstensätze. Sie ist für 60 Lampen bestimmt, ihre elektromotorische Kraft ist 3000 Volt bei einer Geschwindigkeit von 800 Umdrehungen in der Minute.

Um die Art, wie die Wickelungsabteilungen auf dem Anker liegen, kennen zu lernen, wollen wir einen Anker betrachten, der acht Abteilungen und zwei Paar Stromwender hat. Die Methode läßt sich dann leicht auf die Maschine mit zwölf Abteilungen übertragen. Der ununterbrochene Zusammenhang zwischen den Strömen wird dadurch hervorgebracht, daß die beiden Teile des

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Fig. 467. Ein paar übereinander greifende Stromwender.

Fig. 468. Stromwender für den Anker einer Brushschen Maschine mit vier Spulenpaaren.

Stromwenders eines jeden Wickelungspaares über jene Teile des Stromwenders hinausgreifen, die zu dem im rechten Winkel zu jenem liegenden Wickelungspaar gehören; ein Paar Bürsten liegt auf beiden Stromwendern.

Die Darstellung in der Fig. 467 zeigt die Einrichtung im Schema, Fig. 468 die bauliche Ausführung.

Bis zu einer Ausdehnung von 45 Grad greifen je zwei benachbarte Teile übereinander. Jedes der beiden Wickelungspaare wird während einer Umdrehung zweimal ausgeschaltet: zweimal bildet jedes einen Kreis für sich, wenn die Bürsten an AA‘ liegen; viermal gelangt es mit dem im rechten Winkel abstehenden Paare in einen Kreis, sobald die Bürsten an B B‘ liegen.

Es sind vier paarweise gruppierte Stromwender, entsprechend den vier Spulenpaaren, vorhanden; das eine Stromwenderpaar ist

um ¹j₈ eines Umlaufes (45 Grad) gegen das zweite verschoben. Man ersieht aus der Figur, daß, während die punktiert gezeichneten Bürsten AA‘ Strom nur von einem Spulenpaar aufnehmen, die Bürsten BB‘ zu derselben Zeit den Strom von zwei Paar Spulen entnehmen. Die letzteren sind dann parallel geschaltet, weil die zugehörigen Stromwender von demselben Bürstenpaare gestreift werden. Noch eingehender ist der Vorgang aus der Fig. 469 zu ersehen, wo auch die Verbindung der Bürsten mit dem Stromkreise dargestellt wird.

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In der Figur finden sich die acht Spulen als vier Paare numeriert, jedes Paar hat seinen eigenen Stromwender, zu dem die äußeren Enden des Drahtes jeder Spule führen, während die inneren Enden querüber (in der Figur nicht sichtbar) miteinander in Verbindung stehen.

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Fig. 469 Stromlauf der Brushschen Maschine.

In der Maschine wird bei der Drehung jedes Spulenpaar ausgeschaltet, sobald es die Lage der geringsten Wirksamkeit durchläuft, d. h. in einer Lage etwas hinter der senkrechten punktierten Linie in der Mitte zwischen den Polen (Fig. 46/9), wenn die Zahl der hindurchtretenden Kraftlinien ein Maximum wird, das Verhältnis der Änderung der Linien aber ein Minimum ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die beiden Hälften des Stromwenders auf jeder Seite durch Zwischenräume von ¹/₈ des Umfanges voneinander getrennt sind. Aus der Figur ist ersichtlich, daß die beiden mit 11 bezeichnten Spulen ausgeschaltet sind; gegen keinen der beiden Teile des Stromabgebers liegen Bürsten an.

Bei dieser Lage befinden sich die Spulen 55, die rechtwinklig zu 11 stehen, in der größten Wirksamkeit; der in ihnen induzierte Strom fließt von der mit A bezeichneten Bürste (diese ist die negative) weg in die mit A‘ bezeichnete. Die letztere ist querüber mit der Bürste B verbunden, von wo der Strom abermals in den Anker tritt. Die Spulen 22 haben nun gerade die Lage der stärksten Wirkung verlassen, und die Spulen 44 beginnen, sich ihr

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zu nähern. In beiden Spulenpaaren wird deshalb Induktion stattfinden. Der in B eintretende Strom verzweigt sich, ein Teil fließt durch die Spulen 22, der andere Teil durcli 44, die Wiedervereinigung findet an der Bürste B‘ statt, von wo der Strom die Elektromagnetwickelungen zur Erregung umkreist, dann in den äußeren Stromkreis tritt und zurück zur Bürste A gelangt. Es werden also auch hier die Spulen, in welchen die Induktion am größten ist, mit solchen von geringerer elektromotorischer Kraft hintereinander geschaltet, obwohl auf einem anderen Wege als bei den Maschinen mit geschlossenen Ankerwickelungen. Bei weiterer Umdrehung gelangen die Spulen 44 in die Lage der größten Induktion, und in Hintereinanderschaltung mit den Spulen 11 und 3 3y so daß die elektromotorische Kraft der Maschine nur sehr wrenig mit dem Wechsel in der Lage der Spulen schwankt. In einigen Maschinen wird die Einrichtung derart getroffen, daß der Strom die Feldmagnete nach dem Abfluß von der Bürste A\ und ehe er in die Bürste B‘ Übertritt, umfließt. Die nachstehende Tabelle faßt die Reihenfolge der Verbindungen während einer halben Umdrehung zusammen :

Erste Lage. (Die Spulen 11 sind ausgeschaltet.)

B‘\ Eeldmagnete — äußerer Kreis — A. Zweite Lage. (Die Spulen 22 sind ausgeschaltet).

4 —B‘, Feldmagnete — äußerer Kreis —A.

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Dritte Lage. (Die Spulen 33 sind ausgeschaltet.)

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A — 1 —A¹] B

B‘\ Feldmagnete — äußerer Kreis — A. Vierte Lage. (Die Spulen 44 sind ausgeschaltet.)

A‘; B — 2 — B‘; Feldmagnete — äußerer Kreis — A.

Durch Vordrehen der Bürsten findet man den Punkt, an dem die Funken am geringsten sind.

Aus vorstehenden Betrachtungen leuchtet ein, daß die vier Spulenpaare der Maschine tatsächlich vier besondere Maschinen darstellen; jedes Paar gibt Wechselströme an einen Stromwender ab, der letztere verwandelt sie in unterbrochene Gleichströme. Die voneinander unabhängigen Maschinen sind in sinnreicher Art paarweise dadurch vereinigt, daß man ein Paar Bürsten an den Stromwendern von zwei Spulenpaaren schleifen läßt. Schließlich sind die gepaarten Maschinen hintereinander geschaltet, indem eine Verbindung von der Bürste A‘ zur Bürste B besteht

Bei der Maschine mit zwölf Spulen (Fig. 465) sind drei Paar Stromwender vorhanden; die Segmente jedes Paares sind mit vier im rechten Winkel zueinander befindlichen Spulen verbunden, und die Paare sind so auf der Welle befestigt, daß sie um je 30 Grad gegeneinander verschoben sind. Die Spulen i, 4, 7 und 10 sind mit dem ersten Paare, 2, 5, 8 und 11 mit dem zweiten, 5, 6₁ 9 und 12 mit dem dritten Paare verbunden. Fig. 470 zeigt die Art und Weise, wie die Bürsten hintereinander geschaltet sind.

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Fig. 470. Stromlauf einer Brushschen Maschine mit zwölf Spulen.

Vielpolige B r u s h - Maschinen werden auch mit direktem Antrieb gebaut. In der Centralstation der Mutual Electric Light and Power Co., Chicago, sind drei von Willansschen Dampfmaschinen unmittelbar angetriebene vierpolige Dynamomaschinen von 500 Umdrehungen in der Minute aufgestellt. Jede Maschine kann 125 in Eeihen geschaltete Bogenlampen speisen. Der automatische Regulator arbeitet so genau, daß eine beliebig große Zahl dieser Lampen jederzeit ohne Störung ein- oder ausgeschaltet werden kann. Der Anker dieser Maschinen hat bei einem Durchmesser von 99 cm 24 Spulen, d. h. sechs Satz von je vier Spulen. Jede Spule eines Satzes befindet sich in der gleichen Lage gegenüber den vier Polen; alle vier Spulen sind genau so in Reihe geschaltet, wie es die zwei Spulen bei der zweipoligen Maschine sind. Die Verbindungen mit den Stromwendern sind nach denselben Grundsätzen hergestellt, wie bei der oben beschriebenen Maschine mit zwölf Spulen, jedoch mit der Abänderung, daß hierbei ein Unterschied in der Lage der Wickelung

von 45 Grad einer Differenz von 90 Grad bei der zweipoligen Maschine entspricht. Jeder der drei Teile des Stromwenders besteht daher aus acht statt aus vier Segmenten; die einander diametral gegenüberliegenden Segmente sind miteinander verbunden.

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Fig. 471. Vierpolige Brushsche Maschine.

Ein interessantes Beispiel einer neueren Brushschen Bogenlichtmaschine zeigen die Eig. 471 u. 472. Diese Maschine leistet

76,8 Kilowatt bei 500 Umdrehungen in der Minute und dient zur Speisung von 160 Bogenlampen von 2000 Kerzen. Die Lampen sind in vier besonderen Stromkreisen angeordnet, von denen jeder von einem der vier doppelten Bürstensätze aus versorgt wird, die man in der Abbildung erkennt. Mit jedem dieser Bürstensätze, die je acht

Teile haben, sind acht Spulen verbunden. Man sieht, daß die acht Spulen zwei Anker zu vier Spulen bilden; die vier Spulen sind stets

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Fig. 472. Vierpolige Brushsche Maschine.

in der gleichen Lage zum Feld und immer hintereinander geschaltet. Jeder der beiden vierspuligen Anker wird der Reihe nach mit seinem Gefährten parallel geschaltet, dann ausgeschaltet, wieder parallel und dann allein in den Kreis geschaltet, wonach der Kreislauf von neuem beginnt.

Die Fig. 472 zeigt zwei Ringe zum Schmieren jedes Lagers und die Einzelheiten des Kammzapfenlagers mit sechs Nuten nahe dem Stromwenderende. Der selbsttätige Regulator läßt sich aus Fig. 471 klar erkennen.

Einige Versuche an Brush-Maschinen mit verschiedenen Ankerarten wurden im Jahre 1889 von Murray¹) (Melbourne) angestellt. Sie zeigten einen Wirkungsgrad von etwa 69,8 Prozent für Maschinen mit Kernplatten von 1,3 mm Stärke und von 78 Prozent bei solchen mit Kernplatten von 0,6 mm Stärke. Die Werte von 23 betrugen in den Feldmagneten etwa 4800 und in den Ankerkernen 27 000. Die Schwankungen des Stromes stellten sich auf etwa 1,5 Prozent²).

Maschine von Thomson-Houston.

Diese gleichfalls ausgezeichnete Maschine wurde von Professor Elihu Thomson und Edwin J. Houston zu Philadelphia gebaut.

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Fig. 473. Thomson-Houstonsche Bogenlichtmaschine.

Sie ist einzig in ihrer Art durch den Kugelanker mit dreiteiligem Stromwender, der sich zwischen becherartigen Polen eines nach innen gekehrten Feldmagnets dreht. Wie man aus der Fig. 473 ersieht, besteht der Feldmagnet aus zwei eisernen Röhren mit Flanschen, die an ihren inneren Enden becherartig gestaltet sind. Rohr und Becher werden als ein Stück gegossen und so ausgedreht, daß der kugelförmige Anker genau hineinpaßt. Auf den Röhren liegt die Wickelung C (7, nach deren Aufbringung die Flantschen durch schmiedeeiserne Stäbe bb verbunden eingesetzt werden, die als Joch der Magnete und gleichzeitig zum Schutze der Wickelung dienen. Die Feldmagnete ruhen auf einem Gestell, an dem sich auch die Lager für die Ankerwelle W befinden.

Die in Fig. 474 dargestellte ursprüngliche Form des Ankers hatte eine sehr bemerkenswerte Wickelung. Es waren nur drei Spulen vorhanden. Die inneren Enden der Spulen waren miteinander verbunden, von ihnen ging keine weitere Verbindung zu irgend einem Leiter aus. Die drei Drähte wurden nunmehr

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Fig. 474. Ringanker der Th o m s on- H o u s t onsehen Maschine.

über dem mit gefirnißtem Papier bedeckten Kern in drei Abteilungen, die Winkel von 120 Grad miteinander bildeten, so aufgewickelt, daß die Abteilungen im Mittel gleich weite Abstände vom Kern besaßen, wobei die einander überdeckenden Teile die äußere Form nahezu kugelförmig gestalteten. Die neuerdings gebauten Ringanker haben sechs Gruppen von Spulen, die in drei Paaren angeordnet sind. Die drei Paare sind sternförmig untereinander verbunden, drei der Drahtenden sind miteinander vereinigt, während die andern drei Enden 4er Drähte durch die hohle Welle zum Stromwender führen. Die Spulen sind einzeln auswechselbar. Sobald der Anker in der Höhlung zwischen den Polen umläuft, entstehen in jeder einzelnen Wickelung Ströme abwechselnder Richtung. Wir wollen untersuchen, wie diese durch den Stromwender gerichtet und vereinigt werden. In den folgenden Darstellungen erscheint die Drehung nach links hin gerichtet, wie sie in Wirklichkeit stattfindet, wenn man den Anker vom Stromwender aus sieht.

Die Fig. 475 zeigt die Anordnung.

A, B und C bedeuten die drei mit ihren inneren Enden verbundenen Spulen; das äußere Ende einer jeden steht mit einem Stück des dreiteiligen Stromwenders in Verbindung. P und F sind zwei positive Bürsten, P‘ und F‘ zwei negative. Der zu P und F gelangende Strom fließt zuerst durch eine Wickelung des Feldmagnets FM, gelangt zum Lampenkreis LL und kehrt durch den anderen Teil der Wickelung FM zu den Bürsten P‘F¹ zurück.

In Fig. 475, wo die neutrale Linie rechtwinklig zu ?nm‘ steht, fließt in A der Strom nach außen, in C nach innen, B ist während

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Fig. 475. Stromlauf der Th o ms on - H ous t o n sehen Maschine.

des Durchlaufens durch die neutrale Lage ausgeschaltet. Der ununterbrochene Zusammenhang zwischen den Strömen wird in der auf S. 654 erwähnten Weise dadurch erlangt, daß ein zweites Bürstenpaar F und F‘ auf die Bürsten P und P‘ folgt. Bei der gezeichneten Lage des Ankers bilden A und C ungefähr gleiche Winkel mit der Linie mm\ welche die höchste Wirksamkeit bezeichnet. Aus diesem Grunde haben die elektromotorischen Kräfte in diesen Spulen im gezeichneten Augenblicke ungefähr gleiche Größe, jedoch steigt die Kraft in A an, während die in C im Abnehmen begriffen ist. Die elektromotorischen Kräfte beider Spulen summieren sich aber, weil die letzteren hintereinander geschaltet sind. Den Augenblick darauf befindet sich A in der Lage der größten Wirksamkeit; C nähert sich rasch der neutralen Linie, ist aber noch nicht ausgeschaltet; in B beginnt wieder eine elektromotorische Kraft, während die Spule wieder eingeschaltet wird. B und C sind nebeneinander und mit A hinter-

einander geschaltet. Dann kommt Cin die neutrale Stellung und ist ausgeschaltet, während A und B hintereinander geschaltet sind, und so fort.

Wenn der Abstand zwischen den Teilen des Stromwenders dem Abstande der benachbarten Bürsten gleich ist, so wird jede Spule ausgeschaltet werden, sobald sie weiter als 60 Grad von der Lage der größten Wirksamkeit entfernt ist; die Zeit, während deren zwei Spulen parallel geschaltet sind, ist für die Praxis gleich Null. Wenn indessen die Nebenbürsten FF‘ in einem bedeutenden Winkel — etwa 60 Grad in der Praxis — hinter den Hauptbürsten PP1 liegen, so werden zwei Spulen beträchtliche Zeit parallel gehalten.

Die Regelung der Maschine zur Erhaltung eines gleich starken Stromes wird durch selbsttätige Bürstenverschiebung vervollkommnet Die jetzt angewendete Methode wird als »Rückwärts«-Regelung bezeichnet. Das zweite Bürstenpaar FF' wird nach ff¹ rückwärts geschoben, wie die Pig. 476 zeigt, während zugleich die Hauptbürsten PP¹ um einen dreimal so großen Winkel vorwärts nach pp' geschoben werden. Wenn die Bürsten nun unter normalen Bedingungen, wie vorhin festgesetzt war, also um 60 Grad, voneinander abstehen, so werden genau 120 Grad auf jeder Seite zwischen den positiven Bürsten PF und den negativen P'F‘ sich befinden; beträgt dann die genaue Länge eines jeden Stromwenderteiles 120 Grad, so wird keine Spule ausgeschaltet, und die Parallelschaltung besteht zwischen zwei Spulen durch Winkel von 60 Grad, d. h. zwei von den drei Spulen werden stets parallel und mit der dritten hintereinander geschaltet sein. Die sechs Wechselstufen sind dann:

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Falls der Strom bei einer Verminderung der Lampenzahl im Kreise zu stark ansteigt, so wird das zweite Bürstenpaar (Nebenbürsten) zurückgeschoben. Hierdurch verkürzt sich die Zeit, während deren jede einzelne Spule in der Lage der höchsten Wirksamkeit mit ihrer ganzen elektromotorischen Kraft auf den Kreis ein wirkt;

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gleichzeitig wird derZeitpunkt beschleunigt, zu dem sie mit einer vergleichsweise

Fig. 476. Stellungen des Stromwenders.

P untätigen Spule parallel geschaltet ist. Während derartiger Regelungsbewegungen wird die ganze Maschine sechsmal in \\F jeder Umdrehung auf einen Augenblick f v kurz geschlossen, indem F sich so weit gegen P', und F‘ sich so weit gegen P zurückbewegt, daß beide einen Augenblick mit demselben Teile des Strom-

wenders in Berührung gelangen.

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Tätigkeit wird unterstützt durch die Vorwärtsbewegung von Pund IV Der Hauptzweck dieser Verschiebung ist indessen die Verminderung der Funkenbildung. Wenn der Strom zu schwach wird, so müssen

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Fig. 477. Stromlauf der Th o m s o n-H o us ton sehen Maschine mit dem Regulator.

•die Bürstenpaare näher zusaramengelegt werden, wodurch die Zeit, während deren die wirksamsten Spulen parallel zu den weniger wirksamen sich befinden, abgekürzt wird.

Regulierungsyorrichtung. Die Vor- und Rückwärtsbewegung erfolgt durch die in der Fig. 477 dargestellte Vorrichtung. Die selbsttätige Bewegung bewirkt ein Elektromagnet P, dessen para-boloïdisch geformter Pol den Anker A infolge der Stromwirkung anzieht. Für gewöhnlich ist der durch einen Nebenschluß kurz geschlossene Elektromagnet E untätig und tritt nur in Wirksamkeit, wenn der Nebenschluß sich öffnet. An einer passenden Stelle des Hauptkreises befinden sich zwei Solenoide; die zugehörigen Kerne sind durch ein Joch verbunden und werden von einer Feder halten; an dem Joche sitzt der Kontakthebel S. Wird der Strom zu stark, so öffnet sich der Kontakt bei T, der Magnet E gelangt in Tätigkeit und hebt den Arm A. Während des Betriebes schwingt der Hebel S auf und ab und ändert die Bürstenlage entsprechend den Bedingungen im Stromkreise. Ein aus Kohle bestehender Nebenschluß r von hohem Widerstand vermindert die Funkenbildung zwischen T und S. Es könnte erwartet werden, daß an dem nur dreiteiligen Stromwender die Funken, die beim Vorbeilaufen der Teile an den Bürsten entstehen, sehr bald die Oberfläche des Stromwenders zerstören. Dieser Schwierigkeit ist von Thomson in kühnster Weise abgeholfen worden. Durch ein kleines, auf der Achse hinter dem Stromwender angebrachtes mechanisches Gebläse wird durch einen genau gegen die richtige Stelle geführten und zur richtigen Zeit eintretenden Luftstrom der Funken gelöscht.

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Die drei Teile des Stromwenders sind durch Zwischenräume getrennt. Gegenüber jeder Hauptbürste ragt ein Rohr hervor; jedes dieser Rohre entsendet während jeder Umdrehung dreimal einen Luftstrom.

Vorteile der Maschinen mit offener Wickelung.

Die beiden hervortretendsten großen Maschinen mit offener Wickelung — die von Brush und Thomson-Houston — scheinen gewisse Eigenschaften zu besitzen, die sie gerade als Stromerzeuger für gleichbleibenden Strom zu Beleuchtungsanlagen mit Bogenlicht geeignet erscheinen lassen. Ein bedeutender Teil aller Bogenlampen der Welt wird durch die eine oder die andere dieser Maschinen betrieben. Es möchte scheinen, als ob Maschinen mit geschlossener Wickelung, seien solche nun Maschinen mit Ring- oder Trommelanker, nicht so zweckmäßig zur Hervorbringung der notwendigen hohen elektromotorischen Kräfte Verwendung finden können. Der Stromwender (ein unerläßlicher Zusatz zur Maschine mit geschlossener Wickelung) mit seinen zahlreichen parallelen, durch Glimmer isolierten Stäben unterliegt einer schnellen Zerstörung, sobald er der unvermeidlichen Funkenbildung und den bedeutenden Bürstenverschiebungen ausgesetzt ist, die mit der Lieferung eines Stromes von gleichbleibender Stärke untrennbar verbunden sind. Für diese Art der Verteilung elektrischer Energie halten die in diesem Kapitel beschriebenen einfachen, durch Luft isolierten Stromwender am besten gegen Abnutzung stand. ■Gegen die Vorteile ist indessen der etwas geringere Wirkungsgrad der Maschinen mit offener Wickelung in Anrechnung zu bringen.

Einige Versuche an Maschinen mit geschlossener Wickelung sind von Owen und Skinner in den »Proceedings of the American Inst. Electric. Engineers« 1893 veröffentlicht.

Die Induktionskurven im Anker einer Maschine von Thomson-Houston sind von Milton E. Thompson³) untersucht worden. Er fand, daß bei voller Belastung der gesamte Strom sechsmal bei jedem Umlauf zwischen 5 und 8 Ampere schwankte, die mittlere Stromstärke betrug 6,8 Ampere. Die Schwankungen der elektromotorischen Kraft in jeder einzelnen Wickelung waren sehr be-merklich, die Kurven waren unregelmäßig und fielen zwölfmal in jedem Umlauf bis nahe auf Null.

Die Westinghousesche Bogenlichtmaschine gleicht einem zwei-phasigen Wechselstromerzeuger mit umlaufendem Anker, dessen Spulen aus vielen Windungen bestehen und über große T-förmige Zähne gewackelt sind. Die Spulen jeder Phase liegen in Reihe und jede Reihe ist an ihren Enden zu einem gleichrichtenden Stromwender geführt. Die Eeldmagnete werden aus einer besonderen Stromquelle von 125 Volt erregt. Die Maschine für 75 Lampen, welche 650 Umdrehungen in der Minute macht, erzeugt 9,5 Ampere bei 3750 Volt. Die hohe Ankerrückwirkung macht einen besonderen Regulator überflüssig.

Andere Maschinen für Bogenlicht.

Bradley baute eine Maschine mit geschlossener Ringwickelung, bei welcher die Schwierigkeit der Stromwendung bei hoher Spannung dadurch umgangen ist, daß vier verschiedene Stromwender angebracht wurden, welche in Reihe miteinander verbunden waren. Eine Maschine von ähnlicher Bauart, welche Hurmuzescu für Prüfzwecke konstruierte, ist in der vorigen Auflage dieses Buches beschrieben worden.

Maschine von Sperry. Diese Maschine für Bogenlicht besitzt einen Grammeschen Anker. Ein unterscheidendes Merkmal dieser Maschine bildet die Verwendung von inneren und äußeren Polstücken. Sie war in den früheren Ausgaben dieses Werkes abgebildet.

S. 773, 1891.

Maschine von Wood. Auch dies ist eine abgeänderte Grammesche Maschine¹). Zur Verhinderung der Funkenbildung ist eine Hilfsbürste fünf bis zehn Abteilungen vor der abnehmenden Bürste angebracht; die Spannung wird durch eine Anordnung geändert, wodurch die Bürsten vorwärts geschoben werden. Der Abstand zwischen der Hilfsbürste und der hinter ihr liegenden ist veränderlich ; •er ist klein, wenn die Stromwendung in starkem Felde vor sich gehen soll, und groß bei schwachem Felde, so daß stets funkenlose Stromwendung gesichert ist. Die größte Station für Bogenlicht, die Station in St. Louis (Missouri), besitzt 53 dieser Maschinen, von denen jede 60 Lampen betreiben kann.

Wegen weiterer Bogenlichtmaschinen mit geschlossener Ankerwickelung wird auf die früheren Auflagen dieses Buches verwiesen.

Crocker²) fand, daß es bei Maschinen für hohe Spannung mit geschlossener Wickelung besser ist, Kohlenbürsten zu verwenden, da Kupferbürsten das Isolationsmaterial zu sehrangreifen; auf letzterem entsteht ein dünner Kupferüberzug, welcher die Funkenbildung begünstigt. Er baute mit Erfolg Dynamomaschinen, welche nur 108 Teile am Stromwender besitzen und 11000 Volt liefern können.

Abfallende Charakteristiken.

Eine viel angewendete Methode beim Bau von Bogenlichtmaschinen soll näher erläutert werden, wenn sie auch an und für sich die Gleicherhaltung des Stromes nicht gewährleistet.

Auf S. 300 ist auf die abfallende Gestalt der Charakteristiken gewisser Maschinen mit Reihenwickelung aufmerksam gemacht worden. Wenn diese Wirkung genügend erhöht wird, so ist klar, daß der abfallende Teil der Charakteristik annähernd einem gleichbleibenden Strom entspricht. Die abfallende Charakteristik ist für den stetigen Betrieb von hintereinander geschalteten Bogenlampen von Bedeutung (vergl. S. 315).

Die Ursachen, aus denen der Abfall der Charakteristik von Reihenmaschinen nach Erreichung einer maximalen Höhe erfolgt, sind: 1. die entmagnetisierende Wirkung des Ankerstromes, sobald eine positive Verschiebung der Bürsten vorhanden ist; 2. die Sättigung des Ankereisens und des Feldmagnetes; 3. die Zerstreuung der magnetischen Linien vom Feldmagnet aus; 4. die besonderen An-

1)    Vergl. Electr. World, Bd. 12, 23. April 1887 und Bd. 14, S. 54 u. 260, 1889; ferner Bd. 17, S. 4, 1891.

2)    Electrical Congress, Chicago, 24. August 1893.

Ordnungen zur Stromwendung in gewissen Maschinen — z. B. bei den beschriebenen Maschinen mit offener Wickelung —, infolge deren die elektromotorische Kraft mit der den Bürsten erteilten Lage erheblich schwankt; 5. der hohe innere Widerstand und die Selbstinduktion. Da die entmagnetisierende Wirkung des Ankerstromes nahezu proportional der Stromstärke und dem Sinus des Verschiebungswinkels ist, und da dieser Winkel selbst nahezu proportional der Stromstärke im Anker ist, so folgt, daß die gesamte entmagnetisierende Wirkung nahezu proportional dem Quadrate der Stromstärke im Anker ist.

Es bedeute in der Fig. 478 die Kurve E₁ die elektromotorische Kraft (bei gegebener Geschwindigkeit), wenn die Feldmagnete besonders erregt werden und der Anker-Éi kreis offen ist; dies schließt die oben unter 2 und teilweise die unter 3 genannten Wirkungen ein. Es werde /^ferner eine Kurve, deren Ordinaten proportional ia² sind, gezeichnet, um die \Ez entmagnetisierende Wirkung des Ankerstromes darzustellen. Aus beiden Kurven erhalten wir die Kurve E₂ als abfallende Charakteristik. Einen Übelstand bei allen Maschinen dieser Klasse bildet die

Fig. 478. Abfallende Charakteristik.

Funkenbildung an den Bürsten infolge der Veränderlichkeit des Verschiebungswinkels. Die Wirkung des Abfalls der Charakteristik läßt sich bis zu gewisser Ausdehnung durch Ein

schaltung eines Widerstandes von 1 bis 2 Ohm in den äußeren Stromkreis erreichen. Dieser ist einem inneren Widerstande, der zur Erhitzung des Ankers beiträgt, vorzuziehen. Der Hilfswiderstand muß aber auf einen eisernen Kern gewickelt werden, da die Selbstinduktion zur Stetighaltung des Stromes von Bedeutung ist.

Gleichrichter.

Der Erfolg der Maschinen mit offener Wickelung hat die Erfinder dazu geführt, Maschinen zu entwerfen, welche aus einem Verteilungsnetz für Wechselstrom Ströme abnehmen, die zum Betrieb von Bogenlampen in Reihen geeignet sind.- Solche Maschinen, welche man Gleichrichter nennt, bestehen aus drei Teilen: einem besonderen Transformator, der einen Wechselstrom von gleichbleibender Stärke liefert; einem umlaufenden gleichrichtenden Stromwender, der aus mehreren mit Luft isolierten Stäben besteht und dessen unpaarzahlige Stäbe untereinander und mit dem einen Pole des Wechselstromkreises verbunden sind,, während die paarzahligen gleichfalls untereinander verbunden sind und an dem andern Pol des Wechselstromkreises liegen; einem synchronen Wechselstrommotor, um den Stromwender zu betreiben. Der letztere muß so viel Stäbe haben, als am Motor Pole vorhanden sind. Am besten bekannt von diesen Gleichrichtern ist der von Ferranti, während der von Pollak zum Laden von Sammlern verwendet worden ist.

Kapitel XXIII.

Besondere Gattungen von Dynamomaschinen.

In diesem Kapitel werden folgende besondere Gattungen von Dynamomaschinen betrachtet:

a)    Maschinen mit besonders hoher Spannung;

b)    Maschinen mit besonders hoher Geschwindigkeit (Dynamo

maschinen mit Dampfturbinen, Turbogeneratoren);

c)    Maschinen mit besonders geringer Geschwindigkeit (Er

regermaschinen);

d)    Doppelstrommascbinen;

e)    Dreileitermaschinen und Maschinen für mehrere Span

nungen ;

f)    Homopolar- (Unipolar-) Maschinen.

Maschinen mit besonders hoher Spannung,

Bei allen Gleichstrommaschinen, deren Betriebsspannung 1000 Yolt übersteigt, muß auf die gute Isolation aller Teile die äußerste Sorgfalt und Aufmerksamkeit verwandt werden.

Für Kraftübertragung mit Gleichstrom auf große Entfernungen und für Laboratoriumszwecke werden manchmal Maschinen mit sehr hoher Spannung verlangt. Crocker hat eine Maschine gebaut, welche 0,3 Ampere bei 10000 Voit lieferte, und deren Stromwender aus 108 Teilen bestand. Eine Gleichstrommaschine von außerordentlich hoher Spannung, welche für das physikalische Laboratorium der Sorbonne von der Société Cail gebaut worden war, ist in der letzten Auflage dieses Werkes abgebildet werden. Die normale Leistung dieser Maschine beträgt 2 Ampere bei 3000 Yolt, aber sie hat eine Spannung von 4000 Yolt mit Leichtigkeit geliefert. Es sind auf derselben Welle vier Ringanker montiert, von denen jeder bei 1500 Umdrehungen in der Minute 750 Yolt gibt. Die Wickelung besteht aus 160 Teilen von je 66 Windungen, so daß 10 560 Drähte auf dem

Umfang des Ankers liegen. Jeder Stromwender hat 20 cm Durchmesser und besteht aus 160 Segmenten, so daß zwischen zwei Segmenten nur ein Maximum von 10 Yolt besteht. Der Widerstand der Ankerwickelung beträgt 128 Ohm.

Die Fig. 479 a und 479 b stellen eine besonders interessante Maschine von Brown, Boveri & Co. für hohe Spannung dar: MP 4 — 20 — 700 — 1000 — 20.

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Fig. 479a. Hochspannungsmaschine von Brown, Boveri & Co.

Die wichtigsten Angaben über diese Maschine sind im nachfolgenden zusammengestellt: Äußerer Durchmesser des Magnetrings 89 cm, Länge parallel zur Achse 29 cm; Gußstahl. Die Magnetkerne sind rund und haben 19 cm Durchmesser. Kerne und Polstücke sind durch einen einzigen stählernen Bolzen am King befestigt; dies wird möglich dadurch, daß sowohl der Ring an den Sitzflächen der Magnetkerne, als diese letzteren und die Polschuhe auf der Drehbank rund bearbeitet werden. Der Anker, von dem Fig. 479b einen Schnitt gibt, hat 38 cm Durchmesser und ist zwischen den Endscheiben 25 cm lang; er trägt 59 Nuten mit 1416 Leitern, also 24 Leiter in jeder Nut, welche in zwei besonders umhüllten Sätzen

zu zwölf Leitern angeordnet sind. Der Draht ist rund und besitzt isoliert einen Querschnitt von 4,5 mm², nackt von 2,4 mm²; die Dicke-

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Fig. 479b. Anker der Hochspannungsmaschine von Brown, Boveri & Co.

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der Isolation zwischen dem Leiter und dem Eisen des Kerns beträgt

1,8 mm. Die Wickelung ist in zwei Kreisen in Reihenparallelschaltung

ausgeführt, wie auf S. 368 beschrieben. Auf die gute Isolation der Stirn Windungen und Verbindungen ist die größte Sorgfalt verwandt. Der Aufbau des Stromwenders ist indessen der bemerkenswerteste Teil der Maschine. Da nur 20 Ampere abzuführen sind, konnte der Frage der Isolation die ganze Aufmerksamkeit des Erbauers zugewandt werden. Es sind 177 Stromwenderstäbe vorhanden, das sind •drei für jede Nut. Die Klemmplatten an den Enden des Stromwenders sind ungewöhnlich stark ausgebildet. Zwischen den Stäben wird Glimmer von 0,9 mm Stärke verwandt; die Isolierringe an den Enden dringen weit in die Stromwenderstäbe ein und sind nicht, wie sonst bei Maschinen von niedriger Spannung, am Umfang bündig mit den Stäben. Im ganzen ist der Aufbau sehr einfach, insbesondere der des Stromwenders; alles liegt offen, und es bietet sich wenig Gelegenheit zur Ansammlung von Staub und Sdunutz, welche zu einer Zerstörung der Isolation führen kann.

Thury, welcher stets befürwortet hat, für die Kraftübertragung Gleichstrom zu verwenden⁴), hat eine Maschine für 1 Ampere bei 23 000 Volt entworfen. Der Anker ist der äußere Teil und steht fest, während im Innern ein zweipoliger Magnet umläuft, der von einer kleinen zweipoligen Maschine gewöhnlicher Bauart für 8 Ampere und 80 Volt erregt wird. Der Anker gleicht einigermaßen dem . Ständer eines Induktionsmotors; die Wickelung besteht aus 48 Spulen, welche in 48 auf der Innenfläche des Kinges eingeschnittenen Nuten untergebracht ist. Die Spulen werden auf Schablonen gewickelt und bestehen aus 500 Windungen eines mit Seide isolierten Kupferdrahtes von 0,5 mm Stärke. Zur Isolation der Nuten dient ein besonderes Papier. Der innere Widerstand des Ankers beträgt 700 Ohm. Die Spulen sind miteinander zu einem geschlossenen Kreis verbunden, der symmetrisch mit einem hohlen, feststehenden Stromwender aus 96 Stäben verbunden ist. Gegen die innere Fläche dieses Stromwenders legen sich zwei umlaufende Metallbürsten an. Die Stromwenderstäbe sind durch einen Luftspalt isoliert; anfangs wurde ein Luftstrom verwandt, um den sich etwa bildenden Lichtbogen auszublasen. Aber diese Einrichtung wurde aufgegeben zu Gunsten einer Schaltung mit Kondensatoren zwischen je zwei benachbarten Stäben. Die innere Bohrung des Ankers hat 58 cm Durchmesser. Der Feldmagnet läuft mit 600 Umdrehungen in der Minute.

Maschinen für sehr hohe Geschwindigkeit.

Stromerzeuger, welche von Dampfturbinen angetrieben werden oder von Elektromotoren in der Verbindung als Motorgenerator, müssen meistens mit sehr hoher Geschwindigkeit laufen und sind deshalb mit besonderer Rücksicht auf diesen Umstand zu entwerfen. Die äußerste Sorgfalt muß auf genauen Massenausgleich des Ankers verwandt werden; die Stäbe des Stromwenders müssen besonders gegen die Wirkungen der Schwungkraft gesichert werden, was da-

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Fig. 480a. Stromerzeuger für hohe Geschwindigkeit; Maschinenfabrik Oerlikon.

durch geschieht, daß man die Mitte des Stromwenders mit einem isolierten Schrumpfring umgibt. Kohlenbürsten lassen sich wegen der hohen Umfangsgeschwindigkeit nicht verwenden und daher müssen die Feldmagnete Ausgleichswickelungen (S. 241) nach Ryan oder Déri⁵) erhalten.

Fig. 480 a und 480 b stellen einen Stromerzeuger dieser Art dar, welcher von der Maschinenfabrik Oerlikon für einen Motorgenerator erbaut worden ist. Diese Maschine MP 4 — 342 — 1000 liefert 570 Ampere bei 600 Yolt. Da dies eine Frequenz von

33¹j₃ Per/sec ergibt, fallen die Eisenverluste höher als gewöhnlich aus. Der Durchmesser des Ankerkernes beträgt 70 cm, die volle Länge 30 cm. Er hat 80 Nuten, die 4 cm tief und 1,34 cm breit sind; jede Nut enthält sechs Leiter, zu drei neben- und zu zwei übereinander, jeder im Querschnitt 2,5 X 1,6 mm². Der Anker trägt eine Schleifenwickelung, deren Schritte yl = 103, //₂ == — 101 sind. Die Schwungkraft beträgt an der Ankeroberfläche etwa 391 kg auf 1 kg Masse. Der Luftspalt ist 10 mm weit. Der Polbogen macht 73.5 Prozent des Polstandes aus. Die Polstücke sind von besonderer

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Fig. 480b. Stromerzeuger für hohe Geschwindigkeit; Maschinenfabrik Oerlikon.

Bauart; sie sind aus gestanzten Blechscheiben zusammengesetzt, in denen Nuten von 3,85 X 0,9 cm² angebracht sind, um die Ausgleichswickelung aufzunehmen. Jeder Pol enthält 20 Nuten, und in jeder Nut liegen zwei Leiter, welche parallel geschaltet sind; jeder Leiter ist 0,3 cm dick und 3,2 cm breit. Der Draht der Nebenschlußwickelung auf den Feldmagneten hat einen Durchmesser von 4,8 mm nackt, 5,2 mm isoliert. Der stählerne Feldring hat einen äußeren Durchmesser von 139 cm. Der Durchmesser des Stromwenders ist 40 cm, die ganze Länge 28 cm; es sind 240 Stäbe, jeder am Umfang 4,5 cm breit. Ein Stahlring umgibt den Stromwender, um zu verhindern, daß die Stäbe abgeschleudert werden.

Eine neue, von der Maschinenfabrik Oerlikon erbaute Dynamomaschine zur Verbindung mit einer Dampfturbine zeigt Tafel XXI

Teile davon die Fig. 481a und 481b. Am Feldring sitzen vier Haupt- und vier Hilfspole, welche durch Bleche verbunden sind. Die vier Hauptpole tragen Spulen aus 1300 Windungen eines Drahtes, der nackt 2,6, isoliert 2,9 mm stark ist; die Spulen der Hilfspole bestehen aus 11 Windungen Kupferband von 3,4X145 mm². Die Eisenkerne der Hauptpole sind 40X7 cm² und die der Hilfspole

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Fig. 481a. Feldring und Gehäuse des Turbogenerators der Maschinenfabrik Oerlikon.

37 X 4 cm² im Querschnitt. Das Gehäuse und die Hauptpole bestehen aus Grauguß. Der Anker (Fig. 481 b) besitzt eine Schleifenwickelung mit Ausgleichleitern, in 40 Hüten von 21 X 60 mm² liegend; in jeder Hut sind sechs Leiter aus Kupferband (4X18 mm²) untergebracht. Die Wickelung wird durch eine zentrierte Buchse verschalt, um sie gegen die Schleuderkraft zu sichern. Der Stromwender besitzt 120 Stäbe, die durch 0,8 mm starken Glimmer getrennt sind.

Fig. 481a zeigt das Gehäuse der Maschine. Man erkennt die Pole und die übergeschobenen Bleche, wodurch eine Röhre gebildet

wird. Die Kühlluft wird durch den mit dem Anker verbundenen Lüfter (in Tafel XXI am rechten Ende des Ankers zu erkennen) angesaugt und wird durch diese Röhre, entlang der Eisenbleche des Ankers, geführt. Ein zweiter Luftstrom führt durch einen am unteren Teil des Gehäuses angebrachten Kanal und bläst aus dem um das Gehäuse gehenden Druckraum längs des ganzen Umfangs gegen den Stromwender. Bei den neuesten Ausführungen wird außerdem die Luft durch einen Kanal bis unterhalb des Stromwenders geführt und bläst von unten dagegen. Die Maschine lief bei den Proben bei allen Belastungen ohne Bürstenverstellung funkenlos.

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Fig. 481b. Anker des Turbogenerators der Maschinenfabrik Oerlikon.

Fig. 482 zeigt eine Turbodynamomaschine der Si einen s-Schuckertwerke, welche in Mühlhausen in Thüringen aufgestellt worden ist. Zum Antrieb dient eine von der Firma Esch er, Wyß & Co. in Zürich nach der Zöllyschen Bauart hergestellte Dampfturbine; sie ist in zwei Maschinensätzen, einem Hochdruck-und einem Xiederdrucksatz, ausgeführt und entwickelt bei 9 Atmosphären Admissionsspannung und 3000 Umdrehungen 600 P. Yon den Gleichstromerzeugern leistet der eine 330 Kilowatt bei 220 Yolt und arbeitet auf das Lichtnetz der Stadt, der andere leistet 100 Kilowatt hei 500 Yolt und dient dem Bahnbetrieb. Beide Generatoren unterscheiden sich im konstruktiven Auibau nur durch die der Leistung entsprechenden verschieden großen Abmessungen. Das Gehäuse ist mit vier Hauptpolen ausgerüstet, die mit Nebenschlußerregung versehen sind und das vierpolige Hauptfeld erzeugen. Zwischen den Hauptpolen sind Hilfspole (Wendepole) angebracht, die vom Hauptstrom durchflossen werden und in der neutralen Zone ein für die Stromwendung günstiges Feld herstellen. Die Erregung der Wendepole kann mit Hilfe eines zur Wendepolwicklung im Nebenschluß liegenden, auf dem Grundrahmen neben den Stromwendern aufgestellten regulierbaren Widerstandes auf die günstigste

Stärke eingestellt werden. Die Pole bestehen aus dünnen, durch Papier isolierten Blechscheiben, von denen die der Hauptpole pol-

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schuhartige Ansätze besitzen; sie werden durch Mete zusammengehalten und durch Schraubenbolzen mit dem Magnetgehäuse aus Stahlguß verschraubt. Der Anker besteht gleichfalls aus dünnen.

mit Papier beklebten Bleckscheiben, die auf den gußeisernen Ankerkörper aufgesetzt und durch zwei seitliche Druckringe und hindurchgezogene Schraubenbolzen zusammengepreßt werden. Der Trommelanker trägt eine Wickelung, welche in den Nuten durch Keile, auf den Wickelungsträgern durch konisch aufgezogene Bronzeringe dauernd und sicher in ihrer Lage festgehalten wird. Am Stromwender sorgen isoliert aufgezogene Schrumpfringe für einen starren Zusammenhalt. Die Isolation zwischen den einzelnen Stäben wird durch Mikanitstreifen, zwischen Stromwender und Welle durch Mikanithülsen gebildet. Gegenüber den Stromwendern der mit mittlerer Geschwindigkeit laufenden Maschinen fallen die Stromwender der Turbogeneratoren ziemlich lang aus, da man die erforderliche-kühlende Oberfläche bei dem geringen Durchmesser des Stromwenders nur durch große Längenabmessungen erreichen kann. Die Stifte, auf denen die Bürstenhalter befestigt sind, werden in zwei gußeisernen Ringen gehalten, die in einem auf der Grundplatte angebrachten Gestell zum Einstellen der Bürsten durch eine Schnecke mit Handrad gedreht werden können. Das Gehäuseist seitlich vollkommen durch abnehmbare Deckel verschlossen, so daß vom umlaufenden Teil nur der Stromwender zu sehen ist. Dieses vollkommene Einschließen des Ankers hat den Zweck, die-Berührung stromführender Teile zu vermeiden und der Maschine ein ruhiges Aussehen zu verleihen, vor allem aber eine zwangläufige Luftführung und damit möglichst vollkommene Lüftung zu erzielen. Die Luft wird aus einem Kanal im Fundament auf der Antriebsseite der Maschine seitlich vom Anker eingesaugt und durch eine Öffnung des Gehäuses oben abgeblasen. Die Lager sind zweiteilig ausgeführt und mit Weißmetall ausgegossen. Zur Schmierung wird ihnen Öl unter 1 bis 2 Atmosphären zugeführt. Zur Kühlung wird die untere Lagerschale von Wasser bespült.

Eine Turbodynamo von Brown, Boveri & Co. ist in Fig. 483a und 483 b dargestellt. Sie leistet 100 Kilowatt (450 Ampere, 220 Volt} und wird von einer Parsonsschen Dampfturbine mit 3500 Umdrehungen in der Minute angetrieben. Der Ankerkörper hat einen Durchmesser von 35 cm und ist auch 35 cm lang. Die Umfangsgeschwindigkeit beträgt nicht weniger als 64 m/sec, die Schleuderkraft an der Oberfläche 2400 kg auf 1 kg Masse. Um die Leiter an ihrem Platz zu halten, sind besondere Kappen aus Kanonenmetall auf die Ankerenden aufgesetzt. Der Stromwender, welcher von drei warm aufgezogenen Stahlringen umgeben wird, hat 18,2 cm Durch-

messer und ist nicht weniger als 55 cm lang, wovon 38 cm auf die Geschliffene Länge kommen. Diese ungewöhnliche Länge rührt da-

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Fig. 483a. Turbogenerator von Brown, Boveri & Co. für ioo Kilowatt, 22oVolt, Maßstab i ; io.

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lier, daß es unbedingt erforderlich ist, die Umfangsgeschwindigkeit zu ermäßigen, welche immer noch 33 m/sec beträgt; die erforderliche Berührungsfläche muß also durch die größere Längenausdehnung geschaffen werden. Noch auffallender ist der Aufbau der Feldmagnete; denn es sind keine ausgesprochenen Pole oder Joche vorhanden, es gibt nur einen Ring, der aus gestanzten Blechen zusammengesetzt ist. Die Bleche sind mit Löchern versehen, durch welche die Kupferspulen gehen, ähnlich wie beim Ständer eines Induktionsmotors. Der äußere Durchmesser der Maschine beträgt 55 cm. Die Magnetisierungsspulen gehen durch Löcher, welche vier Quadranten

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Fig. 483b. Turbogenerator von Brown, Boveri & Co. für 100 Kilowatt, Volt, Maßstab

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1:10.

umgeben, so daß vier Pole gebildet werden. Der Polstand ist

27,5 cm und der berechnete Polbogen 21,9 cm. Unter den Magnetisierungsspulen sind die Polflächen, oder genauer die ganze innere Oberfläche des Magnetrings mit 64 Löchern versehen, welche eine Ausgleichswickelung nach D é r i schein Muster*) aufnimmt. Weitere Angaben über diese Maschine waren nicht- zu erhalten. Die Kraftliniendichte im Luftspalt beträgt etwa 6200 und die spezifische Belastung des Ankers nur etwa 80 Ampereleiter auf 1 cm Umfang. Bei so geringer Umfangsdichte würde man die Maschine nicht mit

:S0 kleinem Luftspalt bauen dürfen, ohne zugleich die Ausgleichswickelung anzuwenden.

Eine kleine Turbodynamo für die Kopflichter der Lokomotiven (30 Ampere, 33 Volt) ist in der Electrical Review (New York) vom Mai 1903, Bd. 42, S. 621) beschrieben worden.

Maschinen mit sehr geringer Geschwindigkeit.

Yon solchen Maschinen gibt es zwei Arten: 1. Große Maschinen von erheblicher Leistung, welche von einer Wasserturbine bei geringem Gefälle getrieben werden sollen; 2. Erregermaschinen, welche auf die Achse eines großen, langsam laufenden Wechselstromerzeugers gesetzt werden sollen.

Die ersteren sind ausgezeichnet durch zahlreiche Pole und großen Durchmesser; sonst ist aber nichts Eigentümliches an ihrem Aufbau, da sie in der Hegel eine Umfangsgeschwindigkeit von üblicher Größe erreichen. Was die Erregermaschinen betrifft, so haben diese in der Kegel nur geringe Leistungen zu liefern, und es hätte daher keinen Sinn, sie für hohe Umfangsgeschwindigkeit zu entwerfen. Daher sind sie stets im Verhältnis zur Leistung groß. Sie besitzen gewöhnlich vier oder sechs Pole und werden meist mit Reihenparallelwickelung versehen, um die Zahl der Bürstensätze zu vermindern. Als Beispiel ist in Eig. 432 auf S. 599 eine Maschine von Kolben abgebildet. Niethammer hat sich über die Gesichtspunkte, wrnlche bei dem Entwurf von Maschinen mit sehr hoher und sehr geringer Geschwindigkeit zu beachten sind, in der Elektrotechnischen Zeitschrift vom 15. Mai 1902, Bd. 23. S. 437, ausgesprochen.

Maschine für gleichbleibende Stromstärke und - Richtung.

Bei der elektrischen Beleuchtung von Eisenbahnzügen entsteht die Aufgabe, eine Dynamomaschine zu entwerfen, deren Stromrichtung von der Drehrichtung unabhängig ist, und die bei starken Veränderungen der Geschwindigkeit ihre Spannung nicht wesentlich ändert.

Eine derartige Maschine ist von E. Rosenberg⁶) angegeben worden. Um ihre Wirkungsweise besser zu verstehen, wollen wir zunächst eine andere Einrichtung betrachten, bei der wir zwei Maschinen benutzen, deren Anker auf derselben Welle sitzen; die -eine ist die Hauptmaschine, die andere ihre Erregermaschine. Das

Feld der letzteren wird aus einer Sammlerbatterie gespeist, hat also stets denselben Sinn. Infolgedessen wechselt die Stromrichtung der Erregermaschine mit der Drehrichtung. Bei der Hauptmaschine wird demnach bei einem Wechsel der Drehrichtung gleichzeitig auch das Feld umgekehrt; also bleibt hier die Stromrichtung ungeändert. Um auch die Höhe der Spannung und Stromstärke zu beeinflussen, kann man die Erregung der Hilfsmaschine zusammensetzen aus der gleichbleibenden Erregung durch die Sammlerbatterie und einer ihr entgegenwirkenden Hauptstromwickelung, welche im Ankerstromkreis der Hauptmaschine liegt. Wenn bei nachlassender Drehgeschwindigkeit der Hauptstrom abnimmt, steigt dann die Felderregung, so daß die Spannung annähernd gleich bleibt.

Es handelt sich nun darum, diese beiden Maschinen zu vereinigen, d. h. aus einer Maschine, deren Polrichtung gleichbleibt, einen Strom (für die Felderregung) zu entnehmen} dessen Polarität mit der Drehrichtung wechselt.

Fig. 484. a.

Maschine mit Fremderregung und kurzgeschlossenem Anker.

Wenn wir eine Maschine mit Fremderregung an den Bürsten kurz schließen (Fig. 484a), so können wir bei genügend schwacher Erregung im Anker leicht eine Stromstärke erhalten, welche nicht höher ist, als sie der Anker im regelmäßigen Betriebe liefert. Dieser Ankerstrom erzeugt ein Querfeld, welches nun aber beträchtlich stärker ist, als das — als schwach vorausgesetzte — Hauptfeld. Das Querfeld hat auf den Kurzschlußstrom keinen unmittelbaren Einfluß; legen wir aber noch zwei Bürsten an, deren Ebene zu der der ersten senkrecht steht, so können wir hiervon einen Strom abnehmen, der seinerseits nur vom Querfeld abhängt. Die Richtung des letzteren wird durch die Drehrichtung bestimmt. Demnach würde der Strom, der vom zweiten Bürstenpaar abgenommen werden kann, in seiner Richtung von der Drehrichtung unabhängig sein; denn Drehrichtung und Feldrichtung ändern sich zugleich.

Dieser zweite Strom nun erzeugt abermals ein Querfeld, welches gegen das erste Querfeld um 90 Grad, gegen das schwache Hauptfeld um 180 Grad gedreht ist; es würde also, da es erheblich stärker als letzteres ist, das Hauptfeld umkehren. Um dies zu vermeiden, wollen wir die Erregung durch den Sammlerstrom von vornherein so stark wählen, daß auch bei der stärksten Stromentnahme am

zweiten Bürstenpaar das ursprüngliche Hauptfeld immer noch nicht überwältigt wird, vielmehr stark genug ist, einen ausreichenden Kurzschlußstrom an dem ersten Bürstenpaar zu erzeugen.

Es entsteht hiernach folgende Anordnung (Fig. 484b): Aus der Sammlerbatterie Q werden die beiden Magnetisierungsspulen ff gespeist; ihr magnetischer Kreis hat nur geringen Eisenquerschnitt, da ja nur verhältnismäßig wenig Kraftlinien zu erzeugen sind. Die Pole des Hauptfeldes werden durch die Buchstaben ns angegeben. Das vom Kurzschlußstrom erzeugte Querfeld bringt die Pole NS hervor. Das zweite Bürsten paar wird mit den Polen der Sammlerbatterie

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   Journ. Inst Electr. Engin., Bd. 19, S. 710, November 1889.

²

   Wegen weiterer Prüfungen siehe Thurston im Journal of Franklin Institute, Oktober 1886. Vergleiche auch ein kleines Büchlein, betitelt Elec-trical Engineers’ and Students’ Chart and Handbook of tlie Brusli Are Light System« von H. C. Reagan jun. (New York 1895).

³

Electr. World, Bd. 17, S. 392, 1891, und Electr. Review, Bd. 28,

⁴

Wyßling, Elektrotechn. Zeitschrift, Bd. 23, S. 1003, 1902, beschreibt einen Stromerzeuger für 340 Kilowatt bei 2250 Volt.

⁵

Engl. Patent Nr. 4784 (1900).

⁶

Elektrotechnische Zeitschrift 1905, Heft 16, S. 393.

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Fig- 484b.

Schema der R o senb e r g sehen Maschine.

Fig. 484 c.

Felder der Rose n b e r g sehen Maschine.

verbunden und die gemeinsame Leitung zu den Lampen weitergeführt.

Wir wollen nun das Verhalten dieser Maschine im Betrieb betrachten. Die Erregung durch die Sammlerbatterie ist gleichbleibend und werde nach Größe und Richtung durch die Linie 0 in Fig. 484c dargestellt; indem der Anker sich in diesem Felde dreht, wird zwischen den kurzgeschlossenen Bürsten ein der Drehungsgeschwindigkeit proportionaler Strom erzeugt, welcher das erste Querfeld 01 hervorbringt. An dem zweiten Bürstenpaar, den Hauptbürsten, herrscht nun eine Spannung, welche sowohl der Drehgeschwindigkeit, als dem ersten Querfeld proportional ist. Der hier abgenommene Hauptstrom erzeugt das zweite Querfeld Olf welches dem Hauptfeld entgegen wirkt; hierbei wird vorausgesetzt, daß das letztere stets größer sei wie das erstere.

Fig. 484c möge die Verhältnisse bei einer bestimmten Geschwindigkeit angeben. Der äußere Widerstand des Kreises (Lampen) sei gleichbleibend. Nun wollen wir die Maschine schneller laufen lassen. Man möchte annehmen, der Kurzschlußstrom und damit das Querfeld 01 würden infolgedessen stärker, was zur Folge hätte, daß auch der Nutzstrom anwüchse; daraus aber würde sich ein Anwachsen des Querfeldes 077, d. h. eine Schwächung des ursprünglichen Feldes ergeben, was wieder der Verstärkung des Kurzschlußstromes entgegen wirken würde. Sobald also der Nutzstrom anwächst, werden die magnetischen Felder entsprechend schwächer. Die Maschine ändert in der Tat ihre Spannung und Stromstärke nicht, wenn die Geschwindigkeit in weiten Grenzen schwankt; denn die

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Fig. 48+ d. Stromstärke der Ro s enb er gschen Maschine bei veränderlicher Geschwindigkeit.

Steigerung der Geschwindigkeit wird stets von einer ebenso starken Abnahme des Feldes begleitet und umgekehrt. Bei einer Änderung der Geschwindigkeit von 2400 Umdrehungen in der Minute auf 800 nahm der Strom nur um 12 Prozent ab.

Fig. 484d stellt die Ergebnisse von Messungen dar, bei welchen durch Änderung der Erregung aus der Sammlerbatterie acht verschiedene Zustände der Maschine hergestellt werden. Man sieht, daß stets von einer gewissen Geschwindigkeit an der Strom der Maschine nur noch sehr wenig von der Geschwindigkeit abhängig ist.

Schaltet man die Maschine nicht mit der Sammlerbatterie parallel, sondern läßt sie nur auf einen gleichbleibenden Widerstand arbeiten, so erhält man für Strom und Spannung ähnliche Kurven, wie in Fig. 484d, nur ist der Abfall weniger steil, und die Kurven gehen durch den Nullpunkt.

Wenn man die Maschine ohne Sammler verwenden will, muß man den Ausgleich des zweiten Querfeldes durch eine Hauptstromwickelung herbeiführen.

44

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Man kann die Maschine noch auf verschiedene andere Arten benutzen, wobei sie merkwürdige Eigenschaften zeigt; hierüber möge

sich der Leser aus dem angeführten Aufsatz von Rosenberg unterrichten.

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Fig. 484 e. Zweipolige Maschine von Rosenberg für Zugbeleuchtung.

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Eine zweipolige Maschine dieser Art stellt Pig. 484 e dar. Sie ist dazu bestimmt, an einem großen Eisenbahnwagen befestigt und durch einen Riemen von der Radachse aus angetrieben zu werden. Man erkennt das im Querschnitt schwache Eisengestell der Maschine, die verhältnismäßig schweren Polschuhe, die Spulen, welcheletztere umgeben. Die Polschuhe sind in der Mitte etwas eingekerbt,, damit auch bei kleinen Ungenauigkeiten in der Bürstenstellung der Strom bei Rechts- und Linkslauf stets derselbe ist. Funken entstehen an diesen Bürsten nicht;, denn das Feld, in dessen Mitte sie stehen, ist nur ganz schwach. Im Betrieb der Zugbeleuchtung muß durch einen selbsttätigen Ausschalter oder Aluminiumzellen dafür gesorgt werden, daß bei langsamer Fahrt oder Stillstand kein Strom aus den Sammlern in die Maschine gelangt.

Doppelstrommaschinen.

Mit diesem Namen bezeichnet man Maschinen, welche sowohl einen Stromwender als auch drei Schleifringe haben, so daß sin

Gleichstrom und Drehstrom gleichzeitig abgeben können. Beispiele solcher Maschinen sind auf S. 588 und 616 bis 618 beschrieben worden (Brownsche Maschine in Alloa und Schiffsmaschinen von Ganz).

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Ein neueres Beispiel ist der Stromerzeuger in dem Kraftwerk am Trafford Park, welcher von der Electrical Co. (A. E. G.) in London erbaut worden ist. Als Gleichstrommaschine würde sie die Bezeichnung MP 20 — 600 —

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180 zu erhalten haben, und bei dieser Geschwindigkeit ist ihre Frequenz 30 Per/sec.

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Dies ist niedrig, aber nicht zu niedrig, für Drehstrom. Die Spannung zwischen den Schleifringen beträgt 325 bis 350 Yolt. Der Ankerkern hat etwa 230 cm Durchmesser und 43 cm Länge.

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Fig. 485. Doppelstrommaschine der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft.

Eig. 485 zeigt einen Schnitt. Der Ankerkern ist aus 15 Segmenten zusammengebaut; das Blech ist 0,5 mm stark und mit dünnem Seidenpapier isoliert, welches nur 0,025 mm aufträgt; auf je 50 solcher Blechscheiben folgt zur besseren Trennung ein Blatt Packpapier von 0,25 mm Stärke. Der Kern enthält auch zwei Lüftungsschlitze. Jedes Kernsegment hat 31 Nuten und an jedem Ende noch ¹j₂ Nut, im ganzen 480 Nuten, deren Tiefe

2,8 cm und deren Weite 0,55 cm beträgt. Die Wickelung besteht aus 480 auf der Form hergestellten Spulen, jede aus zwei Windungen; der Leiter hat rechteckigen Querschnitt von 3X4 mm². Die beiden Windungen jeder Spule liegen in der Nut übereinander, so daß vier Leiter auf die Tiefe der Nut kommen. Die Wickelungsschritte sind

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yl — 97, y₂ — 97 ; dies ergibt eine Wellenwickelung mit zehn parallelen Stromwegen. Der Stromwender besitzt 960 Stäbe. Der Bürstensteller für die Gleichstromseite wird von einem Arm getragen, der am Magnetring angeschraubt ist, der für die Wechselstromseite wird von dem Lagerbock getragen. Auf der Gleichstromseite werden Kohlenbürsten, für die Wechselstromseite Kupferbürsten verwendet. Die Erwärmung nach einejn achtstündigen Betrieb mit voller Last darf nach der Gewährleistung nicht mehr als 70 Grad F. (38,8 Grad C.) betragen. Die Schleifringe sind mit symmetrischen Punkten der Wickelung verbunden.

Die Vorteile der Doppelmaschinen sind folgende: 1. sie können an beide Arten von Motoren gleichzeitig Strom liefern ; 2. bei gleicher Erwärmung vermögen sie mehr Strom zu liefern, als wenn dieselbe Maschine nur Drehstrom hergäbe; 3. die Gleichstromseite ist vorzüglich geeignet, um an Verbrauchsstellen nahe beim. Kraftwerk Strom zu liefern, die Drehstromseite versorgt mit Vorteil die ferner gelegenen Teile der Anlage, nachdem der Drehstrom auf höhere Spannung transformiert worden ist. Der Nachteil besteht darin, daß die Frequenz, welche für Drehstrom geeignet ist, etwa 30 bis 50 Per/sec, für eine gute Gleichstrommaschine zu hoch ist; oder in anderen Worten, die Maschine muß mehr Pole erhalten, als es für eine Gleichstrommaschine am vorteilhaftesten ist. An den Mont-

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morency-Fällen bei Quebec liefern Westinghousesche Maschinen Gleichstrom von 550 Volt an die naheliegenden elektrischen Straßenbahnen und Zweiphasenstrom von 400 Volt mit einer Frequenz von 60 Per/sec an Transformatoren, welche eine entfernte Unterstation speisen. Ähnliche Maschinen, jede zu 1000 Kilowatt, werden für die Third Avenue Bailway in New York benutzt.

Dreileitermaschinen.

Wenn man ein Dreileiternetz mit beispielsweise 220 Volt auf jeder Seite zu speisen hat, so sieht man in der Regel zwei Dynamomaschinen, jede zu 220 Volt, vor; sie werden in Reihe geschaltet, wobei der positive Pol der einen an den negativen der anderen kommt; an diesen Vereinigungspunkt wird der Mittelleiter angelegt. Nach einem anderen Verfahren benutzt man einen einzigen Stromerzeuger für 440 Volt und versieht das Kraftwerk mit einem Paar Ausgleichsmaschiuen (vergl. das nächste Kapitel). Diese umständliche Anordnung läßt sich vermeiden, wenn man besondere Maschinen verwendet, welche zwei Ströme, z. B. von 220 Volt, liefern, wobei

durch eine geeignete Schaltung die beiden Stromkreise hintereinander gelegt werden.

Es gibt verschiedene Arten, dies auszuführen:

1.    Die Maschine wird mit zwei gleichen Ankern auf einer Welle gebaut, welche geschaltet werden können, als wären es getrennte Maschinen, obgleich sie nur einen Feldmagnet haben.

2.    Der Anker wird mit zwei getrennten, gleichen Wickelungen versehen und erhält zwei Stromwender, an jedem Ende einen. Die Bürsten werden wie im vorigen Fall geschaltet.

3.    Die Maschine, welche die volle Spannung liefert, z. B. 440 Volt, wird so entworfen, daß es möglich ist, eine »dritte Bürste« oder richtiger einen neutralen Bürstensatz an den Stromwender in der Mitte zwischen positiver und negativer Bürste anzulegen; an diesen neutralen Bürstensatz schaltet man den Mittelleiter. Solche Maschinen nennt man- Dreileitermaschinen. Die Aufgabe ist in solchen Fällen, den Entwurf so zu führen, daß die Stromabnahme an der Zwischenbürste funkenlos vor sich geht. Um dies zu erreichen, muß ein geeignetes Umkehrfeld geschaffen werden. Für kleine Maschinen genügt es nach Sayers, die Pole zu schlitzen (S. 633). Aber für große Maschinen ist dies nicht auszuführen.

Ein anderer Weg ist, jeden Pol in zwei getrennte Pole aufzulösen. Fig. 486 zeigt eine für diesen Zweck gebaute Maschine von Pöge. Diese Maschine hat alle Eigenschaften zweier hintereinander geschalteter Stromerzeuger. Sie liefert 150 Ampere bei 2 X 250 Volt und läuft mit 500 Umdrehungen in der Minute. Äußerlich gleicht sie einer achtpoligen Maschine; aber die Magnetspulen sind so geschaltet, daß je zwei aufeinander folgende Pole gleiches Vorzeichen haben, so daß in Wirklichkeit eine vierpolige Maschine entsteht. Der Anker besitzt eine vierpolige Wickelung; die vier Bürstensätze nehmen die gewöhnliche Stellung ein, zwei sind positiv und zwei negativ. Aber zwischen diesen liegen noch weitere vier Bürsten, tvelche alle untereinander und mit dem Mittel-Jeiter verbunden sind. Die Magnetwickelung ist gleichfalls in zwei Teile zerlegt, wovon ein Teil seinen Strom von den Außenleitern, der andere vom Mittel- und einem Außenleiter empfängt.

Ähnliche Maschinen sind von Rothert¹) für die Lahmeyersehe Firma entworfen worden. Um eine gute Regulierung zu erhalten, soll man die vorderen Hälften der Pole in Reihe schalten und diese

Reihe zwischen den Mittelleiter und den einen Außenleiter legen, während die hinteren Hälften der Pole gleichfalls in Reihe und dann zwischen den Mittelleiter und den anderen Außenleiter geschaltet werden.

4. Einen anderen Weg, die ganze Spannung einer Maschine in zwei Hälften zu zerlegen, verdanken wir Dobrowolsky J). Er ver-

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■ Fig. 486. Dreileitermaschine von Pöge in Chemnitz.

bindet die Wickelung mit einem Paar Schleifringe, als ob ein Wechselstrom abgenommen werden sollte, oder mit drei Schleifringen, als wenn eine Doppelstrommaschine zu bauen wäre. Die Schleifringe werden dann untereinander und mit dem Mittelleiter verbunden durch einen Ausgleicher, der aus zwei (oder drei) Drosselspulen besteht. Diese Einrichtung bewährt sich nur bei Unterschieden in der Belastung der beiden Netzhälften, welche 15 bis 20 Prozent nicht übersteigen.

Weitere Abhandlungen über Dreileitermaschinen und ihre Verallgemeinerung zu Vielspannungsmaschinen findet man in:

Girault, Eclairage électrique, Bd. 14, S. 204, 1898; Aliamet, Electrical Review, Bd. 40, S. 95, 1897;

Sengel, Elektrotechnische Zeitschrift, Bd. 20, S. 525, 1899: Rushmore, Electrical Review (New York), Bd. 32, S. 76, 1898; American Electrician, Bd. 10, S. 498; Electrical World, Bd. 31, S. 183, 1898.

Homopolar- (Unipolar-) Maschinen.

In den Fällen, wo sich der Leiter beständig zwischen gleichnamigen Polen bewegt, spricht man von homopolarer Induktion; bewegt sich der Leiter von einem Nordpol zu einem Südpol oder umgekehrt, so nennt man diese Bewegung eine heteropolare. Letztere gibt natürlich Wechselströme, wofern nicht ein Stromwender vorhanden ist. Homopolare Bewegungen bewirken eine gleichmäßige Induktion von elektromotorischer Kraft, wenn das Feld ebenfalls gleichmäßig ist, da die Drehung des Leiters ein beständiges Schneiden ■der magnetischen Linien ohne Richtungsänderung bewirkt; in solchen Fällen müssen Schleifringe zum Abnehmen des Stromes angebracht werden. Maschinen, welche durch gleichmäßige homopolare Induktion Ströme lieferten, wurden früher als »Unipolar«-Maschinen¹) bezeichnet. Wenn der homopolare Vorgang, wie bei Mordeys und einigen der »Induktor«-Wechselstrommaschinen, absichtlich unterbrochen wird, indem die Polflächen in getrennte Stücke geteilt und der Leiter abwechselnd vor- und rückwärts quer durch das Feld aufgewickelt wird, entsteht natürlich eine abwechselnd gerichtete Induktion.

Die älteste, mit einigem Recht als Dynamomaschine (Fig. 1, S. 9) zw bezeichnende Vorrichtung — die umlaufende Kupferscheibe von Faraday — gehört in der Tat dieser Klasse an, ebenso seine anderen Maschinen mit Schleifverbindungen, wie der über dem Pole eines Magnetes umlaufende Kupferzylinder (Fig. 3, S. 10) und andere. PKicker²) gab eine andere Form an, mit horizontalem umlaufenden Magnet und gleitenden Kontakten in der Mitte und an jedem Ende. Im Jahre 1862 baute Varley einen homopolaren Apparat mit einem

Eisenmagnet, der in einem senkrechten Gestell umlief und eine Quecksilberverbindung im mittleren Teile besaß. Um das Jahr 1878 ^ entwarf Werner Siemens eine Homopolarmaschine mit zwei Kupferzylindern; jeder der letzteren lief um einen Pol eines U-förmigen Elektromagnetes. Zur Vermeidung von Wirbelströmen waren beide Zylinder der Länge nach aufgeschlitzt. Ein zweiter Elektromagnet mit vorstehenden Polstticken gebogener Porm, die oben und unten die Zylinder umfaßten, befand sich zwischen letzteren. Jeder Zylinder lief demnach zwischen einem inneren und äußeren Pole entgegengesetzter Polarität um und schnitt die Kraftlinien ununterbrochen durch Gleiten über dem inneren Pol. Der Strom dieser Maschine war sehr stark, besaß aber nur wenige Volt Spannung. Zur Herabdrückung des Widerstandes lagen gegen jedes Ende der Zylinder zahlreiche Sammelbürsten an. Die Maschine wurde in Oker zur Niederschlagung von Kupfer verwendet. In neuerer Zeit wurde dieser Maschinenform viel Aufmerksamkeit gewidmet. Der Verfasser selbst hat eine Form hergestellt, in der zwei Scheiben nach Faraday, die an ihren Peripherieen außerhalb eines inneren feststehenden Polstückes verbunden waren, in einem symmetrischen gleichförmigen Felde umliefen.

Willoughby Smith zeigte, daß bei Verwendung einer eisernen Scheibe an Stelle einer Kupferscheibe eine wesentlich stärkere Wirkung erzielt wurde.

Forbes³ 4) hat auch verschiedene Maschinen dieser Klasse angegeben. Ursprünglich begann er mit der Anwendung einer Eisenscheibe, die zwischen zwei Backen von entgegengesetzter Polarität umlief; der Strom wurde von ihrer Peripherie entnommen. Dann verdoppelte er die Teile, schließlich vereinigte er die beiden Scheiben zu einem Zylinder, der innerhalb eines Feldmagnetes mit Eisenmantel umlief. Aus diesem Grunde zog der Erfinder vor, die

Form der Maschine als »unpolar« zu bezeichnen. Ein reibender Kontakt

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Kapitel XXIII.

federnder Metallstreifen an Enden angebracht. Eine der früheren Formen der Maschine besaß eine einzelne Scheibe von 45,7 cm Durchmesser und sollte 3117 Ampere bei einer Spannung von 5,8 Volt und 1500 Umläufen in der Minute liefern. Eine der späteren Maschinen, deren Anker ein Eisenzylinder

von 22,8 cm Durchmesser und 20,3 cm Länge bildet, war zur Abgabe von 10 000 Ampere bei 1 Volt Spannung und 1000 Umläufen in der Minute bestimmt.

Beim Entwurf solcher Maschinen muß man sich erinnern, daß die Spannung durch die Formel

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ausgedrückt wird, wo v die lineare Geschwindigkeit des bewegten Leiters (Zentimeter per Sekunde), l die Projektion seiner Länge (Zentimeter) auf die Richtung der Bewegung und 33 die magnetische Dichte ist. Z. B. wird ein Kupferzylinder von 20 cm Länge, der sich in einem Felde von 10000 Linien auf das Quadratzentimeter mit einer Geschwindigkeit von 4000 cm in der Sekunde dreht, 8 Volt induzieren. Die elektromotorische Kraft solcher Maschinen nimmt, bei gleichbleibender Geschwindigkeit, mit dem Quadrat des Durchmessers zu. Die vor dem Jahre 1885 entstandenen wichtigen Formen sind von Uppenborn im Centralblatt für Elektrotechnik für 1885, S. 324,. beschrieben und erläutert worden.

Die Theorie der unipolaren Scheibenmaschine wurde von Lord Kelvin⁵) entwickelt. Kelvin zeigt, daß eine solche Maschine nur bei einer gewissen Geschwindigkeit selbsterregend wirkt, die vom Widerstand des Kreises abhängt.

Bei diesen Maschinenformen treten anscheinend besonders zwei Schwierigkeiten auf, nämlich einmal die Schwierigkeit, die starken Ströme am Umfang abzunehmen, und dann die Überwindung der sehr beträchtlichen Gegenwirkungen des Ankers, von denen die starken Ströme begleitet werden. Dieser Übelstand verursacht einen bedeutenden Abfall der Spannung⁶ 7), sobald die Stromstärke ansteigt. Der Abfall läßt sich nur durch dieselben Mittel vermeiden, wie solche für alle anderen Formen der Dynamomaschinen zweckmäßig erscheinen, d. h. dadurch, daß man den Feldmagnet verhältnismäßig kräftig macht und die Gegenwirkungen des Ankers durch Anwendung einer gemischten Wickelung ausgleicht.

C. E. L. Brown hat die in Fig. 487 dargestellte Maschine entworfen, welche in den Werken zu Oerlikon hergestellt worden ist. Ein kupferner Zylinder läuft zwischen den Lippen eines gußeisernen

Elektromagnetes mit Eisenmantel um. Die Maschine lieferte bei 1200 Umläufen in der Minute eine Spannung von 10 Yolt und zeigte

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Fig. 487. Homopolarmaschine von Brown.

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Fig. 488a. Homopolarmaschine von Rankin Kennedy.

“kaum einen wahrnehmbaren Spannungsabfall, wenn 3000 Ampere -entnommen wurden. Dies ist die erste praktisch brauchbare Homopolarmaschine.

Eine neuere Maschine ist die von Rankin Kennedy {Fig. 488a, b, c), welche von den früheren dadurch abweicht, daß

bei ihr mehrere der Induktion unterworfene Leiter an den Bürsten in Reihe geschaltet sind. Die Maschine besitzt als Anker eine

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-eiserne Trommel mit zwölf isolierten Zylindersegmenten aus Kupfer, welche mit 1200 Um-

drehungen in der Minute im Felde eines Magnetes der abgebildeten Art umläuft.

Die Trommel mißt

Fig. 488b. Homopolarmaschine von Rankin K en nedy (magnetischer Kreis).

30,5 cm im Durchmesser und mit den Polflächen ebenso viel in der Länge; sie lieferte 2000 Ampere bei 2,5 Yolt für jeden Ankerstab. Es mußten indes zwei- bis dreimal mehr Stäbe verwandt werden, als induziert wurden, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Die Hintereinanderschaltung der Ankerstäbe zeigt die abgewickelte Fig. 488 c.

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Fig. 488c. Homopolarmaschine von Rankin Kennedy (Abwickelung des Ankers).

Fig. 489 a. Homopolarmaschine von Noeggerath (magnetische Anordnung).

Neuerdings hat Noeggerath¹) in Verbindung mit der General Electric Co. auf diesem Gebiet einen bemerkenswerten Erfolg erzielt, indem er eine Homopolarmaschine für 300 Kilowatt und 500 Voit erbaute, die von einer Curtisschen Dampfturbine angetrieben wurde und mit gutem Wirkungsgrade lief.

Kapitei XXIII.

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Fig. 489b. Noeggerathsche Homopolarmaschine, angetrieben von einer Dampfturbine. (Aus „Elektrotechnische Zeitschrift" 1905.)

Fig. 489 a zeigt die Anordnung der Maschine im Schnitt, Fig. 489b die Ansicht der Maschine, welche mit der Dampfturbine verbunden ist, Fig. 489c den Anker allein.

Das Gehäuse mit den Polvorsprüngen und der Ankerkörper bestehen aus Stahlguß; der Ankerkern ist nicht unterteilt. Auf der Außenseite des Ankerkerns sind zwölf flache, etwa 30 cm lange Leiter befestigt, jeder nahezu 30 Grad des Zylinderumfangs bedeckend. Jeder Leiter ist nach Fig. 489d mit zwei Schleifringen verbunden; die 24 Schleifringe sieht man in der Abbildung des Ankers (Fig. 489c) zu beiden Seiten des Ankerkörpers angeordnet. Zur Hintereinander-

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Fig. 489c. Anker der Noeggerathsehen Homopolarmaschine. (Aus „Elektrotechnische Zeitschrift" 1905.)

Schaltung der Leiter dienen Bürsten Bx und B₂ in Fig. 489d, und Kabel R, welche auch in Fig. 489 a und 489 b zu erkennen sind.

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In Fig. 489 d wird dargestellt, wie der Strom des Ankerleiters sich in den beiden Bingen verzweigt; da die Berührungspunkte mit den Bürsten sehr rasch ihren Ort verändern (die Maschine macht 3000 Umdrehungen in der Minute), so erzeugen die wechseln- ^, den Ströme der Schleif- I ringe im benachbarten K,

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Fig. 489 c!. Stromverzweigung in den Schleifringen einer H omopolarmaschine.

(Aus „Elektrotechnische Zeitschrift“ 1905.)

Eisen Wirbelströme und hysteretische Yerluste.

Um dies zu vermeiden, hat Noeggerath die Punkte, in denen die Ankerleiter an die Ringe angeschlossen sind, und die Berührungspunkte der Bürsten mit den Bingen in bestimmter Weise angeordnet. Die ersteren sind nämlich regelmäßig verteilt auf einer Schraubenlinie, welche die Achse mehrmals umkreist, die letzteren auf einer ebensolchen Schraubenlinie, aber von entgegengesetztem Drehungssinn. Daß die Leiter flach sind und mit ihren Rändern einander fast berühren, hat den Yorteil, daß das Ankerfeld nahezu keine radialen Komponenten enthält, welche geeignet wären, infolge ihrer raschen Bewegung im Körper des umgebenden Gehäuse» Wirbelströme zu erzeugen. Da die Ankerleiter und zugehörigen Rückleiter Eisen einschließen, haben sie eine erhebliche entmagnetisierende-Wirkung, die durch Erhöhung der Erregung ausgeglichen werden muß.

Die Schleifringe bestehen aus Gußstahl; je zwölf sind auf einegemeinsame Hülse aufgesetzt.

Das äußere Gestell der Maschine ist ein Zylinder mit acht Öffnungen und vier nach innen vorspringenden Polstücken; die Magnetisierungsspulen liegen im Innern (S, Eig. 489 a); der Weg der Kraftlinien ist in Fig. 489 a punktiert angegeben.

Im Betrieb ergab die Maschine bei etwa 3000 Umdrehungen in der Minute einen Verlust von etwa 1,2 Kilowatt an den Schleifringen und im ganzen bei voller Last einen Wirkungsgrad von 90 Prozent. Das Gewicht der Maschine war etwa das gleiche wie-bei gewöhnlichen Maschinen derselben Leistung, ebenso die Zahl der Bürsten (24). Maschinen dieser Art scheinen bei hohen Drehungsgeschwindigkeiten für manche Zwecke geeignet zu sein.

Andere brauchbare Formen homopolarer Maschinen haben H. E. Heath, Electr. World, Bd. 35, S. 210, 1900 und F. E. Elmorer Engl. Patent Nr. 26673 (1901) beschrieben; die letzterwähnte Maschine diente elektrolytischen Zwecken.

Der Entwurf der Homopolarmaschine ist von Crocker und Parmly durchgesprochen worden in einer Abhandlung, welche in der Electr. World, Bd. 23, S. 738, 1894 abgedruckt worden ist; sie empfehlen dort den Namen * Gleichpolmaschinen«. Sie stimmen mit den meisten Schriftstellern darin überein, daß sie Leiter aus-Eisen oder Stahl in dergleichen Maschinen für vorteilhafter halten,, als solche aus Kupfer.

In den letzten Jahren haben die homopolaren Maschinen viel Interesse erregt, doch ist ihre Theorie noch nicht völlig klar. Es dürfte genügen, Bezug zu nehmen auf die Schriften von Tolver Preston¹), Hering²), Arnold³), Hoppe⁴), Puluj⁵), Lecher⁶),. Grotrian⁷) und Emde⁸).

1)    Phil. Mag., Februar und März 1885, und Februar 1891.

2)    Electr. World, Bd. 23, S. 53, 1894.

3)    Elektrotechn. Zeitschrift vom 7. März 1895.

4)    Wied. Ann., Bd. 29, S. 544, 1886; und Bd. 32, S. 288, 1887.

5)    Wiener Akad. 1888.

6)    Wied. Ann., Bd. 54, S. 276 bis 304, 1895.

7)    Drudes Ann., Bd. 6, S. 794, 1901; Bd. 10, S. 270, 1903.

8)    Elektrotechnische Zeitschrift, Bd. 24, S. 577, 1903.

Manche Leute scheinen noch immer zu denken, daß eine Gleichstrommaschine ohne Stromwender oder Schleifringe gebaut werden könne. Ihre Vorstellungen sind in der Regel unfruchtbar, weil sie sich auf trügerische Folgerungen aus einer unvollkommenen Kenntnis der wissenschaftlichen Grundlagen stützen, wie z. B. daß-die induzierte elektromotorische Kraft von der Kraftlinienmenge abhängt, während sie doch der Geschwindigkeit proportional ist, mit der die Kraftlinienmenge sich ändert.

Kapitel XXIV.

Doppelmaschinen.

Doppelmaschinen sind drehbare Vorrichtungen, durch welche Umsetzungen bewirkt werden, welche durch stillstehende Apparate .sich nicht erreichen lassen. Sie zerfallen in zwei Klassen, und zwar:

1.    Maschinen zur Umsetzung eines Gleichstromes von beliebiger

Spannung in einen Gleichstrom von anderer Stärke und Spannung.

2.    Maschinen zur Umsetzung eines Gleichstromes in einen ein

phasigen oder mehrphasigen Wechselstrom oder umgekehrt. In jedem Falle besteht die Vorrichtung im wesentlichen aus •der Verbindung eines Stromerzeugers mit einer Triebmaschine.

Gleichstrom-Transformatoren.

Im Jahre 1874 erbaute Gramme eine Maschine mit einem Ringanker, der zwei Wickelungen (Stromkreise) besaß; die eine bestand aus starkem, die andere aus dünnem Draht mit der achtfachen Windungszahl. Zwei besondere Stromabgeber waren mit den beiden Wickelungen in Verbindung. Man konnte diese Maschine zur Umsetzung hoher auf niedrige Spannung oder umgekehrt benutzen. Weniger bequem läßt sich das gleiche Ziel durch Vereinigung der Anker von zwei Maschinen auf derselben Welle benutzen; die eine Maschine treibt dann die andere, die als Stromerzeuger dient; die Maschinen können getrennte Feldmagnete oder auch einen gemeinschaftlichen Feldmagnet besitzen. Solche Maschinen nennt man Motorgeneratoren oder auch Motordynamos⁸), eine Maschine, deren

Anker zwei Wickelungen besitzt, nach dem Vorgang des Verbandes Deutscher Elektrotechniker Umformer¹). Sie arbeiten fast funkenlos, weil die Gegenwirkungen der beiden Spulensätze einander aufheben. Der Feldmagnet wird gewöhnlich im Nebenschluß zur Ankerwickelung für die niedrige Spannung erregt.

Swinburne hat verschiedene mögliche Schaltungen erörtert, u. a. auch eine zur Umsetzung eines gleichbleibenden Stromes für Verteilung bei Gleichspannung. Hauptsächlich sind bislang Transformatoren für Gleichstrom nur in den Fällen verwandt worden, wo man bei Kraftübertragungen durch Verwendung hoher Spannungen an Kupfer in den Hauptleitungen sparen wollte. Laurence, Paris, und Scott²) haben in England Gleichstrom-Umformer mit Erfolg eingeführt; sie benutzen eine zweipolige Maschine mit gußeisernem Gestell und einen Anker mit Doppelkreis.

In der Zentralstation zu Chelsea werden Motoren, mit Stromerzeugern verbunden, benutzt. Sie sind eingehend von Webber³) beschrieben worden und von verschiedener Bauart, einige sind von Laurence & Scott, andere von Elwell-Parker. In Oxford wird Gleichstrom von 1000 Volt Spannung nach verschiedenen Punkten der Stadt geleitet und dort zum Betriebe von Stromnetzen für lOO'Volt durch Doppelmaschinen transformiert.

zwei Magnetfelder vorhanden sind, bildet der Motorteil die Ursache, welche mechanisch den Dynamoteil als Ergebnis der Wirkung umdreht. Daher der Name Motordynamo. Der Ausdruck Dynamotor (von Cockney vorgeschlagen), womit eine besondere Art von Motorgeneratoren bezeichnet werden soll, setzt hiernach eine Verbindung voraus, in der die Dynamomaschine die Ursache ist, während die Bewegung des Motors das Ergebnis bildet. Er kann sich also logisch nur auf eine Kraftübertragungsanlage beziehen, in welcher eine Dynamomaschine als die Ursache am einen, der Motor als Wirkung am andern Ende einer Leitung angeschlossen ist. Der Ausdruck ist indes ganz unnötig und wird nicht gebraucht.

i) Normalien für Bewertung und Prüfung von elektrischen Maschinen und Transformatoren, Elektrotechnische Zeitschrift, Juli 1903, S. 684: »Motorgenerator ist eine Doppelmaschine, bestehend in der direkten mechanischen Kuppelung eines Motors mit einem Generator. Umformer ist eine Maschine, bei welcher die Umformung des Stromes in einem gemeinsamen Anker stattfindet«.

2)    Vergl. Electrician, Bd. 19, S. 517, Oktober 1887, und Electr. Review, Bd. 22, S. 4, 1888.

3)    Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 20, S. 63 bis 69, 1891, enthält Zeichnungen und Angaben von drei Maschinen.

45

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Die nachstehenden Einzelheiten betreffen einen Gleichstrom-Umformer von Elwell-Parker mit Trommelwickelung. An jedem Ende des Ankers befindet sich ein Stromabgeber.

Primäre

Wickelung

Sekundäre

Wickelung

Spannung in Volt..........

Stromstärke in Ampere........

Widerstand der Ankerwickelung in Olim .

Leiter um den Anker.........

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500 Umläufe in der Minute.

Nebenschlußwickelung des Feldmagnetes besitzt 3080 Windungen mit 8,5 Ohm Widerstand.

Nutzbarer Eisenquerschnitt des Ankers 2100 cm², Kernscheibendurchmesser 41,4 cm.

Wirkungsgrad der doppelten Umsetzung: bei voller Belastung 83 Prozent, bei halber Belastung 75 Prozent.

Fig. 490 zeigt einen kleinen Gleichstromtransfonnator, der von der Crocker-Wheeler Co. für den Verfasser zu Meßzwecken gebaut

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Fig. 490. Gleichstromtransformator der Crocker-Wheeler Co.

ist. Er verwandelt einen Strom von 10 Ampere bei 100 Volt Spannung in einen solchen von 1 Ampere bei 1000 Volt. Parker stellt Motor-Generatoren mit Eickemeyerscher Wickelung her, bei welchen die Hochspannungswickelung zuerst aufgebracht wird; dann erst wird, nachdem die ganze Oberfläche von neuem sorgfältig isoliert ist, die Niederspannungswickelung außen aufgelegt.

Cabanellas⁹) hat eine etwas verschiedene Art für Gleichstrom-Umsetzung angegeben, die auch Edison¹⁰) patentiert worden ist. Diese Einrichtung erfordert weder die Umdrehung eines Ankers, noch eines Feldmagnetes, dagegen wird mit Hilfe eines sich drehenden Stromwenders die magnetische Polarität eines doppelt bewickelten Ankers fortgesetzt zum Umlauf veranlaßt.

Jehl und Kupp lassen in Abänderung dieser Idee eine Eisenmasse, die den magnetischen Kreis vervollständigt, in dem doppelt bewickelten Ringe umlaufen¹¹).

Indessen tritt bei diesen Anordnungen erhebliche Funkenbildung auf.

von

Weiteres über Gleichstrom-Umformer findet man in Abhandlungen von Elihu Thomson in Electr. World, Bd. 10, S. 108, 1887; von R. P. Sellon in Electrician, Bd. 20, S. 633, 1888, und Rechniewski in La Lum. electr., Bd. 25, S. 416, 1887; ferner noch Electrician, Bd. 31, S. 677.

Verwendung der Motorgeneratoren.

Motorgeneratoren werden benutzt:

1.    zur Erhöhung der Spannung zum Zwecke der Fernleitung;

2.    zur Erhöhung der Spannung zu Prüfzwecken;

3.    zur Herabsetzung der Spannung für elektrolytische Zwecke;

4.    zum Ausgleichen der Spannungen in Dreileiter- oder Fünfleiter-Verteilungsnetzen; in diesem Falle nennt man die Anordnung »Ausgleichsdynamomaschine« oder »Ausgleichsmaschine« ;

5.    zum Ausgleichen des Spannungsverlustes in langen Leitungen, in welchem Falle die Bezeichnung »Zusatzmaschine« oder »Booster« üblich ist. Lahmeyer¹²) nennt sie »Fernleitungsdynamo«. Wird die Maschine zur Verhinderung einer Spannungserhöhung in die Rückoder Erdleitung gelegt, so bezeichnet man sie auch als »negative Zusatzmaschine« ;

6.    zum Laden einer Sammlerbatterie mit einer höheren Spannung, als die Stromzuführung besitzt, oder zum Entladen einer solchen Batterie in die Stromzuführung, wenn deren Spannung höher ist, als die der Batterie. In diesen Fällen spricht man von einer

45*

»Batterie-Zusatzmaschine«, oder, wenn die Anordnung so getroffen ist, daß sie beiden Zwecken dienen kann, von einer »umsteuerbaren Zusatzmaschine «.

Theorie der Gleichstrom-Transformatoren¹³).

ferner

Es sei Vx die Klemmenspannung am primären Teile oder am Triebwerk und V₂ die Klemmenspannung am sekundären Teile oder am Stromerzeuger, iu rx und Nx mögen den Ankerstrom, Ankerwiderstand und die Zahl der Ankerleiter des primären Teiles bedeuten, 4, r₂, N₂ die bezüglichen Größen für den sekundären Teil. Die beiden induzierten elektromotorischen Kräfte sind dann: Ex—nNx OP und E₂ = n JSf₂ CD,

El — Vl — rx ix und E₂ = V₂-\- r₂ i₂.

Setzt man k für ^ (= dem Umsetzungsverhältnis), so ist

kV₂ = VX — rxi₁ — kr₂ V

Vernachlässigt man den Axbeitsverlu,st durch Wirbelströme und Hysterese, so ist Ex ix = E₂ i₂ und i₂ = kix, und es folgt:

V2

i₂.

Hieraus geht hervor, daß im sekundären Kreise alles sich so verhält, als ob die Spannung in den primären Leitungen im Verhältnis der Windungszahlen im Anker verringert wäre; als ob ferner zu dem inneren Widerstand des sekundären Kreises ein Widerstand hinzugefügt wäre, der gleich dem Widerstand der primären Wickelung, multipliziert mit dem Quadrat des Umsetzungsverhältnisses, ist. Das Umsetzungsverhältnis ist unabhängig von der Geschwindigkeit und vom Magnetismus, obgleich diese beiden Größen im umgekehrten Verhältnis zueinander stehen. Ist der sekundäre Teil gemischt gewickelt, so kann die Geschwindigkeit bei allen Belastungen nahezu gleichbleibend sein; es liegt hierin aber nur ein geringer Vorteil, da die Geschwindigkeit, sich immer selbst auf den erforderlichen Betrag regelt. Ist der entfernte Stromerzeuger mit geeigneter überschießend - gemischter (überkompoundierter) Wickelung versehen, so wird die Spannung an den Lampen gleichbleibend erhalten, obgleich der Transformator eingeschaltet ist. Die Einwände gegen die Verwendung dieser Transformatoren werden durch die Erwägung gehoben, daß die Maschinen funkenlos laufen (wegen Ausgleichung der Selbstinduktion der beiden Wickelungen), auch mit sehr geringer Reibung in den Lagern, weil die treibenden und getriebenen Teile auf derselben umlaufenden*Welle vereinigt sind. Die einmal in die richtige Lage gebrachten Bürsten brauchen hernach bei wechselnder Belastung nicht mehr verstellt zu werden. Die unvermeidlichen Verluste durch Reibung, Hysterese und dergl. bewirken, daß der Strom der den Hauptleitungen zum Antreiben des Motorteiles der Maschine entnommen wird, um genau so viel größer sein muß, daß die genannten Verluste ausgeglichen werden.

Ausgleichsdynamomaschinen.

Bei der Verwendung in einem Dreileiternetz (Fig. 491) ist weiter nichts erforderlich als zwei Nebenschlußmaschinen, deren

Fig. 491. Ausgleich beim Dreileitersystem.

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Fig. 492. Ausgleich beim Fünfleitersystem.

Spannung gleich der normalen Spannung zwischen dem neutralen Leiter und dem einen, bezw. dem anderen Außenleiter ist. Beide Maschinen werden mechanisch gekuppelt oder noch besser auf einer gemeinsamen Welle aufgebaut und zwischen die Leiter gelegt. Sind die Spannungen auf beiden Seiten des Systems gleich, so laufen beide Maschinen leer als unbelastete Motoren, und zwar mit einer solchen Geschwindigkeit, daß die von ihnen aufgenommenen Ströme gerade genügen, um die Reibung und die Gegenwirkung der Eisenverluste zu überwinden. Fällt aber die Spannung in einer Hälfte, so liefert der in dieser eingeschaltete Anker Strom, um die normale

Spannung wieder herzustellen, während der zweite Anker Strom aus der anderen Hälfte entnimmt und den ersten als Motor antreibt. Es macht hierbei keinen Unterschied, ob beide Anker in einem gemeinsamen Eelde umlaufen oder ob zwei getrennte Feldmagnete vorhanden sind. In der Tat entspricht ein mit doppelter Wickelung und einem Kommutator an jedem Ende versehener Anker dem Zweck ausgezeichnet.

Bei einem Fünfleitersystem sind vier gleiche Nebenschlußmaschinen erforderlich, die, mechanisch gekuppelt, mit gleicher Geschwindigkeit umlaufen. Haben alle vier Systeme normale Spannung, so läuft die ganze Maschine leer. Wird in Fig. 492 angenommen, daß das System 1 am geringsten, das System 2 am stärksten belastet ist, so wirkt die Maschine 1 als Motor und treibt 2 als Stromerzeuger.

Nachstehend folgen einige Angaben über Ausgleichsdynamos, welche von Mather und Platt für das Fünfleitersystem in Manchester ausgeführt sind. Diese Maschinen waren paarweise als Nebenschlußmaschinen Edison-Hopkinsonscher Form gebaut.

Widerstand der Magnetwickelung ...    25 Ohm,

Widerstand jeder Ankerwickelung .    .    .    0,0126 Ohm.

Mit einer Leistung von 126 Ampere bei 103,4 Yolt auf einer Seite war die Leistung des Stromerzeugers 112 Ampere bei 100,4 Yolt. Der Wirkungsgrad des Ankerpaares einschließlich aller mechanischen und elektrischen Yerluste ist daher 83,5 Prozent; wenn wir die Leistung von dem Standpunkte des Zweckes aus betrachten, für welchen die Maschinen gebaut waren, kann man sagen, daß letztere, wenn zwischen den beiden Seiten eines Dreileiternetzes ein Spannungsunterschied von 3 Yolt auftritt, 112 Ampere von der höheren zur niedrigeren Spannungsseite übertragen.

In Fig. 493 ist eine Ausgleichungsdynamo dargestellt, die von der Indiarubber and Telegraph Works Co. in Silvertown für ein Dreileiternetz mit 500 Yolt Außenspannung gebaut ist. Jede Maschine, als MP 3 — 87^2 — 550 bezeichnet, hält als Motor oder Stromerzeuger 350 Ampere ohne Funken und mit festen Bürsten im neutralen Punkte aus. Die Hauptabmessungen sind: Kerndurchmesser 65,6 cm, Länge des Kernkörpers 33 cm, Zahl der Nuten 152, jede mit zwei Leitern von 1,3 X 0,3 cm Querschnitt. Die Schleifenwickelung hat einen Widerstand von 0,008 Ohm von Bürste zu Bürste, der Nebenschluß 52 Ohm. Das Verhältnis des Polbogens zum Polstand ist 0,66; die Feldmagnetbohrung hat 69,7 cm, der aus 152 Stäben bestehende Stromwender 45,7 cm im Durchmesser. Es sind vier Eeihen Bürsten vorhanden, in jeder Keihe liegen fünf

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Fig. 493- Ausgleichsmaschine der Silvertown Co.

Kohlenbürsten von 2,5 X 2,5 cm² Schleiffläche. Die Stahlgußpolkerne haben 27,9 cm im Durchmesser; das Stahlgußjoch einen Querschnitt von 3200 cm². Die Kraftlinienmenge ist etwa 9-IO⁶ und erfordert etwa 20000 Amperewindungen für die Erregung jedes Pols.

Zusatzmaschinen (Booster).

Die Methode, einen Hilfsanker im Stromkreise zur Spannungserhöhung zu benutzen, wurde 1881 von Perry angegeben. Die Bezeichnung »Booster« x) ist amerikanischen Ursprungs und bezeichnet eine besondere Art dynamoelektrischer Maschinen, mittels deren einem den Anker der Maschine durchlaufenden Strome eine zusätzliche elektromotorische Kraft verliehen wird; daher die deutsche Bezeichnung »Zusatzmaschine«. In Frankreich nennt man eine solche Maschine »survolteur« oder »machine survoltrice«. Zusatzmaschinen finden in folgenden Fällen Anwendung:

1.    zur Erhöhung der Netzspannung zum Zweck des Ladens einer Sammlerbatterie;

2.    zur Erhöhung der Spannung einer Speiseleitung für einen entfernten Teil des Netzes zum Ausgleichen des Ohmschen Verlustes, also zur Verhinderung eines Spannungsabfalles.

Diese letztere Tätigkeit soll also für einen Teil des Netzes dasselbe bewirken, was das Überkompoundieren des Stromerzeugers für das ganze Netz bewirken würde. Wird eine Zusatzmaschine zum Vermindern der elektromotorischen Kraft benutzt, wird sie zuweilen als negative Zusatzmaschine (französisch dévolteur) bezeichnet. Dieser Fall tritt ein: 1., wenn eine Sammlerbatterie in dieselbe Leitung entladen werden soll, aus der sie geladen wurde, oder 2., wenn die Spannung eines entlegenen Teiles der Rückleitung oder der Schienen einer elektrischen Bahn trotz ihres ohmischen Widerstandes niedrig gehalten werden soll.

Da eine Sammlerbatterie abwechselnd aufgeladen und entladen wird, muß die Zusatzmaschine in diesem Falle natürlich umsteuerbar sein, und in den Fällen, wo die Batterie, um die Belastung gleich zu halten, als Pufferbatterie benutzt wird, muß sie selbsttätig umkehrbar sein.

Zusatzmaschinen in Speiseleitungen. Diese Art der Wirkungsweise der Zusatzmaschinen ist am besten an der Hand eines Stromschemas zu erläutern.

Es seien in Fig. 494 G G die Stromerzeuger eines Bahnnetzes, die auf eine Klemmenspannung von 500 Volt geregelt sind. Wegen des Widerstandes der Zu- und der Schienenrückleitung wird die

i) Murrays New Oxford Dictionary. Boost (U. St. colloquial): hissen, heben, von hinten nach vorn schieben. 1860 schrieb der New York Herald: Palmerston gelangte zur Macht (was boosted into power) durch die landwirtschaftlichen Interessen Englands.

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Spannung des Netzes an den verschiedenen Punkten unter 500 Volt sein, und zwar wird die Größe des Spannungsabfalles von der Belastung und ihrer Verteilung im Netz abhängig sein. In der Pigur ist angenommen, daß die Spannung an einem entfernten Punkte 450 Volt ist. Diese Ungleichheit der Spannung kann durch ein Überkompoundieren des Stromerzeugers nicht ausgeglichen werden, denn dann würde die Klemmenspannung zu Zeiten starker Belastung über 500 Volt hinausgehen. Um die Spannung an der entfernten Stelle aufrecht zu erhalten, ist daher von der Centrale eine Speiseleitung an den Speisepunkt F (Pig. 495) geführt, ein Teil des ganzen vom Stromerzeuger gelieferten Stromes durch den Anker einer in die Speiseleitung eingeschalteten Hilfsmaschine D auf eine höhere Spannung gebracht, Selbstverständlich ist Kraft zum Drehen des Ankers und zur Magnetisierung der Feldmagnete von D nötig, und diese Kraft kann entweder von einer besonderen- Antriebsmaschine geliefert oder dadurch beschafft werden, daß die Hilfsmaschine auf der Achse eines der großen Stromerzeuger befestigt wird. Die Erregung der Peldmagnete kann entweder vom Netz oder einer besonderen Stromquelle entnommen oder auch von einem Nebenschluß der Maschine selbst geliefert werden. Alle diese Wege stehen zwar offen, in der Praxis aber ist nur der folgende geeignet: Man treibt D durch einen vom Netz gespeisten Nebenschlußmotor M an und erregt das Feld von D, indem man es in Reihe mit dem Anker legt (Fig. 496). Dadurch wird die Hilfsmaschine zu einer Zusatzmaschine. Die Erregung des Feldes durch den Strom des eigenen Ankers bietet den großen Vorzug, daß die gelieferte Zusatzspannung proportional dem Stromverbrauch ist, der in dem fernen, von der Speiseleitung mit Strom versehenen Netzteil stattfindet. Zu diesem Zwecke ist, wie man sieht, die Zusatzmaschine die Vereinigung eines Nebenschlußmotors mit einer Reihenmaschine. Eine ganz ähnliche Kombination, bei welcher nur die Verbindungen des Ankers umgekehrt sind, dient in Fig. 497 als negative Zusatzmaschine, um eine Spannungserhöhung in der Rückleitung eines fernen Netzteiles zu verhindern.

Die Wirkung einer Zusatzmaschine bei der Leitung der Zentralspannung an einen entfernten Punkt des Netzes kann nur innerhalb gewisser Grenzen genau sein, einmal, weil sich der Magnetismus des Feldmagnetes nicht genau im Verhältnis zur Erregung ändert, und ferner wegen der Gegenwirkungen im Anker und in den Polkernen. Eine für diesen Zweck gebaute Reihenmaschine muß daher geblätterte

Kerne haben und mit geringer Sättigung arbeiten. Reihenmaschine kann man auch eine gewöhnliche Nebenschluß

Statt einer

maschine benutzen, die aber mit einem Hilfserreger für die Nebenschlußwickelung versehen sein muß, dessen Feldmagnet von dem durch die Speiseleitung fließenden Strome erregt wird. Diese Anordnung ist in der Fig. 498 dargestellt. D ist die Dynamomaschine, M der Motor und E der kleine Erreger, der auf der Welle der Zusatzmaschine angeordnet ist. Man kann auch eine gewöhnliche Kompoundmaschine verwenden, wenn sie, wie in Fig. 499 dar-

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Speiseleitung

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Fig. 498 Zusatzmaschine mit Nebenschlußwickelung nebst Erreger.

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gestellt, so geschaltet wird, daß der Nebenschluß an den Erreger angeschlossen ist.

Batterie-Zusatzmaschinen.

Wie oben erwähnt, unterscheidet man:

1.    Nicht umkehrbare Zusatzmaschinen, die entweder a) Nebenschluß- oder b) Reihen- oder c) Kompoundmaschinen sein können, und

2.    Umkehrbare Zusatzmaschinen, die entweder d) differential geschaltet oder e) von einem Erreger geregelt sein können.

a) Nebenschluß-Zusatzmaschinen. Dies sind einfache Nebenschlußmaschinen jeder beliebigen Bauart, die mit gleichbleibender Geschwindigkeit umlaufen und deren Anker den erforderlichen Strom führen kann. Der Anker ist natürlich mit der Batterie in Reihe geschaltet, die Nebenschlußwindungen entweder wie üblich, oder bei einigen Anordnungen zwischen die Hauptleitungen geschaltet. Im ersteren, in Fig. 500 a dargestellten Falle hängt die Erregung der Zusatzmaschine von der jeweiligen Spannung der beiden Seiten ab, deren Änderung den Strom des Nebenschlusses beeinflußt. In dem zweiten, in Fig. 500b dargestellten Falle bekommt das Feld aus den Hauptleitungen Strom gleichbleibender Stärke, infolgedessen ist auch die Zusatzspannung konstant. Soll behufs Ladung der Batterie die Spannung über die der Hauptleitung

hinaus gesteigert werden, so müssen die Feldspulen so eingerichtet werden, daß die Zusatzspannung sich zu der der Hauptleitung addiert.

Gegenschaltung

(Crompton)

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Einfacher

Nebenschluß

Gegenschaltung

(Mailloux)

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Einfacher

Nebenschluß

Selbsttätige Umkehrung (Highfield)

Eig. 500. Batterie - Zusatzmaschinen.

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Selbsttätige Umkehrung (Siemens & Halske)

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Gemischte

Behufs Entladung müssen die Verbindungen umgekehrt werden, es ist hier also ein Umkehrschalter wie in Fig. 500 c vorgesehen.

Man kann die Anordnung auch so treffen, daß die Zusatzmaschine aus dem Stromkreise ausgeschaltet wird, wenn die Batterie aufgeladen ist und ihre Entladung ohne Maschine stattfindet Hierbei ist aber noch zur Regelung der Batterie während der Entladung eine besondere Yorrichtung erforderlich, die entweder, wie in der Figur, die Endzeilen der Batterie in dem Maße, wie die Entladung vorschreitet, zuschaltet, oder es wird eine Gegenkraft in Form einiger, nicht formierte reine Bleiplatten enthaltender Zellen vorgesehen, die, nur als Widerstand dienend, während der ersten Periode der Entladung die Spannung der Batterie herabsetzen und bei vorschreitender Entladung nacheinander ausgeschaltet werden.

b)    Zusatzmaschine mit Reihenschaltung. Dies ist eine einfache Reihenmaschine, von einem Motor oder sonstwie mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben (Fig. 500 d). Die von ihr erzeugte Zusatzspannung ändert sich natürlich mit dem sie durchfließenden Strome, jedoch nicht im genauen Verhältnis. Da sich die Richtung der induzierten elektromotorischen Kraft mit der Stromrichtung durch das Feld ändert, so bedarf es hier einer Umsteuerung nicht Girault hat Angaben zur Berechnung der Widerstände für eine nicht selbsttätige Regelung gemacht.

Es ist zu beachten, daß weder a noch b die Bedingung einer selbsttätigen Regelung erfüllen, da a, obwohl ziemlich selbsttätig während der Periode des Ladens oder aber des Entladens, beim Übergang von der einen Periode zur anderen einer Umschaltung bedarf, während b, obwohl in Bezug auf diesen letzteren Punkt selbsttätig, gerade dann die kleinste Zusatzspannung liefert, wenn die größte gebraucht wird.

c)    Zusatzmaschine mit Kompoundwickelung. Hier ist die Dynamomaschine eine gewöhnliche Kompoundmaschine (Fig. 500 e). Ihre Reihenwickelung kann entweder in Reihe mit dem Anker oder in die Speiseleitung eingeschaltet sein und für den Nebenschluß eine der beiden unter a beschriebenen Anordnungen gewählt werden. In der Nebenschlußleitung muß natürlich ein Umschalter vorgesehen sein, die Anordnung ist also ebenfalls nicht selbsttätig. Die Regelung ist hier etwas genauer, als sie mit einer der beiden unter a und b angegebenen Schaltungen möglich ist.

d)    Zusatzmaschine mit Differentialschaltung. Wird die Richtung eines der durch die Reihenschaltung und die Nebenschlußwickelung einer Kompoundmaschine fließenden Ströme umgekehrt, so daß eine Differentialwirkung eintritt, so wird die Zusatzmaschine

umkehrbar und selbsttätig, wenn auch die Regelung noch nicht vollkommen ist. Die Verbindungen werden, wie in den Fig. 500 f oder 500 g hergestellt, in denen Y die umgeschaltete Nebenschluß Wickelung darstellt. Die Spule Y muß, wenn nur wenig Strom durch die Reihenwickelung in die Speiseleitung fließt, das Netz also schwach belastet ist, im stände sein, das Feld so zu magnetisieren, daß die im Anker B erzeugte Spannung sich zu der der Hauptleitungen addiert, so daß die Batterie geladen wird. Steigt nun die Belastung, so verringert sich unter der steigenden Gegenwirkung der Reihenwickelung der Magnetismus des Feldes und damit die Zusatzspannung. Bei einer bestimmten Belastung werden sich beide Wickelungen das Gleichgewicht halten und die Zusatzmaschine wird dann keinen Einfluß auf die Batterie ausüben, sie wird weder ge- noch entladen. Steigt nun die Belastung noch weiter, so wird die Wirkung von S diejenige von Y übersteigen, der Magnetismus wird sich umkehren und die Maschine nunmehr die Entladung der Zellen in die Speiseleitung unterstützen. Die Nebenschlußwickelung kann entweder parallel zu den Hauptleitungen (Crompton) liegen, wie in Fig. 500f, oder zur Batterie (Mailloux) wie in Fig. 500g. Bei einer weiteren von Entz angegebenen Schaltung sind zwei Nebenschlußwickelungen vorgesehen, die eine liegt in der Speiseleitung, die andere zwischen den Hauptleitungen, wobei ein Regeier die ausgleichende Wirkung des umgekehrten Nebenschlusses regelt.

e) Zusatzmaschine mit Regelung durch einen besonderen Erreger. Besonders bevorzugt wird eine Form der Zusatzmaschinen, deren Feldmagnete aus einer dritten Maschine mit Strom versorgt werden; diese Erregermaschine wird mit gleichbleibender Geschwindigkeit getrieben, entweder unabhängig oder von der Welle der Zusatzmaschine aus, wobei die Regelung der Zusatzmaschine durch die Regelung des Feldes der Erregermaschine bewirkt wird. Zu dieser Art gehören die selbsttätig umsteuerbaren Zusatzmaschinen von Siemens & Halske, Highfield, Hubbard und Turnbull. Derartige Maschinen sind in den Figuren 500h, i, j dargestellt. Bei der Anordnung von Highfield (Fig. 500h) ist der Erreger eine kleine Nebenschlußmaschine, die die Feldmagnete des Ankers der Zusatzmaschine mit Strom versorgt. Die Stromkreise sind so an geordnet, daß der durch diese Magnete fließende Strom proportional dem Spannungsunterschied der Batterie und des Erregers ist. Während der Ladung ist die Spannung der Batterie höher, während der Entladung niedriger als die des Erregers. Daher kehrt •sich die Erregung der Zusatzmaschine zwischen der Ladung und der Entladung selbsttätig um. Die Spannung des Erregers muß daher auf die mittlere Spannung der Batterie, d. i. etwa 1,95 Volt für jede Zelle, bemessen sein. Bei der Anordnung von Siemens &Halske (Fig. 500 i) werden die Magnete der Zusatzmaschine unmittelbar vom Anker des Erregers gespeist; der Feldmagnet des letzteren ist •differential geschaltet, die Nebenschlußspule liegt im Stromkreise der Batterie, die Hauptstromspule in der Speiseleitung. Bei der Anordnung von Hubbard ist der Erregerstromkreis derselbe wie bei Highfield, aber der Motor hat keine Nebenschluß Wickelung, sondern eine Magnetisierungsspule aus dickem Draht, die in die Speiseleitung eingeschaltet ist. Die in Fig. 500 j dargestellte Anordnung von Turnbull und der Lancashire Dynamo Co. hat einen differential gewickelten Feldmagnet für den Zusatzmaschinenanker, der eine Teil ist im Ladestromkreis der Batterie, der andere im Stromkreise des Erregers des Ankers; der Feldmagnet des Erregers ist gleich dem bei der Anordnung von Siemens & Halske, jedoch ist noch eine dritte Wickelung hinzugefügt, die zwischen den Hauptleitungen liegt.

Die selbsttätig umkehrbaren Zusatzmaschinen bieten den Vorteil, daß auch hier bei sehr veränderlicher Belastung, wie beim Bahnbetrieb, eine Batterie allen Strom liefert, der über einen bestimmten festgesetzten Betrag hinausgeht, und daß selbsttätig der von den Generatoren erzeugte Strom aufgenommen wird, soweit er nicht durch die jeweilige Belastung verbraucht wird. Die Belastung der Stromerzeugungsanlage wird dadurch vollständig gleichbleibend, so daß die ganze Anlage mit einem sehr hohen Wirkungsgrad arbeitet. Highfield und andere haben über diesen Gegenstand ausführlich im Journal of the Institution of Electrical Engineers Bd. 80, S. 1040, 1901 berichtet.

Andere dahin gehörige Veröffentlichungen sind:

Prescott, Trans. Amer. Inst. El. Engineers, Bd. 6, 1889.

Mailloux, U. S. Patent Nr. 430868 (1890).

Crompton und Chamen, Engl. Patent Nr. 7252 (1892).

Sayers, Electr. Rev., Bd. 33, S. 66, Juli 1893.

Highfield, Journ. Inst. El. Engineers; ferner Engl. Patent Nr. 537 (1899) und Nr. 12972 (1900).

Entz, U. S. Patent Nr. 625098, 625099, 625100, 670476.

Scott, Street Railway Review, 15. Januar 1896.

Zander, Elektrot. Zeitschr., August 1896.

Woodbridge, Journ. Franklin Inst., Mai 1898.

Lamme, Engl. Patenter. 8142 (1898).

Girault, L’Industrie Électrique, Bd. 34, 25. Mai 1899. Lyndon, Electr. World, Bd. 38, S. 13, 1901, und U. S. Patent Nr. 648874.

Hubbard, Amer. Electrician, Bd. 12, S. 85, 1900, und U. S.

Patent Nr. 640565, 651664 und 673266.

Macrae, Electr. World, Bd. 25, S. 431.

Eerner die Artikel im Am. Electrician vom September 1899,

S. 441; Januar 1901, S. 47; März 1901, S. 136; April 1901, S. 195; Mai 1901, S. 239; November 1901, S. 524. Sehr zweckmäßige Vereinigungen von Zusatzmaschinen mit Ausgleichsdynamos bei Dreileitersystemen hat Stephens in einem Artikel in der Zeitschrift Electrical Engineer, Bd. 32, S. 6, Juli 1903, bekannt gegeben.

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Thury hat einen selbsttätigen Boosterregler von etwas anderer Art angegeben. Der Boosteranker, Fig. 501, wird durch eine Reihenspule im Ladekreis und eine zweite, im Nebenschluß zur Batterie liegende Spule differential erregt; im Stromkreise der letzteren ist ein Widerstand eingeschaltet, der selbsttätig von einem Regler der in Fig. 537 dar-Fi- ₅oi Zusatz ' gestellten Art geändert wird, der von einem mamainSeibsttätT erry Parallelzu den Hauptverteilungsleitungen geschalteten Regelung. Solenoid beherrscht wird.

Die Compagnie de l’Industrie Électrique in Genf hat fünf sehr beachtenswerte, von Thury entworfene Boostersätze für die ünterstation Porta Volta der Stadt Mailand geliefert. Diese Maschinen sind sechspolig und werden von einem sechspoligen Motor angetrieben; jeder Anker des Boosters hat zwei voneinander unabhängige Wickelungen und zwei Stromwender, so daß er, wenn die Wickelungen in Reihe geschaltet sind, 2000 Ampere mit einer Zusatzspannung von 100 Volt leisten kann. Bei Parallelschaltung liefert er 4000 Ampere mit 50 Volt. Die Fig. 502 stellt die Anordnung dar.

In Fig. 503 und 504 ist eine etwas abweichende Anordnung dargestellt; die Achse eines kleinen Nebenschlußgenerators trägt einen zweiten kleineren Anker, der in einem besonderen, in Reihe geschalteten Felde umläuft und dazu dient, zum Laden einer Sammlerbatterie einen Teil des Stromes auf höhere Spannung zu bringen.

Diese Anordnung, die für Hotels und. für sich bestehende Anlagen bestimmt ist, bietet insofern besonderes Interesse, als sie die Beziehung zwischen dem Erhöhen der Spannung und dem Über-kompoundieren zeigt. Wenn der gesamte Strom auf höhere Spannung

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Fig. 502. Zusatzmaschine von Thur y in Mailand zur Erhöhung der Spannung eines Stromes von 4000 Ampere um 50 Volt.

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Fig. 503. Stromerzeuger mit einer Zusatzmaschine auf der gleichen Welle.

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Fig 504. Anker der Zusatzmaschine Fig. 503.

bringen wäre, könnte man die Beihenwickelung auf den Feldmagnet des Generators bringen, und es würde dann ein einziger Anker genügen.

Die Tafel XXX stellt einen großen Booster dar, den die Felten & Guillaume Lahmeyerwerke in Frankfurt a. M. für

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

ZU

46

die Charing Croß Supply Co. geliefert hat und der einen Strom von 1000 Ampere und 200 Volt auf 260 Volt bringt. Die eigentliche Zusatzmaschine würde daher als ein 60 Kilowatt-Generator mit besonderer Erregung zu beschreiben sein. Sie wird von einem Nebenschlußmotor angetrieben, der etwa 72 Kilowatt gebraucht, nämlich 360 Ampere bei 200 Volt. Beide Maschinen sind sechs-polig. Da der eine Anker etwa dreimal so viel Strom zu führen hat als der andere, aber nur bei etwa ein Drittel der Spannung, so ist bei beiden Ankern der Querschnitt der Nuten und der Leiter gleich groß gewählt; der Motoranker hat eine Wellenwickelung mit zwei Kreisen, der Anker der Zusatzmaschine eine Wellenwickelung mit sechs parallel geschalteten Stromkreisen. Die Maschine läuft mit 550 Umdrehungen.

Nachstehende Tabelle enthält die wichtigsten Angaben (Maße in Millimetern):

Anker

Motor

Generator

Zahl der Nuten.....

Breite einer Nut in Millimeter Tiefe

Durchmesser des Kernes Länge

100

8,2

670

co'S

,, Luftzwischenraumes

Querschnitt der Leiter (nackt).....

Zahl

240

682

240

Wickelungsschritt |

Zahl der Kommutatorstege

in jeder Nut .    .

vorn. hinten

6X12

2

+ 33 + 33

6 X i2

100

+ 29 + 29

90

Feldmagnet.

Zahl der Spulen .    .

Anordnung der Spulen

f nackt.    .

1 umsponnen Zahl der Windungen auf einer Spule Erregerstrom (maximal).....

In Hintereinanderschaltung

Durchmesser des Drahtes

1,2

2,1

1410

2,3

1200

¹

   Die Bezeichnung lautet eigentlich widersinnig, weil jeder Magnet zwei Pole besitzt. Der Name ist indessen aus »unipolarer Induktion« abgeleitet. Mit diesem Ausdruck bezeichnete man nach W. Weber die Induktion von Strömen durch ununterbrochenes Schneiden der Kraftlinien.

²

²)    Boggend. Annal., Bd. 87, S. 352, 1852.

³

   Elektrotechnische Zeitschrift, Bd. 2, S. 94, 1881.

⁴

   Engl. Pat. Nr. 3115 (1883) und Nr. 11244 (1884).

⁵

   On a uniform electric current accumulator. Phil. Mag., Januar 1868; und Reprint of Papers, S. 325.

⁶

   Vergl. Handbuch von Kittier, Bd. 2, S. 19.

⁷

   La Lum. électr., Bd. 35, S. 557, 1890.

⁸

Dieser Name ist genau nach dem Grundsatz für die Benennung gebildet, welcher nun seit nahezu 40 Jahren im Gebrauch ist (vergl. Fußnote auf S. x). Hiernach gibt der erste Teil eines zusammengesetzten Wortes die wirkende Ursache, der zweite die erzielte Wirkung an. In allen Maschinen -dieser Klasse, ob es sich um einen oder zwei Anker handelt, ob ein oder

⁹

   Vergl. La Nature, S. 43, 1882.

¹⁰

   Engl. Patent Nr. 3949, 1882; Electrician, Bd. 19, S. 479, 1887.

¹¹

-    3) Vergl. Electrician, Bd. 19, S. 514, 1887; Bd. 20, S. 7, 1887, und Engl.

Patent Nr. 2130, 1887.

¹²

Centralbl. f. Elektrotechnik, Bd. 11, S. 402, 1889.

¹³

Vergl. des Verfassers Aufsatz in Phil. Magazine, August 1888.

Entwurf der Zusatzmaschinen.

Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß der Entwurf von Boostern einige Abweichungen von dem der gewöhnlichen Dynamomaschinen aufweist. Sie haben starke Ströme auszuhalten und erfordern daher sehr große Abmessungen des Stromwenders, oftmals zwei Stromwender. Sie haben nur Ströme niedriger Spannung zu erzeugen und daher in einzelnen Punkten manches gemein mit Maschinen für elektrochemische Zwecke. Um geringen Widerstand zu erzielen und den Strom auf mehrere Bürstenreihen zu verteilen,

ist vorwiegend eine mehrpolige Anordnung günstig. Der Eisenquerschnitt in den Feldmagneten muß reichlich bemessen werden und die Kraftliniendichte so niedrig, daß die Feldstärke sicher der Stromstärke proportional zu halten ist. Da der Booster selten mit der höchsten Stromstärke arbeitet, kann die Stromdichte im Kupfer ziemlich hoch gewählt werden. Bei umkehrbaren Anordnungen ist das Eisen der Magnete zu blättern, um das schnelle Umkehren zu erleichtern. Da bei diesen Maschinen das Feld selbst bei großer Stromstärke im Anker naturgemäß nur schwach ist, wird die Gegenwirkung des Ankers besonders wichtig, und es entsteht leicht Funkenbildung, wenn der Entwurf in dieser Hinsicht nicht mit besonderer Sorgfalt hergestellt ist. Die Maschinen sollten wenigstens kompoundiert oder noch besser nach der Anordnung von Ryan oder Déri quer kompoundiert sein.

46*

Kapitel XXV.

Gleichstrommotoren.

Bisher haben wir die Dynamomaschinen in ihren Verrichtungen als Stromerzeuger behandelt und gelangen nunmehr zur umgekehrten Verrichtung, der Umsetzung elektrischer Energie in mechanische.

Eine elektrische Triebmaschine, Elektromotor, oder, wie man früher sagte, eine elektromagnetische Maschine leistet mechanische Arbeit bei Aufwendung elektrischer Energie, welche ihr durch Leitungen von einer äußeren Stromc|uelle zugeführt werden.

Es wäre unmöglich, in dem Rahmen dieses Werkes auch nur eine gedrängte Übersicht über die wuchtigsten Stufen*) der Entdeckung und Erfindung zu behandeln. Der Arbeiten von Page, Davidson Hjorth und anderen ist bereits in der historischen Einleitung dieses Werkes gedacht.

Eine raschere Entwicklung folgte erst nach der Einführung der Gramm eschen Maschine im Jahre 1871, als man einzusehen begann, daß zwei dieser Maschinen, von denen die eine als Stromerzeuger, die andere als Triebmaschine wirkte, und die durch eine Leitung verbunden waren, zur Kraftübertragung benutzt werden konnten.

i) Eine sehr gute Übersicht über ältere Formen der elektrischen Triebmaschinen, sowohl europäischen als amerikanischen Ursprungs, findet sich in Martin und Wetzlers »The Electric Motor and its Applications« 1887. Es möge auch auf die Abhandlung: »Electromagnetism as a Motive Power« von R. Hunt in Proc. Inst. Civ. Engineers, Bd. 16, April 1857, verwiesen werden, sowie auf die darauf folgende Erörterung, an welcher Sir W. Thomson (Lord Kelvin), Grove, Tyndall, Cowper, Smee und Robert Stephenson teilnahmen. Wegen neuerer Triebmaschinen vergleiche Kapp, Elektrische Kraftübertragung, oder Snell, Electric Motive Power. (Eine Übersicht über die älteren elektrischen Triebmaschinen findet man auch in dem Werke von Dub, »Die Anwendung des Elektromagnetismus«, 2. Aufl., S. 817 ff., wo eine Anzahl von deutschen Erfindern hergestellter Maschinen eingehender beschrieben wird. Zusatz des Übers.)

Ans zwei Gründen waren die früheren Versuche zur Einführung von Elektromotoren nicht von Erfolg begleitet. Man kannte damals noch keine wirtschaftliche Methode zur Erzeugung elektrischer Ströme. Außerdem war zu jener Zeit das Gesetz von der Erhaltung der Energie noch nicht erkannt, und dessen wichtige Hinweise auf die Theorie der elektrischen Maschinen waren nicht vorherzusehen. So lange galvanische Batterieen die einzig benutzbare Stromquelle bildeten, gestaltete sich das wirtschaftliche Arbeiten der elektrischen Triebmaschinen aussichtslos. Eine galvanische Batterie, die durch Lösung von Zink in Schwefelsäure Strom erzeugt, ist eine sehr kostspielige Stromquelle. Sieht man auch von den Kosten für die Säure ab, so ist doch das Zink — das Brennmaterial der Batterie — mehr als 20mal so teuer als Kohle; dabei bildet es eine weit schlechtere Feuerung, denn mit 1 g Zink läßt sich nur ein Wärmebetrag entwickeln, welcher 550 kgm Arbeit gleichwertig ist, während 1 g Kohle eine Wärmearbeit von 3400 kgm liefert¹).

Diejenige Tatsache indessen, die sehr entmutigend zu sein schien, jedoch unter richtiger Deutung in Übereinstimmung mit dem Gesetz von der Erhaltung der Energie, im Gegenteil als ermutigend betrachtet werden durfte, ist folgende: Wurde ein Galvanometer mit der Maschine und der Batterie in den Stromkreis gebracht, so fand man, daß es während des Betriebes der Maschine nicht möglich war, einen so starken Strom durch die Leiter fließen zu lassen, als während des Stillstandes der Maschine herrschte. Je schneller die Maschine lief, desto schwächer wurde der Strom. Die Ursache konnte nur in einem Widerstande oder einer elektromotorischen Gegenkraft zu suchen sein. Zuerst glaubte man, daß die Maschine während des Umlaufs dem Strome einen größeren Widerstand entgegensetzte als während des Stillstandes. Jacobi²) fand indessen, daß die beobachtete Abnahme der Stromstärke dadurch entsteht, daß die Maschine infolge des Umlaufes selbst als Stromerzeuger wirkt und einen dem treibenden Strome entgegengesetzten Strom in den Strom-

x) Über den Kostenpunkt einer galvanischen Batterie kann man durch folgende Rechnung bequem Aufschluß erlangen: Wird angenommen, daß ein Elektromotor sämtliche elektrische Energie der Batterie ohne Verlust in mechanische Energie umsetzen könne, so beträgt das für die Pferdekraft-Stunde erforderliche Zink etwa 86o g, dividiert durch die Spannung einer der zur Batterie verwendeten Zellen.

2) Memoire sur l’application de l’éléctromagnetisme au mouvement des machines, par M. H. Jacobi (Potsdam 1835).

kreis zu senden bestrebt ist. Je schneller die Maschine umlief, desto größer wurde die elektromotorische Gegenkraft. Das Gesetz von der Erhaltung der Energie erfordert es auch, daß eine derartige Gegenwirkung vorhanden sei*).

Joule¹ 2) fand durch weitere Versuche, daß die elektrische Gegenwirkung proportional der ümlaufsgeschwindigkeit und dem Magnetismus der Magnete wird.

Zwei Umstände sind für das Verständnis der Tätigkeit elektrischer Triebmaschinen von Bedeutung, und zwar 1. der umtreibende Zug; 2. die elektromotorische Gegenkraft. Die tatsächlich treibende Kraft, die den Anker zum Umlauf bringt, ist der Zug, den das magnetische Eeld auf die stromführenden Ankerleiter ausübt, oder wenn es sich um tief gezahnte Anker handelt, der auf die vorragenden Zähne ausgeübte Zug. Durch den umlaufenden Anker wird ferner eine elektromotorische Gegenkraft erzeugt, weil die bewegten Ankerleiter die magnetischen Linien schneiden.

Der treibende Zug. In dem Kapitel IX, über die Wirkungen und Gegenwirkungen im Anker, ist der Zug, den ein magnetisches Feld auf einen stromführenden Leiter ausübt, erörtert, auch sind Berechnungen über die Größe des Zuges angegeben worden. In einem Stromerzeuger wirkt der Zug in der Richtung, die der Umlauf srichtung entgegengesetzt ist, und bildet tatsächlich die von der Triebkraft zu überwindende Gegenkraft. In einer Triebmaschine bildet umgekehrt der Zug die Triebkraft und bringt den Umlauf hervor. In Maschinen mit genuteten Ankern und versenkten Wickelungen trifft dieser Zug fast ausschließlich die eisernen Zähne.

Die elektromotorische Gegenkraft. Wenn in irgend einem elektrischen Kreise durch einen Teil des Kreises, in dem eine elektromotorische Kraft vorhanden ist, Strom fließt, so ward der Strom entweder an Energie gewinnen oder einbüßen, je nachdem die elektromotorische Kraft in derselben Richtung, wie der Strom oder gegen ihn wirkt. Die Fig. 505 macht dies ersichtlich, die einen Stromkreis mit einem Stromerzeuger und einer Triebmaschine darstellt. Jede Maschine läuft rechts herum und erzeugt deshalb eine elektromotorische Kraft, die von der unteren Bürste

Seite 47.

nach der oberen zu gerichtet ist. In jedem Falle ist die obere Bürste die positive. In der Dynamomaschine (Stromerzeuger), von der dem Stromkreise Energie zugeführt wird, besitzt die elektromotorische Kraft dieselbe Richtung, wie der Strom, während in der Triebmaschine, in der Arbeit geleistet Avird, die elektromotorische Kraft die entgegengesetzte Richtung wie der Strom besitzt. In dieser elektrischen Gegenkraft ist also das Wesentliche bei der Beurteilung der Arbeit von Triebmaschinen zu erkennen.

Verwenden wir mechanische Arbeit zur Erzeugung von Strömen durch Umtrieb einer Dynamomaschine, d. h. leisten wir elektrische

GENERATOR

MOTOR

Ai:

Leitung

CO

'**•

101N

«N

3

Rückleitung

Fig. 505. Elektrische Kraftübertragung.

Arbeit, so wird mehr mechanische Arbeit zum Umtrieb der Maschine erforderlich, als wenn letztere keine elektrische Arbeit leistet. Es steht also der mechanischen Kraft, die wir zur Erzielung der elektrischen Arbeit aufwenden, eine Gegenwirkung gegenüber. Eine Gegenwirkung zu einer mechanischen Kraft können wir eine Gegenkraft nennen. Wenden wir anderseits etwa mittels einer Batterie elektromotorische Kraft zur Erzielung mechanischer Arbeit auf, so finden wir ebenfalls eine Gegenwirkung; diese, welche sich der elektromotorischen Kraft entgegenstellt, ist eine elektromotorische Gegenkraft.

Der Versuch zum Nachweis der elektromotorischen Gegenkraft ist leicht auszuführen. Eine kleine Triebmaschine mit kräftigem Eeldmagnet³), eine Batterie von geringem inneren Widerstand und

ein Strommesser werden in einen Stromkreis geschaltet; der Ausschlag der Nadel wird beobachtet, wenn die Maschine angehalten wird, und wenn sie bei geringer und größerer Belastung umläuft.

Bei einem Versuche mit einer Triebmaschine mit besonders erregten Magneten wurden folgende Werte erhalten:

Umläufe in der Minute

Umläufe in der Minute

Stromstärke in Ampere

Stromstärke in Ampere

20

160

7,8

16,2

11,2

Hätte man der Triebmaschine durch Nachhilfe eine Geschwindigkeit von 261,5 Umläufen in der Minute erteilt, so wäre der Strom auf Null gesunken. Der Strom von 5,1 Ampere war erforderlich, um den Anker gegen die Reibung bei der Geschwindigkeit von 195 Umläufen umzutreiben.

Von dem Vorhandensein und der Größe dieser Gegenkraft hängt der Grad ab, in dem man mittels eines gegebenen Elektromotors die ihm in Form elektrischer Ströme zugeführte elektrische Energie nutzbar machen kann.

Bei den Erörterungen über die Dynamomaschine als Stromerzeuger wurden viele Maßregeln angegeben, deren Beobachtung auf die Verbesserung des Wirkungsgrades solcher Stromerzeuger hinzielte. Es braucht wohl nicht angegeben zu werden, daß manche dieser Maßregeln, z. B. Vermeidung nutzloser Widerstände, unnötiger Eisenmassen der Kerne und dergleichen bei Motoren ebenfalls zu beachten sind. Je mehr ein Motor von derartigen Mängeln frei ist, desto vorteilhafter arbeitet er. Der Wirkungsgrad einer Trieb-maschine für die Nutzbarmachung der Stromenergie hängt nicht nur von ihrem eigenen Wirkungsgrade ab, sondern auch von dem Verhältnis zwischen der elektromotorischen Kraft, die sie selbst beim Umlauf hervorbringt, zu der elektromotorischen Kraft, mit der der Strom ihr zugeführt wird.

Eine Triebmaschine, die beim Umlauf selbst nur geringe elektromotorische Kraft erzeugt, kann ungeachtet sonst zweckmäßiger Bauart keine wirksame oder wirtschaftlich wirkende Maschine sein, wenn sie mit Strom von hoher elektromotorischer Kraft gespeist wird.

50

180

6,1

100

195

5,1

Elementare Theorie der elektrischen Triebkraft.

Es wird mathematisch erwiesen werden, daß der Grad, in dem eine gute Triebmaschine die Stromenergie nutzbar macht, von dem

Verhältnis zwischen der im Anker der Maschine entwickelten elektromotorischen Gegenkraft und der elektromotorischen Kraft des Stromes abhängt, der von der Stromquelle geliefert wird.

Keine Triebmaschine vermag den gesamten Strom in nutzbare Arbeit umzusetzen, weil es unmöglich ist, Maschinen ohne Reibung zu erbauen oder Leiter zu finden, welche keinen Widerstand besitzen. Sobald aber dem Strome Widerstand entgegengesetzt wird, wird ein Teil des Stromes zur Erwärmung der Leiter verwendet, die den Widerstand darbieten.

Es sei L die an einen Stromkreis von einer Stromquelle abgegebene elektrische Leistung, und l derjenige Teil davon, den die Triebmaschine als nutzbare Arbeit aus dem Stromkreise aufnimmt⁴). Die Leistungen sollen in Watt gemessen sein. Derjenige Teil der Stromenergie, der in der Maschine nicht nutzbar, sondern in nutzlose * Arbeit umgesetzt wird, geht durch Erwärmung der Widerstände verloren. Die Differenz L—l wird demnach zur nutzlosen Erwärmung der Widerstände verbraucht.

Soll die Maschine mit der höchsten Wirtschaftlichkeit arbeiten, so muß der Verlust durch Umsetzung in Wärme möglichst gering sein, d. h. I muß sich soviel als möglich dem Werte L nähern.

Es ist mathematisch zu erweisen — der Beweis wird später gegeben werden —, daß das Verhältnis zwischen der so bestimmten nutzbaren Energie und der gesamten aufgewendeten Energie gleich dem Verhältnis zwischen der elektromotorischen Gegenkraft der Maschine und der gesamten elektromotorischen Kraft der die Triebmaschine versorgenden Stromquelle ist. (Da es vorerst nicht zweckmäßig erscheint, die allgemeinen Betrachtungen dadurch verwickelt zu machen, daß in dem Ausdruck für den Wirkungsgrad die zur Erwärmung der Feldmagnetwickelungen der Triebmaschine verwendete Energie berücksichtigt wird, so wollen wir zunächst annehmen, daß der Magnetismus der Feldmagnete unabhängig erregt sei.) Es sei die gesamte elektromotorische Kraft der Stromquelle, aus der die Triebmaschine versorgt wird, F, die elektromotorische Gegenkraft E. Die Regel heißt dann:

l_E

L V'

Wird die Maschine am Umlauf gehindert, so ist die Stromstärke:

Sind die Widerstände im Stromkreise gleichbleibend, so ist die Stromstärke i bei umlaufender Maschine geringer als die Stromstärke J bei stillstehender Maschine. Es ist nach Ohms Gesetz:

V— E R ’

wenn R den Widerstand des gesamten Kreises bedeutet. Es folgt:

J— i E_ l V~L'

Es läßt sich also das Güteverhältnis, bei dem die Triebmaschine arbeitet, berechnen, wenn man die ursprüngliche Stromstärke (J) und den Abfall der Stromstärke kennt.

Da dieses mathematische Gesetz schon vor 40 Jahren bekannt war, so muß es befremdlich erscheinen, daß es vielfach unbeachtet blieb oder mißverstanden wurde. Gewöhnlich wurde anstatt dessen ein anderes von Jacobi entdecktes Gesetz angeführt, das jedoch kein Gesetz der Wirtschaftlichkeit, sondern ein Gesetz für das Maximum der in einer gegebenen Zeit geleisteten Arbeit ist. Eine Maschine arbeitet im allgemeinen nicht mit größter Wirtschaftlichkeit, wenn sie in schnellem Lauf arbeitet und die größte Arbeit in der geringsten Zeit erzielt; die größte Wirtschaftlichkeit oder der höchste Wirkungsgrad einer elektrischen Triebmaschine ist nicht dann vorhanden, wenn ihre Leistung ein Maximum ist.

Jacobis Gesetz über die größte Leistungsfähigkeit eines mit Strömen aus einer Quelle von gegebener elektromotorischer Kraft gespeisten Elektromotors lautet: Die Leistung eines Motors ist bei derjenigen Geschwindigkeit am größten, bei welcher der Strom nur noch die Hälfte der Stärke hat, die er bei stillstehendem Motor haben würde. Dies setzt natürlich voraus, daß die gegenelektromotorische Kraft des Motors gleich ist der halben elektromotorischen Kraft der Stromquelle. Unter diesen Umständen wird nun nur die Hälfte der von außen zugeführten Energie nutzbar gemacht, die andere Hälfte wird in Wärme umgesetzt und geht also verloren. Wäre Jacobis Gesetz

in der Tat das Gesetz des Wirkungsgrades, könnte kein Motor einen höheren Wirkungsgrad haben als 50 Prozent. Und wenn er seine halbe Leistung in Wärme verwandelte und sich selbst damit erwärmen müßte, so würde seine Isolation bald verbrannt sein.

Tatsächlich wird der Wirkungsgrad eines Motors größer, wenn er mit geringerer als der Maximalleistung arbeitet, aber dafür mit größerer Geschwindigkeit umläuft; in diesem Fall leistet zwar der Motor weniger, aber es wird auch weniger elektrische Energie verbraucht, und das Verhältnis der nutzbaren zur verbrauchten Leistung kommt der Einheit näher als zuvor. Statt den Motor schneller laufen zu lassen, können wir denselben Vorteil auch dadurch erreichen, daß wir seine Feldmagnete stärker machen.

Das richtige Gesetz des Wirkungsgrades wurde von Thomson (Lord Kelvin) 1851 festgestellt und ungefähr zu derselben Zeit auch von Joule erkannt

Jacobi scheint wohl erkannt zu haben, daß sein Gesetz ein solches für die maximale Leistung war, jedoch scheint er nicht verstanden zu haben, daß es nicht das richtige Gesetz für den ökonomischen Wirkungsgrad war. Das Gesetz von Jacobi ist kein Gesetz für das Maximum des Wirkungsgrades, sondern für die maximale Leistung, hierin liegt der Irrtum. Es ist für diesen bemerkenswerten Ideenwiderspruch bezeichnend, daß Jacobi in seiner 1852 veröffentlichten Abhandlung durchweg von Arbeit spricht als dem Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit, nicht als Produkt aus Kraft und Weg. Das Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit ist nicht Arbeit, sondern Arbeit dividiert durch die Zeit, d. h. die Leistung. Hierdurch erklärt sich der weit verbreitete Irrtum.

Mascart zeigte 1877 im Journal de Physique, S. 205, wie in einer magnetelektrischen Maschine der Wirkungsgrad mit der Geschwindigkeit wächst bis zu einer gewissen Grenze; und er bespricht den Wirkungsgrad vieler Arten von Stromerzeugern und Motoren und der Arbeitsübertragung zwischen zwei Maschinen.

In einer von Achard im Januar 1879 in den Annalen des Mines veröffentlichten Abhandlung wird zwischen dem Maximum der Leistung und dem Wirkungsgrad einer Triebmaschine genau unterschieden; Achard führt aus, daß die erstere auf Kuli fällt, wenn der letztere bis zum Maximum steigt. Sir C. W. Siemens und Lord Kelvin führten im April vor einer Parlaments-Kommission aus, daß es möglich sei, 21000 P durch einen Kupferdraht von 12 mm Durchmesser auf 500 km Entfernung zu übertragen, wenn die Spannung 80 000 Volt betrüge. Unter Zugrundelegung dieser Angaben schlugen E. Thomson und Houston vor, an einem Ende der Linie mehrere Dynamomaschinen hintereinander zu schalten, ebenso mehrere Motoren am anderen Ende der Linie, um mit geringer Stromstärke und hoher elektromotorischer Kraft zu arbeiten. Der Vorteil der hohen Spannung wurde auch klar von Ayrton in einem vor der British Association in Sheffield (August 1879) gehaltenen Vortrage ausgeführt. Er schlug vor, die hohe Spannung nicht durch Steigerung des Magnetismus, sondern der Geschwindigkeit zu erzielen und beide Maschinen besonders zu erregen. Der wirtschaftliche Gewinn durch hohe Geschwindigkeit, mit der der Wirkungsgrad ansteigt, wurde von W. Siemens auf der Naturforscher-Versammlung im September 1879 ebenfalls ausgeführt (vergl. Siemens, Wissenschaftliche und technische Arbeiten, Bd. 2, S. 374).

Theorie der elektrischen Triebmaschine.

Bedeutet V die Spannung an der Leitung beim Stillstand der Triebmaschine und i die Stromstärke im Betriebe, so wird die in der Zeiteinheit aufgewendete Energie L (in Watt) ausgedrückt durch das Produkt aus Spannung und Stromstärke nach der Gleichung:

L — Vi = V

(F— E)

(I)

worin R der Widerstand im Anker des Motors ist.

Wenn die Maschine umläuft, so wird ein Teil der Energie zur Arbeitsleistung verwendet, der Best wird zur Erwärmung des Leitungskreises verbraucht. Die nutzbare Leistung läßt sich ebenfalls als das Produkt der Spannung im Anker (der elektromotorischen Gegenkraft) und der Stromstärke darstellen

l = Ei = E

{V-E)

(II)

Die nicht nutzbare Arbeit wird zur Erwärmung der Widerstände verbraucht, so daß die Beziehung besteht:

Aufgewendete Leistung = Nützliche Leistung -|- Wärmeleistung

oder L=Z-f-Watt, die in Wärme umgesetzt werden.

Nach dem Gesetz von Joule wird die vom Strome i im Widerstand R entwickelte Wärmearbeit ausgedrückt durch i²R (Watt). Dann folgt:

Aus Gleichung I und II folgt:

l    E(V—E)

. oder

V (V— E)

(III)

L V

Dies ist das mathematische Gesetz des Wirkungsgrades, das lange mißverstanden wurde, bis Siemens seine praktische Bedeutung erwies.

Man könnte es deshalb wohl als das Siemenssche Gesetz

bezeichnen. Das Verhältnis y ist das Maß für den Wirkungsgrad

JLd

der Triebmaschine, und die Gleichung zeigt, daß man dieses Verhältnis der Einheit so nahe bringen kann, als man will. Wir müssen entweder die Geschwindigkeit der Maschine oder den Magnetismus ihrer Feldmagnete so einrichten, daß E nahezu gleich V wird.

Da die nützliche Leistung gleich dem Unterschied zwischen der gesamten Leistung und dem Verlust durch Wärme ist, so ist auch

(IV)

l = Vi — i²R

Um den Wert von i zu finden, der das Maximum für l (Arbeit der Maschine in der Zeiteinheit) ergibt, differenziert man und setzt den Differentialquotienten = Null¹)

dl

-r-, = V— 2iR = 0

di

-=• ist aber nach dem Ohmschen Gesetz die Stromstärke, wenn K

die Maschine still steht.

Um die maximale Arbeit in der Sekunde zu leisten, muß demnach die Maschine mit solcher Geschwindigkeit umlaufen, daß sie

i) Ohne Anwendung der Differentialrechnung ist der Beweis, wie folgt: Aus Gleichung IV erhält man:

fl R — Vi + / = o, _V± ]/V² —4 Ri

woraus

Da der Ausdruck unter dem Wurzelzeichen nicht negativ werden kann, so muß der größte Wert für l eintreten, wenn

\Rl=V²

ist. Dann wird wie oben

die bei Stillstand herrschende Stromstärke auf die Hälfte vermindert. Wir beweisen damit tatsächlich das Gesetz von Jacobi in betreff der höchsten Leistung.

Da hiernach:

so folgt, daß

V — E = ⁵/₂ V

oder

^ = i/₂ und auch = !/₂,

d. h. der Wirkungsgrad beträgt 50 Prozent, wenn die Maschine das Maximum der Leistung besitzt⁵).

Graphische Darstellung der Gesetze für Triebmaschinen.

Zur Erläuterung der Gesetze sind verschiedene graphische Darstellungen angegeben worden; eine davon setzt uns in den Stand, durch ein Diagramm das Gesetz von Jacobi für die Maximalleistung und das Gesetz von Siemens für den Wirkungsgrad zu erklären⁶) :

Es stelle in Fig. 506 die Senkrechte A B die elektromotorische Kraft V der Stromquelle dar. Über A B stellt man das Quadrat AB CB her und zieht die Diagonale BD. Yon B aus trägt man auf BA ein Stück _B.F=der elektromotorischen Gegenkraft E der Triebmaschine ab. Durch F legt man parallel zu BC die Linie F GH und parallel zu BA durch G die Linie KGL. Die Differenz V—jE7, die vorhandene elektromotorische Kraft, wird durch eine der Linien AF,

ï'AuF'g ewd ndtY

Ft

u hz I ■ r

Fig. 506 u. 507. Diagramm des Motors.

V(V—E)

KG, GH oder LC dargestellt. Die in der Sekunde verbrauchte Energie ist Vi,

V—E

und da i = ———, so ist Vi =

R

Verhalten eines Elektromotors.

Die von der Maschine nützlich verbrauchte Leistung in Watt ist: E(V— E)

Da R eine Konstante ist, so kann man zur Vergleichung die beiden Werte auch als

schreiben.

V(V—E) und E(V — E)

Die Fläche des Rechteckes AFHD ist

= F(K — E)

und die des Rechteckes GL CH

— E (V — E).

Das Verhältnis dieser beiden Flächen bezeichnet den Wirkungsgrad einer vollkommenen Triebmaschine bei gegebener gleichbleibender elektromotorischer Kraft der äußeren Stromquelle.

Die Fig. 507 zeigt diese Flächen schattiert. Die Figur stellt einen Fall dar, in dem die Maschine zu große Belastung hat und nur langsam umlaufen kann, so daß die Gegenkraft E sehr klein im Vergleich zu V ist. Die Fläche für die verausgabte Energie ist sehr groß, während die Fläche der nutzbaren Arbeit sehr klein ist. Der Wirkungsgrad ist demzufolge nur gering. Zwei Drittel oder noch mehr der Energie werden in Wärme umgesetzt.

Wir haben bisher vorausgesetzt, daß der Wirkungsgrad einer Triebmaschine (die bei einer gegebenen gleichbleibenden elektromotorischen Kraft der Stromquelle arbeitet) elektrisch gemessen werde. Keine Maschine indessen setzt die gesamte aufgenommene elektrische Energie in nutzbare mechanische Leistung um, weil ein Teil durch Reibung und ein anderer Teil infolge elektromagnetischer Wechselwirkungen zwischen den festen und beweglichen Teilen der Maschine verloren geht. Was wir als nutzbare Leistung bezeichnen, ist die wirklich an den Anker zu dessen Umtrieb abgegebene Arbeit. Es hängt von der guten Bauart ab, wie groß der Anteil sein wdrd, der für Reibung in den Lagern, für Wirbelströme, Hysterese u. a. in Abrechnung gebracht werden muß. Betrachten wir aber die Maschine als vollkommen (ohne Reibung, frei von Wirbelströmen, mit lautlosem Umlauf, ohne Funkenbildung an den Bürsten), so können wir die mechanische Leistung als genau gleich der dem Anker zugeführten elektrischen Arbeit ansehen.

Eine derartige vollkommene elektrische Maschine würde, wie die ideale vollkommene Wärmemaschine von Carnot, auch vollkommen umkehrbar sein.

Bei der Wärmemaschine von Carnot wird angenommen, daß die gesamte im Arbeitskreislaufe verbrauchte Wärme in nützliche Arbeit umgesetzt wird; in diesem Falle ist der Wirkungsgrad das Verhältnis der verbrauchten zur gesamten ausgegebenen Wärme. Der Wirkungsgrad der vollkommenen Wärmemaschine läßt sich bekanntlich als eine Funktion von zwei absoluten Temperaturen ausdrücken, nämlich der des Erhitzers und des Kühlers der Maschine. Carnots Maschine ist gleichfalls ideal umkehrbar, d. h. sie ist fähig, mechanische Arbeit wieder in Wärme umzusetzen.

Das mathematische Gesetz des Wirkungsgrades einer vollkommenen elektrischen Maschine, wie solches vorhin erläutert worden ist, gehört in gleicherweise einem idealen Falle an. Der Wirkungsgrad läßt sich für einen gegebenen Fall ebenso als Funktion von zwei elektromotorischen Kräften ausdrücken.

Das Gesetz für die maximale Leistung (Jacobi).

Die Fläche GL CH drückt die in der Maschine nutzbar gewordene Arbeit aus (Fig. 506).

Die Größe der Fläche ändert sich mit der Lage des Punktes G und wird ein Maximum, wenn G in der Mitte von BD liegt, denn von allen Rechtecken, die dem Dreieck BCD eingeschrieben werden können, besitzt das Quadrat den größten Inhalt (Fig. 508). Liegt G im Mittelpunkt von BI), so ist das Rechteck GL CH genau halb so groß als das Rechteck AFHD, d. h. die nützliche Arbeit ist gleich der Hälfte der aufgewendeten Energie. Ist dies der Fall, so vermindert die elektromotorische Gegenkraft die Stromstärke auf die Hälfte derjenigen, die beim Stillstand der Maschine herrschen würde. Dies ist das Gesetz von Jacobi in betreff des Wirkungsgrades einer

Fig. 508. Darstellung des Jacobischen Gesetzes der höchsten Leistung.

Fig. 509. Darstellung des Gesetzes des höchsten Wirkungsgrades.

Maschine, die ihre höchste Leistung äußert. Der Punkt F liegt dann ebenfalls in der Mitte von BA, demnach ist E — A/₂F.

Gesetz des maximalen Wirkungsgrades.

Es möge der Punkt G sich nach D (Fig. 509) zu bewegen. Das Rechteck GL CH ist gleich dem Rechteck AFGK. Das Quadrat KG HB, das als Überschuß der Fläche AFHD über AFGK sich ergibt, stellt die elektrische Energie dar, die zur Erwärmung der Widerstände der Triebmaschine verwendet wird. Wenn der Wirkungsgrad ein Maximum sein soll, muß die Wärme ein Minimum sein.

In der Fig. 507 war das Quadrat für die Wärme außergewöhnlich groß, in Fig. 508 ist es gleich der Hälfte der Energiefläche, während es nach der Fig. 509 weniger als ein Viertel beträgt. Es läßt sich die Wärmefläche so klein machen, als wir wollen, wenn wir den Punkt F sehr nahe nach A hin verschieben. Der Wirkungsgrad wird ein Maximum, wenn die Umsetzung in Wärme ein Minimum wird

Das Verhältnis der Flächen GL CH und AFHD, welches den Wirkungsgrad darstellt, wird der Einheit nur gleich, wenn das Quadrat KG HD unendlich klein wird, d. h. wenn die Maschine so

47

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

schnell läuft, daß ihre elektromotorische Gegenkraft E von V nur um einen unendlich kleinen Betrag verschieden ist.

Wenn man daher durch das Diagramm einen bestimmten Wirkungsgrad (z. B. 90 Prozent) darstellen will, so ist die Lage des Punktes G so zu wählen, daß die Pläche GL CH — 0,9 AFHI) wird, oder BG muß gleich 0,9 BD sein. Dies bedingt, daß E gleich 0,9 V oder daß die Maschine so schnell läuft, um den bei Stillstand vorhandenen Strom auf 0,1 seiner Stärke herabzumindern. Findet ein Stromverlust in der Leitung statt, so muß das Gesetz eine Abänderung¹) erfahren. Denn je größer die elektromotorische

Kraft der Maschine ist, desto höher wird die Spannung in der Leitung und desto größer der Verlust.

/ »Il

B ' L C

Es wird auch klar, was geschehen muß, um einen gewünschten Wirkungsgrad zu erhalten. Es möge Strom von 100 Volt den Hauptleitungen zugeführt werden; um 90 Prozent nutzbar zu machen, müssen wir als Motor eine Dynamomaschine verwenden, die, wenn

Fig. 5x0. Kurve der Spannung bei gleichbleibender Leistung.

sie selbst mit ihrer betriebsmäßigen Geschwindigkeit läuft und die gehörige Stromstärke liefert, eine elektromotorische Kraft von 90 Volt erzeugt.

Wir können die graphische Methode nunmehr auf zwei weitere Fälle ausdehnen. Es möge V nicht mehr als konstant angenommen werden, aber es sei die von der Maschine in der Sekunde geleistete Arbeit gleichbleibend. Die Gleichung II heißt für diesen Fall:

E(V—E) = IR.

Diese Gleichung wird durch die Kurve PH Q (Fig. 510) dargestellt. Die Werte von V sind als Abszissen, die Werte von E als Ordinaten aufgetragen. Aus der Kurve ist ersichtlich, daß ein gewisser Minimalwert für V vorhanden ist, der genügt, um der Maschine den vorgeschriebenen Bedarf an Energie in der Sekunde zuzuführen. Die Kurve verläuft durch die Ecke H aller Flächen, die gleich GL CH und entsprechend unterhalb der Diagonale des Quadrates hergestellt sind. Von diesen Flächen, welche die von

der Maschine geleistete gleiche Arbeit darstellen, ist die eine, der der Minimalwert für V entspricht, das Quadrat, das am Scheitel der Kurve liegt und dem Falle entspricht, wenn V — 2 E ist.

Dieses von Professor Carhart⁷) zuerst dargestellte Ergebnis liefert die Umkehrung des Gesetzes von Jacobi und bedingt, wie dies Gesetz, einen Wirkungsgrad von nur 50 Prozent. Einen bedeutend höheren Wirkungsgrad erhält man, wenn V und E beide größer sind, wie durch das Quadrat, das bei h liegt, angezeigt wird.

Geschwindigkeit und Drehmoment von Triebmaschinen.

Zwischen den Bedingungen der elektrischen Speisung, der Geschwindigkeit und dem Drehmoment eines Motors bestehen gewisse wichtige Beziehungen.

Im Kapitel IX, über Wirkungen und Gegenwirkungen im Anker, wurde erörtert, daß die an eine Welle abgegebene Leistung das Produkt zweier Faktoren ist, der Geschwindigkeit und des Drehmomentes. Bedeutet to die Winkelgeschwindigkeit und D das Drehmoment⁸), so ist

cojG = der Arbeit in der Sekunde (oder der Leistung).

Dieser Wert läßt sich in Watt ausdrücken.

Ist die vom Anker erzeugte elektromotorische Kraft — K, und i die Stromstärke, so ist die Leistung im Anker

Ei = elektrische Leistung in Watt⁹ 10 11 12).

Werden sämtliche vier Größen m, D, E und i auf den Anker bezogen, so können wir die elektrischen und mechanischen Ausdrücke gleichsetzen, die Gleichung gilt sowohl für den Stromerzeuger als auch für die Triebmaschine. Im Stromerzeuger besitzen E und i gleiche Richtung, D wirkt w entgegen, .es ist ein Gegenmoment vorhanden. In der Triebmaschine wirken D und o> in gleicher Richtung, E wirkt gegen i, es ist eine elektromotorische Gegenkraft vorhanden.

Bei der Behandlung der Dynamomaschine als Stromerzeuger wurde angenommen, daß die mechanische Kraft unter einer von zwei feststehenden Bedingungen geliefert werden könne: entweder bei gleichbleibender Geschwindigkeit (während das Drehmoment mit der elektrischen Leistung geändert wurde) oder aber bei gleichbleibendem Drehmoment (während die Geschwindigkeit mit der Leistung sich änderte). War eine dieser Bedingungen vorgeschrieben, so handelte es sich um Auffindung algebraischer Ausdrücke für die beiden Faktoren der elektrischen Leistung — elektromotorische Kraft und Stromstärke — unter veränderlichen Bedingungen in betreff des Widerstandes.

Ebenso ermittelten wir die Bedingungen, die sich ergeben, wenn man den einen oder anderen Faktor der elektrischen Leistung konstant macht. Die Beziehung zwischen den beiden Faktoren der Leistung wurde unter Zuhilfenahme der als »Charakteristiken« bekannten Kurven studiert.

Wird die Dynamomaschine als Triebmaschine behandelt, so nimmt man in ähnlicher Weise an, die elektrische Speisung werde unter solcher Anordnung bewirkt, daß die elektrische Kraft unter einer der beiden feststehenden Bedingungen zugeführt wird. Entweder handelt es sich um gleichbleibende Spannung (während die Stromstärke mit der mechanischen Leistung der Triebmaschine geändert wird), oder um gleichbleibende Stromstärke (während die Spannung sich mit der mechanischen Leistung ändert). Wird eine dieser Bedingungen vorgeschrieben, so müssen wir algebraische Ausdrücke für die beiden entsprechenden Faktoren der mechanischen Leistung finden, nämlich für die Geschwindigkeit und für das Drehmoment, wenn verschiedene Belastungen an der Welle angenommen werden. Auch müssen wir die Bedingungen erforschen, die sich ergeben, wenn man den einen oder anderen Faktor der mechanischen Leistung konstant macht: mit anderen Worten, wir müssen die Bedingungen der Selbstregelung festsetzen, um die Maschine bei gleichbleibender Geschwindigkeit oder bei gleichbleibendem Drehmoment betreiben zu können. Endlich ist es zweckmäßig, mit Hilfe von Kurven die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Drehmoment zu studieren. Derartige Kurven kann man als »mechanische Charakteristiken« bezeichnen.

Allgemeine Ausdrücke für das Drehmoment und die Geschwindigkeit.

Die in der Sekunde der Welle der Triebmaschine zugeführte Arbeit läßt sich in elektrischem oder mechanischem Maße ausdrücken. In elektrischem Maße erhält man das Produkt aus der elektromotorischen Kraft der Triebmaschine (d. h. der elektromotorischen Gegenkraft, die gegen die Kraft der Stromquelle wirkt) mit der Stromstärke im Anker. Mechanisch gemessen ist dies gleich der Leistung in Pferd, geteilt durch 736. Zugleich ist es aber auch das Produkt der Winkelgeschwindigkeit mit dem Drehmoment. Demnach können wir schreiben:

(1)

L = oj I) = 2 ~nl)

oder elektrisch:

(2)

L = Eia

und ebenso wie für einen Stromerzeuger E (im Mittel) = nNO-10⁻⁸

V

bei Parallelschaltung der Ankerwickelung, —nNCD-IO⁻⁸ bei Reihenparallelschaltung; vergl. S. 335. p ist die Zahl der Pole, c die Zahl

—8

V

der Stromwege im Anker. Es möge allgemein M = ^ N (D • 10

gesetzt werden, wobei also M die Spannung bedeutet, welche der Anker für eine Umdrehung in der Sekunde erzeugt. Dann können wir schreiben:

und

Daraus:

E = nM L — n Mia

(3)

2 xwD = nMia.

Der Mittelwert des Drehmomentes ergibt sich endlich als

D~la 2 E

Es handelt sich noch darum, die Einheiten festzustellen, in denen die Größen der letzten Gleichung auszudrücken sind. Die Größe M enthält den Faktor 10—⁸, welcher die Umrechnung vom absoluten c. g. s. - System auf Volt bedeutet; ia wird in Ampere gemessen-Fügen wir demnach rechts den Faktor 10⁷ zu, so haben wir D in Dyne-Zentimeter gemessen; um daraus Kilogrammeter zu erhalten, muß mit 98,1-IO⁶ dividiert werden, im ganzen also mit 9,81. Dies mit dem vorhandenen Divisor 2 x zusammen gibt

D — 0,0162 Mia kgm.....

Dies ist die Grundgleichung für alle Elektromotoron.

Die Größe Jf, welche darin vorkommt, ist, wie oben gesagt, die Spannung, welche der Motor für eine Umdrehung in der Sekunde erzeugt; sie ist proportional der magnetischen Kraftlinienmenge, die von einem Pole ausgeht, und der Zahl der Ankerleiter, die in einem Kreis liegen. Da M auch proportional ist zu dem Drehmoment für den Strom 1, wollen wir es den Stärkefaktor nennen.

Man sieht nun, daß das Drehmoment des Motors bei gleichbleibender Magnetisierung einfach dem Ankerstrom proportional und unabhängig von der Geschwindigkeit ist.

Beispiele:

I.    Westinghousescher Straßenbahnmotor, vierpolig. jV= 760; O = 4,16• 10⁶; p = 4; c — 2, woraus M — 63,28. Pür ia = 70 A ergibt sich nach Gleichung (4) D — 12 kgm.

II.    Es soll ein Motor beschafft werden, der bei voller Last ein Drehmoment von 30 kgm erzeugt, der 525 Umdrehungen in der Minute macht, während er bei voller Last betriebsmäßig 20 P leistet, und der bei 500 Yolt arbeitet. Wir nehmen an, er besitze Nebenschlußwickelung und der innere Spannungsabfall betrage 10 Yolt. Wir finden ia = 20-736/490 = 30,4 Ampere; aus Gl. (4) M= 30/0,0162-30,4 = 61.

III. Das Drehmoment zu bestimmen, welches ein Motor ausübt, der 51 Ampere bei 500 Yolt aufnimmt, während der Anker mit 640 Umdrehungen in der Minute läuft. Es ist V = 500; n— 10,67; daraus M — 46,9. Wir erhalten D = 0,0162-46,9-51 = 38,7 kgm.

IY. Es wird ein Motor verlangt, der aus einer Leitung von 200 Yolt zu speisen ist. Er soll angehen unter einer Last, welche einem Drehmoment von 25 kgm gleichkommt und beim Angehen nicht mehr als 20 Ampere entnehmen; bei Leerlauf soll er nicht mehr als 180 Umdrehungen in der Minute machen. Gesucht sind M und n. Wir erhalten M = 25/0,0162 • 20 = 77,2; VjM—n = 200/77,2 = 2,6. Daraus ergibt sich die Umlaufszahl = 2,6-60 = 156.

Um den Ausdruck für das Drehmoment noch etwas weiter zu

entwickeln, wollen wir uns erinnern, daß ia ausgedrückt werden kann durch die Spannung der Speiseleitung F, wie sie an den

Klemmen des Motors gemessen wird und durch den inneren Widerstand r; es ist nämlich

ia =

oder

D = 0,0162- M-

V—nM

(5)

Sieht man in dieser Gleichung M als konstant an, so folgt, daß bei wachsender Geschwindigkeit D abnimmt, bis es bei nM=V verschwindet. Tatsächlich läuft der Motor unbelastet mit seiner höchsten Geschwindigkeit, welche gleich VjM ist.

Anderseits hat das Drehmoment seinen höchsten Wert, wenn die Geschwindigkeit Null wird; es ist dann = 0,0162-MV{r\ auch der Strom hat dann seinen höchsten Wert. Wenn der Widerstand des ruhenden Ankers einem größeren Drehmoment als dieser höchste Wert gleichkommt, so kann der Motor nicht angehen.

Ein Ausdruck für die Geschwindigkeit des Motors wird aus der obigen Gleichung durch eine kleine Umformung erhalten:

(6)

V 61,8 rD

.1/

8 E LASTUNG

Fig. 511. Mechanische Charakteristik.

Die Beziehung zwischen n und D läßt sich darstellen als eine mechanische Charakteristik des Motors. Wenn der Magnetismus bei allen Belastungen gleich bleibt, so ist die Charakteristik (Fig. 511) eine t Gerade, welche abfällt, wenn die Be- I lastung wächst. Die Abnahme der Ge- | schwindigkeit ist proportional der Be- £ lastung und dem inneren elektrischen °

Widerstand des Motors. Die Wirkung einer Veränderung des Magnetismus auf die Charakteristik bei Hauptstrom und Nebenschlußmotoren wird später betrachtet.

Übersetzung. Wenn der Motor auf ein Vorgelege arbeitet, so daß sein Anker (/mal rascher läuft als die angetriebene Welle, so ist das Drehmoment an der letzteren (abgesehen von den Reibungsverlusten) (/mal größer, als an dem Anker.

Beispiel. Der Motor in obigem Beispiel III hatte ein Triebrad von 14 Zähnen und griff in ein Zahnrad mit 67 Zähnen ein. Da das Drehmoment am Motor 38,7 kgm war, ist es am Vorgelege

38,7-67/14 = 186 kgm.

Zugkraft: Die Zugkraft, welche ein Motor ausübt, welcher die Räder einer Lokomotive antreibt, so daß sie auf Schienen oder auch ohne solche fährt, hängt ab von (a) dem Drehmoment des Motors, (b) dem Übersetzungsverhältnis, (c) der Größe des Treibrades. Es möge die Zugkraft gleich Pkg*, der Radius des Treibrades R m sein; das Drehmoment des Motors sei P kgm. Dann ist das Drehmoment des Treibrades P(/, und es folgt

D-g = P-R

oder

D-g

wofür wir auch schreiben können:

(8)

0,0162-g Mia

oder

0,0\62gM V—nM

(9)

Beispiel. Die Zugkraft des Motors aus dem obigen Beispiel III wird gesucht, wenn er mit Treibrädern von 80 cm Durchmesser

verbunden ist.

Hier ist R = 0,40 m, also P =

oo ₇ 67 J_ 14 0,40

= 462 kg*. Die Zugkraft ergab sich bei vollem Strom (51 Ampere) gemessen zu 350 kg*, was von der Verringerung des Magnetismus durch die Ankerrückwirkung herrührt.

Die drei Gleichungen (1) bis (6) gelten nicht nur für Triebmaschinen, sondern auch für Stromerzeuger.

Für D ergäben sich aus Gleichung (5) negative Werte; das negative Vorzeichen bedeutet, daß das der Wirkung des magnetischen Feldes auf die stromführenden Ankerleiter entsprechende Drehmoment dem Ankertrieb entgegengesetzt ist.

Wenn r sehr klein und M verhältnismäßig groß ist, kann der zweite Ausdruck in (6) vernachlässigt werden. Die Geschwindigkeit hängt dann lediglich von dem ersteren Werte ab. Sie ist um so kleiner, je größer M ist; dies ist nur die Umkehrung der Tatsache, daß bei stärkerem magnetischen Felde die Geschwindigkeit der Dynamomaschine zur Hergabe der gewünschten Leistung um so geringer zu sein braucht. Ebenso ist zu bemerken, daß, wenn M gleichbleibend ist, die Geschwindigkeit proportional V wird; sie wird gleichbleibend sein, "wenn die Stromversorgung bei gleichbleibender Spannung stattfindet, veränderlich, wenn V sich ändert.

Demnächst ist zu untersuchen, inwiefern n und D durch die Tatsache berührt werden, daß der Wert von O und hiernach von M von der Bauart und Wickelung des Feldmagnets der Maschine und von den Bedingungen der Versorgung mit Strom abhängt Es sollen die nachstehenden Maschinenarten zur Betrachtung gelangen:

A)    Magneto-Triebmaschine und besonders erregte Triebmaschine;

B)    Triebmaschine mit Reihenwickelung;

C)    Triebmaschine mit Nebenschlußwickelung;

D)    Triebmaschine mit Verbundwickelung (gemischter Wickelung).

Hierfür sind die Bedingungen für die Stromversorgung, und zwar je nachdem V oder i gleichbleibend ist, in Betracht zu ziehen.

Magneto- und besonders erregte Triebmaschine.

O wird als gleichbleibend angenommen, d. h. die störenden Gegenwirkungen des Ankers können außer Betracht gelassen werden. Unter diesen Umständen hat man die bereits gefundenen allgemeinen Formeln etwas abzuändern.

Der einzige in Betracht kommende innere Widerstand ist der Ankerwiderstand ra.

Fall 1. V ist gleichbleibend.

Die Formel (6) gibt die gewünschte Beziehung; nach dieser läßt sich die mechanische Charakteristik (Fig. 512) zeichnen.

TV

v Constant'

L constant

Letztere schneidet als Gerade die Achse n in einem Punkte, der nach der Skala die Geschwindigkeit darstellt, bei der nM=V ist. Die Linie neigt sich unter einem Winkel, so daß die Tangente gleich 2~ra/ilf2 oder proportional dem inneren Widerstand ist. Wird die Triebmaschine besonders erregt, so bewirkt das 0 Anwachsen des erregenden Stromes Fis-5I2- MechMagnetmoth₀Tsakteristlk emes und die Verstärkung des Feldes

offenbar, daß die Linie mehr wagerecht verläuft; zugleich wird auch die Geschwindigkeit im ganzen erniedrigt.

Zieht man die Gegenwirkungen des Ankers in Betracht, so ist zu beachten, daß bei Kückverschiebung der Bürsten der Ankerstrom entmagnetisierend, bei Vorwärtsverschiebung magnetisierend wirkt.

Bei gleichbleibendem V würde dann eine Zurückschiebung der Bürsten die sich neigende Linie mehr heben, letztere würde mit Zunahme des Drehmomentes noch mehr wagerecht werden, weil der Magnet geschwächt würde und die Geschwindigkeit anstiege; eine Verschiebung der Bürsten nach vorwärts würde eine stärkere Neigung der Linie hervorrufen.

Fall 2. i ist gleichbleibend.

Wie die Formel (4) zeigt, ist in diesem Falle das Drehmoment gleichbleibend und unabhängig von der Geschwindigkeit, sowie dem inneren Widerstand.

Die mechanische Charakteristik der Maschine wird unter diesen Bedingungen durch eine senkrechte gerade Linie dargestellt.

Triebmaschine mit Reihenwickelung.

Die Grundgleichungen sind dieselben wie vorhin, es tritt nur noch die Gleichung

r = ra -f rm

hinzu; wir können aber hier mit Vorteil die auf S. 112 gegebene Frölich sehe Näherungsformel für das Gesetz des magnetischen Kreises anwenden und schreiben:

(D = (D‘ —-—

i + ï'

worin i‘ der diakritische Strom ist. Da die Windungszahl unveränderlich ist, folgt hieraus:

M = M‘

i + ir

Setzt man dies in den Ausdruck für das Drehmoment auf S. 741 ein und schreibt zur Abkürzung Y für 0,0162 M\ so ergibt sich:

(10)

Diese Bezeichnung zwischen Drehmoment und Stromstärke ist in der Fig. 513 dargestellt.

Für Werte von £, die im Vergleich zu i‘ klein sind, ändert sich D nahezu wie für große Werte von i (wenn die magnetische Sättigung voranschreitet) wird D nahezu i proportional.

Die obige Gleichung läßt sich schreiben:

i — -z= r = 0

woraus

Zur Vereinfachung kann man für große Werte von D den zweiten Ausdruck unter dem Wurzelzeichen vernachlässigen, da die Magnetisierung nahezu gleichmäßig zunimmt. Als Beispiel dienen folgende bei einem 30pferdigen Straßenbahnmotor erhaltene Prüfungsergebnisse, worin das Drehmoment in Kilogrammeter, der Strom in Ampere und die Geschwindigkeit in Umdrehungen in der Minute ausgedrückt sind:

Strom . .

3-5

10

20

3°

40

5°

70

90

94

Drehmoment

13

²5

39

53

84

120

126

Geschwindigkeit ....

479

236

*45

118

99

85

61

39

35

Eliminieren wir ans den obigen Gleichungen (4) und (6) _M, so erhalten wir

n = 0.0162-

Vi

ri²

0,0162.*- . . ---(V— ir).

L constant,

o°

'-S

Fig. 513. Drehmoment eines H auptstrommotors.

Fig. 514. Mechanische Charakteristiken eines Hauptstrommotors.

Setzt man noch den Wert von D aus Gleichung (10) ein,

so wird

i -f i'

(iV—ir).

n = 0,0162-

Dies kann durch die Charakteristik wie in Fig. 514 dargestellt werden.

Y-i

Fall 1. V ist gleichbleibend.

Wenn V gleichbleibend ist, so ist für große Werte von D i groß gegen i\ und die Gleichung wird

(V — i r).

0,0162

Dies entspricht dem letzten Teil der mechanischen Charakteristik (Fig. 514), welcher nahezu geradlinig verläuft, wenn die Magnete gut gesättigt sind.

Fall 2. i ist gleichbleibend.

Abgesehen von Ankerrückwirkungen, wird die Magnetisierung gleich bleiben, das Drehmoment wird daher ebenfalls gleichbleibend sein, wie in Fig. 514. Überschreitet die Belastung einen gewissen Betrag, so läuft die Maschine nicht an; bei geringerer Belastung kommt sie in Gang, bis Reibung und Wirbelströme den Belastungsunterschied ausgleichen.

Die Eigenschaften der Reihenmotoren sind so wichtig, daß wir sie etwas näher betrachten müssen. Wenn der eine Reihenmaschine durchfließende Strom in seiner Stärke gleich bleibt, so daß auch der Magnetismus gleich bleibt, so ist die entwickelte elektromotorische Kraft fast genau der Geschwindigkeit proportional. Wenn E proportional der Leistung ist, so muß D proportional dem Strom sein.

Dies ist für eine Reihentriebmaschine durch Versuche hinlänglich bewiesen.

Wurde eine Reihenmaschine von Siemens zur Hebung einer Last von 25 kg eingerichtet, so hob sie dieses Gewicht in der Minute 646 m hoch und entwickelte eine elektromotorische Gegenkraft von L08,81 Volt. Die zum Betriebe verwendete elektromotorische Kraft betrug 111 Volt, der Widerstand des Stromkreises 0,3 Ohm. Die wirksame elektromotorische Kraft betrug also 2,19 Volt und die Stromstärke 7,3 Ampere. Wurde der Widerstand des Stromkreises auf 2,2 Ohm erhöht, so fiel die Geschwindigkeit auf 51,5 m in der Minute, die Gegenkraft auf 94,94 Volt, die wirksame elektromotorische Kraft V — E betrug demnach 16,06 Volt und die Stromstärke

7,3 Ampere, wie vorher. Schaltete man 4,8 Ohm Widerstand ein, so sank die Geschwindigkeit auf 43 m in' der Minute und die Gegenkraft auf 76 Volt, es verblieben für V—Ê 35 Volt, die Stromstärke war wieder 7,3 Ampere. Bei derselben Belastung herrschte dieselbe Stromstärke, wie auch die Geschwindigkeit sich änderte.

Vorteile der Hauptstrommotoren. Wird der Magnetismus des Feldes gestärkt, so wächst das Drehmoment für einen gegebenen Strom proportional. Daher bieten Hauptstrommotoren großen Vorteil beim Anlassen. Denn wenn der Anker beim Anlassen noch keine Gegenkraft äußert, so entsteht im Anker ein sehr starker Strom, und der Feldmagnet erfährt gleichfalls eine starke Erhöhung des Magnetismus. Daher kann das Drehmoment im Beginn des Anlassens dasjenige bei voller Last bei weitem übertreffen.

Die Tatsache, daß das Drehmoment eines Hauptstrommotors nur von der Stromstärke abhängt, wird von Bedeutung bei Anwendung dieser Triebmaschinen für die BeAvegung von Fahrzeugen (z. B.

Straßenbahnen), die zum Anlaufen während weniger Sekunden eine weit größere Kraft als während des Laufes erfordern¹).

Wenn die Reihenmaschine bei gleichbleibender Spannung versorgt wird, so ist E nicht der Geschwindigkeit proportional, weil der Feldmagnetismus nicht gleichbleibend ist; vielmehr nimmt der letztere ab, wenn E wächst, und wird (wrenn keine Sättigung herrscht) nahezu proportional V — E. Die Maschine wird deshalb

£ Km/St £

S ^    8

1000

Kg.

900

800

28    70

700

24    60

600

20    30

500

1/7-

12 80

300

8 20

200

10

100

10    20    30    40    50    60    70    8 0    90    100

AMPERE

Fig. 5x5. Messungen an einem Straßenbahnmotor.

nicht mit gleichbleibender Geschwindigkeit laufen. Ebensowenig findet dies statt, wenn sie mit Strom von gleichbleibender Stärke versorgt wird.

Fig. 515 gibt die Meßergebnisse eines Hauptstrommotors der Compagnie Electricité et Hydraulique in Charleroi. Die Zugkraft ist dem Drehmoment proportional.

Zwei Maschinen mit Reihenwickelung zur Übertragung.

Werden zwei gleichgebaute Reihenmaschinen, die eine als Stromerzeuger, die zweite als Triebmaschine verwendet, so arbeitet

1) Vergl. Bemerkungen von E. Hopkinson, Proc. Inst Civ. Engineers, Bd. oi, Teil I, S. 6, 1887.

die Anordnung fast vollkommen selbstregelnd. Die Geschwindigkeit der Triebmaschine am Empfangsorte bleibt fast gleich, wenn die Geschwindigkeit des Stromerzeugers am Abgabeorte auch gleich bleibt.

Jede Vermehrung der Belastung der Triebmaschine sucht die Geschwindigkeit zu hemmen und verursacht deshalb ein Anwachsen des Stromes. Aus diesem Grunde entfällt auf den Stromerzeuger eine verhältnismäßig höhere Leistung, wodurch wiederum eine größere Leistung von der Dampfmaschine zur Aufrechthaltung ihrer Geschwindigkeit entnommen wird. Wie vorhin gezeigt wurde, ist das Drehmoment der Triebmaschine D₂ bei der gegebenen Maschine allein von der Stromstärke abhängig, und von der Stromstärke wird auch das Drehmoment bei der Dynamomaschine abhängig. Kapp¹) hat ferner erwiesen, daß bei dem Vorhandensein eines Widerstandes in der Leitung die Anordnung doch so getroffen werden kann, daß Selbstregelung stattfindet. Als Stromerzeuger und Triebmaschine sind dann zwei derartig gewickelte Maschinen zu wählen, daß beim Vergleich ihrer Charakteristiken bei den betreffenden Geschwindigkeiten die Differenz der elektromotorischen Kräfte, die einem gegebenen Strom wert entspricht, derjenigen elektromotorischen Kraft gleich sein soll, die erforderlich ist, um den betreffenden Strom durch den Widerstand des ganzen Kreises zu treiben.

Zwei Hauptstrommotoren in Reihen- oder Parallelschaltung.

Es wird später auf die Vereinigung zwei ähnlicher Motoren durch einen Schalter hingewiesen, welcher erlaubt, die Motoren beim Anlassen hinter- und beim Erreichen einer bestimmten Geschwindigkeit nebeneinander zu schalten. Wenn man beim Anlassen die Motoren hintereinander schaltet, so bedeutet dies Halbierung der Spannung für jeden Motor; es wird also der Stromstoß beim Anlassen vermindert, ohne daß ein erheblicher Teil des Stromes nutzlos durch Widerstände in Wärme verwandelt wird.

¹

   Eine einfache Erklärung für die Notwendigkeit einer elektromotorischen Gegenkraft wird in des Verfassers »Elementary lessons in electricity and magnetism« (Ausg. von 1900, S. 443) gegeben.

²

   Annals of Electricity, Bd. 8, Seite 219, 1842; und Scientific Papers,

³

Ein Motor gewöhnlicher Art, eine Magnet- oder eine Hauptstrommaschine genügt für den Versuch.

⁴

Das Zeichen l bezieht sich auf den Wert der Leistung, welche (elektrisch gemessen) von der Triebmaschine aufgenommen wird. Diese gesamte Leistung erscheint aber nicht als nützliche mechanische Leistung, weil ein Teil durch mechanische Reibung und ein Teil bei der Erzeugung von Wirbelströmen in den sich bewegenden Teilen der Maschine verloren geht. Welcher Teil von / als nützliche mechanische Arbeit erscheint, hängt vom Wirkungsgrade der Maschine an sich ab. In dem folgenden nehmen wir an, derartige Verlustursachen seien nicht vorhanden, d. h. wir betrachten die Maschine als eine vollkommene.

⁵

   Für eine galvanische Batterie läßt sich eine ähnliche Berechnung aufstellen. Mit einer gegebenen Zahl von Zellen läßt sich in einem gegebenen Widerstand die maximale Stromstärke erzielen, wenn man die Zellen so schaltet, daß der innere Widerstand dem äußeren Widerstand möglichst gleich wird. Diese Regel, die für das Maximum der Stromstärke zutrifft (also auch für das Maximum des Zinkverbrauches), entspricht nicht der Bedingung größter Wirtschaftlichkeit. Denn wenn der innere und äußere Widerstand gleich ist, so wird die eine Hälfte der Arbeit zur Erwärmung der Batteriezellen verwendet, und nur die andere Hälfte der Stromenergie ist für den Außenkreis verfügbar. Wollen wir auf möglichst hohes Güteverhältnis bedacht sein, so muß man die Batterie so schalten, daß der innere Widerstand viel geringer als der äußere ist. Wir erhalten dann allerdings keine so hohe Stromstärke und das Zink wird langsamer verbraucht, indessen wird ein weit größerer Anteil der Energie nützlich verwendet und ein weit geringerer Anteil in den Zellen selbst verbraucht. Die größte Wirtschaftlichkeit würde man erreichen, ■wenn der äußere Widerstand im Vergleich zum inneren unendlich groß wird, dann wird sämtliche Energie im äußeren Stromkreise nutzbar, und in der Batterie wird keine Energie verbraucht. Es würde aber unendliche Zeit beanspruchen, um einen endlichen Arbeitsbetrag zu erhalten. Gleiche Schlußfolgerungen lassen sich auch bezüglich der Dynamomaschinen machen, wenn sie als Stromerzeuger benutzt werden; der Widerstand des umlaufenden Teiles entspricht dem inneren Widerstand einer Batterie. Zur Erzielung hohen Güteverhältnisses sollte der Widerstand des Ankers im Vergleich zu dem Widerstand des äußeren Kreises sehr gering sein.

⁶

   Vergl. des Verfassers Abhandlung im Phil. Mag., Februar 1883.

⁷

   American Journal of Science, Bd. 31, S. 95. 1886.

⁸

   Leistung ist das Produkt von Kraft und Geschwindigkeit. Beträgt der Umfang der Riemenscheibe 2 izr und läuft sie n mal in der Sekunde um, so gibt die Umfangsgeschwindigkeit 2 %rn mit P (Kraft) multipliziert die Leistung. Wird P in Grammen und r in Zentimetern ausgedrückt, so bedeutet 2 TrnP die Leistung in Gramm-Zentimetern in der Sekunde. Dies ergibt durch Multiplikation mit 981 X 10—7 die Leistung in Watt Ist <u in Radianten für die Sekunde gegeben und D in Zentimeter-Dynen, so liefert das Produkt Erg in der Sekunde, und man erhält Watt durch Division mit io¹³.

⁹

   Da 1 Volt = io⁸ C G S- Einheiten der elektromotorischen Kraft und

¹⁰

I Ampere == 10—⁷ Einheiten der Stromstärke ist, so ist 1 Watt = io¹³ CG S-

¹¹

Einheiten der Leistung oder io¹³ Erg in der Sekunde oder io¹³:98i Gramm-

¹²

Zentimeter in der Sekunde.

¹³

47*

Triebmaschine mit Nebenschlufswickelung.

Die Grundbedingungen ergeben sich aus folgenden Gleichungen: D = 0,0162 iaM, ia — i is,

ferner, wenn die Frölichsohe Magnetisierungsformel (S. 112) in die geeignete Form gebracht wird, indem V‘ die Spannung der halben Sättigung bedeutet:

(D = (J)‘

(■+?)

— ra i.

Wir erhalten aus den ersten drei Gleichungen

E=V

'{* Dv+v

Setzt man Y für 0,0162 M‘ wie vorher, so folgt: .__D_ V-\- V‘ , V

rs

und aus der vierten Gleichung

Wird hierin der Wert für i eingesetzt, so ist:

/ raDV+V\

\ y '    v2 ;■

Fall 1. V ist gleichbleibend.

Aus der letzten Gleichung geht hervor, daß ein Elektromotor mit Nebenschluß, der bei gleichbleibender Spannung versorgt wird, eine Geschwindigkeit besitzt, die gleichbleibend und unabhängig vom Drehmoment wäre, falls der innere Widerstand nicht in Betracht käme. *Der mit wachsendem Drehmoment erfolgende Abfall wird um so geringer sein, je stärker der Feldmagnetismus ist.

Eine von Mordey geprüfte Victoria-Triebmaschine, deren Belastung von 91,8-10⁷ bis 1357;2 • 10⁷ Dyne-Zentimeter sich änderte, nahm in ihrer Geschwindigkeit nur von 16,25 bis 15,75 Umläufe in der Sekunde ab.

Es ist belehrend, das Selbstregelungsvermögen einer Nebenschlußmaschine dem eines Nebenschlußmotors gegenüber zu stellen. Wird die erstere bei gleichbleibender Geschwindigkeit getrieben, so liefert sie Elektrizität von fast gleichbleibender Spannung; wird die letztere aus den Zuleitungen bei gleichbleibender Spannung gespeist, so liefert sie mechanische Kraft bei fast gleichbleibender Geschwindigkeit. In beiden Fällen ist die Abweichung von dem absolut gleichbleibenden Zustande proportional dem inneren Widerstand der Ankerwickelungen und der elektrischen oder mechanischen Leistung der Maschine.

Wir haben dabei vorausgesetzt, daß der Anker keine magnetische Rückwirkung äußert. Um einen funkenlosen Gang der Maschine zu erhalten, sind die Bürsten nach rückwärts zu verschieben¹), in Triebmaschinen aber wird dadurch eine entmagnetisierende Kraft hervorgebracht. Diese sucht indessen, wie wir vorhin sahen, die Geschwindigkeit zu steigern. Wird die Triebmaschine mit Strom von gleichbleibender Spannung gespeist, so sucht gerade die Rückwirkung des starken Stromes bei großer Belastung die Verminderung der Geschwindigkeit zu hindern und macht die Nebenschlußmaschine nahezu selbstregelnd. Diese Rückwirkungen wollen wir weiter unten noch eingehend betrachten.

Fall 2. i ist gleichbleibend.

Die Erörterung wird hier verwickelter, wenn auch die allgemeinen Betrachtungen einfach genug sind. Ist die Maschine in

so verursacht die

Ruhe, wenn der Strom beginnt, so fließt fast der gesamte Strom durch den Anker, fast nichts durch den Nebenschluß, es entsteht infolgedessen nur geringer Magnetismus und fast kein Drehmoment. Eine solche Maschine läuft auch mit der geringsten Belastung nicht von selbst an. Ist das Anlaufen aber einmal erfolgt

Fig. 516. Mechanische Charakteristik eines Nebenschlußmotors.

elektromotorische Gegenkraft das Abfallen des Ankerstromes, während der Strom im Nebenschluß steigt. Das Drehmoment steigt deshalb dann mit der Geschwindigkeit, jedoch nicht unbegrenzt, weil bei dem Anwachsen des Magnetismus seinem Sättigungsgrade zu das Anwachsen von <Z> nicht länger das Abfallen von ia ausgleicht: von diesem Punkte ab nimmt das Drehmoment ab, wenn auch die Geschwindigkeit ansteigt. Theoretisch sollte die Geschwindigkeit ansteigen, bis die eigene elektromotorische Kraft der Triebmaschine die Spannung genau ausgleicht, die dem gesamten gleichbleibenden Strom, der durch den Nebenschluß fließt, entspricht; unter solchen Umständen

wird aber im Anker kein Strom vorhanden und das Drehmoment Null sein. .

Die Fig. 516, die, wie die vorhergehende, dem Werke von Dr. Frölich entnommen ist, liefert die mechanischen Charakteristiken für die beiden Fälle.

Wiedergewinnung der Arbeit. Sir C.W. Siemens²) lenkte im Jahre 1880 die Aufmerksamkeit auf die besonderen Eigenschaften der Verbindung einer stromerzeugenden Dynamomaschine mit einer ' Magneto-Triebmaschine. Er führt als Beispiel eine als Lokomotive laufende Triebmaschine an, die bei der Bewegung auf einer geneigten Ebene ihre Geschwindigkeit erhöht, tatsächlich als Stromerzeuger wirkt und die überschüssige Kraft zurückgibt. Er bemerkte gleichfalls, daß zwei Züge, die durch Triebmaschinen bewegt, auf demselben Schienenpaar laufen, sich gegenseitig zu regeln suchen; wenn nämlich der eine sich auf einer abfallenden Stelle der Bahn befindet, so gibt er an den andern Kraft ab und wirkt so, als wenn die Züge durch ein unsichtbares Zugseil miteinander verbunden wären.

Bei fremderregten und Nebenschlußmotoren verhält e» sich in der Tat so; von einer gewissen Geschwindigkeit an wird der Nebenschlußmotor zum Stromerzeuger, da sein Magnetismus annähernd unveränderlich ist. Aber bei Hauptstrommotoren, avo die Talfahrt den Strom vermindert, schwächt sie auch den Magnetismus der Feldmagnete, und es gibt keine bestimmte Gesclnvindigkeit, bei der ein solcher Motor zum Stromerzeuger Avürde.

Wechselwirkung zwischen Anker und Feldmagnet in einer Triebmaschine.

Im Kapitel IX (S. 188 bis 195 und 226 bis 231) wurden die Wechselwirkungen zwischen Anker und Feldmagnet einer Dynamomaschine im einzelnen betrachtet, jedoch nur in Beziehung auf den Fall, daß die Maschine als Stromerzeuger dient. Der in den Ankerwickelungen induzierte Strom sucht dann den Ankerkern quer zu magnetisieren und das Feld in der Richtung der Drehung zu verzerren, während die Verschiebung der Bürsten im Sinne des Umlaufs, Avelche zur funkenlosen Stromwendung nötig ist, eine entmagnetisierende Wirkung ausübt. In einer Triebmaschine findet dies auch statt, es besteht aber ein Unterschied. Der von einer äußeren Stromquelle gelieferte Strom magnetisiert den Anker und macht ihn

zu einem kräftigen Magnet, dessen Pole, wie in der Dynamomaschine, fast rechtwinkelig zu der die Polstücke verbindenden Linie liegen würden, wenn nicht in diesem Falle den Bürsten gleichfalls eine Verschiebung erteilt werden müßte. Man stelle sich vor, daß, wie in den meisten Figuren dieses Buches, der $-Pol des Feldmagnetes links, der JV-Pol rechts liegt. Der Strom durchfließe den Anker so, daß er den höchsten Punkt zum $-Pol und den tiefsten zum iY-Pol Dies bedeutet, daß bei einem rechtsgängig gewickelten Anker der Strom in die obere Bürste eintritt und an der untern austritt, die obere Bürste demnach die positive Leitung bildet. Vergl. S. 189. In diesem Falle wird der Anker offenbar rechts herum laufen, weil der S-Pol oben vom S-Pol links abgestoßen und vom Ar-Pol rechts angezogen wird. Die Maschine wird also nach rechts herumlaufen, wenn der Strom abwärts von der Spitze nach unten fließt, ebenso wie der Anker eines Stromerzeugers laufen muß, um einen Strom aufwärts zu erzeugen. In jedem Falle ist die Richtung der induzierten elektromotorischen Kraft gleich — aufwärts — mit dem Strom im Stromerzeuger und gegen den Strom in der Triebmaschine.

zu machen sucht.

Daraus folgt, daß eine Verschiebung der Bürsten nach vorwärts beim Motor die quermagnetisierende Kraft in eine solche umwandelt, die den Feldmagnet zu verstärken sucht, während eine Verschiebung nach rückwärts zu entmagnetisieren sucht. Da ferner bei der Vorwärtsverschiebung die Polarität des Ankers die des Feldmagnetes stärkt, so läßt sich eine Triebmaschine — abgesehen von der Frage der Funkenbildung — in Bewegung setzen, ohne daß irgend etwas geschieht, um den Feldmagnet zu erregen (vergl. S. 234); der Anker induziert einen Pol im Feldmagnet und bewegt sich dann herum nach diesem induzierten Pole zu. Vor vielen Jahren wurde diese Tatsache bei kleinen Triebmaschinen benutzt.

Die quermagnetisierende Kraft äußert auch die Wirkung, in umgekehrter Weise wie bei einem Stromerzeuger, das Feld unterhalb der im Sinne der Bewegung verlaufenden Polspitzen zu schwächen und unterhalb der beiden andern zu verstärken. In der Triebmaschine (sogar auch dann, wenn keine Verschiebung der Bürsten stattfindet) sucht die quermagnetisierende Rückwirkung das Feld in einem dem Umlauf entgegengesetzten Sinne herumzudrehen.

Die Bedingungen für die geringste Funkenbildung gehen aus folgender Betrachtung hervor. Es steige (Fig. 517) eine Wickelung W links empor. Der Strom tritt in sie durch die obere Bürste ein;

die Wickelung ist der Sitz einer elektromotorischen Kraft, die den . Strom zu hemmen oder umzukehren sucht. Nach der Theorie des Umkehrfeldes wissen wir, daß die Bedingung für funkenlose Stromwendung darin besteht, daß in dem Augenblicke, in dem die Wickelung unter der Bürste vorbeiläuft und kurz geschlossen wird, sie sich durch ein Feld bewegt, das nicht nur genügend stark, sondern auch so beschaffen ist, daß es die Stromrichtung umzukehren sucht. Die Wickelung befindet sich schon in einem solchen Felde; der Vorgang der Strom Wendung muß deshalb eintreten, bevor die Wickelung das Feld verläßt, er muß erfolgt sein, ehe die Wickelung

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•0&'

\v

V\

W/

V)

\\

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du

Fig. 517. Vorgang der Stromwendung in einer Ankerspule eines Motoi's.

zum höchsten Punkt gelangt. Es muß also die Bürste nach rückwärts verschoben werden, wenn keine Funkenbildung eintreten soll. Die neutrale Linie nn{ liegt deshalb in einer Triebmaschine nach rückwärts (links) geneigt. Da aber in jedem Falle sowohl Wirbelströme als Hysterese das magnetische Feld etwas in der Richtung des Umlaufes zu verschieben suchen, wodurch in einem Stromerzeuger die Verschiebung der Bürsten größer, in einer Triebmaschine kleiner wird, so wird folglich bei kleiner Stromstärke und gleicher Erregung die negative Verschiebung (nach rückwärts) in einer Triebmaschine etwas kleiner sein als die positive Verschiebung (nach vorwärts) in einem Stromerzeuger*).

1) Dies scheint die Erklärung^ für die von Sn eil beobachteten, sonst unwichtigen, Unterschiede zu sein. Vergl. Journ. Inst. Electr. Engin., Ed. 19’ S. 194, 1890. Abhandl. von Sn eil.

Der Umstand, daß bei einer Triebmaschine der Anker den Feldmagnet in der Erregung unterstützt, wodurch das Gewicht des letzteren sich verringern läßt, führte Ayrton und Perry im Jahre 1893 dazu, den Bau von Maschinen mit schwachen Feldmagneten und kräftigen Ankern, die bei Vorwärtsverschiebung der Bürsten arbeiteten, zu befürworten¹).

Aus den vorstehenden Betrachtungen folgt indessen, daß die Triebmaschine unvermeidlich Funkenbildung zeigt, wenn man ihre Bürsten nach vorwärts verschiebt, um eine kräftigere Drehung zu erzielen, wenn nicht besondere Vorkehrungen, wie sie Sayers angegeben hat, zur Verhinderung der Funkenbildung angewendet werden.

Wenn Kohlenbürsten verwendet werden, welche mehrere Stromwenderstäbe bedecken, ist es nicht nötig, die Bürsten überhaupt zu verstellen, sei es vorwärts oder rückwärts; der Widerstand an der Berührungsstelle wirkt in der Art, wie auf S. 228 beschrieben» und ermöglicht funkenlose Stromwendung. Kohlenbürsten werden bei Motoren fast ausschließlich verwendet; ihre rein radiale Stellung ist vorteilhaft für den Wechsel der Drehrichtung. Dem Widerstand der Schicht zwischen dem Stromwender und der Bürste ist in erster Linie die funkenlose Stromwendung zuzuschreiben.

Ein Minimum der Funkenbildung kann mit einem hohen Wirkungsgrade nur auf einem Wege vereinigt werden, indem man nämlich für den Entwurf und Bau dieselben Grundsätze befolgt, welche beim Bau der Stromerzeuger als zuverlässige Führer erkannt worden sind (vergl. S. 230).

Sayers, dessen Methode der Ankerwickelung mit Hilfswickelungen Seite 245 besprochen wurde, hat dieselbe Methode²) auch bei Triebmaschinen zur Anwendung gebracht. Bei seiner Anordnung arbeitet der Anker funkenlos, selbst bei bedeutender Vorwärtsverschiebung der Bürsten, und ist so im stände, die Magnetisierung der Feldmagnete zu unterstützen.

In der Pegel erträgt eine Maschine als Motor einen höheren Strom ohne Funken wie als Stromerzeuger. Auch erträgt ein Motor beim Anlassen, ohne zu funken, eine Stromüberlastung, die doppelt so groß ist, als sie dem Stromerzeuger zugemutet werden darf. Die einfache Erklärung ist, daß die Zeit, in der die Stromwendung erfolgt, in diesem Falle so viel länger ist.

j) Journ. Soc. Telegr. Engin., Bd. 12, Mai 1883.

2) Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 22, S. 377, 1893; Bd. 24, 1895.

Vergleich zwischen Stromerzeuger und Motor. Mordey³) hat die Analogieen zwischen Stromerzeugern und Triebmaschinen sorgfältig verfolgt und bemerkt, daß es in verschiedener Hinsicht sehr wichtig ist, die für eine gute Bauart der Stromerzeuger bestehenden Regeln auch für Triebmaschinen zu beachten. Die Entstellung von Wirbelströmen muß mit größter Sorgfalt ausgeschlossen werden.

Vergleichen wir noch einmal sorgfältig die Bedingungen in Betreff der Felder eines Stromerzeugers und einer Triebmaschine Tn dem einen Falle wird der Anker mechanisch umgetrieben, während die magnetischen Kräfte ihn zurückzuziehen suchen. In dem anderen Falle suchen die magnetischen Kräfte den Anker ' herumzudrehen, und er wird dadurch zur Leistung mechanischer Arbeit befähigt.

Im ersten Falle ist eine mechanische Gegenwirkung vorhanden, die einen hemmenden Einfluß auf die Dampfmaschine ausübt. Im zweiten Falle tritt eine entgegengesetzte elektrische Wirkung auf (die induzierte elektromotorische Gegenkraft), welche den Strom zu hemmen sucht⁴).

In beiden Fällen wird gleiche Bewegungsrichtung — rechtsherum— angenommen. In beiden Fällen entsteht eine Verschiebung der Linien des Feldes; im Stromerzeuger wirkt die mechanische Drehung so, als wenn der Magnetismus im Sinne der Bewegung herumgezogen würde, in der Triebmaschine dagegen sind die magnetischen Wirkungen derart, daß sie den Anker herumzudrehen suchen und eine mechanische Drehung hervorbringen.

Bei den Stromerzeugern der gewöhnlichen Bauart fanden wir, daß die funkenlose Stromwendung positive Bürstenverschiebung verlangt; bei der Triebmaschine ist das Umgekehrte der Fall. Wenn eine Triebmaschine ohne Verschiebung benutzt, der Feldmagnet sehr, schwach oder überhaupt nicht erregt wird, so läuft die Maschine in jeder Richtung, je nachdem man sie hat anlaufen lassen. Wird bei

stärkerer Erregung des Eeldraagnetes der Strom nur im Ankerteil umgekehrt, so kehrt sich die .Drehrichtung auch um, aber die Bürstenverschiebung muß ebenfalls umgekehrt werden, wenn die Maschine so funkenlos wie vorher laufen soll. Kehrt man anstatt des Ankerstromes den Feldmagnetismus um, so tritt dieselbe Wirkung ein. Erfolgen beide genannten Umkehrungen zu gleicher Zeit, so läuft die Maschine ebenso, als ob nichts geändert wäre.

Dynamomaschinen, die als Stromerzeuger für Gleichstrom gewickelt und geschaltet sind, lassen sich in allen Fällen als Triebmaschinen verwenden, jedoch treten Unterschiede hervor.

Eine Reihenmaschine, die bei rechtsläufiger Drehung Strom gibt (und bei der deshalb auch eine Verschiebung der Bürsten nach rechts eintreten muß), wird, aus einer äußeren Stromquelle mit Strom versorgt, als Triebmaschine nach links herum gegen ihre Bürsten laufen. Um sie als Triebmaschine richtig einzustellen, muß man entweder die Schaltung des Ankers umkehren oder die des Feldmagnetes (in jedem dieser Fälle wird sie rechtsläufig), oder man kehrt die ‘Bürstenlage um und gibt den Bürsten eine Verschiebung in entgegengesetzter Richtung (die Maschine wird dann linksläufig).

Eine zur Stromerzeugung eingestellte Nebenschlußmaschine läuft als Triebmaschine in derselben Richtung, wie sie als Stromerzeuger umlief; denn wenn der Strom im Anker dieselbe Richtung wie vorher besitzt, so wird der im Nebenschluß entgegengesetzt und umgekehrt.

Eine Maschine mit gemischter Wickelung läuft als Triebmaschine in umgekehrtem Sinne gegen ihre Bürsten, wenn die Reihenwickelung kräftiger wirkt, als der Nebenschluß; sie läuft in der Richtung der Bürstenlage, wenn der Nebenschlußteil kräftiger wirkt. Sind die Verbindungen (wie bei Verbundmaschinen) so, daß der Feldmagnet die Summe der Wirkungen der Nebenschluß- und Reihenwickelung erhält, wenn die Maschine als Stromerzeuger benutzt wird, so kommt die Differenz der Wirkungen in Betracht, wenn sie als Triebmaschine umläuft.

Bei Anwendung einer differential gewickelten Triebmaschine ergeben sich gewisse Vorteile, wde man später ersehen wird.

Umsteuerung der Triebmaschinen.

Wie vorhin erläutert wurde, läßt sich die Drehung einer Triebmaschine durch Umkehrung des Stromes im Anker umkehren, während man gleichzeitig die Bürsten umstellt. Die Umkehrung des Stromes kann auch durch Drehung der Bürsten um 180 Grad bewirkt werden. Demzufolge läßt sich beides in einfacher Weise dadurch erreichen, daß man die Bürsten um 180 Grad — 2 cp vorwärts schiebt, wenn cp den ursprünglichen Verschiebungswinkel bedeutet. Da die Bürsten aber dann in falscher Richtung anliegen, so ist es zweckmäßiger, einen zweiten Satz Bürsten zu verwenden, wie es Hopkinson behufs der Umsteuerung getan hat. Er verwendet zwei Paar Bürsten, von denen jedes Paar um ein gemeinschaftliches Lager drehbar ist; das eine Paar hat eine Verschiebung nach vorwärts, das andere eine solche nach rückwärts; jedes kann auf den Stromabgeber niedergedrückt werden.

Es sind noch verschiedene Formen der Umsteuerung vorgeschlagen worden, die demselben Zwecke dienen sollen.

Wenn die Feldmagnete im Verhältnis zum Anker so kräftig sind, daß den Bürsten keine Verschiebung erteilt zu werden braucht, so kann die Drehung durch Umkehrung der Polarität jedes von beiden Teilen umgekehrt werden.

Regelung der Triebmaschinen.

Für manche Zwecke, wie z. B. bei elektrisch betriebenen Spinn-und Webmaschinen, ist es äußerst wichtig, die Motoren so zu regeln, daß sie mit gleichbleibender Geschwindigkeit laufen, wie stark sich auch die Belastung ändere. Schwungkraftregler, Unterbrecher und dynamometrische Regler sind für diesen Zweck entworfen worden⁵). Hauptstrommotoren sind dazu überhaupt nicht zu gebrauchen ; Hebenschlußmaschinen regeln sich, wie oben erwähnt, in ausreichendem Maße selbst, wenn man sie mit gleichbleibender Spannung speist, Mordey⁶) hat gezeigt, wie dies von gutem Entwurf und niedrigem Ankerwiderstand abhängt. Die geringe entmagnetisierende Wirkung des Ankers, welche stattfindet, wenn den Bürsten zur Erzielung funkenloser Strom Wendung eine negative Verschiebung erteilt wird, tut dieselben Dienste, wie eine besondere Entmagnetisierungsspnle. Die folgenden Meßergebnisse zeigen eine Konstanz innerhalb

1,5 Prozent für alle Belastungen in den Grenzen des regelmäßigen Betriebes.

Klemmen

spannung

Strom

Gebremste

Leistung

Umdrehungen in der Minute

Drehmoment

kgm

tT Tt- tJ-

od co co~ cd \D MO MO MO

44

12Ô

ï65,5

i8o

H WO uo 00 H I> o" H

H H

1125

T120

1115

1110

w Ci u)n l>vO l> 00

o~ -fvd t>

Bei geringerer Spannung regelte sich derselbe Motor fast ebenso gut, aber bei niedrigerer Geschwindigkeit. Es war zu bemerken, besonders bei geringer Leistung des Motors, daß die Geschwindigkeit stieg, wenn das Feld schwächer wurde.

Theorie der selbstregelnden Triebmaschinen.

Die von Ayrton und Perry⁷) angegebene, selbsttätige Regelung -ist unzweifelhaft die theoretisch vollkommenste; sie besteht aus einer Differentialwickelung. Die Theorie dieser Selbstregelung wird in folgendem erläutert.

In dem Abschnitt über selbstregelnde Dynamomaschinen, S. 279 bis 291, wurde die Aufgabe behandelt, wie eine Maschine anzuordnen ist, damit sie einen Stromkreis mit elektrischer Energie von gleichbleibender Spannung versieht, wenn sie mit gleichbleibender Geschwindigkeit umgetrieben wird. Die Lösung bestand in der Anwendung gewisser Schaltungen für die Feldmagnete, die ein vom Strome im Hauptkreise unabhängiges anfängliches magnetisches Feld ergeben und einer Verstärkung dieses Feldes, welche von dem Strome abhing, der im Hauptkreis floß.

Diese Aufgabe kann man auch umgekehrt stellen, d. h. Triebmaschinen mit einer solchen Schaltung der Feldmagnete hersteilen, daß bei der elektrischen Versorgung unter der Bedingung gleichbleibender Spannung in den Zuführungsleitungen die Geschwindigkeit bei jeder Belastung gleichbleibend wird. Ohne numerische Berechnungen läßt sich einsehen, daß die Wickelungen gegeneinander wirken müssen — die eine muß das Bestreben haben, den Feldmagnet zu entmagnetisieren, die andere, ihn zu magnetisieren.

Es sei eine Triebmaschine mit Nebenschluß vorausgesetzt, die Strom von gleichbleibender Spannung V erhält und mit einer bestimmten Geschwindigkeit und Belastung betrieben wird. Hört die Belastung plötzlich auf, so fängt die Maschine an schneller zu laufen;

■dadurch nimmt die elektromotorische Gegenkraft zu und schwächt den Ankerstrom. Aber die Abnahme des Stromes genügt nicht vollständig, um die Geschwindigkeit herabzudrücken, da der innere Widerstand des Ankers verhindert, daß die gesamte Energie des Ankerstromes als Arbeit nutzbar werde. Eine entmagnetisierende Reihen-wickelung, die auf den Feldmagnet wirkt, wird die gewünschte Wirkung herbeiführen. Bei jeder Verminderung der Belastung kann eine entsprechende Herabminderung des Stromes eintreten; das resultierende Anwachsen des Magnetismus der Eeldmagnete ist genügend, um die erforderliche größere elektromotorische Gegenkraft ohne jedes Anwachsen der Geschwindigkeit zu erhalten. Für Verteilung bei gleichbleibender Stromstärke wird keine Differentialmethode oder Zusatzmethode genügend wirken, es sind dann besondere Kegulatoren anzuwenden.

In der nachstehenden Übersicht finden sich die Anordnungen für selbstregelnde Stromerzeuger denen für selbstregelnde Triebmaschinen gegenübergestellt.

Stromerzeuger.

Gegeben

gleichbleibende Geschwindigkeit. V soll gleich bleiben.

Stahlmagneten. Besonderer Erregung. Nebenschlußwickelungen.

Triebmaschine.

Verlangt

gleichbleibende Geschwindigkeit. V ist gleichbleibend.

Stahlmagneten. Besonderer Er-

Anfänglicher Magnetismus von:

— regelnden

Reihen Wickelungen.

Bei Erörterung der Theorie der selbstregelnden Triebmaschine schlagen wir im allgemeinen dieselben Wege wie bei dem selbstregelnden Stromerzeuger ein; wir müssen eine Gleichung finden, aus der die gewünschte Bedingung der Beständigkeit hervorgeht.

Anfänglicher Magnetismus von :

regung.

Nebenschluß

wickelungen.

-f- regelnden

Reihenwickelungen.

Hebenschluß- oder fremderregte Triebmaschine mit regelnder Reihenwickelung.

Indem wir dieselben Berechnungen wie früher verwenden, finden wir für die im Anker entwickelte elektromotorische Gegenkraft E=nNO-10~~⁸ =n-M und

E — V— i (r„ -j- rm).

dem

M setzt sich aus zwei Teilen zusammen, nämlich: M dauernd vorhandenen Anteil (welcher bei einem Nebenschlußmotor

gleich qSsis ist) und einem anderen Teil, der von der Reihenwickelung abhängt und den wir mit qSmi bezeichnen; Ss und Sm sind die Windungszahlen der Magnetspulen, und zwar Ss der Nebenschluß- und Sm der Reihenspule, q steht für 4-jV, dividiert durch 10& und durch die Summe der magnetischen Widerstände; sein Wert hängt deshalb von der Durchlässigkeit des Eisens und also von

dem Sättigungsgrade des magnetischen Kreises ab. Wir können demnach setzen:

q SmZ.

Wenn wir -j- anstatt — setzten, so ergäbe sich eine Lösung mit negativem Vorzeichen, was anzeigt, daß die Windungen so anzuordnen sind, daß der Strom in der Reihenwickelung in negativer, d. h. entmagnetisierender Richtung kreist. Da wir bereits wissen, daß dies der Fall sein muß, benutzen wir gleich das negative Vorzeichen. Wir nehmen auch an, daß keine Gegenwirkungen des

Ankers vorhanden sind.

Durch Einsetzen des Wertes von M in die Grundgleichung

ergibt sich:

E =n (M₁ — q Sm i).

Durch Verbindung dieser Gleichung mit der obigen für E erhalten wir:

• (I)

V— i (ra -f- rm)

— qSmi

Es ist nunmehr zu prüfen, ob die verschiedenen Teile des Ausdruckes veränderlich oder gleichbleibend sind; daraus ist eine Beziehung abzuleiten, nach der n gleichbleibend gemacht wird. Zähler und Nenner enthalten jeder zwei Glieder, das erste ist eine Konstante, jedes zweite enthält die veränderliche Größe i. Der Bruch kann aber nur dann einen gleichbleibenden Wert besitzen, wenn die beiden Koeffizienten der Veränderlichen in den zweiten Gliedern in demselben Verhältnisse zueinander stehen, als die ersten Glieder; soll n gleichbleibend sein, so muß

(H)

1/

ra -r rm q Stn

Dies ist die gesuchte Bedingungsgleichung. Trifft diese Bedingung zu (es ist zu bemerken, daß die Zahl der erforderlichen Reihenwindungen, wie bei der selbstregelnden Dynamomaschine, proportional dem inneren Widerstande der Maschine ist), so ist die Geschwindigkeit gleichbleibend und besitzt den Wert:

(III)

ra + rm

q Sm

Die erste dieser Beziehungen zeigt uns, daß die Geschwindigkeit, mit der die Maschine läuft, dieselbe ist, bei der sie als Stromerzeuger im offenen Kreise getrieben, eine elektromotorische Kraft gleich der der Stromquelle an den Hauptleitungen liefern würde. Läuft sie als unbelastete Triebmaschine, so müßte sie folglich so schnell laufen, daß ihr Ankerstrom auf ein Minimum herabgedrückt wird, was bei eben dieser Geschwindigkeit geschieht.

Soll

Wenn man den dauernden Teil des Magnetismus stark genug macht, so ist klar, daß die kritische Geschwindigkeit, d. h. diejenige, bei der die Maschine selbstregelnd ist, beliebig gering gemacht werden kann. Wenn die Belastung der Maschine erhöht wird, so muß der Ankerstrom verstärkt werden. Dieser stärkere Strom kann nicht vorhanden sein, wenn nicht in irgend einer Weise die elektromotorische Gegenkraft des Ankers vermindert wird, die Geschwindigkeit dann aufrecht erhalten werden, so geschieht dies durch Ermäßigung des Magnetismus, der infolge des verstärkten Stromes durch die entmagnetisierenden Wickelungen herab-gedrtickt wird.

Die mit q bezeichnete Größe, die von der Durchlässigkeit des Eisens abhängt, müßte also zu einem Durchschnittswert zwischen den beiden Grenzen, die sie bei der maximalen Belastung und bei der Belastung Null besitzt, angenommen werden; da bei gut entworfenen Maschinen die Widerstände im Ankerkreise sehr gering und der Wirkungsgrad sehr hoch ist, kann die entmagnetisierende Wirkung der Hauptstromwickelung selbst bei voller Belastung die Magnetisierung nur um wenige Prozente herabdrücken. Dazu wird vermöge der Rückwärtsverschiebung der Bürsten, welche zur Verhinderung der Funkenbildung notwendig ist, der Anker selbst teilweise wie eine entmagnetisierende Hauptstromwickelung wirken und so eine Änderung der Permeabilität ausgleichen. Der Magnetismus ist am stärksten, wenn der Motor leer läuft.

Ist die Belastung am größten, wenn z. B. die Maschine mit 80 Prozent Wirkungsgrad läuft, so ist E 80 Prozent von F, d. h. M beträgt 80 Prozent von Mv In diesen Grenzen der Magnetisierung muß dann der Wert von q im Mittel gehalten werden. Es geht aus (III) hervor, daß für eine Maschine, die schon mit einer gegebenen Zahl Reihenwickelungen versehen ist, ein Wert von V ermittelt werden kann, für den die Bedingung der Selbstregelung noch erfüllt wird.

Vorstehende Formel ergibt die Regel von Ayrton und Perry für die Wickelung von selbstregelnden Triebmaschinen. Triebmaschinen, die in dem nach Gleichung (IV) angegebenen Verhältnis differential gewickelt sind, werden fast genau selbstregelnd.

Eine Eigentümlichkeit dieser Wickelungsmethode ist folgende: Die Maschine stehe still und der Strom werde angelassen. Die vom Nebenschluß stammenden Amperewindungen sind gleich VSs/rs, die von der Reihen wickelung herrührenden gleich VSmj{ra-j- rm), und diese sind nach Gleichung (IV) einander gleich und sind von entgegengesetztem Vorzeichen. Dann sollte überhaupt kein Magnetismus erregt werden. Verschiebt man die Bürsten etwas, so kommt die magnetisierende Neigung des Ankers zur Geltung; erhalten die Bürsten eine beträchtliche negative Verschiebung, so ergibt sich als Wirkung, daß der Feldmagnet in falschem Sinne magnetisiert wird und die Maschine deshalb auch verkehrt anläuft. Diesem Mangel kann man durch Ausschaltung der Reihenwickelung oder deren Umschaltung abhelfen, bis die Maschine ihre Geschwindigkeit erhalten hat. Die letztere Maßregel ist vorzuziehen, da das von der Reihenmaschine zugefügte Drehmoment von großem Vorteil ist, wenn es sich um Überwindung des statischen Widerstandes beim Anlauf handelt,

Die Zahl der Nebenschlußwindungen sollte theoretisch offenbar so groß sein, daß die mit der gegebenen Geschwindigkeit bei offenem Kreise umgetriebene Maschine eine elektromotorische Kraft V erzeugt.

Vorausberechnung der gemischten Wickelung. Sowohl die Nebenschluß

Beim Nebenschlußmotor kann obige Gleichung noch vereinfacht werden; es ist V=isrs, und M₁—qSsis. Setzen wir diese Werte in (II) ein, so erhalten wir

Ss

rs

Sm

ra + rm

■ • (IV)

als die Hauptstromspule, können ebenso, wie bei Stromerzeugern, berechnet werden, indem man (wie in Kapitel XVII) die Amperewindungen berechnet, welche nötig sind, um eine Erregung hervorzubringen, bei der mit der vorgeschriebenen Geschwindigkeit F Volt erzeugt werden; und ebenso die Amperewindungen, wenn, gleichfalls bei vorgeschriebener Geschwindigkeit, V—i(ra-\~rm) Volt erzeugt werden sollen. Die letztere Erregung ist dann diejenige, welche vom Unterschied der Amperewindungen in der Nebenschluß- und der Hauptstromspule hervorgebracht wird.

Praktische Bestimmung der Nebenschluß- und Reihenwickelung.

Wie bei einem Stromerzeuger mit gemischter Wickelung, läßt sich auch für Triebmaschinen die Wickelung durch einfache Versuche bestimmen.

Man benutzt dazu eine vorläufig umgelegte, besonders erregte "Wickelung und einen Widerstand, der dem späteren Werte rm gleich ist und dem Ankerwiderstand zugefügt wird. Zunächst läßt man die Maschine ohne Belastung bei der geeigneten Spannung F laufen und erregt die Wickelung, wobei diejenige Zabi von Amperewindungen beobachtet wird, die notwendig ist, um die Geschwindigkeit auf den Wert n zu bringen. Die Zahl der Amperewindungen ist in diesem Falle gleich Ss A, wenn is die Stromstärke bedeutet, die aus wirtschaftlichen Gründen für den Nebenschluß anzuwenden ist. Dann läßt man die Maschine bei voller Belastung laufen und erregt den Feldmagnet so, daß die Geschwindigkeit n gleich bleibt. Hieraus und aus dem ersten Versuch läßt sich Sm berechnen.

Der Wirkungsgrad einer differential gewickelten Maschine kann nicht so groß wie der einer nicht differential gewickelten Maschine sein, weil die bei ersterer zur Magnetisierung des Feldmagnetes aufgewendete Energie im Verhältnis zur erzeugten Magnetisierung größer ist.

Mechanische Charakteristiken von gemischt und differential gewickelten Triebmaschinen.

Es soll nunmehr die graphische Darstellung der Beziehungen zwischen Geschwindigkeit und Drehmoment bei Triebmaschinen, die mit gemischten Wickelungen versehen sind, betrachtet werden⁸).

Die Kurven, die sich auf Versorgung bei Gleichspannung beziehen, zeigt die Fig. 518. Die Buchstaben S und Z beziehen sich auf Reihenwickelungen und Nebenschlußwickelungen. Die Gestalten der Kurven für gemischte Wickelungen unterscheiden sich je nach den Verhältnissen der Wickelungssätze. Am wichtigsten ist die mit Z — S bezeichnete Wickelung, die wenige Reihenwickelungen besitzt, um den Abfall, welcher bei der reinen Nebenschlußwickelung stattfindet, auszugleichen. Bis zu einer gewissen Grenze ist die Geschwindigkeit fast gleichbleibend, das Drehmoment erreicht indessen dann sein Maximum.

Bei Versorgung mit gleichbleibendem Strome ist, wie die Fig. 519 zeigt, die Differentialwickelung mit großem Nebenschluß

z-s

Z+S

z-s

Fig. 518. Mechanische Charakteristiken bei gleichbleibender Spannung.

Fig. 510. Mechanische Charakteristiken bei gleichbleibendem Strom.

und kleiner Reihenwickelung die einzige, die annähernd eine gleichbleibende Geschwindigkeit erzielt.

Die Regelung der Geschwindigkeit elektrischer Triebmaschinen.

In der überwiegenden Mehrheit der Fälle wird der Strom den Motoren mit gleichbleibender Spannung zugeführt. Unter dieser Bedingung laufen Motoren mit Dauermagneten oder mit Nebenschluß-erregung bei nahezu gleichbleibender Geschwindigkeit, indes mit einem geringen Abfall der Geschwindigkeit bei zunehmender Belastung. Bei geringer Last gehen sie nicht durch, vielmehr streben sie einer bestimmten höchsten Geschwindigkeit zu. Hauptstrommotoren dagegen ändern ihre Geschwindigkeit mit der Belastung und neigen bei geringer Last zum Durchgehen; sie haben keine bestimmte höchste Geschwindigkeit bei Leerlauf.

Eiir manche Zwecke, insbesondere für den Antrieb von Werkzeugmaschinen und von Fahrzeugen, ist es erwünscht, Mittel zu haben, um die Geschwindigkeit der Motoren zu beherrschen, so daß man einen gegebenen Motor bei gegebener Spannung nach Belieben mit verschiedenen Geschwindigkeiten laufen lassen kann ; wenn der Motor auf eine bestimmte Geschwindigkeit eingestellt ist, soll er diese annähernd beibehalten, wrenn auch seine Belastung geändert wird.

wollen wir die Grund-

Um diese Aufgabe zu studieren gleichungen für Drehmoment und Geschwindigkeit zu Rate ziehen, wie sie auf S. 742 und 743 unter (5) und (6) stehen. Die Gleichung für die Geschwindigkeit ist

(6)

V 61,8 r D

Hierin bedeutet V die Klemmenspannung der Speiseleitung, r den Motorwiderstand von Klemme zu Klemme, einschließlich eines etwa vorhandenen Rheostatenwiderstandes, D das Drehmoment in Kilogrammeter, M den Stärkefaktor (vergl. S. 742). Der Ausdruck besteht aus zwei Gliedern, von denen das erste die Geschwindigkeit bei Leerlauf ist, das zweite der Abfall der Geschwindigkeit bei zunehmender Last. Um die Bedeutung dieses Ausdrucks genauer kennen zu lernen, wollen wir annehmen, daß der Motor so aufgestellt wird, daß er sich gegen den Widerstand eines entgegenwirkenden Drehmoments dreht, etwa indem er ein Gewicht auf eine Rolle aufwindet. Es ist klar, daß dieses widerstehende Drehmoment von der Geschwindigkeit unabhängig ist. Wir erkennen dies aus dem Vergleich mit dem Widerstand eines Bohrwerkzeuges oder einer Transmissionswelle; in diesen Fällen würde die Annahme, das Drehmoment ändere sich nicht mit der Geschwindigkeit, von der Wahrheit weit entfernt sein. Nehmen wir also I) als konstant an, so sehen wir, daß mit V zugleich die Geschwindigkeit wächst, daß aber eine Erhöhung von M die Geschwindigkeit vermindert (das erste Glied ist weit bedeutender als das zweite), während auch eine Zunahme von r die Geschwindigkeit verringert. Wir haben also drei Wege, die Geschwindigkeit zu ändern, nämlich indem wir eine der veränderlichen Größen U, M oder r verändern.

Die Größe M hat keinen gleichbleibenden Wert in einem Motor, der mit gleichbleibender Spannung gespeist wird, selbst wenn die Menge der magnetischen Kraftlinien denselben Wert beibehält. Denn wenn V konstant ist, so ist die elektromotorische Gegenkraft E des Motors kleiner um einen Betrag, der seinem inneren Widerstand und dem Ankerstrom proportional ist; dieser Strom ist der Belastung angenähert proportional. In der Tat, wenn wir die Gleichung (6) betrachten, können wir sie nach M auflösen und erhalten :

247,2 • w* r D

Für n — 0 wird der Wert von M hiernach Vjn.

I.    Regelung durch Änderung der Spannung. Wir nehmen zunächst an, der Magnetismus bleibe sich dauernd gleich. Wird die Ankerspannung an den Bürsten geändert, so ändert sich auch die Geschwindigkeit beim Leerlauf (= V/M) im genau gleichen Verhältnis, aber der Abfall der Geschwindigkeit vom Leerlauf zu voller Last bleibt ungeändert. Wenn also ein solcher Motor bei

-7-'    1000 Umdrehungen in der

Minute läuft und seinen Strom iss    bei 500 Volt empfängt, wobei

,]₅    sich seine Geschwindigkeit von

125

Fig. 520.

Motor für veränderliche Geschwindigkeit.

1000 auf 950 vermindert, wenn er voll belastet wird, so wird der gleiche Motor bei einer Spannung von 400 Volt nur 800 Umdrehungen in der Minute bei Leerlauf und nur 750 bei voller Last machen. Man habe sich z. B. die Aufgabe gestellt, dem Motor vier verschiedene Geschwindigkeiten zu geben; der Strom werde aus einem Netz mit 500 Volt Spannung entnommen, und man habe (nach Fig. 520) ein Fünfleitersystem eingerichtet mit 125 Volt Spannung zwischen je zwei benachbarten Leitungen. Der Motor kann nun nach Belieben mit 125, 250, 375 und 500 Volt betrieben werden. Die erforderliche Unterteilung der Spannung kann man z. B. erzielen durch Ausgleichsmaschinen nach S. 709 oder durch eine Sammlerbatterie, welche zwischen die Hauptleitungen geschaltet wird.

Ein anderer Weg, die Spannung der Motoren zu ändern, ist, in den Ankerkreis die elektromotorische Kraft einer oder mehrerer Sammlerzellen als Gegenspannung einzufügen oder einen Hilfsanker, der als Stromerzeuger wirkt. Es gibt auch besondere Methoden, die Spannung zu ändern, durch geeignete Schaltung von Motorgeneratoren, worunter die weiter unten erwähnte Wrard-Leonardsche Regulierung.

II.    Regelung durch Änderung der Kraftlinienmenge. Da M der Kraftlinienmenge, welche in den Anker eintritt, pro-

portional ist, kann man es durch Einwirkung auf die Kraftlinien ändern. Hierzu bieten sich vier Wege:

a)    Bei Hauptstrommotoren, indem man einen Widerstand ändert, welcher als Nebenschluß zu den Magnetspulen geschaltet ist, um einen beliebigen Teil des Stroms von den Magneten abzulenken.

b)    Bei Nebenschlußmotoren, indem man einen Widerstand (Feld-rheostat) ändert, der in Reibe mit den Magnetspulen liegt.

c)    Indem man die Schaltung verschiedener Abteilungen der Magnetwickelung durch einen geeigneten Schalter (Schaltwalze) ändert. Eig. 521 zeigt diese Anordnung schematisch.

AAAGNETSPULEN

Solche

d)    Indem man den magnetischen Widerstand des Kreises ändert, z. B. dadurch, daß man die Polkerne beweglich macht und sie vom Anker mehr oder weniger + entfernt, oder indem man magnetische Nebenschlüsse an geeigneten Teilen des Kreises anbringt.

Einrichtungen sind nur bei kleinen Motoren praktisch ausführbar.

In allen Pällen verursacht eine Verminderung: Fig. 521. Motor mit einer Schaltwalze zur Änderung

der Windungszahl auf dem Feldmagnet.

der Kraftlinienmenge eine

Zunahme des vom Motor aufgenommenen Stromes und eine Zunahme seiner Geschwindigkeit als Folge der Erniedrigung einer elektromotorischen Gegenkraft.

III.    Regelung durch Einführung eines Widerstandes in den Ankerkreis. Diese Methode ist sehr einfach, aber verschwenderisch. Sie ist mit der ersten Methode nahe verwandt insofern, als ein Widerstand r, der in einen Stromkreis mit der Stromstärke i eingeführt wird, einen Spannungsabfall von ir Volt hervorruft; dies ist ungefähr dasselbe, als wenn die Speisespannung erniedrigt würde, nicht um einen festen, sondern um einen zur Belastung proportionalen Betrag. Bei geringer Last hat die Einschaltung eines gegebenen Widerstandes eine geringere Wirkung auf die Geschwindigkeit, als bei schwererer Last. Über Rheostaten zum Anlassen von Motoren vergl. Kapitel XXVI.

IV.    Regelung durch Umschalten mehrerer Motoren in Reihe oder parallel. Ein brauchbarer Weg zur Geschwindigkeitsänderung besteht darin, zwei Motoren (die Methode ist auch auf vier

49

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

anwendbar) von gleicher Bauart zu wählen und sie so anzuordnen, daß sie mechanisch gekuppelt sind; in elektrischem Sinne werden sie so mit dem Stromkreis verbunden, daß man sie sowohl hinter -als nebeneinander schalten kann. Wenn so bei Keihenschaltung jeder Anker nur die halbe Speisespannung empfängt, laufen beide Motoren nur mit der Hälfte der Geschwindigkeit, die jeder allein oder bei Parallelschaltung annehmen würde. Diese Anordnung der Reihen-Parallelschaltung ist von Hopkinson für Zugförderung vorgeschlagen worden; sie wird weiter unten eingehender betrachtet.

V. Regelung durch Motoren mit zwei Stromwendern. Eine nützliche Abänderung dieser Zweimotorenschaltung besteht in der Verwendung eines Motors, dessen Anker zwei getrennte Wickelungen besitzt. Jede der letzteren hat ihren besonderen Stromwender, und durch geeignete Schaltung kann man die Anker neben-oder hintereinander benutzen. Diese Anordnung eignet sich vorzüglich für elektrische Selbstfahrer.

Beschleunigung der Motoren.

Bei Motoren für Mühlen und Fabriken spielt die Zeit, welche der Motor gebraucht, um beim Angehen seine volle Geschwindigkeit zu erlangen, keine wesentliche Rolle, da sie gewöhnlich sehr kurz ist. Bei solchen Motoren ist vielmehr die Frage von Bedeutung, ob sie die verlangte Leistung und Geschwindigkeit ohne Funken und Überhitzung zu geben vermögen. Aber bei Motoren, welche zur Zugförderung auf Straßen- oder Vollbahnen und in Selbstfahrern dienen, wird die Frage der Anfahrzeit sehr wichtig. Mit anderen Worten, die Beschleunigung des Motors ist wichtiger, als seine Leistung. Um einen Straßenbahnwagen, Kraftwagen oder Eisenbahnzug in Gang zu bringen, braucht man in jedem Fall eine bestimmte Motorstärke. Um die Wagen, nachdem sie in Bewegung versetzt worden sind, mit gleichförmiger Geschwindigkeit weiter zu bewegen, ist gleichfalls eine bestimmte Motorstärke erforderlich. Wenn die Motorstärke im letzteren Fall größer ist, als zur Unterhaltung der gleichmäßigen Geschwindigkeit nötig, so beschleunigt der Überschuß an Drehmoment die Bewegung. Die Beschleunigung ist diesem Überschuß an Drehmoment proportional. Nun haben wir aus der Gleichung (4) gesehen, daß das Drehmoment proportional ist dem Produkt aus der Größe M des Motors und dem Strom, der durch den Anker fließt, oder

D = 0,0162 Mia kgm.

Das Produkt Mia ist also das Ausschlaggebende bei der Beschleunigung; wir wollen es deshalb das Stärkeprodukt nennen. Es ist gleichwertig mit dem 61,8 fachen des Drehmomentes in Kilogrammetern, welches vom Motor ausgeübt würde am Rande eines Rades, dessen Halbmesser 1 m wäre. Es ist nun klar, daß sowohl für den Fall, wo es sich um das Angehen unter einer schweren Last handelt, wie bei Aufzügen, oder wo es auf große Beschleunigung ankommt, der Motor ein großes Stärkeprodukt aufweisen muß, ganz abgesehen von der Frage seiner Leistung im dauernden Betriebe. Betrachten wir einen Aufzug mit einer Last von (insgesamt) 500 kg, welche gehoben werden soll. Ein Motor ist durch ein Vorgelege mit dem Aufzug verbunden. Welche Leistung ihm auch zukomme, er muß, um überhaupt in Bewegung zu kommen, eine bestimmte Stärke besitzen, ein bestimmtes Drehmoment entwickeln. Nehmen wir an, er habe ein genügendes Stärkeprodukt; wenn er tatsächlich 1 P leistet, so wird er die 500 kg mit einer Geschwindigkeit von 15 cm/sec heben; bei einer Leistung von 2 P wird die Geschwindigkeit 30 cm/sec betragen. Ein Motor mit einem großen Stärkeprodukt wird seine volle Geschwindigkeit rascher erreichen, entsprechend der verfügbaren Leistung. Da nun dieses Produkt sich aus dem Stärkefaktor M und dem Strom zusammensetzt, und da ein starker Strom kostspieliges Arbeiten und innere Erwärmung der Maschine mit sich bringt, so leuchtet ein, daß ein Motor, der eine starke Beschleunigung hervorbringen und nicht zu viel Strom verbrauchen soll, ein großes M besitzen muß. Mit anderen Worten, es muß eine Maschine sein, deren Geschwindigkeit im Verhältnis zu der Arbeitsspannung gering ist, da M die für eine Umdrehung induzierte elektromotorische Kraft ist.

Magnetische Bremsung. Ein Motor, der umläuft, kann mit starker Wirkung gebremst werden, indem man ihn über einen geeigneten Widerstand kurz schließt. Dies wird bei vielen Straßenbahnmotoren benutzt. Der Anker erzeugt einen Strom, welcher zwar für einen Augenblick die Spulen erwärmt, der aber den Motor rasch zum Stillstand bringt. Will man einen Hauptstrommotor bremsen, so muß man ihn von den Speiseleitungen trennen und die Verbindung zwischen den Feldspulen und dem Anker umkehren.

Motorausrüstung für besondere Zwecke.

Die Anwendung elektrischer Triebmaschinen für industrielle Zwecke hat manche Fortschritte gezeitigt. Im Werkstättenbetriebe,

49*

wo die Werkzeugmaschinen von kurzen, von Motoren angetriebenen Vorgelegen mit Eiemen bewegt werden, müssen die Motoren gleichbleibende Geschwindigkeit besitzen, und jede Änderung in der Geschwindigkeit der Werkzeugmaschinen muß auf mechanischem Wege ausgeführt werden. Wenn aber jede Werkzeugmaschine ihre besondere Triebmaschine besitzt, so wird jede der letzteren so gewählt werden, daß sie die für ihre Werkzeugmaschine geeignete Geschwindigkeit besitzt, und viele müssen hiernach Motoren mit veränderlicher Geschwindigkeit sein. Ein Motor der letzteren Art kostet mehr als einer mit gleichbleibender Geschwindigkeit von derselben Leistung; denn, abgesehen von den Kosten des Schalters oder Kheostaten, welche dazu dienen, die Geschwindigkeit zu ändern, muß der Motor für veränderliche Geschwindigkeit für seine geringste Geschwindigkeit gebaut werden. Für Krane, Hebezeuge und Straßenbahnwagen, wo gleichmäßige Geschwindigkeit keine unerläßliche Bedingung ist, besteht die gewöhnliche Ausrüstung aus einem Hauptstrommotor mit einem Widerstandsregulator, oder häufig zwei Hauptstrommotoren mit einer Schaltwalze, welche sowohl den Wechsel von Reihen- und Parallelschaltung, als auch Einschaltung von Widerstand erlaubt. Für Pumpen und Luftkompressoren, welche ein gleichbleibendes Drehmoment erfordern, für Lüfter und andere Windwerke, welche ein mit der Geschwindigkeit wachsendes Drehmoment benötigen, ist die geeignete Ausrüstung ein Motor mit gemischter (nicht differentieller) Wickelung mit einem Rheostaten in der Nebenschlußwickelung; die Hauptstrom Wickelung hat hier die Aufgabe, die hohe Verstärkung des Stromes zu vermeiden, welche eintreten würde, wenn man einen Motor mit Nebenschlußwickelung allein und mit der gleichbleibenden Geschwindigkeit verwendet. Für Webereien braucht man Motoren mit vollkommen gleichmäßiger Geschwindigkeit; hierfür sind Motoren für dreiphasigen Wechselstrom am meisten zu empfehlen. Eine weniger befriedigende Lösung gibt der Motor mit gemischter (differentieller) Wickelung. Für Werkzeugmaschinen braucht man Motoren mit veränderbarer Geschwindigkeit; bei Schneide- und Hobelmaschinen ist der Bereich der Geschwindigkeitsänderung selten größer als von 1 bis 2; Drehbänke und Bohrmaschinen dagegen verlangen einen Bereich der Geschwindigkeiten, welcher ebenso groß ist, als der der Durchmesser ihrer Arbeitswege. Nehmen wir z. B. eine Drehbank an, deren Schneidewerkzeug mit einer Geschwindigkeit von 25 cm in der Sekunde arbeitet; wenn ein Rad von 1,5 m Durchmesser zu bearbeiten ist, darf sie in der Minute nur etwa drei Umdrehungen machen; ist aber eine Achse von 20 cm Stärke abzudrehen, so läuft sie mit einer Geschwindigkeit von etwa 25 Umdrehungen in der Minute. Dies ist eine Änderung der Geschwindigkeit von 1 zu 8.

Nehmen wir nun einen Nebenschlußmotor, der aus einem Netz mit gleichbleibender Spannung gespeist wird; welche Änderungen der Geschwindigkeit lassen sich ausführen? Man kann in zwei verschiedenen Richtungen Vorgehen — Verminderung der Geschwindigkeit durch Widerstandsregulierung im Ankerkreis und Erhöhung der Geschwindigkeit durch Änderung der Eelderregung. Die Nebenschlußspulen werden stets an die Hauptleitung angeschlossen, damit sie die volle Speisespannung empfangen können; der Rhéostat im Ankerkreis vermindert die Geschwindigkeit durch Einschalten von Widerstand. Nehmen wrir an, es sei auf diese Weise die Geschwindigkeit um 50 Prozent erniedrigt worden; dann ist die Leistung und der Wirkungsgrad in genau demselben Verhältnis verringert worden. Die Regelung durch Widerstände ist stets eine Energievergeudung; zudem fordert sie schon für eine Verminderung der Geschwindigkeit auf die Hälfte große und schwere Rheostaten. Wenn der Rhéostat einen unterteilten Widerstand besitzt, dessen Teile durch einen Schalthebel und Kontaktknöpfe ein- und ausgerückt werden können, so erfolgt der Übergang von einer Geschwindigkeitsstufe zu der nächsten immer mit einer gewissen Plötzlichkeit, ohne Übergang. Auch bei langsamerem Lauf bleibt die Geschwindigkeit nicht stets dieselbe, sondern wechselt ein wenig mit der Belastung, weil der Teil der Spannung, den der Anker empfängt, mit der Belastung sich ändert. Die Regelung durch Widerstände ist demnach bestenfalls ein Notbehelf.

Die andere Methode, Widerstand in den Feldkreis zu schalten, schwächt das Feld und erhöht die Geschwindigkeit. Hierbei wird nicht viel Energie nutzlos vergeudet. Da der Magnetismus kräftiger Feldmagnete zu seinen Änderungen meßbare Zeiten braucht, sind die Übergänge von einer Geschwindigkeit zur anderen ganz allmählich. Aber es besteht der ernste Nachteil, daß der Bereich der erreichbaren Geschwindigkeitsänderungen auf höchstens 30 bis 40 Prozent beschränkt ist; denn wenn man das Feld schwächt, bekommt man Funken am Stromwender.

Diese im Motor selbst gelegene Schwierigkeit, die Geschwindigkeit zu ändern, hat zu dem oben erwähnten Vorschläge geführt, Motoren aus einem Mehrleitersystem zu speisen oder zwei (oder mehr) Motoren mit einem Schalter zum Hinter- oder Nebeneinanderschalten zu verwenden. Ira ersteren Falle, wenn man ein Drei- oder Vieroder Fünfleitersystem verwendet, hat man höhere Kosten und verwickelte Leitungsführung und muß auch die Ausgleichsmaschinen oder die Sammlerbatterie beschaffen; schließlich muß noch der Motor groß und schwer sein, weil er seine volle Leistung auch bei seiner niederen Geschwindigkeit hergeben soll. Nichtsdestoweniger liefert uns diese Methode ein brauchbares Mittel, um einen Nebenschlußmotor bei zwei, drei, vier oder noch mehr Geschwindigkeiten zu betreiben, entsprechend den verfügbaren Spannungen. Wenn zwei Motoren in Reihenparallelschaltung oder ein Motor mit zwei Stromwendern verwendet werden, ist die Geschwindigkeit der Triebmaschine bei der Reihenschaltung der Motoren halb so groß als bei der Parallelschaltung, wobei angenommen wird, die Feldmagnete seien in beiden Fällen gleich stark erregt. Weder die Mehrleiterschaltung, noch die Reihenparallelschaltung erzielen, jede für sich, eine Änderung der Geschwindigkeit von 1 auf 8, und sie liefern uns beide nur die Mittel, um mit einem großen Schritte von einer zur anderen Geschwindigkeit überzugehen.

Keine von ihnen ist für sich allein im stände, die Bedürfnisse der Geschwindigkeitsänderung zu befriedigen, welche beim Betrieb von Werkzeugmaschinen auftreten, und welche sowohl einen weiten Bereich als auch die Erreichung aller Zwischenstufen verlangen. Für letztere kann eine Lösung gefunden werden, indem man mit der Mehrleiterspeisung oder mit der Reihenparallelschaltung die Verminderung der Geschwindigkeit durch Einschaltung von Widerstand in den Ankerkreis und die Erhöhung durch Einschaltung von Widerstand in den Feldkreis verbindet. Im Kapitel XXVI werden die Schaltapparate beschrieben, durch welche so beträchtliche Änderungen der Geschwindigkeit erzielt werden können.

Druckerpressen laufen rasch, wenn sie betriebsmäßig arbeiten; wenn sie aber bei der Vorrichtung des Druckes sind, laufen sie nur mit etwa 10 bis 15 Umdrehungen in der Minute. Hierfür braucht man also eine besondere Art Motor mit veränderlicher Geschwindigkeit, dessen Übergänge sanft und ohne Stöße erfolgen. Man hat dafür Motoren mit Mehrleiterspeisung verwendet, auch Motoren mit zw⁷ei Stromwendern mit einer zusätzlichen Hauptstromspule, welche nur beim Anlaufen eingeschaltet wurde, schließlich auch Reihenparallelschaltung. Weit besser haben indes in der Praxis die weiter unten beschriebenen Methoden der Zusatzmaschinen und der Spannungsverminderung befriedigt.

Wichtige Erörterungen über die Anpassung der Motoren für Fabrik- und Werkstättenbetrieb und über die Regelung ihrer Geschwindigkeit, über ihre Verbindung mit den anzutreibenden Maschinen, über Gruppierung und Schaltung, Anlassen und Regulieren, findet man im Journal of the Institution of Electrical Engineers, Bd. 32, August 1902, in Abhandlungen von A. D. Williamson, S. 925, A. B. Chatwood, S. 964, und A. H. Bäte, S. 1088. Auch in den Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, Bd. 19, 1902, S. 1537 bis 1606, in Abhandlungen von C. F. Scott, R. Lozier und anderen.

Regelung durch Zusatzmaschinen.

Wir haben gesehen, daß zwischen der Kompoundierung eines Stromerzeugers, welcher bei gleichbleibender Geschwindigkeit eine gleichbleibende Spannung liefern soll, und der Kompoundierung eines Motors, welcher mit gleichbleibender Geschwindigkeit bei Speisung aus einer Leitung mit gleich bleibender Spannung laufen soll, eine große Ähnlichkeit besteht. Wir haben ferner gesehen, daß man beim Stromerzeuger die Kompoundierung auch durch Zufügung einer Zusatzmaschine (Booster) ersetzen kann, wobei man einen zweiten Stromerzeuger, der von einem Motor angetrieben wird, als Hilfsmaschine benutzt.

Ähnliche Betrachtungen gelten für die Aufgabe, einen Motor aus einer Leitung mit gleichbleibender Spannung zu speisen; denn man kann mit dem zu betreibenden Motor (oder mit einem Hilfsmotor) einen Anker verbinden, der die Rolle eines Stromerzeugers übernimmt, und man kann die so erhaltene elektromotorische Kraft benutzen, um die Spannung zu erniedrigen oder zu erhöhen, welche dem Motor zugeführt wird, so daß man seine Geschwindigkeit verändern kann. Diese Zusatzmethode ist von Ayrton und Perry¹) erfunden worden, welche sie anwandten, um die Geschwindigkeit eines Motors gleich zu halten, trotzdem die Belastung schwankte. Eine ihrer Anordnungen wird in Fig. 522 a dargestellt. Der anzutreibende Motor (M) ist mechanisch gekuppelt mit einem kleineren Stromerzeuger (_D), in diesem Falle einer Hauptstrommaschine, welche so geschaltet ist, daß sie ihren Strom demjenigen zufügt, der von der Hauptleitung abgenommen wird. Fig. 522 b stellt eine Schaltung dar, welche wir Mordey und Watson verdanken (1885). Der Anker hat in diesem Falle zwei Wickelungen mit getrennten Stromwendern

i) Journ. Soc. Teleg. Engineers, Bd. 12, Mai 1883.

oder zwei Anker im gleichen Magnetfeld. Der Hauptanker bildet den Motor, der andere, ein kleiner Anker, mit D bezeichnet, wirkt

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c) Lamme.

a) A yrton und P e r r y.

b) Mordey und Wats o n.

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d) S. P.Thoinpson.

e) Zusatzmaschine mit Nebenschluß als Spannungsminderer.

f) Zusatzmaschine mit Differentialwickelung als Spannungsminderer.

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g) Ward Leonard.

h) Déri.

i) Eßberger.

Fig. 522. Schaltung zur Regelung durch Zusatzmaschinen.

als Stromerzeuger und liefert einfach dem Feldmagnet einen Zusatzstrom. Nehmen wir an, die Maschine laufe mit bestimmter Geschwindigkeit und gegebener Belastung. Wird nun die Last verringert, so wird die eintretende Erhöhung der Geschwindigkeit bestrebt sein, das Feld zu verstärken und so anderseits die Geschwindigkeit wieder zu ermäßigen. Bei einer weiteren Anordnung, Fig. 522c, welche ein Patent von Lamme bildet, liefert der Hilfsanker den Strom in sein eigenes Nebenschlußfeld und außerdem in das Feld des Motors. Fig. 522d ist eine Änderung der ursprünglichen Methode von Ayrton und Perry, indem der Anker der Hilfsmaschine mit dem des Motors in Reihe geschaltet wird. Änderungen der Geschwindigkeit können durch Rheostaten bewirkt werden, welche im Nebenschluß zu jedem der beiden Anker angebracht werden; die Einschaltung von Widerstand in einen der beiden Nebenschlußkreise erhöht die Spannung.

Die Schaltung nach Fig. 522 e stellt eine Anordnung dar, in welcher der Stromerzeuger H, der im Stromkreis des Motors M liegt, nicht von letzterem getrieben wird, sondern von einem Hilfsmotor A, der seinen Strom unmittelbar aus der Hauptleitung entnimmt und bei nahezu gleichbleibender Spannung läuft. Der Feldmagnet des Stromerzeugers wird durch eine Nebenschlußspule erregt, welche an die Hauptleitung angeschlossen, und in die ein Regelungsrheostat R eingeschaltet ist. Beim Anlassen wird dieser Rhéostat auf Null gestellt, so daß der Stromerzeuger seine höchste elektromotorische Kraft liefert, welche der der Speiseleitung entgegengesetzt ist; wenn nun der Motor eingeschaltet wird, empfängt er nur eine wesentlich verminderte Spannung. Der Rhéostat wird nun Schritt für Schritt eingeschaltet, wodurch die Spannung des Stromerzeugers verringert und die dem Motor zugeführte Spannupg erhöht wird; demgemäß steigt die Geschwindigkeit des Motors. Fig. 522 f zeigt eine Abänderung, bei welcher eine Zusatzmaschine mit Differential Wickelung in ähnlicher Weise zur Erniedrigung der Spannung dient. Fig. 522 g stellt die besondere Anordnung von Ward Leonard¹) dar, welche eine Umkehrung der vorhergehenden bildet. Es wird hier eine Zusatzmaschine mit Nebenschluß Wickelung angewandt, nicht um die Spannung der Speiseleitung zu vermindern, sondern um eine veränderliche Spannung zu erzeugen, welche dem Motor M zugeführt wird. Zwei Rheostaten, Rl im Erregerkreis des Zusatzstromerzeugers H, und R2 im Erregerkreis des Motors Af, beherrschen die Geschwindigkeit. Beim Anlassen wird R₁ mit seinem ganzen Widerstand eingeschaltet,

i) Englisches Patent (1891) Nr. 14503. U. S. - Patent Nr. 463802 und 468100. Vergl. ferner Proc. Amer. Instit. Elect. Engineers, 18. November 1896, auch American Electrician, November 1902.

so daß die Spannung von B so niedrig als möglich ist; R₂ ist ausgeschaltet, so daß das Feld des Motors so stark als möglich ist. Die höchste Geschwindigkeit wird erreicht, wenn die Rheostaten-schaltungen die entgegengesetzten sind. Ward Leonard hat verschiedene Abarten dieser Schaltung entworfen, z. B. um sie einem Dreileitersystem anzupassen oder um den Motor umzusteuern, wie bei Aufzügen. Fig. 522h ist eine von Déri¹) angegebene Änderung, wobei eine Zusatzmaschine mit Differentialwickelung angewandt wird. Fig. 522i ist eine neue Anordnung von Eßberger²), bei der eine Zusatzmaschine mit Nebenschluß Wickelung zur Spannungsverminderung für einen Hauptstrommotor verwendet wird.

¹

Dies gilt für Kupferbürsten; bei Verwendung von Kohlenbürsten laufen Motoren neuerer Bauart auch ohne Bürsten Verstellung funkenlos.

²

Journ. Soc. Teiegr. Engineers, Bd. g, S. 301, 1880.

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

³

   Phil. Mag., Jan. 1896.

⁴

   Das Gesetz der in einem Stromerzeuger bei der mechanischen Bewegung auftretenden elektrischen Gegenwirkung ist in dem bekannten Gesetz von Lenz enthalten: »Der induzierte Strom hat stets eine solche Richtung, daß seine elektromagnetische Wirkung die den Strom erzeugende Bewegung zu hemmen sucht.« Für die Triebmaschine läßt sich ein ähnliches Gesetz ableiten: »Die hervorgerufene Bewegung ist stets eine solche, daß die durch sie verursachte magnetoelektrische Induktion den Strom zu hemmen sucht.«

⁵

   Vergl. die älteren Ausgaben dieses Werkes; auch eine interessante Abhandlung von Crocker in Electr. World, Bd. 13, S. 311, 1889.

⁶

   Phil. Mag., Jan. 1886.

⁷

Journ. Soc. Telegr. Engineers, Bd. 12, Mai 1883; ferner eine Abhandlung im Phil. Mag., Jahrg. 1888.

⁸

Die Kurven für Triebmaschinen mit gemischter Wickelung sind dem Werke von Frölich, Die dynamoelektrische Maschine, entnommen. Ähnliche Kurven wurden auch von Rechniewski entwickelt, vergl. Séances de la Société de Physique, 1885, S. 197.

Bei den Systemen, welche als Spannungs-verminderer von Bullock, Teaser und Spence bekannt sind, wird eine Doppelmaschine (Motorgenerator) mit dem Hauptmotor verbunden, wie es Fig. 523 schematisch darstellt. Diese Schaltung unterscheidet sich von allen vorhergehenden dadurch, daß die Änderungen der Geschwindigkeit hervorgebracht werden durch Rheostaten, welche in den Ankerkreisen der beiden Motoren

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liegen, nicht in den Feldkreisen.

Fig. 523. Spannungsminderer mit Widerstandsregler.

Ein Nachteil dieser Methoden der Zusatzmaschinen und der Spannungsverminderer besteht in den Kosten der Hilfsapparate. Es handelte sich z. B. darum, eine Kohlenförderung mit veränderbarer Geschwindigkeit zu betreiben, und es stand dazu ein sechspoliger Motor für 75 Kilowatt bei einer normalen Geschwindigkeit von 200 Umdrehungen in der Minute zur Verfügung, der mit 250 Volt zu speisen w*ar. Man brauchte außerdem einen Hilfsmotor, gleichfalls sechspolig, für 112 Kilowatt bei einer normalen Geschwindigkeit von 450 Umdrehungen in der Minute und für eine Spannung von 550 Volt bemessen, welcher einen sechspoligen Stromerzeuger für 85 Kilowatt und 250 Volt mit 450 Umdrehungen in der Minute antrieb. Jede der Hilfsmaschinen, welche zusammen den Ausgleichssatz bildeten, war also eine Maschine derselben Art wie der Fördermotor und größer in den Abmessungen. Die große Beweglichkeit des Systems,

j) Englisches Patent Nr. 11523 (1902). 2) Englisches Patent Nr. 22031 (1901).

mit dem es sich allen Anforderungen in stoßfreien Übergängen anpaßt, und der wirtschaftliche Betrieb der Regelung mögen immerhin die holleren Neubeschaffungskosten rechtfertigen.

Entwurf der Gleichstrommotoren.

Da ein Motor nur die Umkehrung eines Stromerzeugers ist, so gelten für seinen Bau dieselben allgemeinen Grundsätze, wie für den Stromerzeuger. In der Tat können große Motoren im Bau mit Stromerzeugern derselben Größe vollkommen übereinstimmen, und oft ist dies auch der Fall. Indessen werden häufig da, wro man zur Stromlieferung einen großen Stromerzeuger aufstellt, als Motoren eine größere Zahl kleinerer Maschinen gebraucht. Beim Entwmrf der kleineren Maschinen ergeben sich unzählige kleine Einzelheiten und Verschiedenheiten, die von dem Belieben der Fabrikanten abhängen. Es muß daher genügen, wenn wir hier nur das Allgemeine behandeln; darunter ist das Wichtigste die Sorge für die befriedigende Stromwendung, welche erfordert, daß der Feldmagnet verhältnismäßig stark gemacht wird. Kohlenbürsten werden neuerdings fast allgemein bei Motoren angewandt; seitdem hat man an diesem Punkte weniger Schwierigkeiten als früher.

Das Entwerfen der Motoren kommt häufig auf die Lösung einer besonderen Aufgabe hinaus; wenn es sich z. B. darum handelt, einen Anker zu entwerfen, welcher die erforderliche Leistung liefert, ohne eine vorgeschriebene Länge zu überschreiten, wie es bei Straßenbahnmotoren verlangt wird, oder den Motor so zu bauen, daß er sich nicht überhitzt, obgleich er vollständig eingeschlossen ist. Anderseits kommt es z. B. beim Entwerfen von Motoren für Lüfter hauptsächlich darauf hinaus, die Fabrikationsvorgänge so zu gestalten, daß man mit dem geringsten Aufwand von Maschinen- und Handarbeit auskommt.

Formeln, welche für das Entwerfen nützlich sind. Wenn nun auch, wie oben bemerkt, ein Motor einfach wie ein Stromerzeuger von der gleichwertigen Leistungsfähigkeit entworfen werden kann, so ist es doch auch möglich, auf einem selbständigen Wege vorzugehen. Die Größe des Ankers hängt nämlich in erster Linie nur von dem Drehmoment ab, welches der Motor im regelmäßigen Betrieb leisten soll, und ist von der Geschwindigkeit nicht unmittelbar abhängig. Ist also das Drehmoment vorgeschrieben, so läßt sich daraus die Größe des Ankers annähernd herleiten. In der Berechnung, welche nun folgt, haben die Zeichen

dieselbe Bedeutung, wie im Kapitel XVIII über das Entwerfen der Gleichstrommaschinen, nämlich : ia der ganze Ankerstrom, ix der Strom in einem Ankerleiter, c die Zahl der parallelen Ankerstromkreise, p die Polzahl,

qx die Zahl der Ampereleiter auf 1 cm des Ankerumfangs,

23s die magnetische Dichte im Luftzwischenraum an der Polfläche, 4> das Verhältnis des berechneten Polbogens zum Polstand,

B das Drehmoment in Kilogrammetern bei der regelmäßigen V ollast.

Gehen wir von der Motor-Grundgleichung aus, so ist (nach S. 741, Pormel [4])

ferner

D — 0,0162 -Mia kgm

M=-NO-10~⁸

ia

Ni

Qi =

und

O — Sa • (jj • l • 77 dfp.

oder !)

Setzen wir diese in die erste Gleichung ein, so erhalten wir D = 0,0162-10⁸-23s •<!>•?!-772.^2.1 ¹

dH =

(I)

(II)

p. IO¹⁰

; hierin ist P

2TznD

Beispiel. Ein Straßenbahnniotor für Schmalspurgleis soll ein normales Drehmoment von 90 kgm ausiihen; gesucht der Kerndurchmesser; die Länge zwischen den Endplatten des Kernes darf 28 cm nicht überschreiten. Nach der vorigen Formel ist dH = 440-90 = 39 600.

Hieraus

und

^2 = 39 600/23 = 1720

d = 41,5 cm.

Eine andere nützliche Formel, welche der Formel (IVa) auf S. 487 entspricht, lautet:

(III)

d*l = K-

worin L die Leistung in Pferd, n die Umdrehungszahl für die Sekunde bedeutet und

ist.

r _ 736-10⁷

(IY)

Beispiel. Gesucht wird die Größe des Ankers für einen langsam laufenden Motor zu 2 P, 900 Umdrehungen in der Minute. Setzen wir = 7500; qx = 70;    = 0,75 ; Yj = 0,85; hieraus

£ = 22 000 und d²l = 2930. Dies ergibt folgende Versuchswerte: d — 16 cm ; l — 11,4 cm ;

18    „

20    „

9,0 „

7,3 „

Hiervon wäre für einen vielpoligen halb geschlossenen Motor am besten d = 18 und l = 9 cm zu wählen.

Die Zahl der Pole wird bei kleinen Motoren nach Rücksichten auf den Bau festgesetzt, bei großen nach der gewünschten Zahl der Ankerstromkreise. Aus der Zahl der Pole und vorläufigen Werten von d und l erhält man Versuchswerte für die Größe der Polflächen und für die Kraftlinienmenge. Man multipliziert nun den Umfang Tzd mit der spezifischen Belastung qx und erhält so die Summe der Ampereleiter um den Anker herum; dies durch den Strom in einem Leiter dividiert, gibt die Zahl der Ankerleiter N. Aus 2V, O und der verlangten Spannung findet man die normale Geschwindigkeit bei Vollast. Diese ist anderseits gegeben, wenn das Drehmoment bei Vollast und die Leistung vorgeschrieben sind, und in diesem Falle kann man N berechnen aus Geschwindigkeit, Magnetismus und Spannung. Der Versuchswert für W, den man so erhält, muß nun in der üblichen Weise geändert werden, damit er eine geeignete Wickelung und gute Anordnung der Leiter in den Nuten ergibt. Um diese Nachrechnung zu erleichtern, wird man auch d und O zu ändern haben. Bei der Festsetzung von N hat man ferner die Zahl K der Stromwenderstäbe zu bedenken; bei Motoren ist es üblich, auf jeden Stab mehrere Windungen zu rechnen. Die Zahl der Windungen, die auf einen Stab kommen, ist durch die Spannung der Maschine und die zulässige Teilspannung zwischen zwei Stromwenderstäben bestimmt. Bei 500 Yolt-Motoren beträgt sie manchmal 20 oder sogar 22 Volt. Das später anzuführende Beispiel wird den Gegenstand klarer zeigen.

Ein anderes sich darbietendes Vorgehen beim Entwerfen von Motoren für Fahrzeuge ist, mit der Festsetzung der Stärkefaktors M zu beginnen, der sich aus der verlangten Zugkraft, der Größe des Triebrades, dem Übersetzungsverhältnis und dem betriebsmäßigen Vollaststrom berechnen läßt. In diesem Fall läßt sich die Formel (8) von S. 744 anwenden, wenn man sie folgendermaßen schreibt:

• (V)

61,8 R P

gta

worin P die Zugkraft in Kilogramm, P der Kadius des Triebrades in Metern und g das Übersetzungsverhältnis ist.

Ein Beispiel für den Entwurf eines Straßenbahnmotors, welches bis in die Einzelheiten ausgeführt ist, findet man in Hanchetts Modern Electric Railway Motors (New York 1901).

Bei Motoren für Fabriken und Werkstätten folgt man im Entwurf mehr dem Verfahren, das man bei Stromerzeugern einschlägt. Das Beispiel einer Maschine für 3 Kilowatt, welches auf S. 573 durchgerechnet worden ist, würde ebenso gut für einen offenen Motor zu 4 P gelten können. Um seine Form einem halb geschlossenen Motor für 4 P oder einem geschlossenen Motor für 3 bis 3,5 P anzupassen, müßte man den Feldmagnet von neuem entwerfen, so daß er ein zylindrisches Joch mit Endflantschen erhielte, an welche man die Seitenwände anschrauben könnte. Man würde vier Magnetkerne nehmen, jeden etwa 7,5 cm lang, so daß der äußere Durchmesser des Joches auf etwa 43 cm käme.

Gebräuchliche Entwürfe für kleine Motoren, welche zum Betriebe von Lüftern dienen, finden sich beschrieben im American Electrician, Bd. 12, S. 167, April 1900; Bd. 13, S. 158, April 1901, und Bd. 14, S. 116, März 1902.

Beispiele von Gleichstrommotoren.

Wir sahen, daß jede gute Dynamomaschine, sei sie klein oder groß, ohne weiteres als Motor benutzbar ist, wenn ihr Strom von passender Spannung zugeführt wird. Danach könnte es scheinen, als wäre eine besondere Beschreibung von Motoren überflüssig; aber die Anforderungen, welche die verschiedenen Industriezweige an Motoren stellen, insbesondere an kleine Motoren für besondere Bedürfnisse, haben zur Entwicklung besonderer Formen Veranlassung gegeben.

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Die modernen gewöhnlichen Motoren können als offene, halb und ganz geschlossene unterschieden werden; die letzteren werden in solchen Anlagen benutzt, wo aus Gründen der Feuer-

...

Sicherheit die sich bewegen-den Teile absolut    unzugäng- / JR

lieh sein müssen. Geschlossene Motoren wurden    zuerst in    *

Bergwerken benutzt, ferner im Bahnbetrieb;    ihre Ver

] ...

*y.

wendung hat aber eine außerordentlich große Verbreitung gefunden, trotz    des Um

Fig. 524. Kleinmotor der Crocker-Wheeler Co.

standes, daß sie schwerer sind und bei gleicher Temperaturzunahme um etwa 15 bis 20 Prozent weniger leisten, als offene Maschinen gleicher Größe.

Die Crocker-Wheeler Co. in Ampere. N.Y., hat seit langer Zeit hervorragende Ergebnisse im Bau von kleinen Maschinen aufzuweisen. Eig. 524 gibt eine Ansicht eines offenen zweipoligen Motors dieser Firma. Die Magnetschenkel sind in einem Stück aus Schmiedeeisen oder Stahlguß hergestellt und fest in das aus Gußeisen bestehende Fußgestell eingelassen. Der Anker ist aus gezahnten Kernscheiben aufgebaut (Fig. 287) und mit Ringwickelung versehen; die -fertigen Anker zeigt die Fig. 525. Diese Motoren sind gewöhnlich mit einer selbsttätigen Einschaltvorrichtung versehen, welche aus einem Schalthebel mit Widerständen besteht und so angeordnet ist, daß zunächst der Feldmagnet erregt, dann der Anker eingeschaltet wird mit einem Widerstand, welcher nach und nach in dem Maße, wie die Geschwindigkeit des Motors zunimmt, von dem sich weiter bewegenden Schalthebel ausgeschaltet wird. Bei Einschaltung in

Bogenlicht-Stromkreise *) wird auf die Achse noch ein Zentrifugalregulator aufgesetzt. Für Größen bis zu 10 P wird die zweipolige Form verwendet, bei größeren Maschinen dagegen eine vierpolige Form nach der Füg. 417 vorgezogen.

Wegen weiterer Angaben über diese Motoren müssen wir den Leser auf die technischen Zeitschriften verweisen² 3).

In Deutschland hat die Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft eine Spezialität aus der Herstellung von Kleinmotoren, sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom, gemacht. Die typische Form bis zu 80 P aufwärts ist in der Fig. 526 dargestellt. Für größere Leistungen

1sl* Jsss-iag

Fig. 525. Anker des Crocker-Wheelersehen Motors.

werden die Maschinen vier- und sechspolig gebaut. Nachstehende Tabelle enthält einige Angaben über die gebräuchlichen Größen:

Leistung in P Umdreh. I von i. d. Min. f bis Gewicht kg Verbrauch KW

°)5

8,2

6,8

12.5 880 1100 480

10.6

9,5

5)5

3,9

7)5

10

1260 1260 1120 1580 1800 1550

80    120 165 165 165 270

°)5° 0,94 1,90 2,85 3,45 4,40 4,80 5,20

Bei den Motoren nach Fig. 526 besteht das Gehäuse ebenso wie die Pole aus Stahlguß. Die Pole werden mittels Schrauben, die von außen durch das Gehäuse geschraubt werden, befestigt. Die Magnetspulen sind ohne Spulenkasten auf die Magnetschenkel geschoben und stets mit Isolation für feuchte Räume versehen. Gegen das Gestell sind die Spulen durch nichthygroskopisches Material (Glimmer) isoliert. Die Blechscheiben der Anker werden direkt auf die Welle

1500

1750

900

1130

1450

1250

840

35

48

900

270

5,85

960

1260

275

6,40

790

835

350

330

900

1160

315

7,o

8,1

8,5

geschoben und durch Preßscheiben aus Stahl zusarainengehalten. Gegen Beschädigung und Feuchtigkeit wird die Ankerwickelung durch gefirnißte Leinwandlappen geschützt und gegen das Gestell ebenfalls durch Glimmer isoliert. Die Bürstenanordnung ist besonders einfach. Die Bürstenbolzen sind in das Polgehäuse eingenietet und mit Glimmerisolation versehen. Auf den isolierten Bolzen werden die Bürstenhalter mittels Schelle festgeklemmt, so daß eine Veränderung der Bürstenstellung in Bezug auf den Umfang des Stromwenders nicht möglich ist. Dagegen lassen sich die Halter

Fig. 526. Kleinmotor der Allge me in en El ek tr i c i t ät s - G e s ells chaf t.

bei Abnutzung des Stromwenders radial verschieben, so daß der Abstand zwischen Stromwender und Halter immer konstant gehalten werden kann.

Seit der Einführung der gedrungenen Drehstrom-Induktionsmotoren hat sich auch der Entwurf der kleinen Gleichstrommotoren sehr geändert. Sie werden jetzt meist mit vier Polen hergestellt, die nach innen von dem zylindrisch gestalteten Gehäuse vorstehen. Die Lager laufen in Platten aus, die an das Joch angeschraubt werden und so eine genaue Einstellung ermöglichen. Bei den vollständig geschlossenen Motoren ist die Leistung durch die äußere Oberfläche und die innere Temperaturerhöhung begrenzt. Mather und Platt versehen das Gehäuse mit vorstehenden Rippen, um eine größere Abkühlungsfläche zu erzielen.

Thompson, Dynamomaschinen 7. Aufl.

Bei Motoren mäßiger Größe und niedriger Spannung bis zu 150 Volt findet man sowohl die Schleifen-wie die Wellenwickelung angewendet, bei höheren Spannungen für 400 bis 500 Volt zieht man meist Formspulen mit Reihenschaltung vor. So baut z. B. eine namhafte Firma einen halb geschlossenen Motor von 10 P und 440 Volt mit nur 25 Nuten, die 25 Formspulen aufnehmen von je 20 Windungen, so daß in jeder Nut 40 Drähte von 2 mm nackt und 2,4 mm besponnen liegen. Die Isolation besteht hier aus Mikanit und präpariertem Papier. Dieselbe Firma baut einen Motor aus demselben Magnetgestell und einem Anker gleicher Größe, bei der gleichen Geschwindigkeit (850 Umdrehungen), aber nur für 110 Volt bestimmt, aus Kernscheiben mit 65 Nuten und 65 Formspulen aus je zwei Windungen; jede Nut hat demnach vier Drähte von 4,4 mm Durchmesser nackt

ff

und 4,7 mm umsponnen. Hier ist die Isolation einfach gefirnißte Preßpappe. Dieser Motor leistet 13 P, da -die niedrigere Spannung es ermöglicht, mehr Kupfer in die Nuten hineinzubringen.

Fig. 527. Kernscheibe des Straßenbahnmotors von Short.

Short veröffentlichte in der Electrical Review, Bd. 48, S. 545, 589, vom 29. März und 5. April 1901 den Entwurf eines Straßenbahnmotors von 25 P der Firma Dick, Korr & Co. Die geblätterten Feldpole haben zwei Lüftungskanäle. Die Formspulen werden über eine dünne Bronzehülse geschoben und dann auf die Polkerne gebracht, bevor diese an ihre Stelle geschraubt werden. Der Ankerkern besteht aus Kernscheiben mit 41 Nuten (Fig. 527 und 528) und ist ebenfalls mit Lüftungskanälen, fünf an der Zahl, versehen. Die Ankerspulen sind aus dreifach mit Baumwolle umsponnenem runden Drahte auf Formen hergestellt, im Ofen getrocknet, dann in Firnis getaucht und wieder getrocknet und dies mehrere Male wiederholt. Drei solcher Spulen werden in eine aus Glimmer, Preßspan und Leinen hergestellte, als Nutenisolation dienende Rinne gelegt und mit zwei Lagen dünnen Bandes umwickelt. Diese dreifache Spule wird nochmals in Firnis getaucht und getrocknet. Die 41 in dieser Weise hergestellten Spulen enthalten also 123 Einzelspulen, die in der in Fjg. 251 dargestellten Weise mit den 123 Stegen dos Stromwenders verbunden werden. Jede Spule reicht über zehn Ankerzähne. Fig. 528 zeigt einen fertigen Anker der eben beschriebenen Art.

Parshall und Hobart beschrieben in ihrem Buch »Electric Generators« eingehend einen 27pferdigen Straßenbahnmotor der General Electric Co., der bei 640 Umdrehungen in der Minute 51 Ampere bei 500 Yolt verbraucht. Bas ergibt eine Zugkraft von etwa 350 kg bei' einer Geschwindigkeit von 21 km in der Stunde; der Durchmesser der Laufräder ist 83,8 cm, das Übersetzungsverhältnis 4,78. Der Motor ist vierpolig, der Anker hat zwei Stromkreise, 29 Nuten mit 87 Spulen, deren also drei in jeder Nut liegen; da jede Spule aus vier Windungen besteht, liegen also 24 Drähte in jeder Nut. Die gesamte Leiterzahl beträgt demnach 696. Der Draht

' , v ■ St

Pf

.....

Fig. 528. Anker des St-.aßenbahnmotors von Short.

hat 25¹/₂ Ampere auszuhalten und ist 2,6 mm stark. Der Querschnitt der Nuten ist 3,28 X 1,19 cm². Der Luftzwischenraum ist 3,2 mm oben und 4 mm unten. Der Kernkörper hat einen Durchmesser von 28 cm, eine Länge von 23 cm und zwei Lüftungskanäle. Der Stromwender hat 87 Stege, 20 cm Durchmesser und 10 cm Länge; die Isolierung besteht aus 2,7 mm starken Glimmerplatten. Es sind zwei Bürstensätze vorhanden mit je zwei Kohlenbürsten, deren Schleiffläche 3,2 X 1,3 cm ist.

Die aus gestanzten Blechen zusammengesetzten Magnetkerne sind 22,9 cm dick, 11,1 cm breit und 9,8 cm lang. Die vier hintereinander geschalteten Feldspulen haben je 156¹/₂ Windungen von

4,6 mm starkem Draht; die mittlere Länge einer Windung beträgt 91 cm. Der Gesamtwiderstand aller vier Spulen ist in warmem Zustande 0,76 Ohm, der des Ankers 0,36 Ohm. Die verschiedenen Spannungsverluste sind bei voller Belastung: im Anker

18,3 Yolt, in den Feldspulen 38,6 Yolt, an den Bürstenkontakten 2,4 Yolt, insgesamt also 59,3 Yolt. Die Stromdichten sind: im Anker

50*

485 Ampere, in den Feldwickelungen 300 Ampere, und an den Bürstenkontakten 6,3 Ampere auf 1 cm². Die Kraftliniendichte ist 2 960 000 im Anker und 3 750 000 in den Polkernen, der Streuungs-koëffizient ist 1,25. Die Kraftliniendichten bei voller Belastung sind: im Anker 27 400 Linien (scheinbare), in den Zähnen 22 300 Linien (scheinbare), im Luftzwischenraum 10 200, in den Polkernen und dem Joch 14 900. Yon den erregenden Amperewindungen entfallen 37 Prozent auf den Luftzwischenraum, 34 Prozent auf den Ankerkern,. 21 Prozent auf die Zähne, 8 Prozent auf den Polkern und das Joch. Die spezifische Belastung ist 202 Ampere auf 1 cm des Umfangs. Durchschnittlich entfällt auf jeden Steg des Stromwenders eine Spannung von 21 Volt. Die Gegenwirkung des Ankers wird von 2200 Amperewindungen für jeden Pol ausgeglichen. Die Verluste sind wie folgt verteilt: Ankereisen 1120 Watt, Ankerkupfer 925 Watt, Magnetspulen 2000 Watt, Stromwender und Bürsten 218 Watt, Reibungsverlust 1200 Watt, zusammen 5463 Watt. Die Leistung ist 20 200 Watt; da 25 663 Watt aufgenommen werden, ist der Wirkungsgrad 79 Prozent. Das Gewicht beträgt ohne Achse, Getriebe und Getriebegehäuse etwa 660 kg. Man beachte, wie hier die Verluste auf die einzelnen Teile anders verteilt sind als bei Generatoren;, ferner wie hoch hier die magnetischen und elektrischen Dichten gewählt sind.

Eisenbahnmotor mit direktem Antrieb von 117 P. Die British Thomson-Houston Oo. lieferte der Londoner Central-Eisen-bahn mehrere Motoren für unmittelbaren Antrieb, Modell RM—4 — 117 —183, die 192 Ampere bei 500 Volt und normaler Belastung aufnehmen. Diese Maschinen sind von Parshall und Hobart (Electric Generators, S. 256) beschrieben, aber inzwischen schon durch Motoren von 130 P ersetzt. Jeder Anker hatte 39 Nuten, in jeder Nut 10 Leiter. Behufs Lüftung des Ankers war die Welle hohl.

Motoren der Maschinenfabrik Oerlikon. Einen vier-poligen Motor neuer Bauart mit Wendepolen stellt Tafel XXIV und Fig. 529 dar. Das runde Gehäuse aus Stahlguß trägt vier Hauptpole-aus Blech und vier Wendepole aus Grauguß mit schmiedeeisernen Polschuhen. Die Hauptspulen enthalten jede 2800 Windungen aus Draht von 1,4 mm (umsponnen 1,8 mm) Stärke; die gesamte Drahtlänge für alle vier Spulen beträgt 15000 m, das Gewicht 220 kg. Die vier Spulen'liegen hintereinander im Nebenschluß zum Anker. Von den Spulen der vier Wendepole liegen je zwei parallel; die Wickelung^ eines Pôles enthält 46 Windungen aus zwei nebeneinander geschalteten

Drähten von 7,0 mm (umsponnen 7,4 mm) starkem Draht, insgesamt 300 m und 104 kg. Der Ankerkern ist aus 1 mm starken Eisenblechscheiben zusammengesetzt. Er besitzt 67 Nuten von 10X34 mm²; in 65 Nuten liegen viermal zwei, in 2 Nuten dreimal zwei Drähte; der Wickelungsdraht hat 10X2 mm² Querschnitt, zwei solcher Drähte sind parallel geschaltet. Die gesamte Drahtlänge auf dem Anker

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Hg. 529. Motor mit Wendepolen der Maschinenfabrik Oerlikon.

beträgt 180 m, das Gewicht 33 kg. Der Stromwender hat 33 cm Durchmesser und 13,5 cm Länge; die Zahl der Stege beträgt 133. Die Wickelung ist eine Reihenwickelung. Der Wickelungsschritt am Stromwender beträgt 66, auf dem Ankerkern 16. Yon den vier Bürstenbolzen trägt jeder fünf Kohlenbürsten von 12X25X50 mm³. Der Motor leistet 35 bis 60 P bei 1000 bis 1500 Umdrehungen in der Minute und nimmt bei 4000 Yolt 126 Ampere auf.

Die lüg. 530 stellt eine neuere Form eines Kapselmotors der Maschinenfabrik Oerlikon dar, der für den Betrieb von Hebezeugen und für direkte Kupplung mit großen Werkzeugmaschinen bestimmt ist. Er leistet 9 bis 12 P bei 800 Umdrehungen. Das kastenförmige Stahlgußgestell hat vier angegossene Pole, von denen aber nur zwei bewickelt sind. Für den Anker ist Ringwickelung gewählt, um für Reparaturen möglichste Zugänglichkeit zu schaffen.

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Fig-53°- Gekapselter Motor der Maschinenfabrik Oerlikon.

Gleichstrommotoren der Siemens-Schuckertwerke. Die offenen Gleichstrommotoren unterscheiden sich nicht von den Gleichstrommaschinen (S. 613 ff). Da man jedoch bei Motoren häufiger in die Lage kommt, sie zum Antrieb von Arbeitsmaschinen in Räumen aufstellen zu müssen, in denen Tropf- und Spritzwasser, Staub und Feuchtigkeit oder säurehaltige Dämpfe die Wickelung des Motors

beschädigen können, wurde es notwendig, neben den offenen Typen auch gekapselte Maschinen zu schaffen, bei denen die Wickelung gegen die schädlichen Einflüsse des umgebenden Raumes vollständig geschützt sind. Aus diesem Grunde werden von den Siemens-Schuckert-werken die normalen Gleichstrommaschinen sowohl in vollständig gekapselter mit der Bezeichnung PGM, als auch ventiliert gekapselter Ausführung mit der Bezeichnung PGMv hergestellt (Pig. 531). Die Umänderung der offenen in die gekapselte Bauart wurde dadurch bewirkt, daß an Stelle der offenen geschlossene Lagerschilder am Gehäuse befestigt wurden. Dabei konnte das Lagerschild an der Antriebsseite vollständig geschlossen ausgebildet werden, ln demjenigen an der Strom-wenderseite mußten mit Rücksicht auf die Zugänglichkeit des Stromwenders und der Bürsten Öffnungen bestehen bleiben, die durch dicht schließende, leicht abnehmbare Deckel abgedeckt sind. Infolge der verschlechterten Abkühlungsverhältnisse, und zwar besonders deshalb, weil bei vollständig geschlossener Ausführung des Motors eine lebhafte Abgabe der erwärmten Luft durch    die    vom    rotierenden    Anker    erzeugten

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Fig. 53T. Ventiliert gekapselter Motor der Siemens-Sc huckertwerke.

Luftwirbel nach außen    hin    nicht    mehr    möglich    ist,    sinkt    die

Leistung der vollständig gekapselten Type PGM auf etwa 40 bis 50 Prozent derjenigen der gleich großen offenen Typen. Die ventiliert gekapselten Typen verhalten sich in dieser Beziehung bedeutend günstiger. Ihre Leistung ist bei Dauerbetrieb dieselbe, wie die des offenen Motors, da bei ihrer Konstruktion für eine wirksame Lüftung des Motorinnern gesorgt wurde. Am Gehäuse sind zwei Öffnungen vorhanden, durch die ein auf der Achse angebrachter Ventilatorflügel einen kräftigen Luftstrom durch den Motor treibt. Die Eintrittsöffnung befindet sich unten am Lagerschild der Antriebsseite, die Austrittsöffnung oben am Gehäuse über dem Ventilatorflügel. Die Öffnungen sind so angebracht, bezw. durch Schirme so abgedeckt, daß auffallendes Tropf- oder Spritzwasser nicht eindringen kann.

Die Ein- und Austrittsöffnungen werden auch mit Flantschen versehen, um Rohrleitungen anschließen zu können, durch welche die Kühlung des Motors mit Frischluft erfolgen kann, wenn die Luft des umgebenden Raumes für die Wickelung des Motors schädliche Bestandteile enthält oder wegen zu hoher Temperatur zur Kühlung nicht geeignet ist. Führt man die Rohre ins Freie oder in einen

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nahegelegenen Raum, aus dem auch bei stillstehendem Motor keine schädlichen Gase oder Dämpfe in ihn eindringen können, so eignet sich die ventiliert gekapselte Type auch zur Aufstellung in sehr staubigen oder mit säurehaltigen Dämpfen angefüllten Räumen. Sind die Leitungen nicht allzu lang und genügend weit, so können die Maschinen mit zwei Drittel der Leistung des offenen Motors gleicher Größe dauernd belastet werden. Die vollständig gekapselten Maschinen werden gebaut bis zu einer Leistung von 45 P, die ventiliert gekapselten bis zu einer Leistung von 130 P.

Fig. 53î. Straßenbahnmotor der Siemens-Schuck ertwerke.

Fig. 532 zeigt einen gekapselten Straßenbahnmotor mit aufgeklapptem Gehäuse in Ansicht, die Tafel XXYII im Schnitt den Motor D 54 für 35 P bei 500 Volt, 58 Ampere und 540 Umdrehungen in der Minute, MP 4 — 35—540 —500 —58. Bei diesen Motoren ist das Magnetgehäuse aus weichem Stahlguß durch eine horizontale Teilfuge in zwei Hälften geteilt. Nach Lösen von zwei Befestigungsschrauben läßt sich die untere Hälfte um zwei an der oberen Gehäusehälfte sitzende Scharnierschrauben herunterklappen, wodurch eine Besichtigung des Ankers leicht möglich ist, ohne den Motor aus dem Fahrzeug herausnehmen zu müssen.

Der Anker bleibt hierbei gewöhnlich in seinen Lagern und mit dem Gehäuseoberteil verbunden, kann aber im Bedarfsfälle mit dem Unterteil zusammen herabgelassen werden.

Zur Erneuerung der abgenutzten Kohlen und zur Besichtigung und Reinigung des Stromwenders sind ober- und unterhalb des letzteren Öffnungen im Gehäuse vorgesehen, die durch passende Deckel verschließbar sind.

Die vier symmetrisch angeordneten Polschuhe sind aus weichem lamellierten Eisen hergestellt und mittels kräftiger Schraubenbolzen an der Innenwand des Motorgehäuses befestigt. Jeder der vier Pole ist mit einer besonderen Magnetspule ausgerüstet, welche unter Zwischenlage von kräftigen Eisenblechen durch die vorstehenden Hörner der Polschuhe in ihrer Lage festgehalten Averden.

Der Ankerkern ist aus gut ausgeglühten, schmiedeeisernen Blechen zusammengesetzt, welche durch Papier sorgfältig gegeneinander isoliert sind.

Auf seinem Umfange trägt der Anker eine verhältnismäßig geringe Anzahl grober Nuten, in welche die auf der Maschine geformten Ankerspulen eingelegt werden. Die Spulen selbst werden unter Benutzung besonderer Spezialmaschinen hergestellt und mit größter Sorgfalt isoliert. Gegen die Fliehkräfte werden die Ankerspulen bei diesen Motoren durch Befestigungskeile in ihrer Lage festgehalten.

Die Aufhängung des Motors erfolgt in der Regel durch einen mit der oberen Hälfte des Gehäuses verschraubten Placheisenträger, welcher als ein Teil des Untergestelles ausgebildet ist. Hierbei ist der Motor einerseits durch Lager mit der Achse verbunden, während er anderseits durch ZAvischenschaltung kräftiger Federn vom Untergestell getragen wird.

Die Firma hat mehrere besondere Modelle für Kleinmotoren hergestellt, welche besonders für öffentliche Betriebe, wie Omnibus-, Post- und Droschkenbetriebe, bestimmt sind. Fig. 533 zeigt die Ansicht einer solchen Motortype. Es war hier besonders auf eine möglichst große Betriebssicherheit bei geringem Gewicht Bedacht zu nehmen.

Die Motoren sind vierpolig ausgebildet; die Fahrschalter für die mit zwei Motoren ausgerüsteten Wagen haben Reihenparallelschaltung. Sie besitzen mehrere Bremsstellungen mit Kurzschluß, so daß die Wagen sehr schnell zum Stillstand gebracht werden

können. Die abgebildete Motorentype wird in folgenden Größen hergestellt:

Modell

Drehmoment

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Umdrehungszahl in der Minute

Höchste

Spannung

Volt

Gewicht

kg

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Ein sehr gedrängt gebauter zweipoliger Motor von etwa 4 P ist von der Postel-Vinay Co. für Automobilzwecke entworfen und in

Traction and Transmission, Juli 1902, S. 185, beschrieben.

In den Fig. 534 bis 536 ist ein sechspoliger Motor der Compagnie de l’Industrie Electrique Genf dargestellt.

— 125 — 525 sind von Thur y entworfen und für die Zahnradlokomotiven der Bergbahnen Aigle-Leysin und Bex - Gryon - Villar gebaut. Jede Lokomotive ist mit zwei parallel geschalteten Motoren versehen, die eine Leistung von

125    P bei 525 Umdrehungen in der Minute, eine Spannung von 650 Volt und eine Stromstärke von

126    Ampere besitzen. Das Material der Pole und des Joches ist

Stahlguß. Die Motoren haben Reihenwickelung, die Magnetspulen 90 Windungen eines Drahtes von je 45 mm² Querschnitt. Die sechs Magnetisierungsspulen sind in zwei Kreisen parallel geschaltet, so daß drei Spulen in Reihe liegen. Der Anker hat 232 Nuten von je 21X35 mm² Querschnitt. In jeder Nut liegen zwei Leiter von je 15 mm² Querschnitt. Der Stromwender hat einen Durchmesser von 35 cm und 232 Stege. Der Durchmesser des Ankerkernes ist 57 cm, seine Länge 31 cm. Der Wellendurchmesser ist 10,5 cm; der Polquerschnitt 15,5X30 cm.

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Fig. 533. Motor für Fahrzeuge; Siemens-Schuckert werke.

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Fio-, 534. Sechspoliger Motor von Thury, erbaut von der Compagnie de l’Industrie Électrique; Längsschnitt. Maßstab

Auf der Tafel XXIX ist ein Thur y scher Motor YM4 —15 — 600 dargestellt. Dieser für den russischen Kreuzer Gromoboi gebaute Motor ist vollständig eingekapselt und mit senkrechter Drehachse

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Fig. 535. -Sechspoliger Motor von Thury; Querschnitt.

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versehen. Er leistet 15 P bei 600 Umdrehungen in der Minute und einer Spannung von 100 Yolt und gebraucht dabei 138 Ampere bei voller Belastung. Die vier geblätterten Pole sind an den Spitzen leicht abgerundet und mittels einer Schleife und zwei Schrauben an dem gußeisernen Gestell befestigt. Der Motor ist mit Nebenschlußwickelung versehen, jede Magnetspule besteht aus 1050 Windungen eines Drahtes von 1,76 mm² Querschnitt; der Gesamtwiderstand aller vier Spulen ist 28,9 Ohm bei 28 Grad C. Der Anker hat 113 Nuten, 5 mm breit und 18 mm tief, deren jede zwei Leiter von je 19 mm²

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Fig. 536. Sechspoliger stählerner Motor von Thury für Bergbahnen.

Querschnitt enthält. Der Gesamtwiderstand des Ankers ist 0,065 Ohm bei 28 Grad C. Die Enden der Leiter sind durch Evolutenverbinder von 25 mm² Querschnitt miteinander verbunden. Der Stromwender hat einen Durchmesser von 18 cm und 113 Segmente.

Kapitel XXVI.

Regler, Widerstände, Fahrschalter und Anlasser.

Regler für Dynamomaschinen.

Nicht allein zur Aufrechterhaltung der Spannung oder der Stromstärke auf einer bestimmten Höhe braucht man Hilfsmittel zur Regulierung der Leistung von Maschinen, sondern z. B. auch zu dem Zwecke, um die Spannung einer Maschine so zu steigern, daß sie auf bestimmte Entfernung gewisse Leistungen zu erzielen vermag.

Die Leistung einer Maschine hängt von drei in ihr selbst liegenden Umständen ab, und zwar von der Geschwindigkeit w, der Anzahl der Ankerleiter N und der Kraftlinienmenge CD, sowie von zwei äußeren Umständen, und zwar dem Widerstand des Stromkreises und der elektromotorischen Gegenkraft im Stromkreise. Hiernach ist klar, daß jeder dieser fünf Umstände eine Methode darbieten könnte, die Leistung der Maschine zu regeln.

Die Einschaltung von Widerständen in den Stromkreis ist stets mit Arbeitsverlust verbunden, sie ist deshalb unwirtschaftlich, höchstens für Versuchszwecke geeignet. Die Einführung von elektromotorischen Gegenkräften in den äußeren Kreis geschieht bei Wechselstrom durch Verwendung von Drosselspulen, bei Gleichstrom durch Zufügung von gegengeschalteten geladenen Sekundärzellen; doch ist dieses Mittel nur in ganz besonderen Fällen und in geringem Umfange praktisch anwendbar.

Es bleiben also nur die auf der Änderung der drei in der Maschine selbst liegenden Umstände begründeten Methoden zu betrachten.

Die Geschwindigkeit läßt sich nur regeln, wenn für jede Dynamomaschine eine besondere Antriebsmaschine vorhanden ist; in solchen Fällen wird an Stelle des Zentrifugalregulators ein besonderer Apparat erforderlich.

Yon einer Änderung der Zahl der Leiter eines umlaufenden Ankers kann während des Betriebes überhaupt nicht die Rede sein. Die wirksame Zahl der Leiter läßt sich indessen durch Vorwärtsschieben der Bürsten ändern, so daß der Strom nicht an den Punkten höchster Spannung, sondern an andern Punkten zugeführt wird. Bei dieser Methode äußern einige Ankerwindungen innere elektromotorische Gegenkräfte, und zwar sind dies diejenigen, welche zwischen dem neutralen Punkte und dem Punkte, wo die Bürsten anliegen, sich befinden.

Die Änderung der Kraftlinienmenge bildet die fast allgemeine Methode der Regelung; sie läßt sich auf zwei ganz verschiedenen Wegen erreichen. Da die Zahl der Kraftlinien von der Erregung (oder den Amperewindungen) und vom Widerstand des magnetischen Kreises abhängt, so kann man sie durch Änderung der einen oder der anderen Größe regeln.

Die Erregung läßt sich auf verschiedene Weise ändern, und zwar:

a)    durch Widerstände oder Schalter im erregenden Kreise;

b)    durch Änderung der erregenden Spannung;

' c) durch Änderung der Zahl oder Anordnung der Erregerspulen.

Den magnetischen Kreis kann man ändern:

d)    indem die Polstiicke dem Anker näher oder ferner gebracht

werden ;

e)    durch Öffnung oder Schließung eines anderen Zwischenraumes

im magnetischen Kreise;

f)    indem man den Anker zwischen den Polstücken mehr hervorzieht;

g)    durch Anwendung eines magnetischen Nebenschlusses zu den

Schenkeln des Magnetes.

Alle diese x\rten magnetischer Regelung hat man versucht⁴), aber, abgesehen von kleinen Maschinen, ohne großen Erfolg.

Regelungswiderstände. Ein Regelungswiderstand besteht aus einem Satz leicht zu ändernder Widerstände. Diese Widerstände sind meist so angeordnet, daß sie in einer regelmäßigen Aufeinander-t folge durch einen sich über eine Reihe von Kontakten bewegenden Schalthebel in einen Stromkreis ein- oder aus einem solchen ausgeschaltet werden können. Die Methode zur Regelung der Spannung einer Nebenschluß - oder besonders erregten Dynamomaschine durch Ein- oder Ausschalten eines Widerstandes in den Erregerkreis wurde S. 278 beschrieben und in Fig. 172 dargestellt. Bei Reihenmaschinen findet das Regeln in der Weise statt, daß ein Rhéostat zu den magnetisierenden Spulen parallel geschaltet wird.

Die bei Nebenschlußdynamomaschinen verwendeten Rheostaten müssen natürlich im stände sein, den Erregerstrom beim gewöhnlichen Betriebe ohne Überhitzung leiten zu können. Die Widerstände sollen aus Neusilber, Kruppin, Rheotan oder einer anderen Legierung bestehen, deren Widerstand sich nicht mit der Temperatur ändert. Sie müssen so beschaffen sein, daß sie den Erregerstrom auf das kleinste zur Erzielung der niedrigsten Spannung erforderliche Maß herabmindern können. Sie müssen ferner in genügender Weise unterteilt und mit einer entsprechenden Zahl von Kontakten verbunden sein, damit die Einschaltung des Widerstandes in hinlänglich kleinen und gleichen Abschnitten erfolgen kann. Endlich müssen die Widerstände gut gelüftet und geschützt sein.

Selbsttätige Regler für Gleichspannung und gleichbleibende Stromstärke.

Alle selbsttätigen Regler enthalten einen Hauptteil, der bei ihnen gewissermaßen wie das Gehirn bei den Lebewesen wirkt, der jede Änderung beobachtet und einen Mechanismus in Tätigkeit setzt, der dieser Änderung entgegenwirkt. Dieser Teil wird in der Regel durch einen Elektromagnet gebildet, häufig von einer Spule mit beweglichem eintauchenden Kern. Soll die Spannung gleichbleibend erhalten werden, so muß die Spule wie die eines Spannungsmessers-bewickelt, also aus feinem Draht mit hohem Widerstand hergestellt und als Nebenschluß angelegt werden. Soll die Stromstärke gleichbleibend erhalten werden, so muß man die Spule wie die eines Strommessers aus starkem Draht mit geringem Widerstand herstellen und in den Hauptstromkreis einschalten. Wechselstrommaschinen werden gewöhnlich durch Einwirkung auf den Erregerkreis reguliert,.

der Strom in der Regelungsspule wird aus den Hauptleitungen mittels eines kleinen Umformers entnommen.

Es gibt zwei Arten selbsttätiger Regler: bei der einen Art wird die Arbeit zur Bewegung des Reglers mechanisch vollbracht, nur die Regelung erfolgt elektrisch; bei der anderen Art wird die Regelung sowie die bewegende Kraft elektrisch hervorgebracht. Der in den früheren Auflagen dieses Buches beschriebene Regulator von Go old en gehört zur ersten Klasse. In dem Apparat befindet sich ein von einer senkrecht angeordneten Schraubenspindel bewegter Gleitkontakt; diese Schraubenspindel wird je nach Erfordernis rechts oder links herum gedreht durch Yermittelung eines auf der Spindel gleitend befestigten doppelten Kronrades, zwischen dessen Verzahnungen sich ein kleines, von der Maschine langsam bewegtes Zahnrad dreht. Der überwachende Teil, das Gehirn der Vorrichtung, ist ein Solenoid mit eingetauchtem Eisenkern, welch letzterer die Auf- oder Abwärtsbewegung des Kronrades bewirkt.

Besitzt der Strom in der Spule die richtige Stärke, so taucht der Kern gerade so weit ein, daß weder die obere, noch die untere Verzahnung des Kronrades in das Triebrad eingreift, diö Schraubenspindel also stillsteht. Wird der Strom schwächer, so hebt sich das Kronrad, kommt in Eingriff mit dem kleinen Triebrad und dreht sich und die Schraubenspindel in dem Sinne, daß durch den Gleitkontakt Widerstand aus dem Erregerkreise ausgeschaltet und dadurch der Strom in der Wickelung wieder auf die normale Stärke gebracht wird. Ist der Strom zu stark, so wird der Eisenkern tiefer in das

Solenoid gezogen, das Kronrad dreht sich im entgegengesetzten Sinne, und es wird Widerstand in den Erregerkreis eingeschaltet. Neuerdings hat Lewis diesen Regler mit einem Differentialsolenoid

ausgeführt.

Ein Beispiel für die zweite Regulierungsmethode bietet der Regulator von Maquaire, bei welchem sowohl der regelnde, als auch der verschiebende Mechanismus elektrisch betrieben wird. Der bewegende Mechanismus ist ein kleiner Motor, welcher durch einfache Anordnung leicht umsteuerbar gemacht ist. Der regelnde Teil ist im

wesentlichen ein Relais, bestehend aus einem Elektromagnet, dessen Anker durch eine Feder ausbalanciert ist.

Wird nun der Hauptstrom zu schwach,-so legt sich die Zunge des regelnden Relais gegen den oberen Kontakt, der Anker der Triebmaschine dreht sich dann in einer solchen Richtung, daß durch Ausschalten von Widerstand die Erregung der Maschine zunimmt.

Fig. 537 zeigt einen automatischen Regler von der ersterwähnten Art, der von Thur7 entworfen ist und von der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin hergestellt wird. Links in der Abbildung erkennt man das vertikale Relais; es bewegt die eine oder die andere der beiden horizontalen Rollen, welche die konischen Räder in Eingriff bringen, durch deren Drehung der Rheostatenarm vermittelst einer Schnecke bewegt wdrd. Das auf der Schnecken-

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Fig. 537. Regler von Thury.

spindel sitzende konische Rad muß von der Maschine aus in langsame-Umdrehung versetzt werden; es kann auch nötigenfalls von Hand gedreht werden.

Ein einfaches Beispiel einer rein elektrischen Regelung bietet der Regler von Brush (Fig. 538), welcher eine Reihenmaschine in den Stand setzt, gleichbleibenden Strom zu liefern. Quer zu den Feldmagneten F—M ist ein Koblen-Nebenschluß C von veränderlichem Widerstande geschaltet; der Widerstand des Nebenschlusses wird automatisch verändert durch einen Elektromagnet, dessen Wickelungen einen Teil des Hauptkreises bilden. Vom richtigen Strome durchflossen, zieht der Magnet seinen Anker A mit bestimmter

Kraft an, die gerade genügend ist, um den Anker in einer neutralen Lage zu erhalten.

Steigt der Strom an, so wird der Anker aufwärts gezogen, ein Hebel preßt gegen die Säule C aus Platten von Retortenkohle, und es erfolgt eine mehr oder weniger bedeutende Ablenkung des Stromes von den Windungen des Feldmagnetes, dessen Tätigkeit so geregelt wird. Dieser Apparat erhält die Stromstärke gleichbleibend, wenn auch die Triebgeschwindigkeit unregelmäßig ist.

Ein anderer rein elektrisch betriebener Regler ist bei der Bogenlicht-Dynamomaschine von Thomson-Houston zur Anwendung gelangt    _______

(S. 668).    [    p-f

Bei einem von

Waterhouse angewendeten Regler empfängt eine an dem Stromwender angeordnete dritte Bürste einen veränderlichen Teil des Stromes eines besonderen Ortskreises.

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Fig. 538. Selbsttätiger Regler von Brush.

Dieser Regler ist ebenso wie die Regler von Henrion und von Sperry in früheren Auf

lagen dieses Werkes beschrieben.

Caldwell hat eine eingehende Prüfung dieser Methode¹) angestellt und gezeigt, daß sie auch zur Regelung der Gleichspannung angewendet werden kann.

Für genaue Einhaltung einer bestimmten Stromstärke hat Wood einen Regler angegeben, bei welchem eine stellbare Bürste verwendet wird; es sind ferner zwei differential gewickelte Erregerkreise, sowie eine elektromotorische Anordnung zur Verschiebung der Bürsten vorhanden. Die Vorrichtung ist in früheren Auflagen dieses Werkes abgebildet.

Ein interessantes Beispiel der Benutzung eines magnetischen Nebenschlusses zur Hervorbringung eines Stromes von gleichbleibender Stärke bietet sich in dem Regulator von Trotter²) und Ravensliaw

1)    The Electrician, Bd. 12, S. 217, 1888; S. 441, 1889.

2)    Abhandlung von Trotter im Electrician, Bd. 19, S. 374. Eine Zeichnung des Reglers selbst ist in der Electrical Review, Bd. 19, S. 289, vom 17. September 1886 enthalten.

dar, bei welchem gleichfalls die magnetischen Linien von ihrem gewöhnlichen Wege ab- und einem Wege von geringerem magnetischen Widerstande zugeleitet werden, unter Verwendung eines Eisenkörpers, der aber hier nicht beweglich, sondern in seiner Wirkung dadurch veränderlich gemacht wird, daß er mit einer in entgegengesetzter Richtung magnetisierenden Wickelung versehen ist.

Reignier hat die Aufmerksamkeit auf eine Lösung der Aufgabe gelenkt, einen Strom von gleichbleibender Stärke durch selbsttätige Änderung der Zahl der vom Strome durchflossenen Wickelungen herbeizuführen A

Motoranlasser.

Wenn ein Gleichstrommotor angelassen wdrd, muß ein Widerstand in den Ankerkreis eingeschaltet werden, weil dann im Anker noch keine gegenelektromotorische Kraft vorhanden ist, die der zugeführten Linienspannung entgegen wirkt; wenn man letztere ohne weiteres nur auf den sehr kleinen Ankerwiderstand schaltete, so würde ein Stromstoß von abnormer Höhe die Folge sein. Abgesehen davon, daß dies sehr unökonomisch wäre und zudem einen starken Spannungsabfall in der Stromzuführung zur Folge hätte, würde es auch alle Motoren mit Ausnahme der allerkleinsten zerstören. Motoren über 2 P werden daher mit besonderen Anlassern versehen. Ein Anlasser besteht also im wesentlichen aus einem Widerstand von passender Größe, der beim Anlaufen des Motors eingeschaltet wird, um den ersten Stromstoß aufzufangen, und der in einzelnen Teilen durch die Bewegung eines Handhebels in dem Maße ausgeschaltet wird, in dem die Geschwindigkeit des Ankers zunimmt.

Der Anlasser wird so bemessen, daß die anfängliche Stromstärke etwa 30 Prozent größer als bei der normalen vollen Belastung ist. Demgemäß ist auch die Zugkraft entsprechend größer. Der Motor beginnt dann, sich zu drehen, und erzeugt hierdurch eine gegenelektromotorische Kraft, welche die anfängliche Stromstärke mit wachsender Geschwindigkeit vermindert. Hierdurch wird natürlich auch die Zugkraft verringert, und die Geschwindigkeit nimmt nicht mehr in dem Maße zu, wie bei Beginn des Anlaufens. Hat die Verminderung der Stromstärke einen gewissen Grad erreicht, so wird der Schalthebel des Anlassers auf den nächsten Kontakt bewegt und ein Teil des Widerstandes hierdurch ausgeschaltet; dein-

i) Lum. Électr., Bd. 26, S. 420.

entsprechend findet dann wieder eine Zunahme der Stromstärke und der Zugkraft statt. Da die induzierte elektromotorische Kraft von der Stärke der Feldmagnete abhängt, ist es notwendig, diese gleich zuerst kräftig zu magnetisieren. Bei Nebenschlußmotoren ist der Anlasser gewöhnlich so angeordnet, daß der Erregerstromkreis geschlossen wird, bevor der Strom in den Ankerkreis eintreten kann.

Bei den meisten Anlassern sind außer den üblichen Einrichtungen zum Ausschalten der Widerstände noch Anordnungen vorgesehen, durch die der Motor selbsttätig von der Zuleitung abgeschaltet wird, wenn diese aus irgend einem Grunde stromlos ist, oder auch, wenn der Motor übermäßig belastet ist. Eine Anordnung der ersteren Art ist in der Fig. 539 dargestellt. In die Stromzuführung ist eine Spule A eingeschaltet, welche so bemessen ist,

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Fig. 539. Motoranlasser mit selbsttätigem Nullausschalter.

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Fig. 540. Selbsttätiger Maximalausschalter.

daß ihr Kern den Hebel des Anlassers, wenn er vollständig eingeschaltet ist, entgegen der Kraft einer Feder in dieser Lage festhält, indem ein daran angebrachter Weicheisenanker den magnetischen Kreis des Elektromagnets schließt. Ist die Zuführung aus irgend einem Grunde stromlos oder der Feldkreis unterbrochen, so ist auch der Elektromagnet A stromlos, er kann also den Anker B nicht festhalten, und die Feder zieht den Hebel wieder in die Anfangslage zurück. Der Anker ist dadurch gegen den übermäßigen Stromstoß geschützt, der entstehen würde, wenn kein Magnetfeld vorhanden wäre, oder wenn die Zuführung nach einer Unterbrechung plötzlich wieder Strom bekäme.

Die Anordnung zum Ausschalten des Motors bei einer übermäßigen Belastung kann sehr verschieden sein. Bei Motoren von mittlerer Größe ist vielfach die in der Fig. 540 dargestellte Aus-führungsform üblich. Der Hauptstrom durchfließt die Spule C\ deren Anker T) bei einer übergroßen Stromstärke von dem Polstück E angezogen wird und dabei durch ein Metallstück F eine elektrische Verbindung zwischen den Punkten M und N herstellt, an welche die Enden des Ausschaltungsmagnets A der Fig. 539 herangeführt sind, so daß dieser kurz geschlossen wird und der Schalthebel zurückspringt. Vermittelst einer Stellschraube kann die Anordnung verschieden hohen Überlastungen angepaßt werden; denn je größer der Abstand zwischen dem Anker und dem Polstück ist, um so größer ist die Stromstärke, die zum Anziehen des Ankers nötig ist.

Bei großen Motoren wird diese Anordnung durch einen in die Hauptleitung eingeschalteten selbsttätigen Stromunterbrecher ersetzt. Anstatt eines Unterbrechers benutzt man häufig als Schutz gegen Überlastung eine Schmelzsicherung, da diese erst nach Verlauf einer

Fig. 54i. Motoranlasser mit selbsttätigem Ausschalter.

bestimmten Zeit zur Wirkung kommt und den Stromkreis bei einer nur vorübergehend eintretenden Erhöhung der Stromstärke nicht unterbricht. Ein Stromunterbrecher dagegen, der auf eine bestimmte Stromstärke eingestellt ist, unterbricht den Stromkreis sofort, wenn diese Stromstärke erreicht wird. Aus diesem Grunde werden Stromunterbrecher stets auf eine höhere als die zulässige Stromstärke eingestellt, so daß sie auch bei plötzlichen Stromstößen den Motor nicht unterbrechen.

Fig. 541 stellt einen Anlasser der British Thomson-Houston Co. dar, der mit beiden Anordnungen ausgerüstet ist.

Außer den vorbeschriebenen Anordnungen zum Schutze des Motors im Betriebe haben einige Anlasser auch noch besondere Anordnungen, welche den Motor während des Anlaufens schützen sollen. Bei den bis jetzt beschriebenen Einrichtungen wird eine unsachgemäße Behandlung durch eine mit der Bedienung nicht vertraute Person nicht verhindert. Es kann z. B. der Schalthebel sehr rasch rechts herum gedreht und in der Endstellung so lange festgehalten werden, bis der Maximalausschalter außer Wirksamkeit ist. Wenn ein Stromunterbrecher und eine Schmelzsicherung benutzt werden, so kann der Unterbrecher festgehalten werden und die Sicherung abschmelzen, so daß ein Unerfahrener dazu verleitet wird, eine stärkere Schmelzsicherung einzusetzen, was durchaus unerwünscht ist.

Die Sturtevant Engineering Co. hat die Einrichtung getroffen, daß der Handhebel zum Anlassen auf einer Welle sitzt, die mittels eingeschnittenen Schraubengewindes auf den Kontaktarm wirkt, so daß auch bei der größtmöglichen Drehungsgeschwindigkeit des Handhebels sich der Kontaktarm nur mit mäßiger Geschwindigkeit bewegt. Ist dieser in die Endstellung gelangt, so kann er frei zurückspringen, wenn die Zuleitung stromlos ist.

•Bei einer anderen Anordnung sind Handhebel und Kontaktarm nur elektrisch miteinander verbunden, und zwar mittels einer Spule, die in ähnlicher Weise wie die Spule eines Nullausschalters in den Stromkreis eingeschaltet ist. Wird der Hauptschalter geschlossen, so führt der Handhebel den Kontaktarm herum; ist die Bewegung zu schwach, so tritt der Maximalausschalter in Tätigkeit, schließt die Spule kurz und der Kontaktarm springt in die Anfangslage zurück. Um den Anlasser gegen unverständige Behandlung zu sichern, wird er manchmal vollständig in ein Gehäuse eingeschlossen, so daß nur der Handhebel außen ist.

Die Sturtevant Co. baut noch einen besonderen Anlasser für Motoren über 50 P, der aus einer Mehrzahl von nebeneinander befindlichen Schaltern besteht. Beim Anfahren läßt sich immer nur je ein Hebel, und zwar nur in der richtigen Reihenfolge, drehen. Bei Überlastung und Ausbleiben des Stromes werden alle Schalter gleichzeitig geöffnet.

Anordnungen zur Verhinderung starker Funkenbildung beim Abschalten. Wenn der Motor infolge Überlastung ausgeschaltet wird, entsteht eine starke Funkenbildung an den einzelnen Kontakten, besonders an dem letzten, wo der Strom ganz unterbrochen wird. Aus diesem Grunde ordnen die meisten Firmen die Kontakte der Anlasser bei großen Motoren so an, daß sie leicht erneuert werden können.

Um das Funken an der Endunterbrechungstelle zu verringern, sind die beiden ersten Kontakte gewöhnlich Leerkontakte, d. h. sie stehen nicht in Verbindung mit dem äußeren Stromkreise, so daß der Öffnungsfunke sich über den Raum zwischen zwei oder drei Kontakten verteilt. Die British Thomson-Houston Co. verwendet bei einigen Anlassern die bekannten Ausblasemagnete, bei denen der Öffnungsfunke zwischen den Polspitzen entsteht.

Besondere Vorsichtsmaßregeln bei Nebenschlußmotor en. Bei Nebenschlußmotoren muß wegen der großen Selbstinduktion der Nebenschlußwickelung Bedacht darauf genommen werden, daß 1. beim Einschalten der Feldmagnete eine gewisse Zeit vergeht, bis die Stromstärke ihren normalen Wert erreicht, und daß 2. beim Abschalten, besonders bei Verwendung von Federumschaltern, in den Windungen hohe Spannungen induziert werden können, die der Isolation zu schaden vermögen. Mit Rücksicht auf den ersten Punkt werden die Feldverbindungen im allgemeinen von dem eigentlichen Anlasser getrennt und an den Hauptschalter geführt, so daß beim Schließen der Strom sofort durch die Feldspulen läuft. Mit Rücksicht auf den zweiten Punkt ist es üblich, wenigstens bei Nebenschlußmotoren kleinerer und mittlerer Größe, den Anker und die Feldmagnete zu einem fest geschlossenen Kreise zu vereinigen, der nie geöffnet wird. Die Verbindung mit der Hauptleitung geschieht in der in Fig. 542 dargestellten Art, so daß beim Abschalten des Feldes die Entladung einen geschlossenen Weg durch den Anker findet. In anderen Fällen benutzt man zuweilen zur Ver-hinderung einer durch zu hohe

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Fig. 542. Verbindungen für den Anlasser eines Nebenschlußmotors.

Spannung veranlaßten Zerstörung der Isolation beim Öffnen des Nebenschlußkreises eine besondere Form von Hauptschaltern, durch die parallel zum Nebenschluß ein induktionsfreier Widerstand eingeschaltet wird, bevor die Zuleitung abgeschaltet wird. Dieser Widerstand ist in der Praxis etwa ebenso groß wie der Nebenschluß.

Motorregler. Bis jetzt haben wir einfache Anlasser beschrieben, welche den Motor nur anlaufen und dann mit bestimmter Geschwindigkeit sich drehen lassen. Wie wir gesehen haben, gibt es zwei Wege, eine Änderung der Geschwindigkeit bei Nebenschlußmotoren herbeizuführen, indem man entweder den Wrert des Erregerstromes ändert oder Widerstand in Reihe mit dem Anker einschaltet.

Bei der ersteren Methode kann ein gewöhnlicher Anlasser in Verbindung mit einem besonderen Regelungswiderstand für das Feld benutzt werden. Bei der zweiten Methode muß der Anlasser etwas geändert werden, so daß er dem doppelten Zwecke des Anpassens und Regeins des Motors dienen kann. Zu diesem Zwecke müssen die Widerstände so bemessen werden, daß sie längere Zeit den ganzen Strom aufnehmen können, und der Nullausschalter muß in der Weise abgeändert werden, daß er den Schalthebel auf jedem

Kontakt festhalten und loslassen kann. Eine sehr gebräuchliche Anordnung zeigt Fig. 543. Wird der Elektromagnet G erregt, so wird der Anker angezogen, er greift mit dem Zahn H in eine der Nuten von W ein und hält den Schalthebel in jeder Lage fest. Wird der Strom in der Spule G unterbrochen, so fällt der Anker ab und der Schalthebel springt zurück.

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Ein Maximalausschalter kann auch hier, wie bei der vorher beschriebenen Anordnung, mit dem Nullausschalter zusammen arbeiten.

Fig. 543. Selbsttätiger

Stromrichtung im Felde oder im Anker umkehren, Ausschalter für einen

Regulator.

Anordnungen zum Umkehren der Drehrichtung von Motoren. Um die Drehrichtung der Motoren umzukehren, muß man entweder die

nicht aber in beiden. Die Umkehrung im Anker ist natürlich der praktisch einzig mögliche Weg, da der Feldstrom nicht unterbrochen werden darf, solange die Stromzuführung nicht abgeschaltet ist.

♦ AUS

Wollte man die bisher beschriebenen Anlasser benutzen, so müßte man zwei Regulierungswiderstände haben, einen für jede Drehrichtung. Um mit einem einzigen Widerstand auszukommen,

hat man einen besonderen Um-

steuerungsregier, Steuerschalter, konstruiert, der schematisch in Fig. 544 dargestellt ist.

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Zwei Reihen von Kontakten sind gleichmäßig ober- und unterhalb einer Mittellinie im Kreis an geordnet; außerdem ist innerhalb des letzteren ein Kontakt in der Form eines zweiteiligen Ringes angebracht, dessen beide Hälften den D beiden Kontaktsätzen entsprechen.

Fig. 544. Umkehrregulator.

Der Schalthebel ist an beiden Enden mit isolierten Kontaktstücken versehen, welche das Ringstück A mit den oberen Kontakten und das Stück B mit den unteren Kontakten des Reglers verbinden. Die Ringstücke sind mit dem Anker und die oberen Kontakte mit den unteren in der aus der Figur ersichtlichen Weise verbunden.

Die Umsteuerung vollzieht sich in folgender Weise: Wird der Schalthebel aus der Nullstellung herausgedreht, so daß die in den Quadranten X und Z liegenden Kontakte eingeschaltet werden, so fließt Strom von C über D, X, A, den Anker, B, Z, Y in die Rück-leftung. Werden die in den Quadranten Y und TUliegenden Kontakte eingeschaltet, so fließt der Strom von C über D, Al, W, B, den Anker, A, Y in die Rückleitung. Der Strom fließt also in beiden Fällen in derselben Richtung durch den Feldmagnet CD, aber in umgekehrter Richtung durch den Anker. Das Schema zeigt einen Reihenmotor, aber der Regler ist ohne weiteres auch bei einem Nebenschlußmotor anwendbar, da die Feldspulen unmittelbar zwischen den Hauptzuleitungen liegen.

¹

8-ZD 10⁷

■Üs ■ 4* ■ Qi

Um diese Formel anwenden zu können, müssen wir erst durch Erfahrung wissen, welches die geeigneten Werte von 33s, 4* und qx sind. Für Straßenbahnmotoren können wir als Musterwerte nehmen

23* = 10 000; 4¹ = 0,7 ; qx = 200 bis 210.

Bei kleineren Motoren von 1 bis 5 P sind die Werte von 33* und q₁ etwas geringer und bei den ganz kleinen unter 1 P sind sie selten halb so groß. Nehmen wir die obigen Werte für Straßenbahnmotoren an, so erhalten wir durch Einsetzen

dH = 440 D

i) Die Gleichung III auf S. 487 lautet: d²1

in Kilowatt auszudrücken. Zwischen P und D ergibt sich die Beziehung:

• 736-10³ = P; durch Einsetzen erhält man die obige Gleichung.

²

   Weiteres über Motoren für Stromkreise mit gleichbleibender Stromstärke siehe Electr. World, Bd. 15, S. 269, 1890; Bd. 17, S. 120 u. 130, 1891; ebenso Electrician, Bd. 25, S. 16, 45 u. 131, 1890

³

   Engineering, Bd. 44, S. 83, 1887; Electr. World, Bd. 9, S. 4, 9 u. 203; Bd. 13, S. 309, 1889; Bd. 15, S. 114, 269 u. 370, 1890; Bd. 17, S. 130, 191. Vergl. auch Crockers Buch: » Practical Management of Dynamos and Motors« und eine Reihe Abhandlungen von Crocker im Electr. Engineer (N. Y.), 1891 und 1892.

⁴

Ein Beispiel für die unter d) angegebene Regelung bietet Firtks Methode (vergl. Industries, Bd. 9, S. 161), bei welcher die Polmasseu durch Schrauben nach rückwärts gezogen werden können; ein solches für die unter g) angeführte Methode ein von Desroziers angewendeter und in La Lumière Electrique, Bd. 24, S. 394, beschriebener magnetischer Nebenschluß. Andere Methoden magnetischer Regulierung sind von Gooldeu und Trotter, Langley, P. Müller, Lontin und von Diehl ausgeführt worden. Neuere Methoden sind von Hundt (Elektrotechn. Zeitschrift, Bd. 23, S. 235) und Couffiuhal (Bull. Soc. Internationale, 1903) angegeben. Ebendieselben hier aufgezählten Mittel zur Regelung der Spannung von Stromerzeugern sind auch zur Regelung der Geschwindigkeit von Motoren geeignet.

Bremsen.

Bei einzelnen Anlagen ist es erforderlich, die umlaufenden Teile rasch zum Stillstand bringen zu können. Dies kann in der Weise ausgeführt werden, daß man 1. den Motor als Stromerzeuger weiterlaufen läßt und die in den bewegten Maschinenteilen aufgespeicherte mechanische Energie in elektrische umwandelt, die man entweder in die Speiseleitung zurückführt oder in Widerständen sich verzehren läßt; oder 2. eine elektromagnetische Einrichtung vorsieht, die selbsttätig eine Bremse auf eine fest auf die Motorwelle gekeilte Scheibe wirken läßt, wenn der Strom ausgeschaltet wird.

Elektrisches Bremsen.

1. Bremsen des Reihenmotors. Um einen Reihenmotor in einen Stromerzeuger zu verwandeln, muß er vollständig von der Stromzuführung abgeschaltet, und es müssen die Verbindungen zwischen Anker und Feldmagnet umgeschaltet werden. Die Umkehrung der Feldmagnetverbindungen ist notwendig, weil sonst wiegen des remanenten Magnetismus der Anker beim Anlaufen Strom in umgekehrter Richtung erzeugen w'ürde, als die des Speisestromes ist; dieser Strom würde demnach die Maschine entmagnetisieren, statt den Magnet in der erforderlichen Weise zu erregen.

Der in Fig. 544 dargestellte Umsteuerungsregler ist in der in Fig. 545 ersichtlichen Weise umgeändert zum Zwecke, die elektrische Bremsung eines Reihenmotors zu ermöglichen, indem vier besondere Kontakte G, H, J und K zu beiden Seiten der Ausschaltungskontakte oben und unten angebracht sind. Diese Kontakte sind paarweise quer miteinander verbunden und das eine Paar bei J durch die Verbindung JL mit den Widerständen, das andere Paar bei C mit der Stromzuführung zum Feldmagnet verbunden.

arm zum

fließt der Strom von C über D, E, L, J, M, Anker, B, G zurück nach C, d. h. er fließt in der gleichen Richtung durch das Feld, aber in umgekehrter durch den Anker.

Läuft nun der Motor, während die Kontaktstücke in den W-und Y-Quadranten liegen, so fließt Strom von C über D, E, W, W: B, Anker, A, Knach F und zur Rückleitung. Dreht man nun den Kontakt-Zweck des Bremsens zurück auf die Kontakte G und J, so

BREMSE

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2. Bremsen des Nebenschlußmotors. Bei Nebenschlußmotoren ist der Strom im Feldmagnet un- I abhängig vom Ankerstrom.

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Fig. 545. Umkehrregulator mit Bremsstellungen; Hauptstrommotor.

Um also einen solchen Motor zu bremsen, hat man nur den Anker von der Stromzuführung abzuschalten und durch einen Widerstand kurz zu schließen. Es kann hierbei unter Umständen der im Anker erzeugte Strom wieder in die Speiseleitung zurückgeführt werden. Bei einer bestimmten Stromstärke in den Feldspulen läuft der Nebenschlußmotor mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Wird die Geschwindigkeit des Motors über diese bestimmte Größe hinaus gesteigert, so entsteht eine gegenelektromotorische Kraft im Anker, die größer ist als die der Zuleitung, und es wird Strom in diese zurückfließen. Diese Art des Bremsens wird bei elektrischen Bahnen mit längeren Gefällstrecken mit Yorteil benutzt, um Energie in die Speiseleitung zurückzudrücken und gleichzeitig die Geschwindigkeit des Zuges auf die normale Größe zurückzuführen.

Fig. 546 zeigt dieselbe Reglerart wie Fig. 545, aber für Nebenschlußmotoren umgeändert. Hier werden die beiden Kontakte M und N, die vorher als Blindkontakte in der Ausschaltstellung sich befanden, für die Bremsstellung benutzt. Der eine ist mit einem Punkt c der Widerstände, der andere mit der zu den Widerständen

führenden Hauptleitung verbunden. Ein Hauptschalter schließt den Stromkreis des Nebenschlusses, der nur unterbrochen wird, wenn der Motor in Ruhe ist. Der Motor kann daher in dieser Lage Strom erzeugen, der in den Widerständen verbraucht wird. (Die eigenartige Anordnung der Kontaktknöpfe in dieser Figur dient einem besonderen Zwecke, der später, S. 834, auseinandergesetzt wird, und hat mit der Bremsung nichts zu tun.)

Mechanische Bremsen durch Elektromagnete ausgelöst. Eine einfache elektromagnetische Bremsanordnung zeigt

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die Eig. 547. Wenn der Motor ^ von der Hauptleitung abgeschaltet ^ ist, preßt die Feder die Bremsschuhe BB fest an die Scheibe;

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Fig. 547. Elektromagnetische Bremse filr einen Motor.

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Fig. 548. Elektromagnetische Bandbremse.

Fig. 546. Umkehrschalter mit Bremsstellungeu ; Nebenschlußmotor.

wird aber der Motor eingeschaltet, so fließt Strom in die Elektromagnete, die ihre Eisenkerne anziehen und damit die Bremse lösen. Führt man von den Enden der Spule Leitungen an Druckknöpfe, die an verschiedenen Stellen angebracht sind, so kann man von dort aus durch Druck auf die Knöpfe die Spule kurz schließen und den Motor zum Stillstand bringen.

Die nächste Fig. 548 stellt eine Bremsanordnung für eine größere Maschine dar. Sie war seiner Zeit an einer großen Druckmaschine auf der Ausstellung in Glasgow angebracht. Der Grundgedanke ist der gleiche wie bei der vorigen Bremse, aber durch die verschiedenen Abänderungen ist ihre Wirkung weit kräftiger.

Fahrschalter.

Ein Fahrschalter ist eine besondere Art von Umschaltern, bei der eine Anzahl von Änderungen in den Yerbindungen auf einfachste Weise durch Drehung eines Cylinders (Schaltwalze) bewirkt wird; auf dem Umfang der Walze werden eine Anzahl isolierter Kontaktstücke so angebracht, daß sie verschiedene Arme oder Schleiffedern berühren können, die mit verschiedenen Punkten des Stromkreises in Verbindung stehen. Solche Schaltwalzen sind in sehr einfacher Bauart zum Umkehren eines Stromes, oder zum Hintereinander- oder Parallelschalten einer Anzahl von Zellen einer Batterie seit langer Zeit bekannt, anscheinend von B, eu sch 1854 erfunden. In neuerer Zeit sind sie weiter ausgebildet und bei Motoren, insbesondere bei solchen auf elektrischen Fahrzeugen, sehr viel angewandt werden. Viele der neuesten Formen sind äußerst kompliziert. Es wird sich daher empfehlen, mehr die einfachen Schaltungen, die sich damit erzielen lassen, zu beschreiben, als einzelne der neueren Formen.

f ig. 549- Schaltwalze ; Einschalten.

Wer diese einfachen Formen beherrscht, ist auch im stände, | ü die Zwecke der verschiedenen Teile eines komplizierten Fahrschalters zu erkennen. Fahrschalter können zur Ausführung folgender Maßnahmen verwendet werden:

1.    Den Strom ein- und auszuschalten.

2.    Einen Widerstand schrittweise ein- und auszuschalten.

3.    Zwei Maschinen (Spulen, Anker oder Batterieen) erst in Reihe,

dann parallel zu schalten.

4.    Umsteuern.

5.    Elektrisch bremsen.

6.    Die Erregerspule mit einer Nebenschließung zu versehen, um

z. B. einen Feldmagnet zu schwächen.

Wir wollen diese Vorgänge der Reihe nach besprechen.

1. Einschalten des Stromes. Die Methode ist in der Fig. 549 dargestellt. Hierin bedeuten die schraffierten Flächen Kontaktfedern, die weiße Fläche rechts davon ein Kontaktstück. Es ist hier als ebene Fläche dargestellt, man muß es sich aber vorstellen als um die Oberfläche einer Trommel herumgelegt. Die Feder A ist unmittelbar mit der Hauptleitung verbunden, Feder B führt über den Anlaßwiderstand zum Motor. Wird die Trommel gedreht, so berühren beide Federn das Kontaktstück; dadurch wird

die Hauptleitung über A und B mit dem Anlaß widerstand elektrisch verbunden.

2. Ein- und Ausschalten eines Widerstandes. Der folgende Kontaktsatz einer Schaltwalze dient zum Ein- und Ausschalten eines Wider-

5_ Standes. In Eig. 550 ist

die Walze wieder eben gezeichnet, während Eig. 551 die Walze als solche darstellt, auf deren Oberfläche die Kontaktfedern schleifen. Die senkrechten gestrichelten Linien in Eig. 550 _i_, zeigen die aufeinander

folgenden Lagen des Koi> taktstückes zur Reihe der Kontaktfedern an. In der Stellung 1 berührt nur die Feder B das Kontaktstück, der Strom aus der Hauptleitung muß also sämtliche vier Widerstände hintereinander durchlaufen. Fig. 551 zeigt den

Stand der Verbindungen in der Lage 2. Beide Kontakte B und C berühren das Kontaktstück, daher ist der Widerstand Rx kurz geschlossen, und es sind nur noch die drei Widerstände _ß₂, R₃ und iü₄ im Stromkreise. Wird der Schalter in die Lage 3 gedreht, so ist auch der Widerstand B2 kurz geschlossen, und es sind nur noch i?₃ und R± im Stromkreise. In der Stellung 5 sind sämtliche Widerstände kurz geschlossen. Beim Zurückdrehen der Trommel werden die Widerstände wieder nacheinander eingeschaltet. Die Feder B der Eig. 550 stimmt überein mit der Feder B der Eig. 549, das Kontaktstück der Fig. 550 ist also nach oben so weit verlängert zu denken, daß es die Kontaktfeder A noch berührt. Das Kontaktstück ist hier so gezeichnet, als wenn es aus einem Stück Metallblech herausgeschnitten und bloß auf der Oberfläche einer aus Holz oder einem anderen isolierenden Material bestehenden

Stellungen

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Fig. 550. Schaltwalze; Kontaktstück zum Ausschalten der Widerstände.

Fig- 551- Schaltwalze.

Trommel befestigt wäre. In der Tat werden einfache Schaltwalzen in dieser Weise hergestellt. Bei Schaltern neuerer Bauart wird das Kontaktstück aus einzelnen Metallsegmenten zusammengesetzt, die isoliert auf Armen befestigt sind, die an einer mittleren senkrechten Achse angebracht sind. Die Bogenlänge dieser Segmente ist verschieden groß; sie sind untereinander metallisch verbunden, wenn sie einen Satz von Widerständen in der vorhin beschriebenen Weise ein- und auszuschalten bestimmt sind. Man vergleiche die Fig. 553 und 559 miteinander.

3. Reihen- und Parallelschaltung. Die Fig. 552 zeigt die Teile einer hierzu geeigneten Schaltwalze. Nachdem der Linienstrom durch die eingeschalteten Widerstände nach F (Fig. 550) gelangt ist,

LEITUNG

REIHENSCHALTUNG

PARALLELSCHALTUNG

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9.

ERDE

Fig. 552. Kontakte zum Übergang von der Reihen- zur Parallelschaltung.

läuft er zur Feder G (Fig. 552), die elektrisch mit F verbunden ist. Wird die Trommel in die Stellung 1 gedreht, so verbindet das Kontaktstück a die Federn H und J, und der Strom gelangt von G über den ersten Motor zur Feder /, von da über H und den zweiten Motor zur Rückleitung. Beide Motoren sind also in Reihe geschaltet und verbleiben in dieser Schaltung während der folgenden vier Schalterstellungen, in denen die Widerstände R₁ bis iü₄ nacheinander ausgeschaltet werden. Bei weiterer Drehung der Trommel werden beide Motoren mittels der Kontaktstücke b und c parallel geschaltet, indem die Federn G und H einerseits und I und J anderseits durch b und c miteinander verbunden werden, wodurch sich der von F kommende Strom verzweigt und zum Teil über G in den einen Motor, zum Teil über H in den anderen Motor und zur Rückleitung (Erde) geht. Bei dieser Umschaltung von Reihen- zur Parallelschaltung werden wiederum Widerstände eingeschaltet, indem der in Fig. 550 dargestellte Vorgang wiederholt wird. Dies wird noch weiter

durch die Fig. 553 erläutert, die einen vollständigen Fahrschalter mit allen hier beschriebenen Schaltungsmöglichkeiten darstellt.

3a. Reihenparallelschaltung bei einem mit einer Nebenschließung versehenen Felde für die letzte Reihen- und Parallel-

ANHER (2)

UMKEHRSCHALTER (2)

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Fig. 553. Stromlauf für eine vollständige Schaltwalze.

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Stellung (Fig. 554). Hierbei sind zwei weitere Kontaktfedern K und L erforderlich, die in der letzten Reihen- und der letzten Parallelstellung durch besondere Kontaktstücke mit den Federn I und J verbunden sind und dadurch die Nebenschluß widerstände Rs mit den Magnetwickelungen Rm parallel schalten. Diese Figur zeigt das Prinzip,

in der Praxis ist aber aus später zu erklärenden Gründen die Anordnung der Kontaktstücke etwas geändert.

LEITUNG

REIHENSCHALTUNG

PARALLELSCHALTUNG

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ERDE

Fig. 554. Reihenparallelschaltung nach 3 a.

4. Umsteuerung. Um die Drehrichtung eines Gleichstrommotors umzusteuern, ist es, wie schon erläutert, notwendig, die Ankerverbindungen gegenüber den Feldmagnetverbindungen wechseln.

im allgemeinen eine kleine Hilfskontakttrommel, die von der Hauptschalttrommel getrennt und von dieser automatisch in ihrer jeweiligen Stellung verriegelt wird, wenn und solange der Hauptschalter eingeschaltet ist.

Die meist benutzten Schalter dieser Art lassen sich in zwei Gruppen ordnen, deren erste in der Fig. 555 dargestellt ist. Vier Kontaktfedern M: iV, 0, P sind mit dem Anker und dem Feldmagnet verbunden und die Endverbin-

umzu-Hierzu benutzt man

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-Ufr Q] ' -

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nach G nach I oder H oder J

Fig. 555. Umkehrschalter.

düngen an die Federn O und H der Fig. 553 geführt. An der Schalttrommel sind ferner noch zwei

Reihen von Kontaktstücken «, 6, c, d und e, f, g, h. Wird die Trommel aus der gezeichneten Nullstellung nach links gedreht, treten die Kontaktfedern mit den Kontakten «, 6, c, d in Berührung, wird

sie nach rechts gedreht, so wird die Verbindung mit den Stücken eT /“, </, h hergestellt. Im ersteren Falle geht der bei M ein tretende Strom über a, e, 0, N, b, d nach P, im letzteren über e, f, V, 0, (/, h nach P; die Stromrichtung wird also im Anker umgekehrt, bleibt aber die gleiche im Felde.

Die zweite Anordnung ist aus der Fig. 556 zu ersehen. Sie bietet den Vorteil, daß umständliche Verbindungen auf der Trommel selbst vermieden sind, braucht aber die doppelte Zahl von Kontaktfedern. Die gestrichelten Linien deuten die abgewickelte Trommel-

O*

Fig. 556. Umkehrschalter (zweite Anordnung).

Oberfläche an, die in Abteilungen geteilt ist, auf deren einer die in ausgezogenen Linien dargestellten Kontaktstücke befestigt sind. In der gezeichneten Stellung der Trommel sind die Kontaktstücke mit den linken Kontaktfedern in Berührung (Stellung 1); wird die Trommel in die Stellung 2 nach rechts gedreht, so sind alle Federn frei; bei der weiteren Drehung in Stellung 3 berühren die Kontaktstücke die Federn rechts. In der Stellung 1 fließt der Strom von M¹ über JV¹, den Anker, O¹ und P¹ zum Feldmagnet, in der Stellung 3 von M über N, den Anker, 0 und P zum Feldmagnet. Auch hier ist die Stromrichtung im Anker umgekehrt, dagegen im Feldmagnet die-gleiche geblieben.

Vereinigung der Reihen - Parallelschaltung mit der Umsteuerung. Ist ein Umschalter für einen Motor oder auch für zwei nur in Reihe geschaltete Motoren bestimmt, so werden aus-

Gründen der Raumersparnis die Umsteuerungskontakte in der Regel auf der Haupttrommel angebracht und die beiden sonst für Reihen-und Parallelschaltung benutzten Hälften für die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung der Motoren verwendet, wobei die mittlere Stellung die Nullstellung ist.

In dem weit häufigeren Falle, daß neben der Reihenschaltung auch Parallelschaltung möglich sein soll, ist die Rauart viel weniger einfach, weil wir hier zwei Reihen von Verbindungen haben, die parallel zu schalten sind, nämlich die Feldmagnete und die Anker, während nur eine Reihe von Verbindungen, nämlich die der Anker, umkehrbar sein muß. Dies kann mit einzelnen Kontaktreihen nur für Umsteuerung und Reihenparallelschaltung nicht ausgeführt werden, wir brauchen entweder zwei Reihen für die Umsteuerung und eine für die Reihenparallelschaltung oder umgekehrt eine für Umsteuerung und zwei für Reihenparallelschaltung. Im ersten Falle erhalten wir

rOn

Fig. 557 u. 558. Parallelschaltung zweier Motoren.

den Anker und den Feldmagnet des einen Motors als Ganzes dem Anker und dem Felde des zweiten Motors parallel (Fig. 557) und können dann mit Hilfe von zwei Reihen Umsteuerungskontakten die beiden Anker für sich ausschalten. Im zweiten Falle (Fig. 558) fassen wir die beiden Anker als einen Teil zusammen und die beiden Feldmagnete als einen anderen Teil, dann können die beiden Anker für sich durch eine Reihe von Umsteuerungskontakten umgeschaltet werden, es müssen aber die Felder und Anker für sich auf zwei Reihen von Reihenparallelkontakten geschaltet werden. Da die Reihenparallelkontakte auf der Hauptschalttrommel angeordnet werden müssen, so wird meist die ersterwähnte Methode angewendet und. die Umsteuerungstrommel mit zwei Kontaktreihen versehen.

Alle Schaltungen an einem Fahrschalter vereinigt. Da wir nun gesehen haben, wie die einzelnen Schaltungen für sich ausgeführtjwerden, können wir nun auch untersuchen, wie die schon beschriebenen einzelnen Vorgänge und Anordnungen vereinigt und bei der Herstellung eines Hauptschalters geändert werden.

Nachher* [können wir denn noch sehen, was zur Ausführung der elektrischen Bremsung noch hinzugefügt werden muß.

Eig. 559 stellt die innere Anordnung eines Westinghouseschen Fahrschalters dar. Wir sehen zunächst, daß statt des in den früher gebrachten einfachen Diagrammen vorhandenen einen großen Kontaktstückes, -das mit mehreren Kontaktfedern zusammenarbeitet, vie in Eig. 551, bei diesem Schalter aus baulichen Gründen eine der Zahl der kupfernen Kontaktfedern entsprechende Zahl von Kupferplatten verwendet ist, die dadurch untereinander elektrisch verbunden sind, daß sie auf die vorspringenden Arme einer mittleren gußeisernen Trommel aufgeschraubt sind. Die Trommel besteht aus mehreren übereinander angeordneten Einzeltrommeln, die elektrisch voneinander und von der gemeinsamen Welle durch Buchsen aus Isoliermaterial getrennt sind, so daß alle elektrisch miteinander zu verbindenden Kontakte auf derselben Trommel, die voneinander isolierten Kontakte auf verschiedenen Trommeln sich befinden. Die isolierenden Buchsen sind in 'der vollständigen Fahrschalterzeichnung (Fig. 553) durch gestrichelte Linien angedeutet, während die elektrisch vereinigten Kontaktstücke durch senkrechte Linien miteinander verbunden sind.

Fig. 559. Fahrschalter nach Westinghouse.

Bei dieser Bauart sind, wie in Fig. 553, zwei besondere Kontaktfedern F und J‘ erforderlich. Die Schaltung nach der Fig. 552 ist hier nicht brauchbar; denn dort befindet sich der Teil a in gleicher Höhe mit dem unteren Teil von b und dem oberen von c, alle drei Federn würden also bei der hier beschriebenen Trommelanordnung miteinander elektrisch verbunden, es würde in der Parallelschaltung ein Kurzschluß zwischen Cr, //, /, J stattfinden. Durch Anordnung der Feder /' wird die notwendige Verbindung zwischen I und J in der Parallelstellung hergestellt, ohne daß Kurzschluß zwischen G und J

stattfindet. Aus dem gleichen Grunde brauchen wir die Feder J, um einen Nebenschluß zum Feld des zweiten Motors herzustellen.

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Im einzelnen ist noch folgendes bei der vollständigen Schalterzeichnung der Fig. 553 zu beachten:

a)    Der Widerstand Bl wird nur beim ersten Anlassen gebraucht; in der Stellung 2 sind nur noch die Widerstände iü₂, B₃ und eingeschaltet. Dies geschieht, weil der Gesamtwiderstand beim Anlassen durch den Wert der zulässigen Anlaßstromstärke bestimmt ist und diese gerade beim Bahnbetrieb recht niedrig sein muß, weil wegen des bedeutenden Reibungswiderstandes die anfängliche Beschleunigung nur gering ist. In der Stellung 6 hat die Geschwindigkeit des Wagens ihren normalen Wert erreicht, und wenn nun beim Übergang in die Parallelstellung wieder sämtliche Widerstände eingeschaltet würden, so würde die Stromstärke so klein werden, daß sie wahrscheinlich die Geschwindigkeit des Wagens eher vermindern als vermehren würde. Außerdem entwickeln die Motoren bei der Geschwindigkeit, mit der sie dann umlaufen, schon eine beträchtliche gegenelektromotorische Kraft; zudem geht bei der Parallelschaltung durch jeden Motor nur die halbe Stromstärke. Aus diesen Gründen muß die Stromstärke in der ersten Parallelstellung größer sein, als beim Anlassen, also nur ein Teil des Anlaß Widerstandes eingeschaltet werden.

b)    Aus Gründen der Einfachheit der Bauart werden alle Kontaktstücke, die mit ein und derselben Feder in Berührung treten, soweit dies angängig, aus einem Stück hergestellt. So sind z. B. Kontaktstücke für die Feder C nur in der Stellung 2 der Reihenstellungen, einer der Parallel- und einer der Bremsstellungen erforderlich; die drei Kontaktstücke sind aber zu einem einzigen vereinigt. Dagegen können die Kontaktstücke für D nicht aus einem einzigen Stück bestehen, da sonst in der ersten Parallelstellung B₂ ausgeschaltet sein würde.

5. Elektrische Bremsung. Hierbei wird der Handhebel in der entgegengesetzten Richtung gedreht, wrie zum Einschalten des Stromes erforderlich ist. Es ist daher ein Nocken am Schalter angebracht, der das Hinausdrehen über die letzte Parallelstellung verhindert. Soll nun die elektrische Bremse in Tätigkeit treten, so ist zunächst der Handhebel in die Nullstellung zurückzudrehen, wodurch dann der Strom entsprechend gedrosselt wird, bevor die Motoren von der Zuleitung abgeschaltet wrerden. Zur Ausführung des elektrischen Bremsens sind fünf Umschaltungen nötig, nämlich:

a)    Trennung der Motoren von der Zuleitung.

b)    Umschalten der Feld Verbindungen.

c)    Parallelschalten der Motoren.

d)    Herstellen einer Ausgleichsverbindung zwischen ihren Magnet

wickelungen, wie in Fig. 558 (vergl. auch S. 855).

e)    Beim Kurzschließen der Motoren sind entsprechend den ver

schiedenen Bremsgraden verschieden hohe Widerstände . einzuschalten.

Dies wird in folgender Weise ausgeführt (vergl. hierbei das Diagramm Fig. 553):

a) In den Bremsstellungen findet die erste Kontaktfeder A kein Kontaktstück, wodurch die Verbindung mit der Zuleitung unterbrochen ist.

b)    Das Umschalten der Feldverbindungen kann mit Hilfe einiger besonderer Kontakte bewirkt werden, die unten an der Hauptschalttrommel in ähnlicher Weise, wie für die Umsteuerungstrommel bereits beschrieben, angebracht sind. Aber diese Art ist nicht sehr beliebt, da hierdurch die Trommel unnötig lang wird. Häufiger benutzt man eine besondere Schalttrommel, welche nur in den Bremsstellungen mit der Haupttrommel gekuppelt ist und von dieser gedreht wird. Zuweilen wird auch der Fahrtrichtungsschalter sowohl zum Wechseln der Drehrichtung, wie zum Bremsen der Motoren gebraucht, indem er nur in den Bremsstellungen für sich gedreht werden kann. Die Anordnung einer besonderen Bremstrommel bietet den Vorteil, daß die Zahl der Kontaktstücke auf der Haupttrommel wesentlich kleiner wird, wie weiter unten sich ergibt. Bei einem Schalter der Brush Co. ist eine besondere Bremstrommel mit dem Fahrtrichtungsschalter vereinigt, der dementsprechend vier bis acht Stellungen enthält. Sollen die Motoren umgesteuert werden, so dreht der Steuerhebel die Trommel um 180 Grad, soll gebremst werden, so wird die Trommel nur um 90 Grad gedreht.

c)    Das Parallelschalten der Motoren findet in der schon beschriebenen Weise statt.

d)    Ausgleichsverbindungen können in der Weise hergestellt werden, daß man von den Feldklemmen Leitungen nicht an die Federn I und J führt, sondern an zwei besondere Federn R und <8, die in der Bremsstellung miteinander verbunden sind. Diese Methode wird aber nur dann angewandt, wenn die gewöhnlichen Umsteuerungskontakte auch zum Bremsen benutzt werden. Ist ein besonderer Fahrtrichtungsschalter vorhanden, so werden die Ausgleichsverbindungen

auf dessen Trommel angebracht, indem man die beiden Kontakte miteinander vereinigt, welche dem Kontakt P in der Fig. 555 entsprechen.

e) Mit Hilfe einer weiteren Feder Q, die auf derselben Trommelabteilung schleift, wie I‘ und J, werden die Motoren in der Bremsstellung auf einen Schaltwiderstand kurz geschlossen.

Andere Arten von Fahrschaltern für andere Schaltsysteme. Sprague braucht für sein Schaltsystem, bei dem zuerst die Feldmagnetspulen in Reihe und dann parallel geschaltet werden, eine Schaltwalze, die in Fig. 560 schematisch dargestellt ist.

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zum Anker

Fig. 560. Spraguescher Fahrschalter.

Verfolgt man die Stromleitungen, so sieht man, daß in der Stellung 1 alle Widerstände jRl bis eingeschaltet sind.

In der Stellung 2 ist R± ausgeschaltet.

In Stellung 3 ist auch R{ ausgeschaltet.

In Stellung 4 ist R{ mit R₂ parallel geschaltet.

In der Stellung 5 ist R₃ kurz geschlossen, in der Stellung 6 ausgeschaltet.

In der Stellung 7 sind alle drei Widerstände R₁₁ R₂ und R3 wieder eingeschaltet, aber parallel.

Die mechanische Ausführung einer solchen Schaltwalze ist von der Bauart des vorher beschriebenen Reihenparallelschalters durchaus verschieden. Die verschiedenen Kontaktplatten müssen auf einem

isolierenden Zylinder befestigt werden und dürfen in keiner Weise elektrisch miteinander in Verbindung treten.

Schaltwalzen für Nebenschlußmotoren. Die Hauptschalttrommel für Nebenschlußmotoren ist nicht wesentlich von der eine& Schalters für Reihenmotoren verschieden. Denn es wird, wie vorher, so auch hier Widerstand beim Anlassen ein- und stufenweise ausgeschaltet. Der einzige Unterschied besteht darin, daß man im vorigen Fallejdie höchsten Geschwindigkeiten durch Nebenschließungen

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Fig. 561. Umkehrschalter für Nebenschlußmotoren (Laurence Scott & Co.).

zu den Feldspulen erhielt, während man hier Widerstand in Reihe zu ihnen einschaltet, und zwar stufenweise, ähnlich wie beim Ausschalten des Anlaßwiderstandes; nur der Aufbau ist anders, da die Stufen umgekehrt sind.

Der bei Nebenschlußmotoren verwendete Richtungsschalter ist etwas von dem schon für Reihenmotoren beschriebenen verschieden. Er dient dem doppelten Zwecke, den Anker umzuschalten und den Magnetkreis zu schließen oder zu öffnen, wenn der Linienstrom an-und abgeschaltet wird.

Fig. 561 zeigt einen Richtungsschalter derjenigen Art, bei der eine doppelte Reihe von Kontakten vorhanden ist. Auf der Schalttrommel sind vier Stellungen vorgesehen. Es wird zunächst angenommen, daß die Kontaktfedern in der ersten und dritten Stellung sich befinden. Dann fließt der Strom aus der Leitung an der mit -j- bezeichneten Seite in den Anker. Wird die Trommel nun um einen Schritt nach rechts gedreht (die Linksdrehung wird durch einen Nocken und Anschlag verhindert), so werden die Stellungen 4 und 2 benutzt. Hierbei ist die Linienleitung abgeschaltet und der Nebenschlußkreis durch einen induktionsfreien Widerstand geschlossen, der so groß sein sollte, wie der Nebenschluß selbst.

A + LEITUNG

Um nun die Drehrichtung des Motors umzukehren, wird der Schalter in die nächste Lage gedreht, so daß die linke Kontaktreihe mit 3, die rechte mit 1 in Berührung tritt. Dann tritt der Linienstrom an der mit — bezeichneten Stelle in den Anker ein, während der wieder von dem induktionsfreien Widerstand getrennte Nebenschluß den

2 —

rEÜb

■    |^K

_)B' A' “ LEITUNG

Strom wie vorher an der mit -f- bezeichneten Stelle • — empfängt. Eine weitere aus-Drehung der Trommel wird 2'—■•{-{{ durch einen zweiten Nocken . verhindert.

D’

Fig. 562. Motor mit einer Schaltwalze für zwei Geschwindigkeiten (Laurence Scott & Co.).    *

Die Fig. 562 zeigt eine Schaltwalze für Reihen-

Parallelschaltung von Laurence Scott & Co. in Anwendung bei einem vierpoligen Motor

mit zweifacher Geschwindigkeit. Yier Kontaktfedern A, B, C, I) befinden sich an der einen Seite der Trommel, drei weitere A\ B\ D‘ an der anderen Seite. In der Nullstellung sind natürlich alle Kontakte ausgeschaltet. Wird die Trommel so gedreht, daß diese Federn in den Stellungen 1 und V Kontakt machen, so sind die vier Magnetspulen in Reihe geschaltet und der Motor läuft mit halber Geschwindigkeit. Wird die Trommel so gedreht, daß die Federn sich in den Lagen <2, 2‘ befinden, so sind die Magnetspulen parallel geschaltet; dies vermindert die Erregung auf die Hälfte, und die Ankergeschwindigkeit wird annähernd verdoppelt.

Entwerfen von Widerständen für Rheostaten.

Die Widerstände für Regelungs- und Anlaßvorrichtungen sind nach der Stärke lind mutmaßlichen Dauer der Ströme zu berechnen, die ihnen zufließen. Ob sie aus aufgespulten Drähten oder aus Metallstreifen bestehen, die im Zickzack oder sonstwie auf isolierenden Unterlagen aufgebracht werden, stets muß Sorge getragen werden, daß in ihnen bei der Ausdehnung durch die Stromwärme keine Kurzschlüsse entstehen können. Vielfach werden die Drähte auf Porzellanröhren aufgespult oder in Emaille eingebettet. Zum Gebrauch in Laboratorien hat Fleming besondere Rheostaten gebaut, bei denen die Drähte über nachgiebige Stützen gespannt sind. Für Fabriken und Fahrzeuge werden vor den auf den Rahmen gespannten Drähten kräftige Widerstände bevorzugt, bei denen eigenartig isolierte Netze von Metallstreifen verwendet werden, die zum Schutz in Gehäuse aus durchlöchertem Metall eingeschlossen sind.

Drahtstärke bei Rheostaten. Bei der Berechnung der Stärke und Länge eines Drahtes für einen Rheostaten kommt es darauf an, wie der Widerstand benutzt werden soll. Ist er so angeordnet, daß er seine Wärme frei an die ihn umgebende Luft abgeben kann, so darf der Querschnitt kleiner sein, als wenn er von Asbest oder Emaille umkleidet ist. Ist er für einen Regler bestimmt, der während der ganzen Zeit, wo der Motor oder die Dynamomaschine im Betriebe ist, Strom erhält, so muß er bei gegebenem Widerstande dicker und dementsprechend länger sein, als wenn er für einen Anlasser bestimmt ist, der nur kurze Zeit Strom bekommt und dann auch nur in längeren oder kürzeren Zwischenräumen. Ein Anlasser ist daher billiger als ein Regler von gleichem Widerstande. Zur Erleichterung des Berechnens solcher Rheostaten sind in der nebenstehenden Tabelle Angaben über eine Anzahl von Materialien zusammengestellt, die bei der Herstellung solcher Widerstände aus Draht Verwendung finden. Eine weitere Tabelle XV gibt die Stromstärke an. welche Kupferdrähte von verschiedener Stärke noch mit Sicherheit aushalten können. Die Tabelle ist für Kupferdraht aufgestellt (obwohl Kupfer nicht für derartige Widerstände benutzt wird), weil die Belastungsfähigkeit der wirklich benutzten Legierungen-sich aus der Tabelle leicht ermitteln läßt, indem man diejenige des Kupferdrahtes mit dem in der letzten Spalte der Tabelle XIV enthaltenen Koeffizienten multipliziert. Selbstverständlich ist dabei angenommen, daß die Bedingungen der Wärme-Ausstrahlung gleiche sind. Die Tabelle ist unter der Annahme einer zulässigen Steigerung der

Temperatur um 35 Grad C. berechnet; um sie für eine beliebige andere Temperaturerhöhung umzurechnen, ist zu beachten, daß die zulässige Stromstärke proportional der Quadratwurzel aus der Temperaturerhöhung ist. Diese Tabellen können ohne weiteres bei der Berechnung von Regelungswiderständen benutzt werden. Bei Motoranlassern kann die Temperatursteigerung weit höher genommen werden, da die Drähte genügend Zeit haben, sich wieder abzukühlen. In der Tabelle XVI sind die Stromstärken angegeben, die Eisendrähte in 1 Minute auf etwa 120 Grad über die umgebende Luft zu erwärmen im stände sind, wobei aber angenommen ist, daß Raum genug zur freien Ausstrahlung vorhanden ist. Leider lassen sich solche Tabellen für alle anderen Materialien nicht unmittelbar berechnen.

Tabelle XIV. Widerstandsmaterialien für Rheostaten.

Material

Spezifischer Widerstand bei o Grad C., Mikrohm auf x cm³

Temperaturkoeffizient der Zunahme des Widerstandes auf 1 Grad C.

Spezifisches

Gewicht

Konstantan .... Neusilber (englisches) ^

Eisen......

Kruppin.....

Mangankupfer .    .    .

Manganin .... Neusilber (deutsches)

Nickelin .

5°

20,9

3°

io

12

85

ioo,6

4⁶,7

37

33'2

Nickelstahl .

• • ■{

44

29

75

Null oder negativ 0,000 44 0,000 36

0,004 50

0,000 77 0,000 04 0,000 33 0,000 20 0,000 30 0,000 33

0,000 50

8,8

8,5

7>⁸

7,81

8,8

8,7

30.8

13

18,5

6,2

7,4

52,6

62

8,94    25

8,5

23

9,0

20

27

8,4

18

8,5    46,5

Platinoïd.....|

Phosphorbronze*) Rheotan .    .

5¹

Co Ch Cn

100

0,000 21 0,000 39 0,000 23

8,5

8,7

8,6

8,6

20

3i

15,2

30

62

O O O O O O O O O O O O O O O O O O

hh|Oh(Ow(OHICKIOhhüO^BIOh CO 0301 00 M Cn CO tO N m OCO^^J OCO 0003 O CO cn O Cn O Cn O Cn    MO

Der Koëffizient a gibt an, wievielmal der Widerstand größer ist, als der eines Kupferdrahtes von gleichen Maßen. Der Koëffizient ß, multipliziert mit den Angaben der Tabelle XV, gibt die Belastungsfähigkeit des Materials an. Die Zusammensetzung dieser Legierungen wechselt stark, je nach der Herkunft. Um den Widerstand eines Drahtes aus einem dieser Materialien zu finden, ist es am einfachsten, den Widerstand eines Kupferdrahtes gleichen Querschnitts zu bestimmen und mit a zu multiplizieren. Da das spezifische Gewicht nicht viel von dem des Kupfers ab weicht, so wiegen die Drähte ungefähr ebensoviel, wie ein Kupferdraht gleichen Querschnitts.

Tabelle XY.

Nachstehende Tabelle gibt die Stromstärke an, welche Kupferdrähte verschiedener Abmessungen sicher aushalten können. Wenn sie in freien Spiralen gewunden sind, wird die Steigerung über die Außentemperatur etwa 35 Grad betragen.

Durchmesser

Stromstärke

Durchmesser

Stromstärke

mm

max.

mm

max.

O OO VO <M O CO OÔ cf cf cf cf Cf H

q cq 40 vo oo niq fdiÖH t>4o"

•^1- OO CO OO (N <N 0)

O O H M M M

b\ co b io A o\

OO Ol N IO O [> rf M CO vO~ OO

Tabelle XVI. Eisendrähte für An laß widerstände. Stromstärke, die in 1 Minute bei freier Ausstrahlung eine Temperatursteigerung von 110 bis 140 Grad C. herbeiführt.

Durchmesser

.Stromstärke

Durchmesser

Stromstärke

mm

max.

mm

max.

\D    O OO VO

cf cf cf cf h h

w tO tOCO-fc-4^-vo + iûüi O VO Cn Cn Cn Ö Cn Cn

rf- (N O CO VO - i-T w Ö Ö

Mül OSmüi

cn 61 b O Cn

Theorie der Tabelle über Drahterhitzung.

Es sei 1 das Ausstrahlungsvermögen, d. h. die Zahl der Kalorien, die 1 cm² der Oberfläche in 1 Sekunde bei einem Temperaturunterschied gegen die Umgebung von 1 Grad abgibt. Diese ist nicht genau konstant, da sie bei dunkler Oberfläche größer ist als bei heller; wir können aber hier einen Durchschnittswert von 0,0004 annehmen.

Es sei ferner a die spezifische Wärme (d. h. die Zahl der Kalorien, die nötig ist, um 1 g um 1 Grad C. zu erwärmen) und 5 die Dichte (g/cm³); dann ist die spezifische Wärme auf die Einheit des Raumes (Kalorien auf 1 cm³) = ci* <7.

Setzen wir ferner © für die Temperaturerhöhung in Zentigraden, t für die Zeit in Sekunden, gerechnet vom Einschalten des Stromes, p für den spezifischen Widerstand des Materials (in Ohm auf cm, cm²), D für den Durchmesser (in Zentimetern), J für den Koöffizienten des Jo uleschen Gesetzes (0,240 i²r t g-cal), so ist

der Temperatursteigerung

reiner Wärmegewinn

spezifische Wärme auf die Einheit des Raumes X dem Raume.

Der reine Wärmegewinn ist der Unterschied zwischen der Stromwärme (i²r) und dem Verlust durch Ausstrahlung. Der erstere

77

ist, für die Zeiteinheit und 1cm Draht berechnet, ?'²Jp/— _D²; der

letztere    beide auf die Längeneinheit. Daraus ergibt sich

— ~Kt, D ®

4iVp

16 i² Jp 4 X ®

d$ t.D²

77 D ²

77² .D⁴ S (7

woraus

2> =

4 z’² J p

t:² /ja x

f    4 X ©

•j¹ —

Hat ® einen Dauerwert erreicht, so wird

i² =

TT² Iß 1 ®

4 t/p

Wir setzen nun folgende Zahlenwerte ein: X = 0,0004, / = 0,240, p = 0,000002, l£) = 35; ferner setzen wir d=10D\ dann erhält man * = 8,5 »yd³, worin d in Millimeter auszudrücken ist. Nach dieser Gleichung ist die Tabelle XV berechnet.

Bestimmung der Widerstandsstufen zwischen den

Kontakten.

1. Bei Anlassern. Beim Anlassen eines Motors würde es am günstigsten sein, wenn die Stromstärke gleichmäßig auf einem bestimmten Höchstwert gehalten werden könnte, solange die Geschwindigkeit des Motors noch zunimmt. Dazu müßte die Zahl der Kontakte unendlich sein. Bei einer begrenzten Zahl steigt demnach die Stromstärke auf einen bestimmten Betrag, wenn ein Kontakt erreicht wird, und fällt wiederum auf einen bestimmten Wert, bevor der Schaltarm sich auf den nächsten Kontakt begibt.

Es sei il der zulässige Maximalwert des Stromes, wenn ein neuer Kontakt erreicht ist, und i₂ der kleinste Wert der Stromstärke, bevor der Schaltarm weiterbewegt wird; ferner Rn der Gesamtwiderstand im Stromkreis am wten Kontakt, Rn + i derselbe beim Kontakt n-\- 1, dann ist, -wenn E die gegenelektromotorische Kraft des Motors im Augenblick des Übergangs von einem zum nächsten .Kontakt und V die Linienspannung bedeuten:

(V— E) I Rn =

und

(V— E)/Rn^.₁ =ü,

woraus

Rn -j- i    ^2

Rn

Soll ü/ü konstant sein, so muß die Bedingung erfüllt werden R₂

R‘l -R3

Rn

Rn-\-1

Die Stufen des Widerstandes JR₁, R₂, Iü₃ u. s. w. bilden also eine geometrische Reihe mit dem konstanten Verhältnis ü/^₂, deren erstes und letztes Glied F/ü, beziehentlich Ra (Widerstand des Ankers) sind.

Beispiel. Es sei ein Motor von 30 P anzulassen mit einer Stromstärke zwischen 40 Prozent Überlastung und dem Yollaststrom. Der Ankerwiderstand sei 0,4 Ohm, die Linienspannung 500 Volt. Dann wird die Anlaßstromstärke zwischen 63 und 45 Ampere betragen.

R,

= 7,9 0hm; multiplizieren wir diesen Wert mit

Oo    4LO

so erhalten wir 5,7 Ohm als zweiten Widerstand u. s. w. Dies ergibt folgende Reihe:

7,9 — 5,7 — 4,1 — 2,95 —2,1 — 1,5 —1,1 — 0,78 — 0,56 — 0,4 ; die Anlaßwiderstände wüirden also sein müssen:

7,5 — 5,3 — 3,7 — 2,55 — 1,7 — 1,1 — 0,7 — 0,38 — 0,16.

Im folgenden soll eine Regel zum Berechnen dieser Widerstände mit Hilfe des Rechenschiebers gegeben werden, wobei die Zahl der Kontakte vorher bekannt sein muß.

Es ist also zunächst die erforderliche Zahl der Kontakte zu bestimmen, die die obige Bedingung erfüllt. Wir haben

er

Rn = R

R.

oder

oder

los nat (&)

log nat log nat

los nat ©

Im vorliegenden Falle ergäbe sich hieraus

i    *    ⁹

log nat -

68

= 8,7 ^ 9.

log nat ₄₅

Wir wissen nun, daß = 7,9 und Rn — 0,4, und wollen acht geometrische Mittelwerte zwischen ihnen aufsuchen.

Zu diesem Zwecke zeichnen wir eine Linie auf gleich der Entfernung zwischen 7,9 und 0,4 am Rechenschieber und teilen sie in neun gleiche Teile. Legen wir an diese Linie den Rechenschieber an, so können wir die geometrischen Mittel unmittelbar ablesen.

Aus den oben gegebenen Regeln sieht man, wie die notwendige Zahl der Kontakte von den gestellten Bedingungen abhängig ist.

Die Zahl der Kontakte ist um so größer, je kleiner das Verhältnis «i/«₂, je größer die Linienspannung, je kleiner der Widerstand des Motors selbst und je kleiner die zulässige Minimal-Anlaßstromstärke ist.

Hierbei ist noch zu beachten, daß die Stromstärke bei zunehmender Geschwindigkeit des Motors nicht so schnell abnimmt wie auf dem ersten Kontakt, so daß der Schaltarm auf den Endkontakten länger verweilen muß, als auf den Anfangskontakten.

In Eig. 563 ist eine graphische Methode zum Aufsuchen der Widerstandsstufen dargestellt. Der Strom wird als Ordinate, der Widerstand als Abszisse aufgetragen; ORl ist gleich dem ganzen Widerstand beim Anlassen, und 0 Cx und 0 C₂ die zulässigen maximalen, bezw. minimalen Stromwerte während des Anlassens. Verbinden wir R₁ mit (7l5 so ist C₂ a der zwischen den ersten und zweiten Kontakt zu legende Widerstand. Durch Heraufloten von a und Verbinden des Treffpunktes des Lotes und der durch Cx gezogenen Horizontalen mit erhalten wir den Punkt è, und in a b den Widerstand zwischen dem zweiten und dritten Kontakt. In dieser

— A—B

«X

tL

STROM

iV

<AJp

'X

R,

WIDERSTAND

Fig. 563. Graphische Bestimmung der Widerstandsstufen.

Weise wird fortgefahren bis wir Q erreichen, wo QP gleich dem Ankerwiderstand ist.

2. Bei Widerständen zum Regeln von Dynamomaschinen auf gleichbleibende Spannung. Für diesen Zweck gibt ein gleichmäßiges Abstufen der Widerstände zwischen den Teilkontakten nicht immer das beste Ergebnis. Die besondere Bemessung im Einzelfalle hängt von der Form der Charakteristik ab, insbesondere desjenigen Teiles, bei dem die Maschine arbeitet. Eine graphische Methode zur Ermittelung des Gesamtwiderstandes zur Regelung auf

R,

r₂

SPANNUNG BEI KONSTANTER GESCHWINDIGKEIT

,R«

Rs

HÖCHSTE

SPANNUNG

jede bestimmte Spannung ist bereits auf S. 477 angegeben, und was nun folgt, ist lediglich °³ die Fortsetzung jener Methode.

niederste SPANNUNG x

P.

ERREGERSTROM

Fig. 564. Graphische Berechnung des Regulierwiderstandes für eine Nebenschlußmaschine.

Die Aufgabe ist etwa folgende: In einer Dynamomaschine mit konstanter Spannung soll die Spannung höchstens zwischen 2 oder 3 Volt über und unter der mittleren Spannung schwanken. Wird die Maschine belastet, so wird die Spannung sinken. Die Teilung des Spannungsreglers soll nun so sein, daß, wenn die Spannung auf den bestimmten Minimalwert gesunken ist, beim Verschieben des Schaltarmes auf den nächsten Kontakt die Spannung    wieder    auf    den    zulässigen Höchstwert steigt, aber

nicht höher.

In Fig. 564 sind die Charakteristiken einer Nebenschlußmaschine für Leerlauf und Vollast aufgezeichnet und die die Maximal- und Minimalwerte    der    Spannung    darstellenden Horizontalen gezogen

worden. In den Punkten, wo die Maximalspannungslinie die beiden Kurven schneidet, werden Tangenten an diese gezogen, welche sich im Punkte 0 schneiden. Wir haben nun zwei Fälle zu unterscheiden, je nachdem es sich um eine Nebenschlußmaschine oder um eine besonders erregte Maschine handelt. Um den letzteren Fall handelt es sich hier. Das Lot aus dem Tangentenberührungspunkte a trifft die Minimalspannungslinie in b. Durch diesen Punkt ziehen wir die Linie Obe, die die Maximalspannungslinie in c schneidet. Von c

fällen wir wieder ein Lot u. s. w. Die Linien Oa, Ob, Oc werden bis zum Schnitt mit der Linie XR₀ verlängert.

Dann ist XR₀ der Widerstand im Erregerkreise bei Leerlauf.    XR₃ u. s. w. stellen den Widerstand im Erreger

kreise bei den verschiedenen Betriebsbedingungen dar, und R₀R₁, RxR₂, R₂R₃ u. s. w. sind natürlich die Widerstände zwischen den einzelnen Stufen des Reglers.

Bei einer Nebenschlußmaschine werden die Linien ab, cd, ef u. s. w. nicht senkrecht, sondern so gezogen, daß ihre Verlängerung durch den Anfangspunkt der Erregerkurve geht.

3. Bei Widerständen zum Regeln von Nebenschlußmotoren mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Auch diese Regelungswiderstände¹) lassen sich leicht auf einfachem graphischen Wege be- v stimmen. In Fig. 565 ist die Leerlaufcharakteristik eines solchen Motors dargestellt, die Ordinate bis V gibt die Erregung, wenn kein Regelwiderstand im Nebenschluß vorhanden ist. Die Geschwindigkeit des Motors muß hierbei ebenfalls bekannt sein.

Die normale Geschwindigkeit sei n, und es sollen durch die Stufen des Regulierwiderstandes die Geschwindigkeiten nx, n^, n₃ u. s. w. erhalten

werden. Dann trägt man auf der Spannungsordinate —

n\

u. s. w. als Vx, V₂ u. s. w. ab. Diese Punkte werden auf die Kurve projiziert, wodurch man die Punkte c, b, a u. s. w. erhält, die den erforderlichen Erregerstrom ergeben. Durch a und b zieht man Lote, die die Vollspannungslinie in d und e treffen, und von c, d und e Linien nach dem Koordinaten-Anfangspunkte. Zieht man nun noch eine Senkrechte so, daß XR₀ gleich dem Widerstande des Nebenschlusses ist, so geben XRx und XR% die Gesamtwiderstände an, bei welchen der Motor mit den Geschwindigkeiten nx und n2 läuft. Demnach werden RqRi und RXR₂ die Stufen des Widerstandes sein.

u. s. w.

v,

6/

c,

_R8

Fig. 565. Berechnung des Regulierstandes für einen Nebenschlußmotor.

Vn Vn

1) Vergl. Gott, Journal of the Institut Electrical Engineers, Bd. 31, S. 1219, 1902.

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

53

4. Bei Nebenschlußmotoren in Keihe mit dem Anker zur Regelung der Geschwindigkeit bei voller Belastung. Es sei der Widerstand zu berechnen, der in Reihe mit dem Anker geschaltet werden muß, um die Geschwindigkeit bei voller Belastung regeln zu können. (Der Nebenschlußmotor liegt unmittelbar zwischen den Hauptleitungen.)

Ist n — der Zahl der Umdrehungen in der Minute bei Leerlauf und sind nx, 7i₂ die Geschwindigkeiten, auf die der Motor geregelt werden soll, so ist

Vn{

oder

vM-nA

i \    n /

wo V die Speisespannung, i der Mollaststrom,

n die Umdrehungszahl bei Leerlauf und nx die Umdrehungszahl bei voller Belastung ist.

Bei Rheostaten wird zuweilen eine Anordnung zur Unterteilung benutzt, bei der der Widerstand in kleineren Stufen ausgeschaltet

JA,

Fig. 566. Anordnung zur teilung der Widerstände.

werden kann, als der Zahl der verwendeten Kontakte entspricht. Fig. 566 gibt den Grundgedanken dieser Anordnung wieder. Es sind zwei Kontaktstücke vorgesehen, von denen eins auf zwei getrennten Kontaktringen schleift, die innerhalb des Kreises der Stufenkontakte angeordnet sind. Zwischen diesen beiden Ringen liegt ein Widerstand gleich der Hälfte eines Stufenwiderstandes. In der gezeichneten unter- Stellung fließt der Strom durch die fünf Stufenwiderstände zum Motor. Wird der Kontaktarm    um    die    Hälfte der Entfernung der Stufenkontakte

gedreht,    so    fließt    der    Strom durch vier Stufenwiderstände und den

halben Stufenwiderstand, der zwischen den Kontaktringen liegt. Einem halben Schritt des Kontaktarmes entspricht also das Ausschalten einer halben Stufe.

Eine ähnliche Wirkung hat auch die eigenartige Anordnung der Stufenkontakte in der Fig. 546. Wenn der Schaltarm im Sinne des Uhrzeigers von M nach N gedreht wird, wird gleichzeitig bei a

lind f Kontakt hergestellt. Nun ist der Kontakt f breiter als a, er reicht bis zu einem Punkte, der diametral entgegengesetzt zu b liegt, so daß der Kontaktarm bei weiterer Drehung b erreicht, bevor f verlassen ist, und dann g, bevor b verlassen ist und so weiter, so daß auch bei dieser Anordnung der Widerstand in acht Stufen ausgeschaltet wird, obwohl nur vier Stufenkontakte vorhanden sind.

Flüssigkeitswiderstände. Flüssigkeitswiderstände sind Eisenplatten, die in Wasser, Salz- oder Sodalösung eingetaucht werden, sind lange Jahre als Regel nngs- und Anlaß widerstände benutzt worden, öfter noch aber als künstliche induktionsfreie Belastungen bei der Prüfung von Dynamomaschinen und Wechselstrommaschinen dienten. Sie sind einfacher in der Bauart als gewöhnliche Rheostaten und gewähren noch den Vorteil, wegen der hohen spezifischen Wärme des Wassers sich nicht so rasch zu erhitzen¹).

Diese Widerstände können auf zweierlei Weise geregelt werden, indem man die Platten einander nähert oder voneinander entfernt, oder aber, indem man die Platten mehr oder weniger eintaucht.

Nach der ersten Methode können kleine Rheostaten aus U förmigen Röhren hergestellt werden, wobei die Elektroden in den Röhren auf und nieder bewegt werden. Bei Motoranlassern ist die meist übliche Anordnung die, daß keilförmige Bleche allmählich in das Wasser eingetaucht werden und schließlich mit der anderen Elektrode in Berührung treten. Die Widerstände können auch für verschiedene Zwecke geeignet gemacht werden, indem man die Lösung verstärkt oder verdünnt.

Der Hauptübelstand, der diesen Widerständen anhaftet, ist das Verdampfen des Wassers und das Aufsteigen des gelösten Salzes oder der Flüssigkeit an den Elektroden. Die Temperatur des Wassers läßt sich naturgemäß nicht über den Siedepunkt hinaus steigern, daher wird bei Widerständen, die zum Prüfen großer Dynamomaschinen dienen, ein beständiger Zufluß von Wasser vorgesehen,

der so geregelt ist, daß ein Überfließen erst dicht am Siedepunkte stattfindet.

Kleinere Rheostaten müssen öfters nachgesehen und

i) Man hat auch vorgeschlagen, die Drahtwiderstände gewöhnlicher Rheostaten in Wasser zu versenken, so daß sie ihre Wärme besser abgeben und demgemäß dünner und kürzer gewählt werden können.

53*

836 Kapitel XXVI. Regler, Widerstände, Fahrschalter und Anlasser.

nach Bedarf aufgefüllt werden. Um das Heraufkriechen der Flüssigkeit zu hindern, werden die Ränder des Gefäßes bis zum Widerstande mit Yaselin eingefettet. Für Motoren bis zu 10 P bat Woolliscroft kürzlich einen sehr gedrängten Flüssigkeitsrheostaten angegeben. Er ist mit Null- und Maximalausschalter versehen.

Über Flüssigkeitsregler handelt ein Artikel in der Zeitschrift American Electrician, Bd. 5, S. 512, Oktober 1903.

Kapitel XXVII.

¹

Mit 10 Prozent Zinn.

Prüfung und Betrieb von Dynamomaschinen und Motoren.

Die an elektrischen Maschinen anzustellenden Prüfungen sind zweierlei Art, nämlich 1. solche, die sich .auf die Ermittelung des Widerstandes der verschiedenen Wickelungen und Verbindungen, sowie der Isolation der wirksamen Teile beziehen, und 2. solche, die die Ermittelung des Wirkungsgrades bei verschiedenen Belastungen zum Zweck haben.

Bauliche Prüfung.

Der Widerstand der verschiedenen Teile der Anker- und Eeld-magnetwickelung, sowie der Verbindungen, kann in gewöhnlicher Weise mittels der Wh e a ts ton eschen Brücke oder mittels einer anderen guten galvanometrischen Prüfung bestimmt werden. Den einzigen schwierigen Umstand bildet die Messung der kleinen Widerstände des Ankers und der Reihenwickelungen, da die Widerstände oft kleine Bruchteile eines Ohm betragen. Man verfährt dabei jedenfalls am zweckmäßigsten in folgender Weise:

Mittels einiger Sammlerzellen erzeugt man einen starken Strom in der Wickelung, deren Widerstand gemessen werden soll, während man in den Stromkreis einen Strommesser einschaltet. Dann misst man mittels eines empfindlichen Spannungsmessers die Spannung zwischen den Endpunkten der Wickelung. Nach dem Ohmschen Gesetz ergibt die Spannung, dividiert durch die Stromstärke, den Widerstand in Ohm. Zur Sicherheit kann man in den Stromkreis noch einen starken Neusilberstreifen von bekanntem Widerstand ein-fügen, wie dies Lord Rayleigh empfiehlt, und die Spannung zwischen den beiden Endpunkten des Streifens mit der Spannung in der Wickelung vergleichen. Das sich ergebende Verhältnis entspricht dem Verhältnis der Widerstände.

Keineswegs darf man aber übersehen, daß der innere Widerstand einer Maschine, sobald diese nach einigen Betriebsstunden warm geworden ist, sich bedeutend höher stellt, als wenn die Maschine kalt ist. Widerstandsprüfungen sollte man deshalb vor und nach dem Betriebe anstellen.

Prüfung des Isolationswiderstandes.

Die einzige zweckmäßige Methode, die Isolation der einzelnen Teile einer Maschine zu prüfen, besteht darin, daß man unter Verwendung einer hohen Spannung — 2000 bis 4000 Volt — ermittelt, ob die Isolation dieser Spannung Widerstand leistet. Der elektrische Zug und Druck, welchem hierbei das Isoliermaterial ausgesetzt ist, ändert sich wie das Quadrat der Spannung. Zur Erzielung der Spannung wendet man am besten einen Umformer für Wechselstrom an. Alle Stromerzeuger, Triebmaschinen und Umformer für hohe Spannung sollte man bei einer Spannung gleich der doppelten Betriebsspannung prüfen. Tägliche Prüfungen des Isolationswiderstandes zwischen den Wickelungen einer Dynamomaschine und ihren Kernen, bezw. Rahmen vermittelst der Wheatston eschen Brücke haben nur insofern Wert, als sie Fingerzeige bieten, nach welcher Richtung für die Maschine Sorge zu tragen ist; denn Feuchtigkeit und Schmutz vermindern die Isolation, und können, wenn sie vernachlässigt werden, leicht eine Zerstörung der letzteren herbeiführen.

Versuche über die Temperaturzunahme.

Die von der (Britischen) Admiralität gegebenen Vorschriften über die Versuche zur Ermittelung der Temperaturerhöhungen der einzelnen Teile lauten wie folgt:

Am Ende einer Betriebsdauer von 6 Stunden und 1 Minute nach dem Stillstand der Maschine darf kein zugänglicher Teil des Ankers oder des Feldmagnets eine höhere Temperatur als 70 Grad F (21 Grad C.) über der Temperatur des Maschinenraumes haben.

Zur Bestimmung der Temperatur verwendet man gewöhnlich Thermometer mit engen zylindrischen Gefäßen, die entweder in den Anker eingelassen oder, wenn dies nicht möglich, einfach darauf gelegt und während des Versuches mit einem Flock Wolle bedeckt werden.

Die Normalien des Verbandes deutscher Elektrotechniker geben einige mehr ins einzelne gehende Bestimmungen, vergl. S. 171; Vorschrift für die Temperaturmessung S. 167.

Prüfung der Leistung und des Wirkungsgrades.

Die Prüfung des Wirkungsgrades und der Leistung einer Maschine, gleichviel ob sie als Stromerzeuger oder Triebmaschine arbeitet, ist nicht leicht und setzt sowohl elektrische als dynamometrische Messungen voraus.

Dient die Maschine als Stromerzeuger, so muß man

a)    Messungen der aufgewendeten mechanischen Leistung,

b)    Messungen der erhaltenen Leistung (Stärke und Spannung

des Stromes) anstellen.

Kommt ein Motor in Frage, so haben sich die Messungen zu erstrecken auf:

a)    Bestimmung der verbrauchten elektrischen Arbeit,

b)    Bestimmung der erzielten mechanischen Leistung.

Messung der mechanischen Leistung.

Es gibt sechs allgemeine Methoden zur Messung der mechanischen Leistungen, nämlich:

a)    Die Indikator-Methode.

Man nimmt ein Indikatordiagramm der treibenden Dampfmaschine auf.

b)    Die Brems-Methode.

Man verbraucht die von der Maschine gelieferte Arbeit mittels einer Bremsvorrichtung, wie die von Prony, Poncelet, Appold, Raffard oder Froude.

c)    Die dynamometrische Methode.

Man verwendet Dynamometer oder Ergometer, wie die von Morin, von Hefner-Alteneck, Ayrton und Perry,. Fischinger oder von F. Jervis-Smith, und bestimmt damit die an der Achse oder am Riemen wirkende mechanische Kraft.

d)    Die Gleichgewichts-Methode.

Man bringt die elektrische Maschine drehbar um ihre eigene Welle an und macht sie zu ihrem eigenen Ergometer.

Hierzu tritt eine fünfte Methode:

e)    Die elektrische Methode.

Man läßt den Motor den Stromerzeuger umtreiben, der ersteren mit Strom versorgt, mißt dann elektrisch die in dem einen Falle gelieferte oder die im anderen Falle verbrauchte Arbeit und mißt entweder mechanisch oder elektrisch die Differenz.

f) Methode durch Messung des Dampfverbrauchs.

In Fällen, wo keine Indikatoren angewendet werden können (z. B. bei Versuchen an Dampfturbinen), kann der Dampfverbrauch in der Stunde, bestimmt entweder aus der Menge des dem Kessel zugeführten Speisewassers oder aus dem kondensierten Wasser, als Maß für die geleistete Arbeit dienen.

a) Die Indikator-Methode.

Da diese Methode allgemein bekannt ist, so soll sie nur kurz erwähnt werden. Sie mißt die Bruttoleistung der der Dampfmaschine zugeführten Wärmemenge, nicht aber die Nettoleistung, welche die Dampfmaschine an die Dynamomaschine abgibt. In vielen Fällen ist sie nicht anwendbar, sofern die Dampfmaschine auch noch andere Arbeit zu leisten hat. In solchen Fällen bleibt nur die Aufnahme von zwei Diagrammen übrig; das eine nimmt man, wenn die elektrische Maschine mitarbeitet, das zweite, wenn sie ausgeschaltet ist; der Unterschied stellt die von der Dynamomaschine verbrauchte Leistung dar.

b) Die Brems-Methode.

Der Bremszaum von Brony ist allgemein bekannt; von den neueren Formen der Reibungsdynanp.ometer läßt sich dies kaum sagen. Verschiedene Verbesserungen wurden nach und nach von Poncelet, Appold und Deprez ausgeführt. Nach der Methode von Prony wird die Arbeit in der Weise bestimmt, daß ein Paar Holzhacken um die Riemenscheibe oder die Welle festgeklemmt werden; das Drehmoment an den Backen wird gemessen, indem man an einen vorragenden Arm, der ein genügendes Moment zur Verhinderung der Drehung besitzt, unmittelbar Gewichte hängt. Ist p das Gewicht, das in einer Entfernung d vom Mittelpunkte dem Drehungsbestreben das Gleichgewicht hält, so ist der Reibungswiderstand f multipliziert mit dem Radius der Scheibe gleich dem Produkt aus p und d.

Demnach ist:

Drehmoment — fr = pd

und /=—.

r

Bedeutet n die Umlaufszahl in der Sekunde, so ist 2 -n die Zahl der Radianten in der Sekunde, d. h. die Winkelgeschwindigkeit (cn) ; 2 7t nr ist die lineare Geschwindigkeit!; am Umfange. Die Leistung (L) ist das Produkt der am Umfange wirkenden Kraft und der Umfangsgeschwindigkeit, oder

pd

L = fv — T.nr — 2 %npd.

Ist p in Kilogrammen gegeben und d in Metern, so ist, da 75 kgm in der Sekunde auf ein Pferd entfallen,

verbrauchte Leistung L

Pferd.

2iznpd

75

Die später am Bremszaum angebrachten Yerbesserungen sind von großer Bedeutung.

Poncelet fügte einen unbiegsamen Stab unter rechtem Winkel an den Hebel und befestigte die Gewichte am unteren Ende. App old ersetzte die Holzbacken durch ein Stahlband, das gleichmäßigere Reibung erzielt und deshalb weniger Neigung zeigt, in Schwingungen zu geraten. Raffard¹) verwendete einen in der Breite ungleichen Riemen, der also einen veränderlichen Reibungskoeffizienten besitzt, entsprechend dem Betrage, der am Umfange der Scheibe auf tritt. Weitere Änderungen dieser Art Dynamometer wurden von James Thomson, Unwin, Carpentier und Ayrton und Perry bewirkt. Kennedy erhielt vorzügliche Resultate durch die Anwendung einer Seilbremse.

Auch die Reibung eines Turbinenrades wurde als Dynamometerbremse, und zwar von dem verstorbenen W. Froude, benutzt.

Sämtliche Bremsdynamometer messen die Arbeit durch Verbrauch; wenn sie auch vorzüglich geeignet sind, die von einem elektrischen Motor gelieferte Arbeit zu messen, so können sie doch nicht zur unmittelbaren Bestimmung der einer Dynamomaschine zugeführten Arbeit benutzt werden. Erfahrung in der Handhabung dieser Vorrichtungen ist wesentlich, wenn man zuverlässige Ergebnisse gewinnen will; mit den neueren Formen der Instrumente, z. B. denen von Poncelet und Raffard, erhält man gute Ergebnisse. Das Geheimnis des Erfolges besteht darin, daß man die Reibungsoberflächen mittels reichlicher Zuführung von Seifenwasser schlüpfrig erhält.

Vermutlich die beste Methode zur Messung der Arbeit durch Vernichtung der letzteren ist wohl die, eine Dynamomaschine von hohem und bekanntem Wirkungsgrade mit Lampenbelastung als Bremse zu verwenden; die Leistung wird dann vermittelst Spannungs- und Strommessung bestimmt.

c) Die Dynamometer-Methode.

Pronys Zaum wurde vorhin ein Bremsdynamometer genannt; ein richtiges Dynamometer zur Messung übertragener Arbeit verbraucht die Arbeit nicht, die es messen soll. Transmissionsdynamometer lassen sich in zwei nahe verwandte Klassen teilen; in solche, bei denen die an den Riemen übertragene Kraft, und solche, bei denen die an die Welle übertragene Kraft bestimmt wird.

Bei Übertragung der Kraft mittels eines Riemens besteht die wirksame Kraft aus der Differenz zwischen den Spannungen (Zug) in den beiden Teilen des Riemens. Ist F‘ der Zug im schlaffen Teile des Riemens vor Erreichung der getriebenen Riemenscheibe und F der Zug im gespannten Teile, nachdem die getriebene Scheibe verlassen ist, so stellt F—F‘ den Zug am Umfange dar, und r (F— F‘) ist das Drehmoment D. Wenn n die Umlaufszahl für die Sekunde ist, so wird die Winkelgeschwindigkeit (0 = 2 tti. Dann ist die Leistung

L = (o I) = fv = 2 TT 7i r (F — F‘).

Ist F in Kilogramm und r in Meter gegeben, so muß man den Wert durch 75 dividieren, um die Leistung in Pferd zu erhalten.

Ein am Treibriemen anzubringendes Dynamometer, das die Differenz F—F‘ am Riemen bestimmt, wurde von von Hefner-Alteneck hergestellt und ist gewöhnlich unter der Bezeichnung Siemenssches Dynamometer bekannt²). Andere Eormen wurden von Bram well, Tatham³), Eroude u. a. angegeben. Fast alle diese Instrumente bedingen die Einführung von Zusatzscheiben in die Übertragungsvorrichtung und fügen dadurch Reibung hinzu.

Viel zweckdienlicher sind diejenigen Übertragungsdynamometer, mit denen die auf die Welle übertragene Kraft gemessen wird. Bei fast allen Instrumenten dieser Klasse befindet sich neben einer fest auf die Achse gekeilten Scheibe eine lose Scheibe, welche mit ersterer durch irgend eine Art Federanordnung in der Weise verbunden wird, daß die Ausweitung oder Biegung der Feder die Verschiebung der einen Scheibe in Bezug auf die andere bestimmt; diese Verschiebung (Winkel) ist proportional der übertragenen Kraft oder dem Drehungsmoment. Zu dieser Klasse gehört das bekannte Dynamometer von Morin, bei dem eine gerade Stabfeder, die mit ihrer Mitte an der Trieb welle befestigt ist, die Verschiebung der losen Scheibe zu hindern sucht.

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Fig. 567. Dynamometer von Fischinger.

Abänderungen des Instrumentes von Morin wurden durch Easton und Anderson, Heinrichs⁴), Ayrton und Perry⁵), Murray⁶), Dalby und F. Jervis-Smith angegeben. Eine genaue Beschreibung und Darstellung des Instrumentes von Smith war in früheren Ausgaben dieses Werkes enthalten.

Bei einem neueren von Fischinger angegebenen und gebauten Dynamometer werden zwei auf derselben Achse lose drehbare Riemenscheiben benutzt, deren eine den treibenden, die andere den getriebenen Riemen aufnimmt. Die Verdrehung beider Scheiben gegeneinander bewirkt vermittelst mehrerer im Innern der Scheiben gelagerter Hebel das Verschieben einer in einer achsialen Bohrung der Welle gelagerten Stange, die ihrerseits einen Ausschlag des rechts in Fig. 567 senkrecht herabhängenden Zeigers⁷) herbeiführt. Durch Belasten der Wagschale wird der Zeiger wieder auf Null gebracht; dann gibt das aufgelegte Gewicht die übertragene Kraft P an, oder vielmehr, da die Wage eine Dezimalwage ist, ⁷/₁₀ P. Die Leistung in Pferd ergibt sich durch Multiplikation von P in kg mit der Riemengeschwindigkeit in m/sec und Division durch 75. Die Leerlaufleistung ist für die gewählte Geschwindigkeit besonders zu bestimmen.

Das Dynamometer wird in folgenden sechs Größen gebaut.

Modell

Durchmesser der Riemenscheibe

in Millimeter.......

Größte Umlaufzahl in der Minute ..........

Höchste gemessene Leistung in

Pferd..........

Größte Riemengeschwindigkeit in m/sec .........

240

1600

20

640

IOOO

1200

1300

720

60

24

650

5ÖO

5°°

100

200

3°°

34

34

34

Modell 0, 1, 2 sind nach Fig. 567 gebaut; bei Modell 3, 4, 5 liegen die beiden Riemenscheiben nach außen (fliegend), und der sehr kräftig gehaltene mittlere Teil enthält vier Lager für die Achsen, sowie in der Mitte die Meßeinrichtung.

d) Die Gleichgewichts-Methode.

Bei kleinen Maschinen entsteht der Übelstand, daß man bei Anwendung der gewöhnlichen Mittel zur Bestimmung der Leistung verhältnismäßig große Reibungswiderstände einführt. Dies wird bei der Gleichgewichtsmethode vermieden. Hierbei wird die zu untersuchende Maschine mit ihrer Ankerwelle zwischen Drehpunkte oder an Reibungsräder gelegt und das Gewicht der Feldmagnete und des Gestelles sehr sorgfältig mittels Gegengewichts im Gleichgewicht gehalten.

In der Fig. 567 a stellt B D die Feldmagnete und das Gestell der Maschine vor, die im Gleichgewicht gehalten werden, E bedeutet den Anker. Sobald Strom zugeführt wird, sucht der Anker in einer Richtung umzulaufen, die Feldmagnete in der anderen. Wenn die Rückwirkung, welche die Feldmagnete umzutreiben sucht, durch Anwendung einer Kraft P (etwa einer Federkraft) am Punkte C des

Gestelles AB CD im Gleichgewicht gehalten wird, so wird durch das Moment Pd das Drehmoment bestimmt, ebenso wie beim Bremszaum von Prony. Man sieht, daß die Maschine als ihr eigenes Dynamometer dient; die magnetische Reibung zwischen Anker und Feldmagnet wird anstatt der mechanischen Reibung zwischen Scheibe und Backen benutzt. Eine von Hermann Müller angegebene Abänderung dieser Methode besteht darin, daß die Maschine in einem pendelartigen Gestell um die Triebwelle schwingen kann; aus der Abweichung von der Senkrechten wird die verbrauchte Arbeit geschätzt.

Deprez und Brackett haben die Anwendung der Gleichgewichtsmethode auf Maschinen im Betriebe in Yorschlag gebracht. Brackett bringt die Maschine in eine Art Schaukelgestell, das um

OS

~o

x>

Fig. 567 a. Anordnung zur Messung der Leistung eines Motors von F. J. Smith.

Drehpunkte, die in der Umlaufachse liegen, beweglich ist und ins Gleichgewicht gebracht wird. Er mißt dann die Gegenkraft oder das Drehmoment zwischen Anker und Feldmagnet und multipliziert dies mit der Winkelgeschwindigkeit 2tin, wodurch er den Wert der auf den Anker übertragenen Arbeit bestimmt.

Alle diese verschiedenen dynamometrischen Methoden bedingen die Anwendung eines Umlaufzählers zur Bestimmung der Umdrehungszahl n, die in die Berechnung eintritt. Ist die Zahl der Umläufe n in der Sekunde bekannt, so kann man die Winkelgeschwindigkeit tu = 2 7zn berechnen. Diesen Wert braucht man

2 iznFr iaD

Pferd.

nur mit dem Drehmoment D = Fr zu multiplizieren, um die Leistung (Arbeit in der Sekunde) L zu finden. Ist D in Kilogrammetern ausgedrückt, so ist

75

75

e) Die elektrischen Methoden.

Es gibt verschiedene Arten dieser neueren Prüfungsmethode; sie setzen die Verwendung von zwei, in einzelnen Fällen auch von

drei Maschinen voraus. Zwei ähnliche Maschinen, eine als Stromerzeuger, die andere als Motor wirkend, werden sowohl elektrisch, als mechanisch miteinander verbunden, so daß die Arbeit sich in einem Kreise zwischen den beiden Maschinen hin und her bewegt; indem sie vom Stromerzeuger zum Motor elektrisch übertragen wird, kehrt sie vom Motor zum Stromerzeuger mechanisch zurück. Die von der ersteren Maschine verausgabte Arbeit und die von der zweiten verbrauchte wird elektrisch bestimmt. Bei der ursprünglichen Ausführung von J. und E. Hopkinson *) wurde die geringe, zum Umtrieb des Stromerzeugers noch notwendige Kraft von einer Dampfmaschine hergegeben und mechanisch mittels eines Dynamometers gemessen. Nach dieser Methode ist es möglich, ein Paar Dynamomaschinen von je 500 P vermittelst einer Dampfmaschine von 50 P zu untersuchen. Änderungen dieser Methode, welche den Zweck verfolgen, alle mechanischen Messungen zu vermeiden, wurden von Rayleigh⁸ 9), Cardew¹⁰), dessen Methode aus dem Jahre 1882 stammt, Menges¹¹), Ravenshaw¹²) und Swinburne¹³) angegeben.

Alle diese Methoden sind weit genauer als die rohen mechanischen Methoden, welche früher angewendet wurden; jede besitzt ihre Vorteile, die Methode von Hopkinson verlangt indessen zwei gleichartige Maschinen, diejenige von Cardew erfordert drei Maschinen, von denen die eine kräftig genug sein muß, um die beiden anderen zu treiben. Bei der Methode von Swinburne wird der von dem Widerstande der Leiter herrührende Kraftverlust berechnet, der Abzug dieses vom gesamten Kraftverlust in der Maschine ergibt den durch Wirbelströme, Reibung und magnetische Hysterese entstandenen Verlust, der nicht ohne weiteres für sich bestimmt werden kann. Diese Einbuße an Kraft wird durch Verwendung der Maschine als Motor bestimmt; die Feldmagnete werden besonders erregt, so daß auf den Anker dieselbe magnetische Induktion wie bei voller Belastung ausgeübt wird; die elektromotorische Kraft, mit der der Anker versorgt wird, ist so groß, daß der letztere mit der Betriebs-gesellwindigkeit umgetrieben wird. Man braucht nur einen kleinen Stromerzeuger zur Lieferung des Stromes für diese Arbeit. Wird die Einrichtung so getroffen, daß die zu prüfende Maschine mit der Betriebsgeschwindigkeit umläuft, so ist die zu ihrem Umtrieb verwendete Leistung gleich dem Leistungsverlust bei voller Belastung. Die zum Umtrieb der Maschine erforderliche Leistung wird elektrisch durch Bestimmung der Spannung und Stromstärke im Anker gemessen.

Folgendes Beispiel möge zur Erläuterung dienen. Es soll eine

= 833 Watt.

Nebenschlußmaschine für 50 Kilowatt geprüft werden, die 500 Ampere bei 100 Yolt und 720 Umläufen in der Minute liefert. ra = 0,006 Ohm, rs — 12 Ohm. Der Strom im Nebenschluß beträgt 100/12 = 8,3 Ampere, die gesamte Stromstärke also rund 508 Ampere. Der Spannungsverlust stellt sich auf 508 • 0,006 = 3 Volt, so daß E = 103 ist. Im Anker gehen 508²- 0,006 = 1548 Watt verloren, im Nebenschluß 100²

12

Man nimmt nun eine kleine Maschine, etwa eine für 2 P, die bei 103 Volt Strom liefert; mit dieser betreibt man die zu prüfende Maschine, jedoch ohne Belastung, so daß nur die eigene Belastung durch Reibung, Hysterese und Wirbelströme in Frage kommt. Die Maschine wird weniger als 720 Umläufe machen, da mit so geringer Stromstärke der Anker keine entmagnetisierende Wirkung hervorbringt. Man fügt deshalb zum Nebenschluß etwas Widerstand hinzu, bis sie die richtige Geschwindigkeit erlangt. Dann mißt man den -Strom, den die Maschine aufnimmt; dieser Wert mit E multipliziert, ergibt den Verlust an Arbeit.

Nimmt z. B. die Maschine 9 Ampere auf, so beträgt der Verlust 103 • 9 = 927 Watt. Sämtliche Verluste betragen also 1548 (im Anker)    833 (im Nebenschluß) -j- 927 =*= 3308. Da die Maschine

50 000 Watt liefert, so ist die Gesamtleistung = 53 308 Watt.

Hieraus ergibt sich folgendes: Es beträgt

der Wirkungsgrad der Umsetzung

— 98,3 Prozent,

52381

53308

das elektrische Güteverhältnis

50000

52381

= 95,5 Prozent,

und der mechanische Wirkungsgrad

50000

53308

= 93,8 Prozent.

Kapp !) hat eine Untersuchungsmethode angegeben, durch welche der mechanische Wirkungsgrad auf elektrischem Wege mit viel größerer Genauigkeit bestimmt werden kann, als mechanisch durch irgend ein Dynamometer. Hierzu sind zwei nahezu gleich große Maschinen erforderlich; die eine, G, wirkt als Stromerzeuger, die andere, Jf, als Motor, letztere unterstützt durch eine kleine Hilfsmaschine X von normaler Spannung, zu welcher die beiden andern Maschinen parallel geschaltet sind (Fig. 568). Die Anker von G und M werden mechanisch miteinander gekuppelt, und das Magnetfeld von M durch Einschalten eines Rheostaten geschwächt, so daß M als Triebmaschine wirken kann. X liefert den für die Erregung erforderlichen Strom und gibt auch die Differenz zwischen den Strömen in G und M her. Ferner wird noch ein Strommesser

Mm

+/

GUN

GUN

«ran

Fig. 568. Kappsche Methode zur Bestimmung des Wirkungsgrades.

zwischen eine Bürste von G und eine solche von M eingeschaltet. Nun wird einmal der Hilfsstrom rechts, das andere Mal links eingeleitet und im ersten Falle die Stromstärke in Cr, im zweiten diejenige von M abgelesen. Da die Spannung in beiden Fällen die gleiche ist, so gibt das Verhältnis der beiden abgelesenen Stromstärken den Wirkungsgrad der Kombination der beiden Maschinen an; die Quadratwurzel aus dem Verhältnis der beiden Ablesungen ist alsdann der Wirkungsgrad der einzelnen Maschine.

Bestimmung der einzelnen Verluste.

Bisher ist ein Unterschied zwischen den drei Verlustquellen, Reibung, Wirbelströme und Hysterese, nicht gemacht worden. Man kann aber den Verlust durch Wirbelströme von den andern Verlusten dadurch trennen, daß man Versuche bei verschiedenen Geschwindig-1895, S. 319.

keiten¹) anstellt, da der Verlust durch Wirbelströme proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit wächst, während die andern Verluste der Geschwindigkeit selbst proportional sind. Die verbrauchte Arbeit wird dem Anker durch eine Triebmaschine zugeführt und elektrisch gemessen.

Von Kapp²) wurde im Jahre 1891 eine Methode zur Trennung der Verluste angegeben, ebenso von Housmann³). Der Abhandlung des letzteren ist die Fig. 569 entnommen, aus welcher die Methode von Kapp und Housmann hervorgeht.

Der Feldmagnet sei in gleichbleibendem Grade besonders erregt. Man mißt die Stromstärken, die erforderlich sind, um den Anker

B‘

A‘

Wirbelsl'pb'me

Hysferesis

Reibung der Bürsten

Reibung der Lager

Fig. 569. Trennung der Verluste.

ohne Belastung mit verschiedenen Geschwindigkeiten umzutreiben, indem man verschiedene Spannungen anwendet. Das Ergebnis läßt sich als gerade Linie AB (Fig. 569) darstellen, von der die Ordinate (Stromachse) oberhalb des Anfangspunktes geschnitten wird. Eine wagerechte Linie HD, die man durch A legt, schneidet die Ordinate CB in z\Vei Teile; CB stellt die Verluste dar, die proportional der Geschwindigkeit sind; DB die Verluste, die proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit sind. Um die Reibung in den Lagern und an den Bürsten getrennt zu erhalten, müßte man den Anker unmittelbar mit einer andern gleichen Maschine kuppeln und die letztere ohne

1)    Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. i8, S. 620, 1889.

2)    The Electrician, Bd. 26, S. 699, 1891.

3)    The Electrician, Bd. 26, S. 700, 1891. Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 20. S. 298, 1891.

54

Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

Erregung des 'Feldmagnetes laufen lassen, da das Anwachsen des Stromes, der zum Umtrieb notwendig ist, ein Maß für den Reibungsverlust liefert. Man erhält dann die Linien EF und GH. Werden weitere Versuche mit einem Felde von anderer Stärke angestellt, so erhält man eine zweite Linie A‘B‘, die entweder oberhalb oder unterhalb AB liegt; dementsprechend zeigen sich die Verluste größer oder geringer.

Der geringste Gesamtverlust tritt gewöhnlich bei einer Erregung ein, bei der iö im Anker etwa 15 000 oder 10 000 beträgt. Wird die Erregung stärker, so nimmt nicht allein die Hysterese zu, sondern es werden auch die Wirbelströme in der Welle und der Riemenscheibe mit Rücksicht auf die Zerstreuung der magnetischen Linien stärker.

Steigt die Linie AB stärker, so zeigt dies, daß die Wirbelströme im Anker eine wahrnehmbare Entmagnetisierung hervorbringen.

Besondere Verluste bei voller Belastung. Auf S. 198 und 471/2 wurde schon darauf hingewiesen, daß die Verluste bei voller Belastung eine gewisse Zunahme erfahren, die von Wirbelströmen im Kupfer und den Polstiicken und von ungleicher Verteilung des Stromes zwischen den Ankerstromkreisen herrührt. Bettmar¹) hat gefunden, daß auch eine Vermehrung der Eisenverluste infolge magnetischer Streuung eintritt. Wenn durch die letztere die Kraftlinienmenge in einem Teile des Eisens vermehrt, in einem andern aber vermindert wird, so daß einige Verluste proportional SB², andere proportional 23¹-⁶ sind, so wird der Gesamteisenverlust größer als der aus dem mittleren Werte berechnete. Werden Mittelwerte angenommen, so kann der Exponent für die Wirbelstromverluste von 2 auf 2,1 in den Zähnen und auf 2,2 in den Polstücken steigen, und ebenso bei den Hystereseverlusten von 1,6 auf 1,76 in den Zähnen, und auf 2 in den Polstücken. Dettmar stellte eine große Reihe experimenteller Versuche und Messungen an, die seine Ansicht stützen.

Prüfung einer Stromerzeugungs-Anlage.

Bei einer Stromerzeugungs-Anlage, bestehend aus einer Dynamomaschine und ihrer Antriebmaschine, wird gewöhnlich die Bedingung gestellt, daß der Wirkungsgrad der ganzen Anlage, also Betriebsmaschine und Dynamomaschine zusammengenommen, nach einer mehrstündigen Betriebsdauer bei voller Belastung eine bestimmte Größe erreichen und daß der Dampfverbrauch für die Kilowattstunde eine bestimmte Grenze nicht überschreiten soll. In England haben die konsultierenden Ingenieure seit Jahren immer steigende Ansprüche gestellt, wodurch erreicht wurde, daß Fabrikanten und Lieferanten außergewöhnlich hohe Wirkungsgrade erzielten¹).

Als Beispiel einer Prüfung einer größeren Gleichstromanlage führen wir die Versuche an, welche Kennedy im Mai 1893 in Thames Ditton an einer Nebenschlußmaschine von 123 Kilowatt, die von Holmes & Co. gebaut und von einer Willansschen Zweikurbel-

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LEISTUNG

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g~o

ZF

] 15,11. Kg WASSER MST.

vN

WIRKUNGSGRAD

iS

QOS

ELEKTRISCHE LEISTUNG

120

IHO

160

180 P

Fig. 570. Untersuchung einer Gleichstromanlage von Holm es-Wille ms, ausgeführt von Kennedy.

Verbund-Dampfmaschine mit Kondensation betrieben wurde, anstellte. Die Zahl der Umläufe betrug 335 in der Minute. Während einer sechsstündigen Betriebsdauer bei einer Belastung von 1010 Ampere bei 120 Volt (gleich 121,5 Kilowatt oder 165 Pferd) betrug der Gesamt-Dampfverbrauch 1500 kg in der Stunde oder 12,34 kg auf die Kilowattstunde, oder 9,1 kg auf die Pferdestunde. Gleichzeitig ergab die durch Indikatoren ermittelte indizierte Leistung den Wert 192,8 Pferd, so daß sich der Wirkungsgrad zu 85,6 Prozent herausstellte. Der für ein indiziertes Pferd verbrauchte Dampf betrug 7,78 kg. Die Temperatur am Ende des Versuches war

1) Vergl. die bemerkenswerte Abhandlung von Crompton in den Proc. Inst. Civil Engineers, Bd. 106, 1891.

54*

40 Grad C. höher als die der umgebenden Luft. Es wurden sodann noch Versuche bei J/₄, V₂ und ³/₄ Belastung gemacht, ferner, wenn die Dynamomaschine mit offenem äußeren Kreise lief, mit und ohne Erregung, sowie mit der Dampfmaschine allein, nachdem die Dynamomaschine abgekuppelt war. Die Ergebnisse sind in dem Diagramm, Fig. 570, aufgezeichnet. Aus diesen Versuchen geht hervor, daß der Wirkungsgrad der Dampfmaschine allein 89,5 Prozent, der Dynamomaschine allein 95,6 Prozent beträgt.

Die sorgfältigen Versuche, welche Ewing 1892 an einer Dampfturbine von Parsons anstellte, zeigten einen Dampfverbrauch von 12,2 bis 12,7 kg für die Kilowattstunde bei voller Belastung und von

13,6 bis 14,5 bei halber Belastung. Noch günstigere Resultate werden für die neueren Dampfturbinen größerer Art in Anspruch genommen.

Wegen Prüfung von Maschinen vergleiche man folgende Quellen: Ayrton, Industries vom 22. Juni 1888. Report of Comitee of Franklin Inst., 1878. Offizieller Bericht über die Münchener Elektr. Ausstellung 1882. Adams Inaugural Adress, Journ. Soc. Telegr. Eng. Electr., Bd. 14, S. 4, 1854. Reports of Electr. Exhib. at Philadelphia, 1884, veröffentlicht im Journ. of the Franklin Inst., 1885. Prüfung von Bogenlichtmaschinen auf der Ausstellung in Melbourne, von Murray, Journ. Inst. Electr. Engin., Bd. 18, 1889. Prüfung von Dynamomaschinen (Desroziers, Edison, Gramme u. s. w.) der Pariser Ausstellung 1889 von Minet in La Lum. électr., Bd. 35, 1889. Versuche an Stanleyschen Wechselstrommaschinen für Bogenlicht von Duncan und Hassen, Electrician, Bd. 26, Januar 1891. Versuche an einer Dynamomaschine von Goolden und Betriebsdampfmaschine von Willans, mit Trennung der einzelnen Verluste, ebenda Bd. 26, S. 36, 1890. Versuche an einer Wenström-schen Dynamomaschine mit Trennung der einzelnen Verluste, Electr. Review, Bd. 26, S. 116,- 1890. Hummel über Verlustursachen, Elektrot. Zeitschr., Bd. 8, 1887, und Bd. 12, 1891. Auf der Frankfurter Ausstellung wurden sehr sorgfältige Versuche an zahlreichen Maschinen unter günstigen Versuchsbedingungen vorgenommen: dieselben sind ausführlich im zweiten Band des offiziellen Berichts geschildert. Die Abhandlung von Field über Untersuchung von Straßenbahnmotoren im Journ. Inst. Electr. Engineers, Bd. 21, 1902, enthält verschiedene Prüfmethoden und eingehende Ergebnisse. Reibungsverluste an Dynamomaschinen haben Kinzbrunner, Van Rossem und Dettmar in der Elektrot. Zeitschr., Bd. 24, 1903, besprochen; Dettmar auch noch ebenda Bd. 20, S. 380, 1899.

Behandlung von Dynamomaschinen.

Zusammenschalten mehrerer Dynamomaschinen in einem Stromkreise.

Zuweilen wird die Zusammenschaltung Von zwei oder mehreren Dynamomaschinen erforderlich, um einen Kreis mit einer größeren Menge elektrischer Energie zu versorgen, als dies von einer Maschine geschehen könnte. So müssen z. B. zwei Dynamomaschinen, von denen jede dauernd nur einen Strom von 1000 Ampere liefern kann, vereinigt einen Strom von 2000 Ampere liefern; oder zwei Maschinen von je 60 Yolt sollen eine elektromotorische Kraft von 120 Yolt abgeben. So einfach diese Fälle zu liegen scheinen, ist es doch nicht so leicht, sie praktisch auszuführen, denn es hängt von der Bauart der Maschinen, besonders von der Art und Weise der Erregung der Feldmagnete ab, ob die Zusammenschaltung möglich ist, ohne daß die eine den Betrieb der anderen beeinträchtigt. Bei unrichtiger Anordnung ist es möglich und es kommt auch vor, daß die eine Maschine Energie der anderen verbraucht und von der anderen angetrieben wird, anstatt daß sie die Energie im Stromkreise vergrößert.

Hintereinanderschaltung von Gleichstrommaschinen. Reihenmasebinen können ohne weiteres zum Zweck der Verdoppelung der elektromotorischen Kraft hintereinander geschaltet werden. Z. B. sollen zwei Brush-Maschinen, von denen jede 10 Ampere leistet und sechs Bogenlampen speisen kann, zusammengeschaltet werden, um einen Kreis mit zwölf Lampen mit Strom zu versorgen. Man hat dabei nur zu beachten, daß die positive Polklemme der einen Maschine mit der negativen Polklemme der anderen verbunden wird. Hebenschlußmaschinen können ebenfalls hintereinander geschaltet werden, diese Anordnung ist aber nur dann zweckmäßig, wenn die beiden Hebenschlußwickelungen gleichfalls hintereinander geschaltet werden, so daß beide einen langen Hebenschluß zum Stromkreise bilden.

Gemischt gewickelte Maschinen können hintereinander geschaltet werden, falls die Hebenschluß Wickelungen der beiden Maschinen zu einem einzigen Hebenschluß vereinigt werden, der über die beiden Anker greift (doppelter kurzer Hebenschluß) oder als Hebenschluß zum äußeren Kreise (doppelter langer Hebenschluß) liegt oder eine Vereinigung des langen und kurzen Hebenschlusses bilden kann. Dasselbe gilt für mehr als zwei Maschinen. Die Zusammenschaltung von Wechselstrommaschinen wird im II. Band erörtert werden.

Dynamomaschinen, welche gut in Nebeneinanderschaltung arbeiten sollen, ohne daß besondere Yorrichtungen dazu erforderlich sind, müssen eine fallende Charakteristik haben (vergl. S. 299); denn eine Maschine mit steigender Charakteristik würde in dem Maße, als sie einen größeren Teil des Stromes liefert, auch eine größere elektromotorische Kraft erlangen, und mehr und mehr Strom liefern, bis sie die ganze Belastung auf sich genommen hat und die anderen Maschinen als Triebmaschinen bewegt. Wenn anderseits die elektromotorische Kraft mit steigendem Strom abnimmt, wird die Belastung automatisch auf die zusammenarbeitenden Maschinen verteilt. Es ist natürlich möglich, daß eine Maschine, wenn sie mit gleichbleibender Geschwindigkeit läuft, eine steigende Charakteristik hat und doch durch das Langsamerlaufen der Betriebsdampfmaschine bei steigender Belastung, wenn sie mit anderen gekuppelt ist, eine fallende Charakteristik annimmt. In solchem Falle könnte man die Maschinen nebeneinanderschalten, wenn jede ihre eigene Betriebsmaschine hat¹⁴).

Einfache Nebenschlußmaschinen haben stets eine fallende Charakteristik, daher bietet es keine große Schwierigkeit, sie nebeneinander zu schalten, wie zahlreiche Ausführungen in Beleuchtungsstationen beweisen. Nur ist eine wesentliche Vorsichtsmaßregel zu beachten, wenn eine Maschine dem Stromkreise hinzugefügt wird. Das Feld der hinzukommenden Maschine muß erregt sein, und sie muß mit voller Geschwindigkeit laufen, ehe der Anker in die Hauptleitung geschaltet wird. Andernfalls fließt der Strom aus den Hauptleitungen in umgekehrter Richtung durch die Maschine und überwältigt die Triebkraft¹⁵). Zwei Reihenmaschinen kann man nicht ohne eine kleine Änderung nebeneinander schalten, andernfalls stören sie sich. Es nehme z. B. die Geschwindigkeit der einen etwas ab, so daß die elektromotorische Kraft dieser Maschine etwas geringer wird, als die Kraft der zweiten. Dann sendet die Maschine mit größerer elektromotorischer Kraft einen Strom in solcher Richtung durch die zweite Maschine, daß die Polarität der Feldmagnete der letzteren sich umzukehren strebt und die Maschine als Motor wirkt. Um diesem Übelstande abzuhelfen, schlug Gramme vor, sowohl die Klemmen als auch die Bürsten miteinander zu verbinden, wie die Fig.571 zeigt. Die Klemmen Tx jeder Maschine sind mit den Klemmen T₂ der zweiten Maschine verbunden, ebenso die Punkte Bv und B₂. Ist die Leistung beider Maschinen genau gleich, so fließt durch die Verbindung Bi B₂ kein Strom. Läßt eine Maschine nach, so fließt aus der anderen ein Strom durch Bx B₂ und unterstützt die Erregung der schwächer gewordenen Maschine. Dadurch wird eine Umkehrung verhindert. Eine andere Schaltungsmethode für zwei Reihenmaschinen besteht darin, daß jede den Feldmagnetismus des anderen erregt. Hierdurch Avird die Leistung auf die beiden Maschinen gleichmäßig verteilt.

Fig. 571. Parallelschaltung zweier Hauptstrommaschinen.

Si

T,

JJL1

As

T,

s,

S2

Tx'*

TTL2

A2

B2I

■0T2

TT';: ~TTTU

Fig. 572. Parallelschaltung zweier Maschinen mit gemischter Wickelung.

Nebeneinanderschaltung von Maschinen mit gemischter Wickelung. Beim Zusammenarbeiten parallel geschalteter Maschinen mit gemischter Wickelung ergibt sich eine Schwierigkeit aus dem Umstande, daß diese Maschinen hierbei die Neigung zeigen, sich ebenso Avie Nebenschlußmaschinen zu verhalten.

Mordey hat nachgewiesen, daß die Schwierigkeit gehoben werden kann. Die nebeneinander zu schaltenden Maschinen werden in solcher Art verbunden, daß nicht allein die Nebenschlußteile der Feldmagnete, sondern auch die Reihenkreise der Feldmagnete parallel geschaltet sind, d. h. es werden die Bürsten und die Klemmen in derselben Weise miteinander verbunden, wie Gramme dies bei Reihenmaschinen ausgeführt hat. Die Schaltung ist in der Fig. 572 dargestellt.

Ax A₂ sind die Anker der Maschinen, Tx Tx und T₂ T₂ die Klemmen; durch die Verbindung Bx B₂ im Verein mit der Leitung Tx T2 links werden die beiden Anker nebeneinander geschaltet. Jede der beiden Dynamomaschinen muß mit einem Ausschalter s im Nebenschlußkreise versehen sein, und einem zweiten, m, im Hauptkreise zwischen dem Ankerteile und dem Punkte, wo der Nebenschlußkreis sich abzweigt, so daß der Ankerteil jederzeit unterbrochen werden kann. Ferner muß die Verbindung von Bürste zu Bürste, welche wenigstens ebenso dick wie die Hauptleitungen sein sollte, mit einem Ausschalter % versehen sein. Nehmen wir an, die Dynamomaschine 1 arbeite zunächst allein, dann sind die Ausschalter sx und mx geschlossen. Soll nun die Dynamomaschine 2 eingeschaltet werden, so muß dies in folgender Weise geschehen: Zunächst wird Maschine 2 angelassen, bis sie ihre regelmäßige Geschwindigkeit erreicht hat, dann werden die Ausschalter s₂ und z geschlossen; hierdurch wird der Magnetismus von 2 voll erregt. Zuletzt wird m₂ geschlossen. Soll Maschine 2 ausgeschaltet werden, wird die umgekehrte Reihenfolge der Handgriffe beobachtet: zuerst wird m₂ geöffnet, dann % und s₂; alsdann wird die Maschine stillgesetzt. Am besten ist es, wenn ein besonderer Ausschalter gebaut wird, durch welchen diese Ein- und Ausschaltungen in richtiger Weise nacheinander ausgeführt werden. Sind die Maschinen in solcher Weise verbunden¹), so arbeiten sie zufriedenstellend und zeigen eine bedeutende Fähigkeit der gegenseitigen Regelung; denn jede Steigerung der Stromstärke einer Maschine wird gleichmäßig auf die Reihenwickelungen verteilt, so daß die elektromotorische Kraft der einen Maschine sich nicht über die der andern erheben kann.

Diese gegenseitige Kontrolle findet aber nicht nur bei gleichgroßen Maschinen statt, sondern man darf auch bei Maschinen von ungleicher Größe, Leistung und Geschwindigkeit darauf rechnen.

Bd. 26, S. 210, 1887, vor-

t) Die von Ledeboer in La Lum. électr., geschlagene Methode ist obiger praktisch gleich.

Man kann z. B. große und kräftige Maschinen mit kleineren von verschiedener Leistung nebeneinander schalten; jede wird dann ihren Arbeitsanteil leisten. Der Widerstand der Reihenwickelung jeder der zusammengeschalteten Maschinen muß in diesem Falle so bemessen sein, daß die Verteilung des Stromes auf die Wickelungen nach dem Verhältnis der Leistungen der Maschinen stattfindet. Wenn der Ausschalter x stets geschlossen gehalten wird, so wird dadurch die Felderregung jeder Maschine von der gesamten Leistung der Zentrale abhängig gemacht; dadurch wird es erreicht, daß ein Spannungsabfall in den Hauptleitungen ausgeglichen wird.

Allgemeine Anweisungen für die Aufstellung und Bedienung von Dynamomaschinen.

Standort der Maschine. Der Standort soll trocken und staubfrei sein; kann ein kühler Luftstrom erzeugt werden, so ist dies zweckmäßig. Wenn die Maschine nicht unmittelbar angetrieben wird, so muß ein hinreichender Raum zur Anbringung eines Riemens von passender Länge zur Verfügung stehen.

Fundamentierung. Gute Fundamentierung ist von der größten Bedeutung. Wird die Dynamomaschine unmittelbar angetrieben, befindet sie sich jedoch nicht auf gleicher Bodenplatte mit der Dampfmaschine, so muß für beide Maschinen zusammen ein genügend großes Fundament hergestellt werden. Zum Fundament kann man Steine, Beton oder Ziegelmauerwerk in Zement verwenden und dasselbe mit einer starken Steinplatte decken. Bei kleinen Maschinen kann man die Befestigungsbolzen mit Blei oder Schwefel im Deckstein vergießen, bei großen Maschinen müssen die Bolzen bis zum Boden reichen und dort in eiserne Platten eingreifen.

Laufschienen. Die von Riemen getriebenen Maschinen müssen mit einer Vorrichtung zum Regulieren des Riemens versehen werden. Befindet sich die Maschine mit ihrer Bodenplatte nicht auf Laufschienen, so daß sie mittels Schrauben verschoben werden kann, so läßt sich die allerdings weniger zweckmäßige Methode der Regulierung mittels einer zweiten, besonders auf gestellten, verschiebbaren Scheibe anwenden. In jedem Falle muß die Maschine genau wagerecht stehen, die Welle muß parallel zur Achse der treibenden Riemenscheibe liegen.

Anlassen. Bevor eine Dynamomaschine oder ein Motor, welche längere Zeit nicht benutzt worden oder klimatischen Änderungen ausgesetzt gewesen sind, wieder angelassen wird, ist es zweckmäßig, sie einige Tage an einem warmen und trockenen Platz aufzustellen. Denn das Isoliermaterial kann leicht Feuchtigkeit aufgenommen haben, die nur langsam wieder ausgetrieben werden kann. Nichts kann leichter ein Durchschlagen der Isolation bewirken, als das Anlassen einer nicht ganz trockenen Maschine.

Prüfung vor dem Anlaufen. Ehe eine Maschine zum ersten Male in Betrieb gesetzt wird, ist sie zunächst einer Prüfung zu unterziehen.

Man nimmt die Lagerdeckel ab und reinigt die Lager sowie die Zapfen; bei dem Wiederaufbringen darf man die Schrauben nicht zu stark anziehen. Die Schmiergefäße müssen gefüllt sein, das Abtropfen des Öles muß ordnungsmäßig vor sich gehen. Wo selbstschmierende Lager vorhanden sind, ist darauf zu achten, daß die Ringe zum Ölen richtig funktionieren. Man verwende Ölgefäße aus Kupfer. Den Anker drehe man herum und überzeuge sich, daß keine Hindernisse, etwa lose Drähte, dem Umlauf entgegenstehen. Den Stromabgeber reinige man mit feinster Schmirgelleinwand und sehe sorgfältig darauf, daß kein Staub oder feine Kupferteilchen zwischen den Stäben sich befinden. Eine steife Bürste aus Schweinsborsten tut bei der Reinigung gute Dienste.

Die Bürstenhalter müssen richtig stehen, die Abstellvorrichtungen (falls solche vorhanden sind) in Ordnung sein. Jede Bürste muß passend zugerichtet, d. h. am Ende unter richtigem Winkel abgeschnitten sein. Einige Maschinenbauer stellen ein besonderes Werkzeug für die passende Zurichtung her. Die Bürsten werden bei ihrer Einstellung zunächst in ihren Haltern recht fest gelegt und müssen auf richtige Länge vorstehen. Dann werden sie weiter eingestellt, so daß sie mit mäßigem, aber doch ziemlich starkem Druck gegen den Stromabgeber anliegen. Unter diesem Druck müssen sie aber auch in der richtigen Stellung liegen. Bei zweipoligen Maschinen müssen die Bürsten an zwei genau gegenüberstehenden Stäben des Stromabgebers anliegen, bei vierpoligen Maschinen an Stäben, die um ¹/₄ des Umfanges voneinander entfernt sind. Gewöhnlich bezeichnet man die betreffenden beiden Stäbe mit einem Körner, damit die richtige Lage ein für allemal festgelegt ist. Sind zwei oder mehr positive Bürsten nebeneinander angeordnet, so suche man sie so zu stellen, daß die Zwischenräume zwischen ihnen gerade gegenüber den negativen Bürsten liegen; dann ist die Beanspruchung des Stromwenders durch die Bürsten eine gleichmäßige. Es ist zweckmäßig, die Lage der Bürsten von

Zeit zu Zeit in der Längsrichtung, also parallel der Achse der Maschine, zu verschieben. Nachdem alle diese Vorsichtsmaßregeln ausgeführt sind, entfernt man alle Schraubenschlüssel und beweglichen Eisenteile aus der unmittelbaren Nähe der Feldmagnete. Liegt die Möglichkeit vor, daß die Maschine beim Angehen sich in verkehrter Richtung dreht, so hebt man vorher die Bürsten ab und läßt sie erst nach dem Anlassen herab. Ehe eine Bürste gehoben wird, muß der Strom unterbrochen werden, weil andernfalls die am Stromabgeber auftretenden Funken schädlich wirken.

Bei Kohlenbürsten muß die Auflagefläche besonders gut der Krümmung des Stromwenders entsprechend bearbeitet sein. In einfacher Weise erreicht man dies, indem man den Stromwender mit feinem Glaspapier beklebt und nun die Dynamomaschine laufen läßt, während die Bürsten in ihrer richtigen Lage sich befinden, bis ihre Endflächen die richtige Form angenommen haben. Kohlenbürsten verursachen im ganzen weniger Störungen als Kupferbürsten, weil sie den Stromwender weniger angreifen, auch weniger Anlaß zur Funkenbildung geben. Die Kohlenbürsten müssen frei sein von Rissen und Sprüngen und dürfen keine harten Ecken und Kanten oder sonstige harte Stellen haben, die mit dem Stromwender in Berührung kommen können.

Sind die Bürsten gut eingestellt und die Schmiergefäße gefüllt, so prüft man, ob alle Verbindungen richtig und die Klemmen fest angezogen sind. Dann kann der Anlauf bei abgehobenen Bürsten und offenem Hauptkreisausschalter beginnen, damit man die Überzeugung gewinnt, daß mechanisch alles in Ordnung ist und die Lager nicht warm laufen. Demnächst legt man die Bürsten nieder. Eine Nebenschlußmaschine wird sich nun selbst erregen, wenn auch der Hauptkreisausschalter nicht geschlossen ist. Werden Glühlampen von der Maschine betrieben, so darf die Einschaltung des Hauptkreises nicht eher erfolgen, als bis die Maschine die richtige Spannung liefert, andernfalls können die Lampen verdorben werden. Denn bei zu großer Geschwindigkeit wird auch die Spannung zu hoch. Eine Probelampe oder ein Spannungsmesser läßt die richtige Spannung erkennen. Ehe nun der Hauptkreis eingeschaltet wird, beobachte man die Bürsten, ob sich Funken bilden. Zeigen sich Funken, so verschiebt man die Bürsten bis zu der funkenlosen Stellung vor- oder rückwärts.

Tägliche Aufsicht. Es ist von der größten Wichtigkeit, die Dynamomaschinen auf das sorgfältigste frei von Staub zu halten.

Zum Reinigen sind baumwollene Lappen, nicht Putzwolle, zu verwenden, da bei letzterer zu leicht lose Enden an Stellen gelangen, wo sie schädlich wirken. Die Westinghouse - Gesellschaft benutzt einen Blasebalg zum Entfernen des Staubes. Die tägliche Wartung hat sich nicht allein auf die Schmierung, sondern auch darauf zu erstrecken, ob die Bürsten einer Verschiebung oder Zurichtung bedürfen. Den Stromabgeber soll man nicht ölen, sondern nur mit einem mit Vaseline beschmierten Lappen oder mit einem Stück Baumwolle (nicht Putzwolle) reinigen. Dieser Ratschlag gilt jedoch nicht für Bogenlichtmaschinen mit besonderen Stromabgebern mit Luftzwischenräumen; Stromabgeber solcher Maschinen dürfen ohne weiteres geölt werden. Das Öl soll nicht an Stellen gelangen, wo es nicht erforderlich ist, da Öl die Isolation beeinträchtigen kann, indem es z. B. den Firnis zerstört oder auch Staub und die feinen vom Stromwender durch die Bürsten abgeriebenen Kupferpartikelchen festhält. Wenn Öl an den Stromwender gelangt, verkohlt es unter den Bürsten und bildet dann leicht einen dünnen Kohlenüberzug, der zu Kurzschlüssen zwischen den Stromwenderstäben Veranlassung gibt. Diese Gefahr tritt weniger leicht bei Isolation durch Glimmer ein, als wenn Asbest oder Papier als Isoliermaterial verwendet ist. Es wird häufig die Erfahrung gemacht, daß der Stromwender sich ungleich erhitzt und abnutzt, indem die positive Bürste mehr angreift, als die negative; dies hat aber nichts besonderes zu bedeuten. Wenn sich Lötstellen an den Bürsten befinden, muß darauf acht gegeben werden, daß sie nicht in Berührung mit dem Stromwender gelangen, denn das Lot gibt Veranlassung zu starker Funkenbildung. Wird die Maschine von einer schweren Welle angetrieben, so daß beim Anlauf oder Anhalten die Gefahr einer Rückwärtsdrehung nicht vorliegt, so dürfen die Bürsten stets am Stromabgeber anliegen. Viele Maschinen geben bei voller Belastung Funken, falls nicht die Bürsten über den Punkt hinaus vorwärts verschoben sind, an dem bei offenem Stromkreise Funken-losigkeit herrschte. Funkenloser Betrieb ist Hauptbedingung für eine lange Lebensdauer des Stromwenders. Man kann die Aufmerksamkeit der Wärter nicht genug auf die Funkenbildung richten. Der Stromabgeber einer gut gebauten neueren Dynamomaschine, die gehörig beaufsichtigt wird, erhält bald eine schöne, dunkle, glatte Oberfläche. Der Stromabgeber einer noch so guten Maschine kann innerhalb weniger Stunden durch eine sorglose oder unzweckmäßige Behandlung unbrauchbar gemacht werden. Liegen die Bürsten zu fest an, so erhält er Kerben oder wird zerkratzt; liegen sie mit zu geringem Drucke an, oder werden sie durch Erzitterungen zum Hüpfen gebracht, oder geben sie Anlaß zur Funkenbildung, so wird der Stromabgeber an den Kanten einiger Stäbe abgenutzt und verliert seine zylindrische Gestalt. Das einzige Gegenmittel in diesem Falle bildet ein sorgfältiges Abdrehen oder Abfeilen der Oberfläche; dieses sollte indessen selten Vorkommen.

Ein anderer gelegentlich auftretender Fehler. Gelegentlich kommt es vor, daß ein einzelnes Stromwendersegment zu hoch ist, sei es infolge ungleicher Ausdehnung oder unvollkommener Herstellungsweise. Dieser Fehler läßt sich meist durch vorsichtiges Hämmern mit einem Holzhammer oder durch Abfeilen beseitigen. Eine besondere Form eines Werkzeuges zur Kalibrierung unregelmäßig abgedrehter Stromwender ist im Electr. Review vom 24. Juli 1903,

S. 139, beschrieben. Nach einer anderen Methode wird ein langer Streifen Glaspapier, dessen Enden man in den (

Fig' 573- Abschleifen des Stromwenders.

Händen hält, unter eine Bürstenreihe geschoben und auf den Stromwender gepreßt, während dieser langsam gedreht wird (Fig. 573). Die Verwendung von Schmirgel ist hierbei unzulässig; Karborundumpapier dagegen ist vorteilhafter als Glaspapier, da es die Glimmerstreifen zugleich mit den Kupfersegmenten abschleift.

In Zentralstationen, wo die unausgesetzte Stromlieferung in erster Linie steht, muß die Isolation der ganzen Maschine täglich gemessen werden. Wenn die Isolation irgend eines Teiles wesentlich herabgesetzt ist, so muß (selbst wenn sie noch zur Zeit genügend hoch ist) die Maschine angehalten, die Ursache ermittelt und abgestellt werden. Tägliche Isolationsmessungen geben guten Aufschluß über den Zustand der Maschine.

Fehler in Maschinen¹⁶).

Verbrennen der Anker. Einzelne Wickelungen eines Ankers erhitzen sich zuweilen so, daß die isolierende Hülle verbrennt. Zuweilen überhitzt sich ein ganzer Anker derartig, daß allgemeine Verkohlung eintritt. Der letztere Fall tritt häufiger bei Ankern von Motoren als von Stromerzeugern ein. Denn wenn von einer Dynamomaschine zufällig ein übermäßig starker Strom entnommen wird, so wird das Drehungsmoment am Anker gewöhnlich so groß, daß der Riemen abgeworfen oder die Dampfmaschine angehalten wird; wogegen bei einem Motor, dessen Anker festgehalten und an der Drehung verhindert wird, ein übermäßig starker Strom den Anker durchfließt, wenn nicht die Zuleitung unterbrochen wird. Um den Motor hiergegen zu schützen, werden die Anlasser mit Maximalausschaltern versehen.

Kurzschlüsse im Anker. Ein Kurzschluß im Anker macht sich gewöhnlich zuerst durch den Geruch von verbranntem Firnis bemerkbar. In solchem Falle muß sofort die Maschine stillgesetzt und der Anker mit der bloßen Hand befühlt werden, denn die von dem Kurzschluß betroffenen Windungen lassen sich gewöhnlich schon durch ihre höhere Temperatur auffinden, auch wenn der Firnis noch nicht bemerkbar gekräuselt ist. Wenn in einem größeren Teile der Wickelungen Kurzschluß entstanden ist, so läßt sich der Fehler durch die Temperaturerhöhung nicht so leicht auffinden. Wenn eine unabhängige Stromquelle zur Verfügung steht, besteht ein gutes Mittel zur Entdeckung des Kurzschlusses darin, daß man zwischen zwei gegenüberliegenden Stromwenderstäben einen starken Strom einführt und das Potentialgefälle zwischen den verschiedenen Paaren der Stromwmnderstäbe vergleicht. Durch aufmerksame Anwendung des Ohmschen Gesetzes wird man dann gewöhnlich bald den oder die Fehler finden. Zum Beispiel wissen wir, daß der Spannungsabfall auf jeder Seite des Stromeintrittspunktes gleich sein muß, wenn der Anker ganz fehlerfrei ist, so daß ein Galvanometer, dessen Klemmen an solchen Stromw'enderstäben liegen, welche gleich weit von der Stromeintrittsstelle entfernt sind, wenig oder gar keine Abweichung zeigen wird. Wenn man den Stromwender von Stab zu Stab durch das Galvanometer prüft, so zeigt ein großer Ausschlag des letzteren sofort eine Änderung der ursprünglich vorhandenen Symmetrie in den Widerständen an. Die Fälle, welche hierbei auftreten können, sind aber so zahlreich, daß es nutzlos ist, sie alle auffuhren und erklären zu wrollen. Der untersuchende Ingenieur

Lummis-Paterson, »Management of Dynamos« (Crosby Lockwood and Son, London); Parkhurst, »Diseases of Dynamos«, Trans. Amer. Inst. Electr. Eng., 1894.

muß sich eben dabei auf seine Erfahrung und seinen praktischen Verstand verlassen. Wenn Fehler im Ankereisen vorhanden sind, läßt man einen Strom zwischen einem der Stromwenderstäbe und dem Eisenkern kreisen und untersucht in gleicher Weise den Spannungsabfall zwischen den verschiedenen Stäben. Eine andere Methode besteht darin, alle Stromwenderstäbe untereinander durch einen umgewundenen Draht zu verbinden und durch diesen Draht und den Eisenkern einen Strom zu senden. Der Anker wird dann magnetisiert und die Pole liegen in der Nähe der Fehlerstellen.

Methoden zur Eingrenzung von Fehlern in Trommelankern findet man im American Electrician, Bd. 12, S. 179, 1900. Es kann Vorkommen, daß ein unerfahrener Arbeiter beim .Reparieren eines Ankers oder beim Wiederbewickeln einer ausgebrannten Abteilung die Verbindungen umkehrt. Diese Abteilung würde dann einen umgekehrt gerichteten Strom erzeugen und die Spannung der ganzen Maschine unter den normalen Wert bringen.

Ein Kurzschluß zwischen einem schlecht isolierten Draht und einem darunter befindlichen Eisenkern ist ebenfalls eine fruchtbare Störungsquelle. Es soll damit nicht gesagt sein, daß jeder derartige Kontakt an sich eine schädliche Wirkung herbeiführt; wenn aber eine solche Fehlerstelle vorhanden ist, und es tritt irgendwo im Lampenkreis ebenfalls ein Fehler auf, so kann sich plötzlich ein bedenklicher Erdschluß entwickeln. Auch wird die Gefahr, daß

Personen, die einen Teil des Kreises berühren, einen elektrischen Schlag erhalten, größer, wenn auch nur ein einzelner Fehler in der Maschine auftritt. Einige Firmen, besonders amerikanische, isolieren deshalb das Maschinengestell von der Erde¹).

Die Erfahrung des Verfassers spricht dafür, das Gestell der

Maschine sorgfältig mit Erde zu verbinden. Wenn dies geschieht, so wird die Gefahr eines Unfalles für die Wärter

die bei

Maschinen für hohe Spannung, wenn sie von der Erde isoliert werden, beträchtlich sind — auf ein geringes Maß zurückgeführt.

Berührung zwischen einem Ankerleiter und dem Eisenkerne kann eintreten, wenn die Eisenscheiben lose werden und die isolierenden Hüllen durchscheuern. Ist die Isolation nicht wasser-

it Die an manchen Maschinen verwendeten Blitzableiter sind selbst eine Fehlerquelle. Ist das Gestell der Maschine gut mit Erde verbunden, so bedarf es keines Blitzableiters an der Maschine. Blitzableiter sollte man an der Außenseite des Maschinenhauses, und zwar an der oberirdischen Einführung der Leitungen anbringen.

dicht und ist sie naß geworden, so kann sie beim Betriebe versagen. Zuweilen werden Anker infolge Verkohlung der isolierenden Hülle fehlerhaft, wobei die Überhitzung nicht durch die Ankerleiter, sondern durch den Eisenkern herbeigeführt worden ist. In solchen Fällen ist entweder der Kern nicht gut geblättert oder die Isolation zwischen den einzelnen Scheiben ist mangelhaft. Das zuweilen vorkommende Verbrennen der Bindedrähte rührt davon her, daß die notwendigen elektrischen Bedingungen nicht genügend erfüllt sind.

Wie alle umlaufenden Maschinenteile, sind auch Dynamomaschinen der Erhitzung der Lager ausgesetzt, wenn man nicht auf sorgfältige Schmierung und Beseitigung jeglichen Staubes hält.

Bruch von Verbindungen. Der Bruch von Verbindungsstücken zwischen Anker und Stromabgeber kann teils mechanische,, teils elektrische Ursachen haben. Die Verbindungsstücke befinden sich zum Teil in einem magnetischen Felde und leiten zeitweise starke Ströme, die zweimal während jedes Umlaufes die Richtung* wechseln. Beim Umlaufe werden sie deshalb durch seitliche Kräfte angegriffen, und durch die ununterbrochene Wiederholung erfolgt endlich ein Bruch. Um dies zu vermeiden, macht man die Verbindungsstücke mechanisch sehr stark, oder man stellt sie aus Litzendraht her, oder man ordnet sie so an, daß sie außerhalb des Streufeldes liegen.

Unterbrechungen im Anker. Zuweilen kommt eine Unterbrechung da vor, wo die Ankerleiter oder Wickelungen zusammengeschaltet oder zum Stromabgeber geführt sind. Dies zeigt sielt 1. durch Funkenbildung, die man durch Verschiebung der Bürsten nicht heben kann; 2. dadurch, daß einer oder mehrere Stäbe des Stromabgebers an der Kante verbrannt erscheinen.

Ein Weg¹⁷), den Fehlerort zu finden, ist, die Maschine mit kurz geschlossenen Bürsten ganz langsam laufen zu lassen. Nach einigen Minuten hält man die Maschine an und untersucht, ob

irgend welche Stellen der Verbindungsstücke heiß geworden sind, solches zeigt dann eine unvollkommene Unterbrechung an. Wird eine ganze Wickelung heiß gefunden, so deutet dies nicht auf Unterbrechung, sondern auf Kurzschluß hin. Eine unterbrochene Spule, wird durch die oben erwähnte Methode des Spannungsabfalles leicht gefunden. Wenn der Fehler nicht sofort gehoben werden kann und die Maschine weiter laufen muß, so kann man den zu der fehlerhaften Wickelungsabteilung gehörigen Stromwenderstab durch einen Tropfen Lot mit dem nächstfolgenden Stabe verbinden; dadurch wird die Funkenbildung und die Unterbrechung vorläufig beseitigt.

Mangelhaftes Zentrieren des Ankers. Ist infolge Abnutzung der Lager oder Verziehen des Magnetgestelles der Anker nicht genau zentriert, so daß die Pole ungleichen Abstand vom Anker haben, so treten ungleiche mechanische Beanspruchungen auf, und die verschiedenen Stromkreise im Anker führen ungleich starke Ströme, was wieder Veranlassung zu unnötiger Erwärmung und zur Funkenbildung an den Bürsten bietet. Bei zweipoligen Maschinen und vierpoligen Bahnmotoren wird zuweilen der Anker absichtlich etwas nach oben aus der Mittellinie entfernt, um die Lager zu entlasten. Dies darf aber nie bei Maschinen geschehen, die mehr als zwei Wege für die Ankerströme haben. Um ein gutes Zentrieren zu ermöglichen, ist ein kleiner, auf der Oberfläche mit Marken versehener Keil, der in den Luftspalt eingeführt wird, ein sehr nützliches Hilfsmittel.

Abflachungen am Stromabgeber. Es kommt vor, daß ein Teil des Stromabgebers mehr als der übrige Teil verbrennt oder sich abnutzt, oder daß zwei benachbarte Stäbe gleich angegriffen werden, so daß an der zylindrischen Oberfläche eine flache Stelle sich bildet. Zur Erklärung der Ursache einer Abflachung hat man verschiedene Gründe angegeben.

Besteht ein Stab aus ungewöhnlich weichem Kupfer, so kann er sich schneller abnutzen; der Fehler tritt indessen selten auf.

Eine unvollkommene Unterbrechung im Anker, in dem Teil, der mit dem betreffenden Stabe des Stromabgebers verbunden ist, gibt Anlaß zur Funkenbildung bei jeder halben Umdrehung und nutzt so den Stab ab. Man bemerkt, daß Abflachungen an einem Stabe auch von einem Riß an einer Stelle längs des Stabes fortschreiten.

Eine mechanisch schwache oder mangelhafte Triebvorrichtung bildet eine weitere unzweifelhafte Ursache der Abflachung. Wenn

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Thompson, Dynamomaschinen. 7. Aufl.

ein an einem dreiarmigen Ankerstern sitzender Anker sich auf einer Welle befindet, die sich biegt, so können periodische Schwingungen eintreten und ein Hüpfen der Bürsten und dadurch Funkenbildung an bestimmten Punkten des Stromabgebers veranlassen.

Ist der Anker gut gebaut und abgeglichen, und läuft er ohne zu schwingen um, so hat man Abflachungen kaum zu befürchten, falls der Druck der Bürsten hinreichend ist. Zeigt ein Stab des Stromabgebers Brennstellen an seiner Kante, so muß sofort Vorsorge gegen Abflachung getroffen werden. Mittels einer feinen Feile kann man die Oberfläche des Stromabgebers in der Nachbarschaft der Stelle glätten.

Wenn erforderlich, muß der Stromabgeber leicht abgedreht werden. Zu diesem Zwecke sollte ein schmales Werkzeug gebraucht werden, um das Kupfer nicht zu verschieden, die Oberfläche sollte mit feiner Schmirgelleinwand poliert werden; man hat dann zu prüfen, ob der dünne Glimmerstreifen zwischen den Kanten der Stäbe nicht metallisch überbrückt ist.

Fehler in den Wickelungen der Feldmagnete. Zuweilen treten auch Fehler in den Feldmagnetwickelungen auf. Sie können von zweierlei Art sein: Unterbrechungen oder Kurzschlüsse. Ist eine Unterbrechung vorhanden, so versagt die Maschine wahrscheinlich die Selbsterregung. Die verdächtige Wickelung ist an ihren Endpunkten zu lösen und zu untersuchen. Ein Leclanché-Element, sowie ein einfaches Galvanometer, oder in Ermangelung dessen ein Wecker, genügen zur Prüfung des ununterbrochenen Zusammenhanges der Wickelung. Sind die Gestelle, auf denen die Wickelung aufgesetzt ist, lose, so kann die dann entstehende Schwingung zu einem Bruche der Drahtenden führen, möglicherweise sogar an einem unterhalb der Oberfläche balegenen Punkte, der nur durch Auf Wickelung zu erreichen ist.

Tritt ein Kurzschluß zwischen zwei Wickelungen ein, so bleibt der kurz geschlossene Teil kühl, während der andere Teil der Wickelung warm wird. Der Kurzschluß einiger Nebenschlußwickelungen bringt eine gefährdende Überhitzung des übrigen Teiles der Wickelung hervor. Zwischen dem Eisengestell oder den Kernen und den Wickelungen kann ebenfalls ein Kurzschluß entstehen und, wie vorhin angegeben, festgestellt werden.

Besteht eine einzelne Berührungsstelle zwischen der Wickelung und dem Eisenteil des Feldmagnets, so kann ein einzelner Fehler an einer anderen Stelle — im Anker, am Stromabgeber, an den

Bürsten, Klemmen oder im Stromkreise — einen erheblichen Unfall herbeiführen. Bei Motoren hat jeder Fehler, der die * Erregung schwächt, eine Vergrößerung der normalen Geschwindigkeit zur Folge, ist also sehr gefährlich. Bei Kompoundmaschinen muß besonders darauf geachtet werden, daß kein falscher Kontakt zwischen den Nebenschluß- und den Kompoundwickelungen hergestellt wird.

Fehler in der Erregung. Wenn bei einer Dynamomaschine keine Erregung eintritt, so sind zunächst alle Verbindungen genau nachzusehen, wobei besonders dje Aufmerksamkeit auf die Richtung zu lenken ist, in welcher der Strom die Feldmagnetwickelung durchlaufen soll; sodann ist genau nachzusehen, ob die Bürsten in der richtigen Stellung sind, und ob sie guten Kontakt haben; ferner ist zu beachten, daß der äußere Stromkreis bei Nebenschlußmaschinen offen, bei Hauptstrommaschinen geschlossen ist. Wenn die Dynamomaschine noch nicht zur Erregung zu bringen ist, muß man die Bürsten abheben und das Feld aus einer unabhängigen Stromquelle erregen, wobei Sorge zu tragen ist, daß der Magnet mit Rücksicht auf den Drehungssinn und die Art der Verbindungen der Leiter untereinander richtig erregt wird. Hierbei wird eine Unterbrechung im Magnetfeldkreis sicher ermittelt.

Umkehrung der Polarität. Bei Nebenschlußmaschinen findet selten eine Umkehrung der Polarität statt; bei Kompound - und Reihenmaschinen tritt dieser Fehler öfter auf, besonders wenn sie für elektrochemische Zwecke verwendet werden. Man beseitigt den Fehler, indem man die Bürsten abhebt und mit Hilfe einiger Sammlerzellen einen Strom passender Richtung durch die Magnetspulen schickt.

Schwingungen und Geräusch. Starke Schwingungen können nur durch einen mangelhaft abgeglichenen Anker erzeugt werden. Schwingungen, die für die Maschine verderblich werden, eine Zerrung der Ankerleiter herbeiführen, die isolierende Hülle bröckelig machen, die Bürsten zum Hüpfen und Funkengeben veranlassen, können aber auch bei einer gut abgeglichenen Maschine Vorkommen, falls sie nicht gut genug auf einem starken Fundament befestigt ist.

Gleichstrommaschinen sollen geräuschlos laufen; gleichwohl findet häufig ein leichtes Summen statt, dessen Tonhöhe von der Zahl der Ankerzähne oder der Stromwenderstäbe abhängig ist. Besonders häufig macht sich dies bei Bahnmotoren bemerkbar, deren Stromwender abgenutzt ist.

¹

Weiteres über diese Vorrichtungen ist zu ersehen aus Weisbachs Ingenieur-Mechanik; ferner Spons Dictionary of Engineering, Artikel »Dynamometer«; Smiths Workmeasuring Machines; eine Reihe von Artikeln im Electrician, 1883/4, von Gisbert Kapp; Proc. Inst. Mech. Eng. 1877, S. 237 (Froude); Rep. Brit. Assoc. 1883 (Unwin); Journ. Soc. Telegr. and Electr., Bd. 12, S. 346 (Ayrton und Perry). Vergl. auch den offiziellen Bericht über die Elektrotechnische Ausstellung in Frankfurt 1891, wegen der Bremsversuche an den Lauffener Turbinen. Der Artikel in der Encyclopädia Britannica Supplement (1902), von Dalby herrührend, enthält eine vorzügliche Darstellung aller wichtigen Formen.

²

   Eine Form des Siemensschen Dynamometers ist von Hopkinson, Proc. Inst. Mech. Eng. 1879, beschrieben; eine neuere Form von Schröter,. Bayer. Industrie- und Gewerbeblatt, 1883.

³

   Journ. Frankl. Inst., November 1886.

⁴

   Vergl. Engineering, 2. Mai 1884, und Electr. Review, 26. April 1884.

⁵

   Journ. Soc. Telegr. Eng. and Electr., Bd. 12, S. 163, 1883.

⁶

   Ebenda, Bd. 18, 1889.

⁷

Bei den neueren Instrumenten weist der Zeiger nach oben.

⁸

   Philos. Trans. 1886, Bd. 2, S. 347. Electrician, Bd. 16, S. 347, 1886 und Electr. Rev., Bd. 18, S. 207 und 230, 1886.

⁹

   Electr. Rev., Bd. 18, S. 242, 1886.

¹⁰

   Ebenda, Bd. 19, S. 464, 1886. Electrician, Bd. 17, S. 410, 1886, und Bd. 21, S. 275, 1887.

¹¹

   Electrician, Bd. 16, S. 371, 1886.

¹²

   Electr. Rev., Bd. 19, S. 424 und 437, 1886.

¹³

   Ebenda, Bd. 21, S. 181 und 215, 1887.

¹⁴

   Sayers, Journ. Inst. Electr. Eng., Bd. 24, S. 137, 1895.

¹⁵

   Vergl. Burstyn, in der Zeitschrift für angew. Elektrizitätslehre 1881, S. 339; auch Schellen (II. Aufl.), S. 717; Ledeboer in La Lum. électr., Bd. 26, S. 2io, 3887; Meylan, in La Lum. électr., Bd. 26, S. 379, 1887, und Feußner, in Zeitschr. f. Elektrot. (1887), S. 108; ferner Puffer in Technology Quarterly, Bd. 5, S. 380, 1890. Vergl. auch die besondere von Wheeler angegebene Methode, U. St. - Patent Nr. 335048, 1886.

¹⁶

Vergl. Artikel des Verfassers im Electrician, Bd. 20, S. 82, 1887; ferner Elektrotechnische Zeitschrift, Bd. 11, S. 186, 1890; Electr. World, Bd. 14, S 99 u. 184 und Bd. 18, S. 383, 1891; Crocker und Wheeler, »Practical Management of Dynamos and Motors« (Van Nostrand, New York);

¹⁷

Eine andere, nur bei Trommelankern anwendbare Methode rührt von Loomis (Electr. Engin., New York, Dezember 1891) her, und besteht darin, daß man den aus einer unabhängigen Stromquelle mit Strom versehenen Anker mit der Hand festhält und ihn langsam in einem dem Drehungsmoment entgegengesetzt gerichteten Sinne umdreht. Wenn man hierbei eine Stelle findet, bei welcher die Drehung leichter zu bewirken ist, so ist es klar, daß an dieser Stelle eine Unterbrechung einen Teil des Stromes aufhält. Hierdurch kann man den Fehler leicht finden, indem man von den Stromwenderstäben ausgeht, die in dieser Stellung an den Bürsten liegen, und die Verbindungen genau verfolgt.

Namen- und Sachregister.

--offener Wickelung 58, 651.

—, praktischer Aufbau 385.

—, Quermagnetisierung 188.

—, Ring-, der Thomson - Houston-Maschine 665.

—, Schwankungen 259.

—, Sicherung der Wickelung durch Bindedrähte 400.

—, Stromwege 372.

—, I-, 15, 52.

—, Triebstücke 400.

—, ungerade Zahl der Zähne und Stromwenderstäbe 573.

—, Unterbrechungen 864.

—, Verbrennen 861.

—    von Alioth 412.

—    — Bollmann 381.

A.

Abfall der Charakteristik von Reihenmaschinen 300, 315, 671.

Abflachungen am Stromabgeber 865.

Abkühlungsoberfläche, Regeln zur Ermittelung, von Parshall 608.

Abschalten, Funkenbildung 807.

Abschleifen des Stromwenders 861.

Achard. 731 Leistung und Wirkungsgrad einer Triebmaschine.

Adams. 852 Prüfung von Maschinen.

Admiralität, britische. 838 Vorschriften über Temperaturmessung.

Aliamet. 695 Dreileitermaschinen.

Alioth. 159 Feldmagnetspulen, 645 Maschine für elektrolytische Zwrecke, 413 Schablonenwickelung.

Allan. 60 Polanker.

Allen. 88 Gußstahl für Feldmagnete, 249 Reaktanzspannung.

Allgemeine Elektricitäts- Gesellschaft. 802 automatischer Regler, 784 Bau von Kleinmotoren, 592 .Dynamomaschine, 641 elektrolytische Masch.

Alliance-Maschine 15.

Amberglimmer 442.

Ampère. 11, 43 Stromregel.

Amperewindungen 77, 81.

Anfahrzeit bei Motoren 770.

Angaben, geschichtliche, über Maschinen 8 — 42.

Anker 3, 4, 53 ff.

—, Ausgleichung 425.

—, Bindedrähte 400.

—, Blätterung 199.

— der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft 60, 411, 417.

Anker der Bogenlichtmaschinen 320.

—    — British Thomson-Houston-Ge

sellschaft 416.

---Oerlikon-Gesellschaft 394, 407.

—, Einteilung 58.

—, Endverbindung 325.

—, Entmagnetisierende Tätigkeit 324, 473-

—, Form der Zähne 387.

—, geschlitzter 135, 139.

—, gyrostatische Tätigkeit 424.

—, Induktion 50.

—, Isolierung der Eiserkerne 176, 389. —, Kurzschlüsse 862, 865.

—, Lüftung 398.

—, mangelhaftes Zentrieren 865.

—, mit Draht bewickelte 411.

—    — Drahtkernen 62, 385.

--geschlossener Wickelung 58,

338-

Anker von Brown 389, 399, 408.

—    — Brusli 657.

--Desroziers 382.

—    — Dick, Kerr & Co. 397.

—    — Edison 381, 406.

—    — Fritsche 61, 382.

—    — Fynn 412.

—    — Gramme 55, 58.

--Kapp 399.

—    — Müller 381.

—    -— Pacinotti 55, 380.

—    — Siemens 52.

— --Thomson-Houston & Co. 378.

—, Wechselwirkung zwischen — und

Feldmagnet in e. Triebmaschine 753. —, Wickelung 403.

—, Wirkungen und Gegenwirkungen 178.

Ankerbau 55 — 61.

Ankerformel 334.

Ankergegen Wirkungen 196. Ankergewicht 5x2.

Ankergröße, Verhältnis zur Umdrehungszahl 482.

Ankerkern 62, 385.

—    aus Draht 62, 385.

—, Erwärmung 199.

—, gezahnter 287.

—, glatter 139, 400.

—, magnetische Abmessungen 139.

—-, Verkürzung 227, 247.

—    von Jacobi 12.

Ankerkernscheiben, Antrieb nach Brown 392.

—    — —, nach Kapp 391.

Ankerleiter 320, 402.

—, Abstand 323.

—, Anordnung in Schlitzen 421.

—, Einbetten 205.

—, Gruppen 333.

—, Länge 511.

—, Zahl 378, 492.

--bei Schleifenwickelung 563.

—, Zug 208.

Ankerrückwirkungen 71.

Ankerstern 389.

Ankerstrom, entmagnetisierende Wirkung 231.

Ankerstrom, Kurve des gesamten 309. —, Wirkung 66.

Ankerwickelung 55, 179, 402.

—, Art 499.

—, dreigängige 338.

, eingängige 336, 346.

—    für Gleichstrommaschinen 334.

—, geschlossene, offene 320.

—, Methode m. Hilfswickelungen 756. —, Regeln 58 ff.

—, rechtsgängige Ring- 321.

—, — Trommel- 322.

—, Sehnenwickelung 245, 284, 359.

—, Theorie 320.

—, vielpdlige Ring- 327.

—, vierteilige offene 652.

—    von Gramme 59.

—    — Pacinotti 59.

—, Zug 202.

—, zweigängige 337, 346.

Anker widerstand 465.

Ankerzähne 59, 387.

Anlassen der Maschinen 857.

—, Stromstärke beim Anlassen eines Motors 829.

Anlasser für Dynamomaschinen 798.

--Motoren 804.

—, Leerkontakte 807.

—, Verbindungen am Nebenschlußmotor 808.

Anlasserkontakte 807. Anlaßstromstärke 821.

Anlaufen, verkehrtes, einer Triebmaschine 764.

Ansatz 116.

Antrieb, Hilfsmittel 210.

Appold. 839 Bremsvorrichtung, 840, 841 Reibungsdynamometer.

Arbeit 731.

—, elektrische 211.

—, maximale, einer Triebmaschine 733. —, mechanische 211.

—, Wiedergewinnung 753. Arbeitskonstanten 489.

Armstrong, Mitchell & Co. 460 Bürstenhalter.

Arnold. 351 abgekürzte Wickelungstafel, 41, 321, 339 Ankerwickelung,

775 Regelung von Trieb-

379 Ausgleichsverbindungen,    469

Erwärmung des Stromwenders, 42 Gleichstrommaschinen, 702 homopolare Maschinen, 41 Kommutator, 218 Kontaktwiderstand, 415 Schablonenwickelung, 329 Schleifen - und Wellenwickelung, 137 Streuung, 438 Stromabgeber, 373 Wellen wickelung, 391 Wirbelströme im Anker.

Arnold u. Mie. 227 Stromumkehrung.

Arnoldsche Wickelung 348.

Arnoux. 321 Ankeraufbau, 382 Wellenwickelung.

Auerbach. 36 Theorie der Maschinen.

Aufsicht, tägliche, über d. Masch. 859.

Aufstellung von - Dynamomasch. 857.

Ausblasemagnete 807.

Ausgleicher 417, 694.

Ausgleichsdynamomaschine 707, 709.

Ausgleichsmaschinen 692, 707.

Ausgleichsringe 377, 417.

Ausgleichsverbindungen am Anker

²9x> 374-

Ausgleichswickelungen 678, 685.

Ausgleichung des Ankers 425.

Ausnutzung, günstigste, des Materials

5X5-

Ausschalter, selbsttätiger 806.

--, für einen Regulator 809.

Ausstrahlungsvermögen 828.

Äußere Charakteristik 297, 306.

Ayrton. 234 entmagnetisierende Wirkung des Ankerstromes, 732 hohe Spannung.

Ayrton und Perry. 839, 841, 843 Dynamometer, 197 Energieverlust, 135 Leitungsfähigkeit, 39 Regulierung von Elektromotoren, 760, 764 Theorie der selbstregelnden Triebmaschinen, 756Triebmaschinen mit schwachen Feldmagneten und kräftigen Ankern, 775 Zusatzmethode zur Regelung von Motoren.

B.

Babbits Metall 430.

Badspannungen 649.

Baily. 39 magnetisches Feld, 104 Hystereseverluste.

Baker. 18 Erregung.

Bandbremse, elektromagnetische 812. Barlow. 38 Umlaufende Scheibe. Barrelwindin g 407.

Barrett. 88 Magnetisierungskurve. Bastardwickelung 405, 411.

Bäte.

maschinen.

Batley. 119 Feldmagnet.

Batterie, galvanische 725.

Batterie-Zusatzmaschine 708, 715. Bauch. 196 Ankergegenwirkungen. Bauliche Prüfung der Dynamomasch. 837-

Baur. 177 Isolierung.

Bayley Marshall. 430 Kugellager. Bedienung von Dynamomasch. 857. Befestigung der Wickelungen 163. Behandlung von Dynamomasch. 853. Behn-Eschenburg 578.

Behrends. 41 Induktionsmotor. Belastung, künstliche induktionsfreie 835-

Berechnung einer Maschine, Reihen-folge 497.

Bergische Stahlindustrie. 87 Dynamostahl.

Bertin. 25 Nebenschluß wickelung. Beruhigungswiderstände bei Bogenlampen 650.

Beschleunigung der Motoren 770. Bessey. 196 Ankergegenwirkungen. Betrieb von Dynamomaschinen und Motoren 837.

Bindedraht für Anker 400.

—, Berechnung 400, 497.

—, Verbrennen 864.

Blathy. i98Energieverlust, 88 Magnetisierungskurve.

Blätterung der Ankerkerne 199, 398. Blindkontakte 811.

Blood. 484 Ankerleistung. Bodenplatten 434.

Bogenlampen, Schaltung 650.

—, Spannung und Stromstärke 650. Bogenlicht, Maschinen 650. Bogenlichtbeleuchtung, Spannung 577. Bollmann. 381 Scheibenmaschine.

Booster siehe Zusatzmaschine.

Bosanquet. 80 magnetomorische Kraft.

Boudreaux. 459 Bürstenhalter.

Boy la Tour. 227 Stromumkehrung.

Brackett. 845 Maschinenprüfung.

Bradley. 670 Bogenlichtmaschine.

Bramwell. 842 Dynamometer.

Bremse 810.

Bremsen des Nebenschlußmotors 811.

— — Reihenmotors 810.

—, elektrisches 810.

—, mechanische, durch Elektro-magnete ausgelöst 812.

Bremsmethode zur Prüfung mechanischer Leistungen 839, 840.

Bremsung, elektrische 821.

—, magnetische, von Motoren 771.

Bremszaum von Prony 840.

Brett. 13, 18 Erregung des Magnetismus.

British Thomson-Houston Co. 807 x\usblasemagnete, 457 Bürstenhalter, 788 Eisenbahnmotor mit direktem Antrieb, 806 Motoranlasser mit selbsttätigem Ausschalter.

Brooke. 1 Name der Maschinen.

Brotherhood. 435 Kuppelungen.

Brown 578.    392 Antrieb der Anker

kernscheiben, 634 Dynamomaschine für metallurgische Zwecke, 34, 116, 118,    120 Feldmagnet, 159 Feld-

magnetspulen, 32 Gleichstrommaschine, 697 Homopolarmaschine, 40 Induktionsmotor, 392 Kernscheiben, 244 kreisförmige Pole, 407,    586 Mantelwickeluug, 127

Maschine für metallurgische Zwecke, 168 Spulenerwärmung, 636 Stromerzeuger für Elektrolyse, 29 Theorie der Maschinen, 448 Verbinder, 34, 35 Wechselstrommaschine.

Brown, Boveri & Co. 586 Gleichstrommaschinen, 675 Hochspannungsmaschine, 543Nebenschlußmaschine, 683 Turbodynamo.

Bruch von Verbindungen 864.

Brush. 657 Anker, 655 Bogenlichtmaschine, 802 elektrische Regelung, 115 Feldmagnet, 74 gemischteWicke-lung, 105 magnetische Dämpfung, 632 Maschine für elektrolytische Zwecke, 25 Nebenschlußwickelung, 26 offene Wickelung, 658 Stromwender.

Brush Co. 822 elektrische Bremsung.

Buchstaben in Formeln für Dynamomaschinen 253.

Bullock, Teaser und Spence. 778 Spannuugsverminderer.

Bürgin. 116 Feldmagnet.

Bürsten 4, 51, 54, 180, 217, 218, 436, 449.

—    an Maschinen für metallurgische Zwecke 632.

—, dritte 693.

—, feste 217.

—, Parallelschaltung 363.

-—, Reibungsverlust 468.

—, Stellung 195, 453.

—, Zahl und Größe 451.

Bürstenhalter 54, 436, 453.

—    mit Gegendruck 460, 617.

Bürstenhebel 54.

Bürstenreihen, Zahl 491.

Bürstensatz, neutraler 693.

Bürstensätze, Zahl 369 ff.

Bürstenstangen 462.

Bürstensteller 453.

Bürstenstift 457.

Bürstenverschiebung 70, 188, 216, 234,

305. 745- 75²- 753-

—, negative, positive 755, 757.

—, selbsttätige 667.

Burstyn. 854 Parallelschaltung von Maschinen.

C.

Caban eilas. 202 Einfluß der Wirbelströme, 707 Gleichstromumsetzung, 197 scheinbarer Widerstand. Caldwell. 803 Regelungsmethode. Canfield und Robinson. 177 Isolierung.

Capito & Klein. 88 Dynamoblech. Cardew. 846 Maschinenprüfung, Carhart. 739 Wirkungsgrad.

Carnot. 736 Wärmemaschine.

Compound-Wickelung 37.

Cooper. 116 Feldmagnet.

Corsepius. 146 Entwerfen von Ankern, 507 Entwerfen von Maschinen. Couffinlial.

799

Carpentier. 841 Dynamometer. Castner. 629 Erzeugung von Soda. Charakteristik 293, 473, 740.

—, abfallende 300.

—    —, für Bogenlichtmaschinen 671. —, Ableitung des Widerstandes 301. —, äußere 297, 306.

—    —, für Maschinen mit Selbst

regelung 319.

—, Beziehung z. Umlaufsgeschwindigkeit 300.

—    — zur Anker- und Magnetwickelung 302.

—    der besonders erregten Masch. 305.

—    — Magnetomaschine 305.

—    — Maschine zum Laden von Sammlerbatterieen 315.

—    — Nebenschlußmaschine 306.

-— — Nebenschlußmaschine m. Dauermagnetismus 310.

--- Reihenmaschine 297.

-— — —, Beziehung zur Umlaufsgeschwindigkeit 300.

-— der Verbundmaschine 317.

—, fallende, steigende 854.

—, innere 306.

—, mechanische 208, 740, 743, 745.

Charakteristische Kurven der Dynamomaschinen 235, 292.

Chatwood. 775 Regelung von Triebmaschinen.

Clarke. 116 Feldmagnet, 11 Maschine.

Clarke, Forde und Taylor. 147 Kupfer-wid erstand

Clausius. 37 Theorie der Maschinen, 198 Wirbelströme.

Cockney. 705 Dynamotor. Compagnie de 1’Industrie Électrique. 794 Motor für Zahnradlokomotiven.

magnetische Regulierung.

Cowlesscher Ofen 633.

Crocker. 674 Gleichstrommaschine mit hoher Spannung, 671 Kohlenbürsten, 759 Regelung von Triebmaschinen, 155 Spulenberechnung.

Crocker und Parmly. 702 Entwurf der Homopolarmaschine.

Crocker und Wheeler. 861 Fehler in Maschinen.

Crocker-Wheeler Co. 783 Bau von Kleinmotoren, 706 Gleichstromtransformator, 126 Jochform.

Crompton. 28 Ankerkern, 452 Bürsten, 116, 118 Feldmagnet, 38 gemischte Wickelung, 391 Kernscheiben, 851 Prüfung von Maschinen, 718, 719 Schaltung für Batterie - Zusatzmaschinen, 420 Stabwickelung, 405 Wirbelströme.

Crompton & Co. 634 Dynamomaschine, 633 Teilung der Hauptleitungen, 29 vierpolige Maschine.

Curtis. 699 Dampfturbine.

D.

DaB>y. 425 Ausgleichung des Ankers, 841, 843 Dynamometer.

Dalemont. 416 Ankerkupferverbrauch.

Dal Negro. 11 Magnetmaschine, 38 Triebmaschine.

Dampfturbine nach Parsons 683.

— — Zölly 680.

—, Vorteile 627.

Dampfturbinenmaschine 482.

Dämpfung, magnetische 104.

Dampfverbrauch, Grenze 851.

—, Methode zur Prüfung mechanischer Leistungen 840.

Darstellungen, graphische 292.

Davenport. 38 Triebmaschine.

Davidson. 724 elektromagnetische Maschine, 38 Triebmaschine.

Davies. 415 Schablonenwickelung.

Davis. 39 umlaufender Magnet.

Deprez. 39 Arbeitsübertragung, 36, 37, 293 Charakteristik, 317 Charakteristik der Verbundmaschine, 117 Feldmagnet, 72 Fremderregung und Reihenschaltung, 651 gemischte Wickelung, 845 Maschinenprüfung, 840 Reibungsdynamometer.

26 Wechselstrom-

17.

Deprez und Brackett. 269 Maschinenleistung.

Déri. 242 funkenlose Stromabnahme, 35 Mittel gegen Funkenbildung, 778 Zusatzmethode zur Regelung von Motoren.

Desroziers. 799 magnetischer Nebenschluß, 61 Scheibenanker, 35, 382 Scheibenmaschine.

Dettmar. 850 Eisen Verluste, 145 Kraftliniendichte, 852 Reibungsverluste an Maschinen.

Dévolteur 712.

Diagramm siehe Indikatordiagramm.

Diakritisch 112.

Dichte, magnetische 79, 491.

Dichteverhältnis 251.

Dick. 146 Kraftliniendichte.

Dick, Kerr & Co. 244 Polschuhe, 378 Ausgleichsringe, 463 Stellring, 618 Dynamomaschine, 786 Straßenbahnmotor.

Dielil. 799 magnetische Regulierung.

Dielektrischer Widerstand 172.

Differentialwickelung von Triebmasch. nach Ayrton und Perry 760, 764.

Dina. 104 Hystereseverluste.

Distanzstücke 399.

Dolivo-Dobrowolsky. 70 Drehstrommaschine, 694 Dreileitermaschinen, 242 Gestaltung der Polspitzen, 18 Maschine, 34Wechselstrommaschine.

Doppelbürstenhalter 457.

Doppelmaschinen 704.

Doppelstrommaschine 690.

—    von Brown, Boveri & Co. 586.

Drahterhitzung 828.

Drahtkerne im Anker 62, 385.

Drahtstärke bei Rheostaten 826.

Drahtwickelung 418.

Drehmoment 205, 207.

—    bei Motoren 770.

—, Beziehung zur Größe des Ankers bei Triebmaschinen 779.

—, — zur Stromstärke eines Hauptstrommotors 748.

—, — zur Geschwindigkeit einer Triebmaschine 740.

Drehmoment einer Triebmaschine 739.

—    und Geschwindigkeit einer Triebmaschine, allgemeine Ausdrücke 74T.

Drehrichtung, Umkehren von Motoren 809.

—, Umsteuerung eines Gleichstrommotors 817.

—, Wechsel 756.

Drehungshysterese 103. Dreileitermaschine 692.

Dreileiternetz 692, 709. Dreiphasenverbinder 378.

Dritte Bürste 693.

Drosselspule 247.

Druck auf die Lager 423.

Drysdale. 92 magnetische Durchlässigkeit von Eisen.

Dub. 724 Triebmaschinen.

Dujardin, m aschine.

Duncan und Hassen. 852 Versuche an Maschinen.

Durchlässigkeit, magnetische 77, 84.

—    —, Grenzen 85.

Durchmesser der Stromwendung 190,

195. 652.

Durchschlagen der Isolation 858. Dynamomaschine, alte, von Siemens 5². 258.

—■, Anlassen 857.

—, Aufstellung 857.

—, Bedeutung der Buchstaben und Formeln 253.

—, Bedienung 857.

-—-, Begriff 2.

—, Behandlung 853.

—, Beispiele neuerer 577.

—, Berechnung 562ff.

—, — der Bindedrähte 400, 401, 497.

—,--Wickelungen 492.

—, — des magnetischen Kreises ro6. —, besondere Gattungen 674.

-—, besonders erregte 66, 268.

—, Bestandteile 50.

—, Beziehung der Größe zur Leistung und Geschwindigkeit 481.

—, Charakteristik 292.

—, charakteristische Kurven 235.

Dynamomaschine der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft 592, 641.

—    — Brush - Company (Viktoria-Maschine) X19, 374.

—    — Eddy Manufacturing Co. 645.

—    — Electric Construction Co. 624.

—    — Electrical Co. (A. E. G.) in London 691.

—    — English Electric Manufacturing Co. (Dick, Kerr & Co.) 618.

¹— — Felten & Guilleaume Lahmeyer-werke Akt. - Ges. 594.

-— — General Electric Co. 601, 645.

--Holtzer Cabot Co. 643.

—    — International Electrical Engineering Company 627.

—    — Maschinenfabrik Oerlikon 578, 636ff., 678, 680.

--Schirm gattun g 433.

—    — Siemens - Schuckertwerke 613, 681.

—    — Société Cail 674.

--Société de l’Industrie Électrique

642.

—    — Union Elektrizitäts-Gesellschaft 562, 624.

—    — Walker Manufacturing Co. 530.

—, Doppelstrommaschinen 690.

—, Dreileitermaschinen 692.

—, Druck auf die Lager 423.

—, Einteilung 53.

—, elektrische Berechnungen 479.

—-, elektrisches Güteverhältnis 269.

—, Entwerfen 479.

—, Erregermaschiuen 674.

—, Fehler 861.

—, Fundamentierung 857.

—    für Bogenlicht 650.

—    — direkten Antrieb durch Dampfturbinen 589.

—    — gleichbleibende Stromstärke und -richtung 686.

—    — Gleichspannung 276.

—    — Metallausscheidung von Wool-rich 629.

—    — Metallniederschläge 631.

—    — metallurgische Zwecke 629.

—, gebräuchliche Spannungen 577,

Dynamomaschine, Geräusch 867.

—, Geschichte des Namens 1.

—, geschichtliche Angaben 8—42.

—, Geschwindigkeit 744.

—, Gewicht 511.

—, Grundgleichung 208, 212, 254.

—, Homopolar- (Unipolar-) Maschinen

695-

—, ideale einfache 50.

—, Kammzapfenlager 431.

—, Keile und Federn 402, 434.

—, Klasseneinteilung 2.

—, Kosten 511.

—, Kugelschalenlager 431.

—, Kuppelung 435.

—, Lager und Gestelle 429.

—, Laufschienen 857.

—, Leistung 207.

—, magnetische Abmessungen 138.

—, — Berechnung 128.

—, Methoden zur Selbsterregung 67.

—    mit besonders geringer Geschwindigkeit 686.

—    — — hoher Geschwindigkeit 678.

—    — — hoher Spannung 674.

--Dampfturbinen 674.

—    — Fremderregung und kurz geschlossenem Anker 687.

—    — offener Wickelung 651.

—    — — —, Vorteile 669.

—    — Selbstregelung 279.

—, ökonomischer Koeffizient 269.

—, Parallelschaltung 854.

—, physikalische Theorie 43 ff.

—, Prüfung 837, 850.

—, — vor dem Anlaufen 858.

—, Regeln für den Bau 62.

—, Regelung 66, 276.

—, Riemenscheiben und Riemen 434. —, Schaltungsarten 71.

—■, Schema zum Entwerfen 516.

—, Schmiergefäß 431.

—, Schwingungen 867.

—, selbsterregende, mit getrenntem Erregerkreis 69.

—, selbstregelnde 279—291, 760.

—, Selbstregelung 281.

—, Spannung an den Klemmen 265.

Dynamomaschine, Spannungsverlust 266.

—, Standort 857.

—, tägliche Aufsicht 859.

—, Theorie 253.

—, Turbogeneratoren 674.

—, überkompoundierte 74, 511.

—, Untersuchung ausgeführter 521. —, Verwendung für Gleichstrom als Triebmaschine 758.

—    von Alioth 420, 645.

--Bradley 670.

--Brown 32, 127, 634, 636.

—    — Brown, Boveri & Co. 368, 422, 429, 446, 543, 586, 675, 683.

--Brush 300, 450, 655.

—    — Crocker 674.

—    — Crompton & Co. 634.

—    — Dick, Kerr & Co. 618.

--Edison - Hopkinson 30, 275, 326,

423. 437-

-— —- Eickemeyer 119.

—    — Ganz & Co. 616.

—    — Gramme 724.

—    — Gülcher 454.

—    — Hobart 485, 562, 627.

—    — Hurmuzescu 670.

—    — Johnson und Phillipps 578.

- Kapp 63, 275, 423, 429, 434, 553. --Kolben 686.

--Kolben & Co. 244, 366, 485,

573- 596-

—    — Kummer & Co. 610.

—    — Lundell 122.

—    — Mather & Platt 31, 434.

—    — Parshall 244.

—    — C. A. Parsons & Co. 647.

--Pöge 693.

—    — Postel-Vinay 420, 430, 612.

—    — Rosenberg 686.

—    — Rothert 608.

—    — Scott und Mountain 275, 364, 378, 440, 521, 590.

—    — Siemens 275, 306.

—    — Siemens & Halske 369, 612. --Siemens & Halske (Wien) 608, 626.

—    — Sperry 670.

--Thomson-Houston 450, 655, 664.

Dynamomaschine von Thury 445, 642, 677.

—    — Westinghouse 646, 670.

—    1— Wood 671.

—, wesentliche Teile 50.

—, Wirkungsgrad 268.

—, Zapfen 425.

—    zum Laden der Sammler 647.

—    zur Beleuchtung von Eisenbahnzügen 686.

—, Zusammenschalten mehrerer 853. Dynamometer 839.

Dynamometrische Methode z. Prüfung mechanischer Leistungen 839, 842.

—    Regler 759.

Dynamostahl 87.

Dynamotor 705.

E.

Easton u. Anderson. 843Dynamometer.

Eddy Manufacturing Co. 645 Maschine zur Herstellung v. Metallüberzügen.

Edison. 450 Bürsten, 27, 114 Feldmagnet, 707 Gleichstromumsetzung, 26 Maschine mit schwingender Bewegung, 381 neue Sch eiben Wickelung, 278 Regelung, 406 Trommelanker.

Eickemeyer. 119 Feldmagnet, 413 Schablonenwickelung, 706 Wickelung.

Eigenregelung 478.

Einbetten der Ankerleiter 149ff., 205.

Einheit, magnetische 77.

Einheitspol, magnetischer 75.

Einschalten des Stromes durch Fahrschalter 813.

Einschalter 813.

Einschaltvorriclitung, selbsttätige 783.

Ein- und Ausschalten eines Widerstandes durch Schaltwalze 814.

Eisen, magnetische Eigenschaften 75.

Eisenbahnmotor mit direktem Antrieb 788.

Eisendrähte für Rheostaten 828.

Eisenverluste 103, 464, 466.

Electric Construction Company. 624 Dynamomaschine.

rakteristik, 42 Methoden beim Entwurf der Maschinen, 167 Spulenerwärmung, 41 Theorie d. Maschinen.

Wechselstrom-

ii

Electrical Co. (A. E. G.) in London.

691 Doppelstrommaschine. Elektrische Bremsung 821.

—    Methode zur Prüfung mechanischer Leistungen 839, 845.

Elektrisches Güteverhältnis 269. Elektromagnet, Gesetz m.

—, Sättigungskurve 93, 295. Elektromagnetische Maschine 724. Elektrometallurgie, Zahlenangaben 648.

Elektromotor 724.

—, Grundgleichung 741.

—, Verhalten 735.

Elektromotorische Gegenkraft 726.

—    — im äußeren Stromkreis 798.

—    Kraft, 43ff., 48, 52, 63, 179, 196, 220, 227, 320, 326.

—    —, Beziehung zur Klemmenspannung 266.

—    —, — zur Lknlaufsgeschwindigkeit 196, 255.

—    — der Selbstinduktion 220.

—    —, funkengebende 227.

—    —, Grundgleichung 253.

—    —, Messung 183 (Hilfsbürste).

—    —, Meßmethode von Joubert 185.

—    —, -— von Mordey 184, 185.

—    —, — von Swinburne 184.

--, Richtung 43, 179, 199, 323.

—    —, Schwankungen 258.

Elmore. 702 homopolare Maschinen,

63 c Maschine für Kupferläuterung. Elphinstone. 28 magnetischer Kreis, 28 vielpolige Maschine.

Eiwell. 116, 118 Feldmagnet.

El well- Parker. 705 Gleichstrom-Umformer.

Emde. 702 homopolare Maschinen. Endkernplatten 389.

Endverbindungen im Anker 325, 406,

463-

Energie, Gesetz von der Erhaltung 725. Energie Verluste, Bestimmung 495. English Electric Manufacturing Co.

siehe Dick, Kerr & Co. Entmagnetisierende Kraft 188, 231. —Wirkung d. Bürstenverschiebung 753.

EntmagnetisierendeWirkung im Anker

3²4> 473. ⁶72.

Entwerfen von Maschinen, Schema 516. Entz. 718, 719 Schaltung für Batterie-Zusatzm aschinen.

Ergometer 839.

Erhitzung 188.

Erregermaschine 674.

—, langsam laufende 686. Erregerwickelung, Bestimmung 137. Erregung 77.

—, Fehler 867.

Erregungsänderung 799. Erregungsverluste 464, 467. Erwärmung 464, 494.

—    der Kerne 199, 398.

--Leiter 729.

—    — Spulen 164, 169.

—    des Eisens im magnetisch. Felde 95.

—    — Stromwenders 469.

Escher, Wyß & Co. 681 Dampfturbine. Eßberger. 778 Zusatzmethode zur Regelung von Motoren.

Esson. 483 Ankerleistung, 305 Cha

Ettingshausen.

maschine.

Everett und Peake. 223 Kurven der Stromumkehrung, 249 Reaktanzspannung.

Evolutenwickelung 405, 406, 411, 415.

Ewing. 96 Hysterese, 94, 98, 103 Magnetismus des Eisens, 852 Prüfung einer Dampfturbine, 105 zähe Hysterese.

F.

Fahrschalter 798, 813, 823.

— von Westinghouse 820.

Fangvorrichtung 454.

Faraday. 66 Dynamomaschine, 38 elektromagnetische Drehung, 1, 2, 5, 8, 42ff., 47 Induktion, 79 magnetischer    Kreis, 76 magnetische

Linien.

Faradays Kupferzylinder 695.

Fernleitungsdynamo 707. Ferranti.

678

Faradaysche Scheibe 9, 695. Faradayscher Kreisel 9.

Farcot. 612 Ankerlager.

Farmer. 18 Erregung.

Favre. 36 Theorie der elektrischen Maschinen.

Federn 434.

Federumschalter 808.

Fehler in Maschinen 861.

—    in Trommelankern, Methode zur Eingrenzung 863.

Fein. 119 Feldmagnet, 24, 613 Innen-polmaschine.

Feld eines Stromerzeugers und einer Triebmaschine 757.

—, magnetisches 4, 43ff.

—    —, Methoden zur Erregung 65.

—    —, umlaufendes 40.

—    —, Verschiebung 194. Felderregung, Änderung zur Erhöhung der Geschwindigkeit eines Motors 768, 773.

Feldmagnet 3, 4, 53.

—, Berechnung 151.

—, Erwärmung der Wickelungen 164. —, Fehler in den Wickelungen 866.

-—, Formen n6ff.

—, Lüftung 164.

—, magnetischer Rückstand 294.

—    mit Einschnürungen 238.

—    — Längsschlitzen 238.

—    — schrägen Schlitzen 238.

—, Notwendigkeit kräftiger — 212.

—, symmetrische Anordnung 123.

—, Querschnitt 490.

—    von Brown 634.

—, Wechselwirkung mit dem Anker in einer Triebmaschine 753. Feldmagnetismus, Methoden zur Erregung 65.

Feldmagnetspulen 159.

—, Aufbau 619.

—    von Scott und Mountain 590. Feldmagnetwickelung, Fehler 866. Feldrheostat in Reihe mit den Magnetspulen eines Motors 769.

Feldschritt 333.

Feldstärke, magnetische 75.

Feldumkehrung, Theorie 215.

Felten & Guillaume Lahmeyerwerke Akt.-Ges. 594 Doppelschwungrad-Maschine.

120 Feldmagnet, Gleichrichter, 152 Raumfaktor, 61 Scheibenanker, 168 Spuleuerwär-muug, 28, 34 Wechselstrommasch. Ferraris. 40 Wechselstrommotor. Feußner. 854 Parallelschaltung von Maschinen.

Field. 852 Prüfmethoden.

Firth. 799 Methode zur Änderung der Erregung.

Fischer-Hinnen. 389 Ankerbau, 240 funkenlose Stromabnahme, 41 Kommutator, 469 mechanische Verluste, 35 Mittel gegen Funkenbildung, 490 Polzahl, 415 Schablonenwickelung, 143 Streuung.

Fischinger. 610 Dynamomaschine, 839, 843 Dynamometer, 238 Feldmagnet.

Flachringanker 62.

Flachringmaschine 116.

Fleming. 113 magnetischer Widerstand, 43 Regel für die Induktion, 826 Rheostaten, 202 Zug auf die Ankerwickelung.

Fliehkraft 424.

Flußeisen 91.

Flüssigkeitsregler 836.

Flüssigkeitswiderstände 835.

Fontaine. 39 Arbeitsübertragung.

F'orbes. 118, 119 Feldmagnet, 240 funkenlose Stromabnahme, 696 Homopolarmaschine, 450 Kohlenbürste, 135 Leitungsfähigkeit, 35 Wechselstrommaschine.

Formeln für das Entwerfen von Gleichstrommotoren 779.

F'oucaultströme siehe Wirbelströme.

Fremderregte Triebmaschine m. regelnder Reihenwickelung 761.

Fremderregung 72.

Frequenz der Doppelstrommaschine 692.

—    — Triebmaschinen, graphische Darstellung 734.

Gesetz von Joule 732.

Gestelle 429.

—    der Maschine, Verbindung mit Erde 863.

Gilbert 78.

Girault. 720 Batterie - Zusatzmaschinen, 695 Dreileitermaschinen, 717 Regelungswiderstände.

Fritsche. 41, 321 Aukeraufbau, 35, 61, 382 Scheibenanker, 41 Theorie der Maschinen, 360 Trommelwickelung, 329 Wellenwickelung, 326 Wickelungsdiagramm.

Frölich. 295 charakteristische Kurven, 112 Formel für den Elektromagnetismus, 765 Kurven f. Triebmaschinen, 753 mechanische Charakteristiken, 233 Quermagnetisierung, 36 Untersuchung an Dynamomaschinen, 198 Wirbelströme.

Frölichsche Maguetisierungsformel IT2, 751.

Froment. 38 Triebmaschine.

Froude. 839 Bremsvorrichtung, 842 Dynamometer, 841 Dynamometerbremse.

Fundamentierung der Maschinen 857.

Fünfleiternetz 709.

Funkenbildung 123, 188, 195, 215, 219, 230, 371, 436, 437, 451, 632, 654, 860.

—, Bedingungen für die geringste 754. 756-

— beim Abschalten 807.

—, Punkt der geringsten 660.

—, Ursache 213.

—, Vermeidung 2i3ff., 668, 671.

Funkenlöschung durch einen Luftstrom 669.

P'unkenlose Stromwendung 753.

Fynn. 460 Bürstenhalter, 121 Feldmagnet, 229 Spulenwindungen.

G.

Gaisberg. 187 Potentialkurven. Gallußer. 227 Stromumkehrung. Ganz. 119 Feldmagnet.

Ganz & Co. 616 Dynamomaschine für Schiffsbeleuchtung, 24, 613 Innenpolmaschine, 34 Wechselstrommaschine.

Gasmaschine, Verwendung 627. Gaugain. 183 Induktionskurven. Gauß 76, 77.

Gegenkraft, elektromotorische 726.

— — im Anker 324.

Gegenkraft, elektromotorische, im äußeren Stromkreis 798.

—    —, innere 799.

Gegenwirkungen im Anker, magnetische 188.

—    — —, mechanische 202.

Gelsenkirchener Gußstahlwerke. 88

Dynamostahl.

Gemischte Wickelung 279.

—    —, Vorausberechnung 764.

General Electric Co. 601 Dynamomaschine, 126 Jochform, 645 Maschine zur Erzeugung von Metallniederschlägen ,    787 Straßenbahn

motor.

Generatoren für Straßenbahnbetrieb, Spannung 577.

Gerault. 227 Stromumkehrung.

Geräusch einer Maschine 867.

Gesamtcharakteristik einer Nebenschlußmaschine 311.

Geschichte der Maschinen 8 — 42.

Geschwindigkeit 205.

—, Beziehung zum Drehmoment einer Triebmaschine 740.

—    einer Dynamomaschine 744.

—    einer Triebmaschine 739.

—    für die Selbstregelung, kritische 281.

—, kritische 305.

—, Regelung bei elektrischen Triebmaschinen 766.

Geschwindigkeitsänderung v. Motoren

773-

Gesetz des magnetischen Kreises, Frölichsche Formel 112, 746.

---Wirkungsgrades 733, 734, 737.

—    für die maximale Leistung (Jacobi) 736-

626 Besprechung von

Gleichgewichtsmethode zur Prüfung mechanischer Leistungen 839, 844. Gleichpolmaschine 702.

Gleichrichter 650.

—, Bestandteile 672.

Gleichstrom 51.

Gleichstrommaschinen, Entwerfen 479. —, Formel 487.

—, Hintereinanderschaltung 853.

—, Ringanker 320. Gleichstrommotoren 724.

—, Beispiele 783.

—, Entwurf 779. Gleichstromtransformator 704.

—, Theorie 708.

Gleitring 4.

Glühlampen, Spannung 577. Goldsborough. 137, 145 Kraftlinienverteilung.

Goolden. 801 Regulator.

Gooldeu & Co. 119 Feldmagnet. Goolden und Trotter. 799 magnetische Regulierung.

Gordon. 28 Wechselstrommaschine.

Gorman. 177 Isolierung.

Gott. 833 Regelungswiderstände.

Gramme. 28 Anker, 39 Arbeitsübertragung, 385 Drahtkerne, 724 elektromagnetische Maschine, 115, 117, 118 Feldmagnet, 631 Maschine für metallurgische Zwecke, 704 Maschine mit zwei Wickelungen, 855, 856 Parallelschaltung von Maschinen, 20 Ringanker.

Gravier. 243 unsymmetrische Polspitzen.

Greenwood. 119 Feldmagnet.

Grenze der Magnetisierung 85.

Grillo, Funke & Co. 88 Dynamoblech.

Griscom. 116 Feldmagnet.

Größe, Beziehung zur Leistung 482. Grotrian. 702 homopolare Maschinen. Grundgleichung d. Dynamomasch. 254. — für Elektromotoren 741.

Guilbert.

Dynamomaschinen. Gülcher. 25, 28 Anker. Gußeisenmagnete 512.

Güteverhältnis, Änderung mit der Stromstärke 271.

—    der Nebenschlußmaschine 274. --Reihenmaschine 272.

—    einer Triebmaschine 730.

-—, elektrisches 269, 847.

Gyrostatische Kraft 424.

H.

Hadfield. 88 Magnetstahl.

Hagenbach. 36 Theorie d. Maschinen.

Halter für Kohlenbürsten 456.

Hanchett. 782 Entwurf eines Straßenbahnmotors.

Handregler 278.

Handwickelung 405.

Hauptstrommaschine 67.

Hauptstrommotor, Drehmoment 646.

—, mechanische Charakteristik 747.

—, Vorteile 748.

—-, zwei, in Reihen- und Parallelschaltung 750.

Hawkins. 41 Kommutator, 227 Strom-umkehrung.

Heath. 702 homopolare Maschinen.

von Hefner - Alteneck. 22 Ankerwickelung, 839, 842 Dynamometer, 405 Trommelwickelung.

Heinrichs. 843 Dynamometer.

Heidt. 205 mechanische Beanspruchung von Schlitzankern.

Hele-Shaw und Hay. 145 magnetisches Feld.

Henley. 18 Wechselstrommaschine.

Henrion. 803 Regler.

Henry. 38 Triebmaschine.

Hering. 41, 321 Ankeraufbau, 702 homopolare Maschinen, 41 Theorie der Maschinen.

Herstellungskosten der Maschinen 511.

Herwig. 36 Theorie der Maschinen.

Heteropolar 695.

Highfield. 718, 719 Schaltung für Batterie- Zusatzmaschinen.

Hilfserreger für die Nebenschlußwickelung 715.

Hilfsmaschinen (boosters) zur Regelung der elektrischen Verhältnisse 278.

Hoppe. 702 homopolare Maschinen. Housman.

Hilfspole 681.

Hilfswickelungen am Anker 756.

Hintereinanderschaltung von Gleichstrommaschinen 853.

Hjorth. 724 elektromagnetische Maschine, 15, 18 Maschine mit Selbsterregung.

Hobart. 416 Ankerkupferverbrauch, 246 Bürstenstellung, 627 Dynamomaschine, 622 Entwurf von Dynamomaschinen, 565 Erwärmung des Ankers, 513 Herstellungskosten, 41 Kommutator, 42 Methoden beim Entwurf der Maschinen, 516 Schema zum Entwerfen von Maschinen, 249 Selbstinduktion, 5x4 spezifische Leistung, 608 Versuche an Maschinen, 562 vielpoliger Kompoundgenerator für Bahnbetrieb.

Hochhausen. 117 Feldmagnet.

Hochspannungsmaschinen 674.

Holmes. 15 Alliance-Maschine, 18 Wechselstrommaschine.

Holtzer Cabot Co. 646 Maschine für Kupferläuterung.

Homopolar 695.

Homopolarmaschine 120, 695.

Hopkinson. 235 Ankerrückwirkung, 293 Charakteristik, 315 Charakteristik einer Reihenmaschine, 234 Entmagnetisierung, 842 Dynamometer, 116 Feldmagnet, 31 Gleichstrommaschine, 2 Induktion, 96 Koërzitivkraft, 132 Kraftlinienstreuung, 770 Kuppelung von Motoren, 28, 80, 107 magnetischer Kreis, 86 Magnetisierungskurve, 846 Maschinenprüfung, 29, 36, 39, 40 Theorie der Maschinen, 236 umkehrendes Feld, 759 Umsteuerung einer Triebmaschine, 104 Verzögerung des Magnetismus.

240 funkenlose Stromabnahme, 41 Theorie der Maschine, 849 Trennung der Verluste. Houston. 732 Kraftübertragung, 26 offene Wickelung.

Hubbard. 719, 720 Schaltung für Batterie - Zusatzmaschinen.

Hummel. 852 Verlustursachen. Hundt. 799 magnetische Regulierung. Hunt. 724 Triebmaschinen. Hurmuzescu. 670 Bogenlichtmaschine. Hutin. 105 magnetische Dämpfung. Hutin und Leblanc. 242 funkenlose Stromabnahme (amortisseur). Hysterese 96, 21 r, 398, 848. Hystereseverluste 100, 466.

I, .1-

Jacobi. 12 Aukerkern, m Elektromagnetformel, 734, 736 Gesetz der höchsten Leistung, 730 größte Leistungsfähigkeit einer Triebmaschine, 35 Leistung eines elektrischen Triebwerkes, 39 Theorie der Maschinen, 38 Triebmaschine, 725 Untersuchung über Triebmasch.

Jehl und Rupp. 707 Gleichstrom-Umsetzung.

Jervis-Smith. 839, 843 Dynamometer.

Indiarubber and Telegraph Works Co. 710 Ausgleichsmaschine.

Indikatordiagramm einer Dampfmaschine 292.

Indikatormethode zur Prüfung mechanischer Leistungen 839, 840.

Induktanz 230.

Iuduktion, abwechselnd gerichtete

695-

—, homopolare 48, 695.

—    im Anker 50.

—    in einem gleichförmigen magnetischen Felde 181.

—, magnetelektrische (Faraday) 1, 2, 5, 8, 42ff., 47.

Induktion, magnetische 84.

—, unipolare 48.

-—, Ursprung des Wortes 2.

Induktionsmotor 3.

Induktormaschine 53.

Integration 183.

International Electrical Engineering Company. 627 Dynamomaschine.

Joch, Größe und Querschnitt 504.

56

Joch, magnetische Abmessungen 139.

-—, Teilung 126.

Jochformen 125.

Joel. 116 Feldmagnet.

Johnson. 18 Erregung.

Joubert. 265 elektromotorische Kraft der Maschinen, 197 Energieverlust, 185 Messung der elektromotorischen Kraft, 36 Theorie der Maschinen.

Joule. 731 Gesetz des Wirkungsgrades, in magnetischer Kreis, 36 Theorie der Maschinen, 726 Untersuchung über Triebmaschinen.

Joyce. 169 Spulenerwärmung.

Isenbeck. 183 Induktion.

Isolation, Durchschlagen 858.

—, Prüfung 837.

Isolationsmaterialien 172.

Isolationswiderstand, Prüfung 838.

Isolierung der Eisenkerne 176, 389.

—    — Segmente 441.

—    — Wickelungen 161.

-— des M aschin en gestells von der Erde 863.

K.

Kammzapfenlager 431, 664.

Kando. 150 Raumfaktor.

Kapazität, magnetische 135.

Kapp. 484 Ankerleistung, 358 Ankerwickelung, 391 Antrieb der Ankerkernscheiben, 841 Dynamometer, 578 elektromechanische Konstruktionen, 234 Entmagnetisierung, iiöff. Feldmagnet, 252 Güte der Kommutierung, 391 Kernscheiben, 41 Kommutator, 80,    107,    112

magnetischer Kreis, 553 Maschine mit Kompoundwickelung, 848 Maschinenprüfung, 750 Selbstregelung in Kraftübertragungsanlagen, 158 Spulenberechnung, 137 Streuung, 28, 29, 41 Theorie d. Maschinen, 849 Trennung der Verluste, 724 Triebmaschinen, 38 Verbundwickelung, 578 zweipoliger Stromerzeuger.

Kapselmotoren 789, 791.

Keile 402, 434.

Thompson, Dynamomaschinen 7. Aufl.

Kelly. 40 Zweiphasenmotor.

Kelsey. 425 gyrostatische Kraft. Kelvin siehe Sir W. Thomson.

Kenelly. 113 magnetischerwiderstand, 233 Quermagnetisierung.

Kennedy. 117 Feldmagnet, 698 Homopolarmaschine, 851 Prüfung einer Stromerzeugungsanlage, 841 Seilbremse.

Kerkhove & Co. 613 Kompound-Dampfmaschine.

Kern, Durchmesser 502.

Kernscheiben 199, 385, 619.

—, Aufbringen 389.

—, geteilte 386.

—, Isolation 176, 389.

—    nach Kapp 391.

Kilolinie 77.

Kingdon. 18 Wechselstrommaschine. Kinzbrunner. 852 Reibungsverluste an Maschinen.

Klauenmagnete 121. Klemmenspannung 265.

—, Beziehung zur elektromotorischen Kraft 266.

—, Kurve 297.

Klemmringe für Ankerscheiben 393. Koëffizient d. magnetischen Streuung 508.

—, ökonomischer 268.

—    von Esson 483.

—    — Steinmetz 484.

Koërzitivkraft 96.

Kohle der Gesellschaft Le Carbone

451,

Kohlenbürsten 218, 230, 437, 450, 859.

—    bei Triebmaschinen 756.

—, Halter 456.

Kohlrausch. 187 Potentialkurven. Kolben. 126 Jochform, 686 langsam laufende Erregermaschine.

Kolben & Co. 596 Dynamomaschine, 117 Feldmagnet, 573kleine Maschine. Kollektor 4.

Kommutator 4, 436.

—, falscher 406.

Kommutatorsegmente, Zahl 438, 493 Kommutatorverluste 464, 468.

Kommutierung, Güte 250. Kommutierungskurve 223. Kompensationswickelung 245. Kompoundierung 775. Kompoundmaschine 72. Kompoundwickelung 279. Kompoundwindungen 72. Kondensatoren, Schaltung am Stromwender 677.

Kontakte, Zahl beim Anlasser 831. Kontaktwiderstand 218, 222.

Koosen. 36 Theorie der Maschinen. Kraft, elektromotorische, siehe Elektromotorische Kraft.

—, magnetomotorische 77, 80.

—, mechanische 727.

Kraftdichte 77.

Kraftlinien 44ff, 78.

—, Messung der Menge 130, 263.

—, Verzerrung 187.

Kraftliniendichte 77, 250, 489. Kraftlinienfeld, Einrichtung zur Verhinderung der Verzerrung 610. Kraftliuienmenge, Änderung 799.

—, — bei Triebmaschinen 768, 773. —, Regelung der Triebmaschine 768. Kraftübertragung 724, 731.

—    auf weite Entfernungen, Spannung

577-

Kraftverluste in Kupferleitern 166.

—    in Maschinen 211.

Kreis, magnetischer 78, 106.

—, Widerstand 79, 84.

—, Wirkung des Luftzwischenraums 92. —, — von Verbindungsstellen 94. Kreisläufe der Magnetisierung 98. Kritische Geschwindigkeit 283, 304. Kritischer Strom 304.

—    Widerstand 305.

Krupp, Fried. 87 Dynamostahlguß. Kugelanker 664.

Kugellager 430.

Kugelschalenlager 431. Kühlungsoberfläche 170, 501.

Kupfer 147.

Kupferbürsten 218, 437, 449. Kupferdrähte für Rheostaten 828. Kupferlitzen 149.

Kupferverbrauch beim Anker 416. Kupferverluste 464, 465, 471. Kuppelung 435.

—, mechanische, von Motoren 770. Kurve der Klemmenspannung 297. Kurven, charakteristische 292. Kurzschluß 197, 668.

— im Anker 862, 865.

L.

Ladd. 20 Selbsterregung.

Lager 429.

—, Druck 423.

—, Erhitzung 864.

—, Kammzapfenlager 431.

—, Kugelschalen lager 431.

— mit Ringschmierung 433.

Lahmeyer. 117, 119 Feldmagnet, 707 Fernleitungsdynamo, 130 Kraftlinienmessung.

Lamb, C. G., & M. Walker. 92 magnetische Durchlässigkeit.

Lamme. 380 Ausgleichsströme, 720 Batterie-Zusatzmaschinen, 777 Zusatzmethode zur Regelung von Motoren.

Lamont. 112 Formel für den Elektromagnetismus.

Lancashire Dynamo Co. 719 Schaltung für Batterie-Zusatzmaschinen.

Lane-Fox. 278 Selbstregelung.

Langley. 799 magnetische Regulierung.

Läufer 3.

Laufschienen für Maschinen 857.

Laurence, Paris und Scott. 705 Gleichstromumformer.

Laurence Scott & Co. 824, 825 Umkehrschalter f. Nebenschlußmotoren.

Leblanc. 42 Antrieb der Wechselstromerzeuger, 105 magnetische Dämpfung (Amortisseur).

Lecher. 702 homopolare Maschinen.

Ledeboer. 854, 856 Parallelschaltung von Maschinen.

Leerkontakte des Anlassers 807.

Leerlauf, Verluste 271.

Leistung 205, 269, 739.

Leonard.

56*

Leistung, Beziehung zur Größe 488, 509-

—    eines Ankers 482.

—1 elektrische 295.

—, Formel 486.

—, mechanische, elektrische 207.

—, nützliche 733, 736.

—, Prüfung 839.

—, spezifische 514.

—    von Dynamomaschinen u. Motoren 207.

Leistungsformeln 486.

Leistungskoëffizient 482, 487.

Leistungslinien 296.

Leitungsfähigkeit, magnetische 135.

Lenz, in Formel für den Elektromagnetismus, 757 Gesetz der elektrischen Gegenwirkung, 36,    38

Theorie der Maschinen.

777 Zusatzmethode zur Regelung von Motoren.

Le Roux. 36 Theorie der Maschinen.

Lewis. 801 Regler mit Differentialsolen oïd.

Linie, magnetische 76.

Linienintegral der magnetischen Kräfte

81.

Lontin.    22, 60 Anker, 118 Feld

magnet, 799 magnet. Regulierung.

Loomis. 864 Aufsuchung von Unterbrechungen im Anker.

Lorberg. 198 Wirbelströme.

Löwit. 156 Spulenberechnung.

Lozier.    775 Regelung von Trieb

maschinen.

Luftreibung 2ti.

Luftspaltkoëffizient 93, 138, 525.

Lüftung 683.

— der Feldmagnete 164.

Luftwiderstand 465, 469.

Luftzwischenraum 503.

Luftzwischenraum im magnetischen Kreis 92.

—, Länge 494.

—, magnetische Abmessungen 139.

Lummis - Paterson. 861 Fehler in Maschinen.

Lundeil. 122 Feldmagnet, 243 Polschuhe.

Lyndon. 720 Batterie-Zusatzmaschine.

M.

Machine survoltrice siehe Zusatzmaschine.

Macrae. 720 Batterie-Zusatzmaschinen. Magnete, Abmessungen 503. Magnetische Durchlässigkeit 77, 84.

—    —, Grenzen 85.

—    Eigenschaften des Eisens 75.

—    Einheiten 77.

—    Feldstärke 75.

—    Linien 76.

--, Messung 130, 263.

-— Regelung 799.

—    Streuung, Koëffizient 508. Magnetischer Kreis 78.

—    —, Berechnung 106

—    —, Frölichsche Formel 112, 746.

—    —, Wirkung von Verbindungsstellen 94.

—    Widerstand 79, 83, 84.

■— —, Vermehrung 237.

Magnetisches Feld 203.

—    —, Induktion im gleichförmigen

i8l.

—    — stromführender Leiter 46, 204.

—    — um einen geraden stromführenden Leiter 203.

—    — um einen Leiter in einem magnetischen Zwischenraum 204.

--, Zusammendrängung 242 ff.

Magnetisierung, Grenze 85.

—, Kreisläufe 98.

—, Sättigungsgrenze 85.

—, Wirkung der Erwärmung 95. Magnetisierungsformel von Frölich

Xi2, 751.

Magnetisierungskurve 85, 311. Magnetismus, Anwachsen 105. Magnetismus, Gesetze 75.

—, rückständiger 95.

—, Verschiebung 192.

—, Verzögerung 104. Magnetkerne, magnetische Abmessungen 139.

452

Magnetmotor, mechanische Charakteristik 745.

Magnetomaschine 65, 264.

Magnetotriebmaschine 745.

Magnolia 430.

Mailloux. 718, 719 Schaltung für Batterie - Zusatzmaschinen.

van Malderen. 15 Wechselstrommaschine.

Manchestermaschine 31, 83, III.

Mantel-Wellenwickelung 408.

Mantelwickelung 405, 407, 411, 415.

—    von Brown 586.

Maquaire. 801 Regulator.

Marshall. 245 Polschuhe.

Martin und Wetzler. 724 Triebmaschinen.

Mascart. 36 Theorie der Maschine, 731 Wirkungsgrad einer Triebmaschine.

Maschine, besonders erregte 66, 268.

—    für elektrochemische Zwecke 372.

—- mit Selbsterregung 253ff.

Maschinenberechnungen 479ff.

Maschinenfabrik Oerlikon. 126 Jochform, 177 Isolierung, 789 Kapselmotoren, Ö30ff. Maschine f. elektrolytische Zwecke, 678, 680 Maschine für sehr hohe Geschwindigkeit, 788 Motoren, 168 Spulenerwärmung.

Maschinengestell, Isolierung von der Erde 863.

Maschinengröße, Beziehungz. Leistung und Geschwindigkeit 481.

Maschinenverkettung 13, 14, 631.

Maschinen welle 426.

—, gemeinsame 704, 709.

Masson. 15 Alliance-Maschine.

Materialausnutzung 515.

Mather. 118 Feldmagnet, 240 funkenlose Stromabnahme.

Mather und Platt. 710 Ausgleichsdynamos, 785 Bau von Kleinmotoren, 29, 30 Maschinen.

‘Mavor. 513 Herstellungskosten, 42 Methoden beim Entwurf der Maschinen, 513 Motorberechnuug, 515 wirksamer Raum.

Maximalausschalter 805.

— der Anlasser 862.

Maxwell 78.    2 Induktion.

Mc Tighe. 116 Feldmagnet.

Mechanische Charakteristiken von gemischt und differential gewickelten Triebmaschinen 765.

Mechanische Leistung, Prüfung 839.

Megalinie 77.

Mehrfach-Wickelungen 361.

Menges. 240 funkenlose Stromabnahme, 846 Maschinenprüfung.

Meyer. 489 Kraftliniendichte, 88 Magnetisierungskurve, 36 Theorie der Maschinen.

Meylan. 854 Parallelschaltung von Maschinen.

Mikanit 441.

Millward. 631 P'eldmagneterregung.

Minet. 852 Prüfung von Dynamomaschinen.

Mitisguß 91.

Mittelleiter 692.

Moigno. 12 Maschine.

du Moncel. 15 Alliance-Maschine.

Monckton. 631 Feldmagneterregung.

Mordey. 757 Analogieen zwischen Stromerzeuger und Triebmaschine, 28 Anker, 245 Ankerwickelung, 374 Ausgleichsverbindungen Bürsten, 198 Energieverlust, 34, 119 Feldmagnet, 240 funkenlose Stromabnahme, 18, 29, 31 Gleichstrommaschine, 103 Hystereseverluste, 106 magnetische Veränderungen des Eisens, 184, 185 Messungen am Anker, 35 Mittel gegen Funkenbildung, 856 Nebeneinanderschaltung von Maschinen mit gemischter Wickelung, 751 Prüfung d. Victoria-Triebmaschine, 759 Regelung der Triebmaschinen, 61 Scheibenanker, 370 Stromwender, 41 Theorie der Maschinen, 34 Wechselstrommaschine, 205 Zug auf eingebettete Leiter.

Mordey und Watson. 775 Zusatzmethode zur Regelung von Motoren.

Neutraler Bürstensatz 693. — Punkt 195, 217, 218. Niaudet.

Abhandlung über

686

Entwurf sehr

Morin. 839, 843 Dynamometer.

Motor, Prüfung 837.

—, Umkehren der Drehrichtung 809.

—, Vergleich zwischen Stromerzeuger und Motor 757.

Motoranlasser 804.

Motorberechnungen, Grundformel 208.

Motordynamo 704.

Motorgenerator 678, 704.

—, Verwendung 707.

Motorregler 808.

Mountain. 454 Metallbürste.

Muirhead. 116 Feldmagnet.

Müller. 112 Formel für den Elektromagnetismus, 799 magnetische Regulierung, 845 Maschinenprüfung, 381 Scheibe mit Wellenwickelung.

Murray. 843 Dynamometer, 18 Erregung, 852 Prüfung von Bogenlichtmaschinen, 664 .Versuche an Maschinen.

IV.

Nebenbürsten 668.

Nebeneinanderschaltung von Dynamomaschinen 854, 855.

Nebenschluß, doppelter kurzer 853.

---langer 853.

—, kurzer, langer 286.

—, magnetischer 769.

—, regelnder 291, 478. Nebenschlußerregung 72. Nebenschlußmaschine 68, 272, 294.

—, Berechnung 272.

—, Charakteristik 306.

—, Gesamtcharakteristik 309.

—, Güteverhältnis 274.

—, Verhalten bei Widerstandsänderungen 308, 314.

Nebenschlußmotor, Anlasser 808.

—, Bremsen 811.

—, mechanische Charakteristik 752. —, Schaltwalzen 824. Nebenschlußregulator, Widerstand 477. Nebenschluß-Triebmaschine m. regelnder Reihenwickelung 761. Nebenschluß- und Reihenwickelung, praktische Bestimmung 765.

Nebenschlußwickelung von Bertin 25. -- Brush 25.

Nebenschluß-Zusatzmaschine 715. Negative Zusatzmaschine 707.

Dal Negro siehe unter D. Netzspannung, Erhöhung 712.

Neu, Levine & Havill. 168 Spulenerwärmung.

Neumann. 35 Gesetze der Induktion. Neutrale Linie 195.

21

Maschinen.

Niederschläge, Stromdichten zur Erzielung guter 649.

Niethammer.

schnell und sehr langsam laufender Maschinen, 130 Kraftlinienstreuung, 169 Spulenerwärmung.

Noeggerath. 699 Homopolarmaschine. Nollet. 15 Wechselstrommaschine. Nullausschalter, selbsttätiger 805. Nuten, Zahl und Abmessungen 501. Nutzfeld 129.

O.

Offene Wickelung 651.

Ohm. 44 Gesetz des Stromes. Ökonomischer Koëffizient 268. Oerlikon s. Maschinenfabrik Oerlikon. Owen und Skinner. 670 Versuche an Maschinen m. geschlossener Wickelung.

P.

Pacinotti. 25, 59 Anker, 20 Ringanker, 61 Scheibenanker, 380 Scheibenwickelung, 436 Stromsammler, 38 Triebmaschine, 39 Umkehrung der Tätigkeit einer Maschine.

Page. 724 elektromagnetische Maschine, 38 Triebmaschine, 12, 17 Wechselstrommaschine.

Parallelschaltung 345, 349.

Parallelschaltung von Dynamomaschinen 854.

--Maschinen m. gemischter Wickelung 856,

— zweier Motoren 819.

Parsons & Co. 647 Maschine f. elektrolytische Gewinnung von Ätznatron. Paterson. 116 Feldmagnet. Permeabilität 77.

Perry.

Hilfsanker

Paris und Scott. 358 Ankerwickelung.

Parker. 116, 118 Feldniagnet, 706 Motorgenerator, 413 Schablonenwickelung.

Parkhurst. 861 Fehler in Maschinen.

Parshall. 608 Abkühlungsoberfläche, 602 Dynamomaschine, 496 Energieverluste, 126 Jochform, 41 Kommutator, 88 Magnetisierungskurve, 42 Methoden beim Entwurf der Maschinen, 247 Reaktanzspannung.

Parshall und Hobart. 321 Ankerwickelung, 788 Eisenbahnmotor m. direktem Antrieb, 469 Erwärmung des Stromwenders, 177 Isolierung, 602 Maschinenkonstruktionen, 229 Spulenwindungen, 787 Straßenbahnmotor, 230 Stromumkehrung.

Parsons. 456 Bürstenhalter, 683 Dampfturbine.

358 Ankerwickelung, 712 73 Magnetomaschine in Verbindung mit Ausgleichmaschine, 376 mehrpolige Reihenschaltung, 37 Regulierung von Triebmaschinen, 428 Zapfenlänge.

Petrina. 12 Stromwender.

Pferd, Pferdekraft, Pferdestärke 295. Phönix. 87 Dynamostahl. Physikalisch -Technische Reichsanstalt 88 Magnetisierungskurven. Physikalische Theorie der Dynamomaschinen 43 ff.

Picou. 196 Ankergegenwirkungen. Pixii. 11 Magnetmaschine.

Platt. 118 Feldmagnet. Plattenkuppelung 435.

Plücker. 695 Homopolarmaschine. Pöge. 693 Dreileitermaschine. Poggendorf. 11 Stromwender (Quecksilber), 35 Theorie der Maschinen. Polanker 58, 60.

Polarität, Umkehrung 67, 68, 867.

—, — bei Triebmaschinen 759.

Polbogen, gleichwertiger 508.

Pole, Schlitze, 693.

—, Zahl 490.

—, — bei kleinen Motoren 781. Poleinheit 76.

Polhorn 510.

Polkerne, bewegliche 769.

—, geblätterte 618.

Pollak. 673 Gleichrichter.

Polschuh 463.

Polspann 508.

Polspitzen, Gestaltung 242.

—, unsymmetrische 243.

Polstärke, Einheit 76.

Polstücke, Form 124.

—, hornförmige 201.

—    von Ganz & Co. 6x6.

Poncelet. 839 Bremsvorrichtung, 840,

841,    842 Reibnngs-Dynamometer. Postei-Vinay Co. 612 Dynamomaschine, 794 Motor für Automobilzwecke.

Potentialkurven 182 ff. Potentialmessung am Anker 184. Potier. 196 Ankergegenwirkungen. Praktische Bestimmung der Nebenschluß- und Reihenwickelung 765. Prescott. 719 Batteriezusatzmaschinen. Preston. 702 homopolare Maschinen. Prince and Son. 630.

Prony. 839 Bremsvorrichtung, 840,

842,    845 Bremszaum.

Prüfung einer Maschine vor dem Anlaufen 858.

—    von Dynamomaschinen u. Motoren

837-

Puffer. 854 Parallelschaltung von Maschinen.

Pufferbatterie 712.

Puluj. 702 homopolare Maschinen. Pulvermacher. 12 Kerne.

Punkt, neutraler 195, 217, 218.

Q.

Querfeld 687.

Quermagnetisieren 188, 753, 754. Quermagnetisierende Kraft 233. Querverbindungen am Anker 374.

R.

Radialdiagramm 331.

Radstern 389.

Raffard. 839, 841, 842 Bremsvorrichtung.

Raillard. 12 Maschine.

Raum, wirksamer 515.

Raumfaktor 150, 501.

—    bei Ankern 149.

—    bei Feldmagneten 151.

Ravenshaw. 431 Kugelschalenlager,

846 Maschinenprüfung, 803 Regulator.

Rawortb. 435 Kuppelungen. Rayleigh. 846 Maschinenprüfung, 837 Widerstandsmessung.

Reaktanz 45.

Reaktanzspannung 247.

Rechniewski. 707 Gleichstrom - Umformer, 765 Kurven für Triebmaschinen.

Reduziertes Schema d. Wickelung 379. Regelung der Geschwindigkeit elektrischer Triebmaschinen 766.

—    der Triebmaschineu 759.

—, gegenseitige, parallel geschalteter Maschinen 856.

—, magnetische 799.

—    von Dynamomaschinen 276. Regelungswiderstände 800.

Regler, dynamometrischer 759.

—    für Dynamomaschinen 798.

—, selbsttätiger, für Gleichspannung u. gleichbleibende Stromstärke 800. Regulator, selbsttätig. Ausschalter 809. —, um den Strom gleichmäßig zu erhalten 655, 664.

—    von Goolden 801.

—    — Maquaire 801. Regulierungsvorrichtung z. Bewegung

der Bürsten 668.

Regulier widerstand 476.

—    für eine Nebenschlußmaschine 832. Reibungsdynamometer 840. Reibungsverlust 848.

—    der Bürsten 468. Reibungswiderstaud 465, 469.

Reid. 41 Kommutator.

Reignier. 804 Regelung. Reihenmaschine 67, 293.

—, Berechnung 272.

—, Charakteristik 299.

—, Güteverhältnis 272.

—, kritische Stromstärke 304.

—, Kurve 306.

—, ökonomischer Koëffizient 272.

—, Verhalten bei Widerstandsänderungen 308, 314.

Reihenmotor, Bremsen 810.

—, Eigenschaften 748. Reihenparallelschaltung 329,    346 ff,

4°3-

—    eines Motors durch Schaltwalze 816. —, Vereinigung mit der Umsteuerung

beim Gleichstrommotor 818. Reihenschaltung 347 ff, 403.

—    mit besonderer Wickelung 72.

—    von Deprez 72.

Reihen- und Parallelschaltung durch Schaltwalze 815.

Reihenwickelung, mehrpolige 329, 333. Reluktanz 85.

Remanenz 96.

Reusch. 813 Schaltwalze.

Rhéostat, Entwerfen von Widerständen 826.

—    für Nebenschlußdynamomaschinen 800.

—    zum Anlassen von Motoren 769. Richter. 266 Klemmenspannung. Richtungsschalter für Nebenschlussmotoren 824.

Riemen 434.

Riemenscheiben 434. Riemenübertragung 842.

Ring mit Drahtkerne von Gramme 385. Ringe zum Schmieren der Lager 664. Ringanker 55 ff, 58.

—    für Gleichstrommaschinen 320.

—    mit geschlossener Wickelung 56.

—    von Gramme 20.

Ringanker von Pacinotti 20. Ringschmierung, Lager 433. Ringwickelung 349, 418.

—, vielpolige 369.

—, vierpolige 328, 333.

Ritchie. 38 Triebmaschine, 11, 12, 17 Wechselstrommaschine.

Röhr. 92 Ausglühen von Eisenblech.

Rosenberg. 686 Maschine für gleichbleibende Spannung.

Van Rossem. 852 Reibungsverluste an Maschinen.

Rothert. 452 Bürsten, 693 Dreileitermaschinen, 608 Dynamomaschine, 496 Energie Verluste, 506 Entwerfen von Maschinen, 229 Funkenbildung, 42 Methoden beim Entwurf der Maschinen, 150 Raumfaktor, 249 Reaktanzspannung, 422 Wickelung von Ankern.

Rowland. 79 magnetischer Kreis.

Rücker (für die Bürsten) 195, 453, siehe auch Steller.

Rücker. 41 Theorie der Maschinen.

Rückstand, magnetischer 310.

- —, im Feldmagnet 294.

Rückwärts-Regelung der Bürstenverschiebung 667.

Rushmore. 695 Dreileitermaschinen.

Ryan. 240 funkenlose Stromabnahme, 35 Mittel gegen Funkenbildung, 187 Poteutialkurven.

Sammelbürsten 4.

Sammelringe an Wechselstrommaschinen 54.

Sankey. 386 Dynamobleche, 88 Lohys-Eisen.

Sättigung, magnetische 85.

Sättigungskurve 93, 144, 295, 472, 478.

Sawyer. 118 Feldmagnet, 18 Maschine.

Saxton. 11 Maschine.

Sayers. 245 Ausgleichswickelung, 719 Batterie - Zusatzmaschine, 70 Bürstenverschiebung, 633 Maschine zur Abnahme verschiedener Spannungen, 756 Methode der Ankerwickelung mit Hilfs Wickelung en, 35 Mittel gegen Funkenbildung, 854 Parallelschaltung von Maschinen, 693 Schlitzen der Pole, 756 Verhinderung der Funkenbildung an Triebmaschinen.

Schablonenspulen 334.

Schablonenwickelung 405, 412.

Schaltapparate zur Änderung der Geschwindigkeit von Motoren 774.

Schalter zur Änderung d. Windungszahl auf dem Feldmagnet eines Motors 769.

Schaltung der Wickelungen 163.

—    für Gleichspannung 72.

Schaltungsarten 'ji.

Schalt walze 769, 813.

—    für Nebenschlußmotoren 824.

Scheibenanker 59. 61.

—    von Edison 381.

--Pacinotti 6r.

Scheibenkerne 385.

Scheibenwickelungen 380.

Scheinbarer Widerstand 196.

Scheinwerfer 650.

Schellen. 854 Parallelschaltung von Maschinen.

Schema, reduziertes, der Wickelung

379-

—    zum Entwerfen von Maschinen 516.

Schirmwirkung, magnetische 421.

Schleifenwickelung 329, 332, 343, 345,

346, 373- 4¹ ’> 5°°-

—, Zahl der Ankerleiter 563.

Schleifring 4, 54, 694.

Schlitzanker 88, 421.

Schlitzen der Pole 693.

Schmelzsicherung 806.

Schmidt. 92 Magnetismus des Eisens.

Schmiergefäße 431.

Schröter. 842 Djmamometer.

Schuckert. 25, 28 Anker.

Schultze. 233 Quermagnetisierung.

Schulz. 385 Kernscheibenpressen.

Schwingungen einer Maschine 867.

Schwungkraftregler 759.

Scott. 483 Ankerleistung, 719 Batterie-Zusatzmaschinen, 512 Herstellungskosten, 646 Innenpolkonstruktion, 385 Kernscheibenpressen, 42 Methoden beim Entwurf d. Maschinen, 775 Regelung von Triebmaschinen.

67.

Gleichstrom-

790

Scott und Mountain. 590 Dynamomaschinen, 149 Lichtmaschine, 521 Nebenschlußmaschine.

Segmente 438, 441.

—, Zahl 499.

Sehnenwickelung 245, 284, 324, 359. Selbsterregung von Dynamomaschinen

Selbstinduktion 45, 196, 214, 226.

—, Koëffizient 197.

Selbstregelnde Triebmaschine, Theorie 760.

Selbstregelung einer Nebenschlußmaschine und eines Nebenschlußmotors 751.

— von Maschinen, Theorie 281.

--Triebmaschinen 740.

Seilers. 433 Schmierung.

Sellon. 707 Gleichstrom-Umformer.

Sengel. 695 Dreileitermaschinen.

Sever, Monell und Perry. 177 Isolierung.

Shaw. 630 Elektrometallurgie.

Shephardson. 187 Potentialkurven.

Short, S. H., 531.    460 Bürstenhalter,

786 Entwurf eines Straßenbahnmotors, 618 Maschinenentwurf, 150 Raumfaktor.

Siemens, Sir C. W. 731 Kraftübertragung, 753 Wiedergewinnung der Arbeit.

Siemens, W. 60,    61 Anker, 406

Evolutenwickelung, 116, 118, 120 Feldmagnet, 733, 734 Gesetz des Wirkungsgrades, 696 Homopolarmaschine, 15 Längswickelung, 26 Maschine mit schwingender Bewegung, 1 Name der Maschinen, 25 Nebenschlußwickelung, 233 Quer-magnetisierung, 61 Scheibenanker, 19, 631 Selbsterregung, 15, 52 I-Anker, 732 Wirkungsgrad.

Siemens Brothers. 22 Maschinen.

Siemens-Schuckertwerke. 613 Außenpolmaschine, motoren, 681 Turbodynamomaschine.

Siemens & Halske. 456 Bürstenhalter, 119 Feldmagnet, 24, 612 Innenpolmaschinen, 22 Maschinen, 632 Maschine f. metallurgische Zwecke, 719 Schaltung für Batterie-Zusatzmaschinen.

Siemens & Halske, Wien. 608, 626 Dynamomaschine.

Siemenssches Dynamometer 842.

Simmonds. 416 Ankerkupferverbrauch.

Sinsteden. 14,    631 Maschinen Ver

kettung, 13, 18 Selbsterregung, 36 Theorie der Maschinen.

Sinuskurve 56.

Smith. 841, 843 Dynamometer, 269 Maschinenleistung.

Snell. 755 Bürstenverschiebung.

Société Cail. 674 Gleichstrommaschine mit hoher Spannung.

Société de 1’Industrie Electrique. 642 elektrolytische Maschinen.

Spannung 263

—, Änderung bei Triebmaschinen 768.

—    bei Maschinen f. Schiffszwecke 617.

—    der Maschinen für metallurgische Zwecke 629.

—, gebräuchliche, von Dynamomaschinen 577.

—, gleichbleibende 71, 800.

—, Maschinen mit besonders hoher 674.

—, Regelung der Triebmaschine durch Änderung der Spannung 768.

Spannungsabfall 266, 464.

—    bei Kohlenbürsten 632.

—, Berechnung 472.

—    im Netz 712.

Spannungsverlust 266.

Spannungsverminderer 778.

Sperry. 670 Bogenlichtmaschiue, 803 Regler.

Spons. 841 Dynamometer.

Sprague 630.    823 Fahrschalter, 116

Feldmagnet.

Spulen, Berechnung 153.

Spulen widerstand 226.

Spulenwindungen 147.

Spulenwindungen, Temperatur-messung 148, 167.

Stabwickelung 403, 418.

43-

Stahlmagnete 65, 512.

Stahlwerk Mannheim. 88 Dynamostahl. Ständer 3.

Standort der Maschinen 857.

Stanley. 18 Wechselstrommaschine, 40 Zweiphasen-Motor.

Stärkefaktor 256, 742.

Stärkeprodukt von Motoren 770. Steinmetz. 483 Ankerleistung, 177 Isolierung, 41 Theorie d. Maschinen, 99 Wärmeverluste.

Steller (für die Bürsten) 462, siehe auch Rücker.

Stellring 462.

Stephens. 720 Batterie - Zusatz-maschine.

Steuerschalter 809.

Stöhrer. 12 Gleichstrommaschine. Straßenbahnen 749. Straßenbahnmotor, Messungen 749.

— von Westinghouse 742.

Streufeld 128, 472.

Streuung 129.

—, Berechnung 135. Streuungskoëffizient 129, 474.

Stroh. 20 Maschine.

Strom, Einschalten durch Fahrschalter 813.

—, elektrischer, Entstehung, Richtung —, wechselnde Richtung 49.

—, Wesen 45.

Stromabgeber siehe Stromwender. Stromabnahme, funkenlose 217.

--, Mittel 231.

—    —, verschiedene Anordnungen 239. Stromabnehmer siehe Stromwender. Stromberg. 233 Wirkung des Ankerstromes.

Stromdichte 490, 501.

—    für elektrolytische Vorgänge 649. Stromerzeuger, Lieferung der mechanischen Kraft 740.

—, Vergleich mit Motor 757. Stromerzeugungsanlage, Prüfung 850. Stromsammler siehe Stromwender. Stromschwankung 261, 437. Stromschwankung, Messung 262.

Stromstärke 49, 207.

—, Beziehung zum Drehmoment eines Hauptstrommotors 748.

—, Drehmoment in Beziehung zur Stromstärke 207.

—    für Bogenlampen 650.

—, gleichbleibende 71, 800.

—, kritische, einer Reihenmaschine 304. Stromüberlastung 756. Stromumkehruug 213, 440.

—, funkenfreie 516.

—, Kurven 223.

—, Merkmale einer guten 250ff. Strömung, magnetische 76. Stromunterbrecher, selbsttätiger 806. Strom wärme, Verluste 371. Stromwege, Zahl der parallelen 372. Stromwender 3, 4, 49, 51, 53, 213, 262, 436.

—, Bau 442.

—, Abflachungen 865.

—, Abschleifen 861.

—    der General Electric Co. 602.

—, doppelter 543, 550.

-—, Erfordernisse 440.

—, Erwärmung 469.

—, Größe 439, 493.

—, Isolierung 441.

—, Motoren mit zwei 770, 774.

-, Stäbe 437.

—, übereinandergreifender 658.

-—, umlaufender gleichrichtender 672.

—    von Brush 658.

--unrundem Querschnitt 446.

—, Zahl der Segmente 438. Stromwenderverlust 464, 468. Stromwendung, Durchmesser 52, 195. —, ungleichzeitige 262. Stufenkontakte 834.

Sturgeon. 630 Elektrometallurgie, 12 Stromwender, 52 Wickelung. Sturtevant Engineering Co. 807 Anlasser.

Survolteur siehe Zusatzmaschine. Swinburne. 28, 324 Ankerwickelung, 239 funkenlose Stromabnahme, 846 Maschinenprüfung, 184 Potentialmessung am Anker, 705 Schaltungen

für Doppelmaschinen, 245 Sehnenwickelung.

Symmetrie im Anker 378.

T.

Tatham. 842 Dynamometer.

Teazer 655.

Temperaturmessung 167, 838.

Temperaturzunahme, Versuche 838.

Tesla. 40 Induktionsmotor, 40 Wechselstrommotor.

Theorie der Maschinen 43.

— — selbstregelnden Triebmaschinen 760.

Thomas. 41 Kommutator.

Thompson, M. E. 187 Potentialkurven, 670 Versuche an Thomson - Houston-Maschinen.

Thompson, S. P. 861 Fehler in Maschinen, 117 Feldmagnet, 240 funkenlose Stromabnahme, 696 Homopolarmaschine, 183 Induktion, 18 Maschine, 41 Mehrphasenströme, 183 Messung d. elektromotorischen Kraft, 136 Streuung, 777 Zusatzmethode z. Regelung von Motoren.

Thomson, E. 239 funkenlose Stromabnahme, 669 Gebläse zur Löschung des Funkens, 707 Gleichstrom - Umformer, 732 Kraftübertragung, 18 Maschine, 26 offene Wickelung.

Thomson, James. 841 Dynamometer.

Thomson, Sir W. (Lord Kelvin). 73 t Gesetz des Wirkungsgrades, 424 gyrostatische Kraft, 731 Kraftübertragung, 79 magnetischer Kreis, 40 Theorie d. Maschinen, 697 unipolare Scheibenmaschine, 28 Wechselstrommaschine.

Thomson-Houston. 655, 664 Bogenlichtmaschine, 803 elektrischer Regler, 117 Feldmagnet.

Thury. 358 Ankerwickelung, 802 automatischer Regler, 720 Batterie-Zusatzmaschine, 642 elektrolytischer Stromerzeuger, 118 Feldmagnet, 677 Hochspannungsmaschine, 794 Motor für Zahnradlokomotiven, 796 Motor mit senkrechter Achse.

Timmermann. 171 Spulenerwärmung.

Tote Umläufe 196, 264.

Transformator für Wechselstrom von gleichbleibender Stärke 672.

Transmissions - Dynamometer 269, 842.

Triebkraft, elementare Theorie der elektrischen 728.

Triebmaschine, Änderung der Geschwindigkeit 773.

—, Anfahrzeit 770.

—, Anlassen ohne Erregung d. Feldmagnetes 754.

—, Ausrüstung für besondere Zwecke 771.

—, Beschleunigung 770.

—, besonders erregte 745.

—, Differentialwickelung nach Ayrton und Perry 760, 764.

—, elektrische 724.

—, — Speisung 740.

—, Entwerfen 779.

—, fremderregte mit regeluder Reihenwickelung 761.

—- für die Bewegung von Fahrzeugen 748.

—, Geschwindigkeit und Drehmoment 739-

—, graphische Darstellung d. Gesetze 734-

-—, mechanische Charakteristiken von gemischt u. differential gewickelten

765-

—    mit Nebenschlußwickelung 750.

—    — Reihenwickelung 746.

—    — schwachen Feldmagneten und kräftigen Ankern 756.

--veränderlicher Geschwindigkeit

771.

--zwei Stromwendern 770, 774.

—, Nebenschluß-Triebmaschine mit regelnder Reihenwickelung 761.

—, offene, halb und ganz geschlossene 7⁸3-

—, Regelung 759.

—, — der Geschwindigkeit 766.

—, — durch Zusatzmaschinen 775.

Triebmaschine, Theorie 732.

—, — der selbstregelnden 760.

—, Umsteuerung 758.

—, verkehrtes Anlaufen 764.

-—, Wechselwirkung zwischen Anker und Feldmagnet 753.

—, Wiedergewinnung der Arbeit

753-

—, Wirkungsgrad 735, 765. Triebstücke 400.

Trommelanker 58.

—    der Allgemeinen Elektricitäts-Gesellschaft 60.

—    für vielpolige Maschinen 320.

—, Methode zur Eingrenzung von Fehlern 863.

—    mit Evolutenwickelung 448.

--geschlossener Wickelung 57.

--Schablonenwickelung 412.

—, vierpoliger, mit Mantelwickelung

589-

—, vierteiliger 57.

—    von Siemens 60.

—    — Weston 60.

Trommelwickeluug 326,    354,    364,

4°5-

Tropfgefäß mit sichtbarer Schmierung 432-

Trotter. 449 Kupferbürste, 803 Regulator.

Turbogenerator 674.

Turnbull. 719 Schaltung für Batterie-Zusatzmaschinen.

TJ.

Überblitzen 230.

Überhitzen der Wickelung 166.

— von Ankern 862. Überkompoundieren 278, 289, 319.

—, Zweck 712.

Übersetzung 743.

Übertragung d. Kraft mittels Riemens 842.

—, zwei Maschinen mit Reihenwicke-lung 749.

Übertragungsdynamometer 842, 843. Umdrehungszahl 481. Umfangsgeschwindigkeit 482, 512.

Umformer 705.

Umkehrbarkeit 736.

Umkehren der Drehrichtung von Motoren 809.

Umkehrfeld 237, 510, 693.

—, Theorie 755.

Umkehrregulator 809.

Umkehrschalter 716, 817, 818.

—    für Nebenschlußmotoren 824.

Umkehrung der Polarität 867.

----bei Triebmaschinen 759.

---der Feldmagnete 855.

Umläufe, tote 196.

Umlaufendes Feld 40.

Umlaufsgeschwindigkeit, Einfluß auf

die Charakteristik 300.

—, Beziehung zur elektromotorischen Kraft 196.

Umlaufzähler 845.

Ummagnetisieren von Eisen 99.

Umschalten von Motoren in Reihe oder parallel 769, 773.

Umsetzung elektrischer Energie in mechanische 724.

Umsetzungsverhältnis 708.

Umsteuerung 810.

—    der Drehrichtung eines Gleichstrommotors 817.

—    — Triebmaschinen 758.

—, Vereinigung mit der Reihen-Parallelschaltung beim Gleichstrommotor 818.

Umsteuerungsregler 809, 810.

Umtreibender Zug 726.

Union Elektrizitäts-Gesellschaft. 624 Dynamomaschine, 562 Kompoundgenerator.

Unipolarmaschinen 695.

Unpolar 696.

Unterbrecher 759.

Unterbrechungen im Anker 864.

Unterbrechungsfunke 47.

Untersuchung ausgeführter Maschinen 521.

Unwin. 841 Dynamometer.

Uppenborn. 697 Homopolarmaschinen.

Upton. 26 zweipolige Maschine.

64.

van de Poele. 117 Feldmagnet. Varley. 695 Homopolarmaschine, 18, 19 selbsterregende Maschine. Verband deutscher Elektrotechniker. 167, 838 Normalien über Temperatur-messung.

Verbinder 447, 472.

—, spiralige, als Ausgleicher 417. Verbindungsstellen im magnetischen Kreis 94.

Verbindungsstücke, Bruch 864. Verbrennen der Anker 861.

--Bindedrähte 864.

Verbundmaschine, Charakteristik 317. Verbundwickelung 279.

Verkehrter Anlauf einer Triebmaschine 764.

Verkohlung eines Ankers 862. Verluste, besondere, bei voller Belastung 198, 471, 850.

—, Bestimmung 464, 848.

—, Trennung 849.

Verluststrom 273.

Verschiebung der Bürsten 51. Verschiebungswinkel 196.

Verzerrung des Ankerfeldes 473, 474,

526, 753-

Verzögerung des Magnetismus 104. Victoria-Triebmaschine 751.

Vincent. 28 Anker. Vorausberechnung der gemischten Wickelung 764.

W.

Walenn. 13 Elektromagnete, 631 Feidmagneterregung, 39 Umkehrung der Tätigkeit einer Maschine.

Walker Manufacturing Co. 530 Bahn-Stromerzeuger.

v. Waltenhofen. 112 magnetischer Kreis, 36 Theorie der Maschinen.

Warburg. 98 Magnetisierung des Eisens.

Ward-Leonardsche Regulierung 768.

Wärmeausdehnung 440.

Wärmeleiter 151.

Wärmemaschine von Carnot 736.

Wärmeverlust 165.

— bei Eisenkernen 99.

Wasserturbine 686.

Waterkouse. 803 Regler.

Watkins. 11 Maschine.

Watt 295.

Watt. 13 Elektromagnete.

Webber. 705 Doppelmaschinen. Weber. 35, 695 Induktion. Wechselstrom 51.

--Bogenlampen, Spannung 650.

Wechselstrommaschine, Grundformel

—, Sammelringe 54.

Wechselstrom -Verbundwickelung 280.

Wechselwirkung zwischen Anker und Feldmagnet in einer Triebmaschine

753-

Weisbach. 841 Dynamometer.

Welle siehe Maschinenwelle.

Wellenwickelung 329, 332, 344, 373, 411, 415, 500.

—, einfache 340, 355.

—, — eingängige 347.

—, zwei- oder mehrfache 348.

Wellen- und Schleifenwickelung, gemischte 334, 367.

Wellzapfen 425.

Wendepole 681.

Wenström. 117 Feldmagnet.

Westinghouse. 670 Bogenlichtmaschine, 820 Fahrschalter, 118 Feldmagnet, 646 Maschine für Kupferläuterung, 463 Stellring, 742 Straßenbahnmotor, 34 Wechselstrommaschine.

Weston. 60 Anker, 116 Feldmagnet, 631 Maschine für Nickelniederschlag, 26 Nebenschlußmaschine.

Weymouth. 321 Ankeraufbau.

Wheatstone. 12, 13, 18, 19 Maschine, 631 Selbsterregung, 38 Triebmaschine.

Wheatstone und Cooke. 631 Feldmagneterregung durch Batterie.

Wheeler. 854 Parallelschaltung von Maschinen, 152 Raumfaktor.

Wickelung der Anker 179.

Wiedergewinnung der Arbeit 753. Wiener. 490 Polzahl, 137 Streuung. Wilde.

Wickelung der Feldmagnete, Fehler 866.

--Sekundärspulen von Induktionsrollen 159.

—    für Ringkerne 327.

—, gemischte 71, 279, 290.

—-, geschlossene 320.

—, Maschinen mit offener 651.

—, Mehrfach- 361.

-—, offene 320.

-—, praktische Bestimmung d. Nebenschluß- und Reihenwickelung 765. —, rechts- und linkslaufende 321.

—, reduziertes Schema 379.

—, Sehnenwickelung 245, 284, 359. —, selbstausgleichende 245.

—, Sicherung durch Bindedrähte 400. —» symmetrische 345, 357, 367.

—, überschießend-gemischte 708.

—, unsymmetrische 357.

—, vielfache 345 ff.

—, vielpolige Ringwickelung 327.

—    von Spulen 159.

—    — Sturgeon 52.

—, Vorausberechnung der gemischten 764.

Wickelungen als Stromabgeber 420. Wickelungs-Diagramm 326. Wickelungsformeln 335, 344. Wickelungsschritt 323, 339. Wickelungstafel 324.

Widerstand, Ableitung ausd. Charakteristik 301.

—, Anordnung zur Unterteilung 834.

—    des magnetischen Kreises 79, 84. —, Einführung in den Ankerkreis

eines Motors 769, 773.

—, Ein- und Ausschalten durch Schaltwalze 814.

—, Entwerfen für Rheostaten 826.

—    für Dynamomaschinen 798.

—, graphische Darstellung 302.

-— im Nebenschluß zu den Magnetspulen eines Motors 769.

—    in Reihe mit den Magnetspulen eines Motors 769.

—, magnetischer 85.

—, Prüfung 837.

Widerstand, scheinbarer 196.

•— zum Regeln von Nebenschlußmotoren mit verschiedenen Geschwindigkeiten 833. Widerstandsmaterialien für Rheostaten

827.

Widerstandsmessung 837. Widerstandsstufen zwischen den Kontakten der Anlasser, Bestimmung 829.

66 Erregung durch Hilfsmaschine, IT4 Feldmagnet, 14, 631 Maschinenverkettung, 631 Stromwender, 39 Theorie der Maschinen, 16, 17, 18, 26 Wechselstrommaschine, 118, 120 Feldmagnet.

Williamson. 775 Regelung von Triebmaschinen.

Willoughby Smith. 696 Homopolarmaschine.

Wilson. 513 Herstellungskosten. Winkelgeschwindigkeit 206.

Wirbel, magnetischer 46 ff. Wirbelströme 59, 99, 188, 198, 2x1,

264, 757-

—    in den Ankerleitern 403.

---Ankern 398.

— --Polstücken 200.

-—, Verluste 848, 849. Wirbelstromverlust 466, 472. Wirksamer Raum 515.

Wirkungsgrad der Umsetzung 847.

—    einer Tiiebmaschine 735, 765.

—    — —, Verbesserung 728.

—, elektrischer 469, 470.

—, Gesetz 731, 733, 734, 737.

—, mechanischer 847, 848.

—, Prüfung 837, 839.

Wodicka. 376 Ringwickelung.

Wood. 671 Bogenlichtmaschine, 803 Regelung, 158 Spulenberechnung. Woodbridge. 720 Batterie - Zusatzmaschine.

Woolliscroft. 836 Flüssigkeitsrheostat. Woolrich. 12,    629 Maschine für

Metallausscheidung.

34 Wechselstrom-

Z.

Zahl, wirksame, der Leiter 799. Zahnanker 400.

Zähne der Anker 387.

—, magnetische Abmessungen 140. Zander. 719 Batterie-Zusatzmaschinen. Zapfen 425.

Zeichen in Formeln für Dynamomaschinen 253.

Zentrieren, mangelhaftes, d. Ankers 865. Zentrifugalkraft 401, 421, 440, 482. Zerstreuung, Berechnung 135.

— der magnetischen Linien 128. Zipernowski.

maschine.

Zölly. 681 Dampfturbine.

Zug, magnetischer, auf den Anker 423. —, umtreibender 726.

Zugkraft eines Motors 743. Zusammenschalten mehrerer Dynamomaschinen in einem Stromkreise 853. Zusatzamperewindungen 475. Zusatzmaschine (Booster) 72, 74, 278, 280, 707, 712, 775.

Zusatzmaschine, Batterie- 708.

—, Entwurf 722.

—    in Speiseleitungen 712.

—    mit Differentialschaltung 717.

—    — gemischter Wickelung nebst Erreger 715.

—    — Kompoundwickelung 717.

—    — Nebenschlußwickelung nebst Erreger 715.

—    — Regelung durch einen besonderen Erreger 718.

—    — Reihenschaltung 717.

—, negative 707, 712.

—, selbsttätig umkehrbare 7x9.

—, umsteuerbare 708, 712.

—    zur Regelung von Triebmaschinen

775-

Zusatzmethode zur Regelung von Motoren 775.

Zusatzwickelung 476, 478.

Zusatzwiderstände bei Bogenlampen 650.

Zweimotorenschaltung 770.

/

!

Anhang.

Draht- und Wickelungstafel für Kupferdraht.

Spezifisches Gewicht 8,9. Spezifischer Widerstand bei 0 Grad 0,0159039, bei 15 Grad 0,0169259, bei 30 Grad 0,017 9559.

Draht

durch

messer

Quer

schnitt

mm

Durchm. mit dopp. Baum-wollbe-spinnung mm

Windungen auf i cm²

Windungen auf i cm²

o Grad

Widerstand von 1000 m Draht bei

15 Grad 30 Grad

45 Grad 60 Grad

90 Grad

Widerstand für 1 cm³ bei 15 Grad

Raum

faktor

Länge von 1 Ohm b'ei 15 Grad

Gewicht von 1 Ohm bei 15 Grad

kg

Widerstand von 1 kg bei 15 Grad Ohm

Ohm

unbesponnen

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14,062

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0,2388

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0,2983

0,3367

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0,8618

1,0642

1-3469

ï-759²

2,3945

2,7488

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59-863

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0,2533

0,2822

0,3164

0,3572

0,4065

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1,1290

1,4289

1,8663

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22,862

35-722

63-506

142,89

0,2422

0,2684

0,2990

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0,3784

°>43°7

0,4943

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2,6911

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7-4754

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12,357

16,820

24,220

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67,278

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0,2552

0,2827

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0,7088

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1,2600

1-5947

2,0829

2,8350

3,2545

3-7745

4,4298

5-271⁸

6,3788

7-8751

9-9670

13,018

17,719

25,515

39-868

70,876

159-47

0,2819

0,3124

0,3480

0,3901

0,4405

0,5013

o,5753

0,6672

0,7831

0.9319

1,1273

i,392i

1,7618

2,3012

3,1322

3,5957

4,1701

4,8941

5,8244

7,0475

8,7006

11,012

14,383

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28,190

44,047

78,306

176,18

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Magnetische Kurven.

Abscisse §, Ordinate 93. Das Netz ist genau nach Centimetermaß ausgeführt. Mehrere Kurven sind der größeren Deutlichkeit der Tafel wegen am Anfang und im späteren Verlauf verkürzt. Für alle Eisensorten sind die Kurvenwerte zu § == 30, 60, 90, 120 in der nachfolgenden Tafel zusammengestellt worden ; die Sorten sind nach

dem Wert von 93 für £> = 120 geordnet.

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Fried. Krupp, Essen......

Gewerkschaft Grillo, Funke & Co., Gelsenkirchen-Schalke .....

Stahlwerk Mannheim, Rheinau bei Mannheim.........

Aktiengesellschaft Phönix, Laar bei Rehorst..........

Bergische Stahlindustrie, Remscheid

Fried. Krupp, Essen......

Capito & Klein, Neurath am Rhein

Dynamostahl Flußeisen .

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Schmiedeeisen, untersucht von Hopkinson.

Gußeisen, untersucht von Parshall

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Amerikanischer Stahl, untersucht von H. S. Meyer........

Steirisches Eisenblech, untersucht von Bläthy..........

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TROMMELANKER EINER ZWEIPOLIGEN MASCHINE FÜ 200 AMPERE UND 105 VOLT BEI 780 UMDREHUNGEN IN DER MINUTE.

ENTWORFEN VON GISBERT KAPP.

ERBAUT VON JOHNSON & PHILLIPS.

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MODELL GM 312

FÜR 110 VOLT 1320 AMPERE BEI 660 UMDREHUNGEN IN DER MINUTE.

M P —6—145 — 660—110—1320.

0,08 DER NATÜRLICHEN GRÖSSE.

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VON ERNEST SCOTT & MOUNTAIN, NEWCASTLE ON TYNE.

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MP —4—70—750 —260 —270.

TEIL EINES UMFORMERS, WELCHER MIT EINEM SYNCHRONEN EINPHASENMOTOR GEKUPPELT WIRD.

VON KOLBEN & CO. IN PRAG.

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MPC 8-480-250-120-4000.

VON BROWN, BOVERI & CO. IN BADEN (SCHWEIZ).

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ENTWORFEN VON H. F. PARSHALL.

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STROMERZEUGER FÜR STRASSENBAHNEN.

M P-10 - 550-90 - 550-1000.

VON DER GENERAL ELECTRIC COMPANY IN SCHENECTADY, N.Y.

ENTWORFEN VON H. F. PARSHALL.

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VIELPOLIGE GLEICHSTROMMASCHINE (SCHWUNGRADMASCHINE), ERBAUT VON DER VORMALIGEN AKTIEN-GESELLSCHAFT (VORM. O. L. KUMMER & CO.) IN DRESDEN UND NIEDERSEDLITZ, ENTWORFEN VON G. E. FISCHINGER.

FÜR 680 BIS 800 KILOWATT BEI 570 VOLT UND 90 UMDREHUNGEN IN DER MINUTE.

1/40 DER NATÜRLICHEN GRÖSSE.

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VIELPOLIGE GLEICHSTROMMASCHINE MIT SENKRECHTER ACHSE DER ALLGEMEINEN ELEKTRICITÄTSGESELLSCHAFT IN BERLIN.

MODELL R F 7200 FÜR 130 BIS 140 VOLT UND 4300 AMPERE BEI 68 UMDREHUNGEN IN DER MINUTE.

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VIELPOLIGER GLEICHSTROMERZEUGER (DOPPELSCHWUNGRAD-MASCHINE) DER FELTEN & GUILLEAUME LAHMEYERWERKE A. G., DYNAMOWERK,

IN FRANKFURT A. M.

MODELL DSC 2X185/90 MP-2X30-2X185-90-^o}“59o}

0,03 DER NATÜRLICHEN GRÖSSE.

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STROMERZEUGER FÜR STRASSENBAHNEN.

MP 10-250-125-550-454. VON KOLBEN & CO. IN PRAG.

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ERZEUGERS FÜR STRASSENBAHNEN (TAFEL XVI) VON KOLBEN & CO.

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DER SOCIÉTÉ DES ÉTABLISSEMENTS POSTEL-VINAY IN PARIS.

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GRUNDPLATTE UND LAGER, ERBAUT VON FASCOT FRÈRES.

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MODELL G 270, FÜR 250 VOLT 800 AMPERE BEI 3000 UMDREHUNGEN IN DER MINUTE.

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FÜR 35 PFERD BEI 500 VOLT 58 AMPERE UND 540 UMDREHUNGEN IN DER MINUTE.

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MOTOR MIT SENKRECHTER ACHSE.

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ERBAUT VON DER COMPAGNIE DE U INDUSTRIE ÉLECTRIQUE (THURY) IN GENF.

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ERBAUT VON DER FELTEN & GUILLEAUME LAHMEYERWERKE A.-G., DYNAMOWERK, FRANKFURT A. MAIN

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