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wieder auszugleichen, wenn wir einen leitenden Weg zwischen beiden
Enden herstellen. Ebenso wie der
Ventilator im luftleeren
Raum keine Luftströmung erzeugen kann, so kann auch im
Anker
[* 3]
elektrischer
Maschinen keine Elektrizitätsströmung hervorgerufen
werden, wenn kein magnetisches
Feld vorhanden ist. So wesentlich für das
Arbeiten des
Ventilators die
Luft, so wesentlich
ist für die
elektrischen
Maschinen das magnetische
Feld.
Ferner je stärker das magnetische
Feld und je schneller die
Bewegung
des
Ankers, um so stärker ist die erzeugte Elektrizitätsanhäufung, bez. der
Elektrizitätsmangel, und demgemäß auch um so stärker das Bestreben, einen
Ausgleich herbeizuführen.
Die beiden
Enden der Ankerwickelung besitzen eine erhöhte Spannungsdifferenz oder, wie man sich kurz
ausdrückt,
Spannung. Verbindet man die
Enden der Ankerwickelung durch ein
elektrisch leitendes
Medium (etwa einen Kupferdraht),
so wird sich die
Elektrizität
[* 4] gemäß ihrer
Spannung ausgleichen, sie beginnt von dem
Punkte höherer nach jenem niederer
Spannung
zu fließen. Wir erhalten den
Begriff des
elektrischen
Stromes. Dieser
Ausgleich wird um so lebhafter erfolgen,
je geringer der
Widerstand der leitenden
Verbindung ist, und so kommen wir zu dem dritten
Begriff, dem des
elektrischen
Widerstandes.
Spannung, Stromstärke und
Widerstand stehen nach obigem in der Beziehung, daß die Stromstärke um so größer ist, je größer
die
Spannung und je geringer der
Widerstand, eine Beziehung, welche als
Ohmsches Gesetz bekannt ist.
In den ersten Anfängen des
Baues
elektrischer
Maschinen wurden gewöhnliche (permanente)
Magnete verwendet; da sie verhältnismäßig
schwach sind, so war auch die
Stärke
[* 5] des durch sie erzeugten magnetischen
Feldes nur schwach und somit auch die erzeugte
elektrische
Energie. Man gelangte bald dazu,
Elektromagnete zu verwenden, welche man überdies noch auf
Grund des dynamo
elektrischen
Prinzips von
Werner v.
Siemens von der
Maschine
[* 6] selbst zu erregen lernte (s.
Magnetelektrische Maschinen,
[* 7] Bd. 11, S. 79). Auch
die Wickelungsarten des
Ankers gelangten bald zu einer solchen
Ausbildung, daß prinzipielle Neuerungen fast ausgeschlossen
waren.
Es waren somit ziemlich alle zum
Bau von
elektrischen
Maschinen notwendigen Hilfsmittel gegeben; allein das wesentlichste Erfordernis
fehlte bis zu dem
Tage, wo die Gebrüder Hopkinson ihre denkwürdigen Abhandlungen über die Vorausberechnung
elektrischer
Maschinen veröffentlichten und Gisbert
Kapp die angegebenen
Methoden in eine für die
Praxis äußerst einfache Form kleidete
und so zuerst den Weg angab, wie in jedem bestimmten
Falle das magnetische
Feld und die Ankerwickelung beschaffen sein müßten,
um eine ganz bestimmte Leistung unter bestimmten Verhältnissen zu ergeben.
Hing vor dem Ende der 70er Jahre das Gelingen und die Brauchbarkeit einer
Maschine noch mehr oder weniger vom
Zufall
ab, so hatte man nun die
Mittel, eine
Maschine in allen ihren
Dimensionen vorauszubestimmen.
Galten früher
Maschinen von nur 10
Pferdekräften
Leistung als ganz außerordentlich groß, so war man nun in der
Lage,
Maschinen von mehreren 100
Pferdekräften ohne Schwierigkeit
in ihren
elektrischen Teilen zu bestimmen, und so stehen wir heute auf dem Standpunkte, daß die
Konstruktion
mehr eine Aufgabe des
Maschinenbauers, als des
Elektrikers ist. Dadurch erklärt sich denn auch der kolossale Aufschwung im
Bau
elektrischer
Maschinen, in dessen Verfolg wir schon seit
Jahren
Maschinen von mehr
als 600 Pferdekräften in regelrechtem, normalem Betriebe sehen.
Von diesem Zeitpunkt ab konnte man auch allererst daran denken, die
elektrischen
Maschinen mehr und mehr
den Verhältnissen der Betriebs
maschinen anzupassen. Bekanntlich arbeiten
Dampf- und
Gaskraftmaschinen
[* 8] etc. mit verhältnismäßig
niederer Tourenzahl; die
elektrischen
Maschinen benötigen aber eine ziemlich hohe, so daß ihr Antrieb nur mittels Riemenübersetzung
erfolgen kann, wobei dann die Antriebsmaschine im
Verhältnis ihrer niedern Tourenzahl eine größere
Riemenscheibe besitzen muß.
Nun gibt es aber verschiedene
Fälle, wo Platzmangel die direkte
Kuppelung
[* 9]
elektrischer
Maschinen mit den Antriebs
maschinen unbedingt
fordert, ganz abgesehen davon, daß die direkte
Kuppelung schon ihrer Wirtschaftlichkeit wegen vorzuziehen ist; so z.B. bei
Schiffsbeleuchtungen oder bei
elektrischen Zentralstationen mit teurem
Grund und
Boden etc. Kurzum, die
neuere
Tendenz im
Bau
elektrischer
Maschinen zielt auf
Modelle mit geringer Tourenzahl. Das erste Erfordernis hierzu war, möglichst
starke magnetische
Felder herzustellen, was man fast ausschließlich durch die
Anordnung einer größern Zahl von Magnetpolen
erreichte; ferner die Bewickelung des
Ankers mit möglichst vielen Windungen, was seinerseits wieder nötig
machte, dem Ankerumfang größere
Dimensionen zu geben, um die
Drähte möglichst nebeneinander anzuordnen, damit nicht der
Zwischenraum zwischen dem
Anker- und Magneteisen zu sehr erhöht und dadurch die Leistungsfähigkeit der
Maschine zu sehr beeinträchtigt
wird.
Elektrische
[* 10]
Gleichstrommaschinen. Die Neuerungen an
Gleichstrommaschinen (s.
Magnetelektrische Maschinen, Bd. 11, S.
78) in den letzten
Jahren zielen vorwiegend darauf hinaus, ihre Tourenzahl jener der Betriebs
maschinen anzupassen; anderseits
ist allerdings auch nicht zu verkennen, daß der maschinellen Gestaltung eine erhöhte
Aufmerksamkeit gewidmet wurde.
Dampfmaschinen
[* 11] arbeiten bei Leistungen von nicht über 50
Pferdekräften mit höchstens 300-400
Touren,
Gaskraftmaschinen mit höchstens 150-200
Touren; die hohe Tourenzahl der schnell laufenden
Dampfmaschinen macht sich aber meistenteils durch einen
äußerst hohen Dampfkonsum unangenehm fühlbar. Es galt also, einer normalen Tourenzahl der Betriebsmaschinen möglichst
nahe zukommen, nicht aber umgekehrt durch die
Konstruktion von sehr schnell laufenden
Dampfmaschinen den Betriebsverhältnissen
der
elektrischen
Maschinen Rechnung zu tragen.
Sollte die Umdrehungsgeschwindigkeit des Ankers der elektrischen Maschinen vermindert werden, so konnte man dies entweder durch Verstärken des magnetischen Feldes oder durch Vermehrung der Ankerwindungen oder durch beides zugleich erzielen. Die Verstärkung [* 12] des magnetischen Feldes führte zumeist zur Konstruktion mehrpoliger Maschinen, und so sehen wir die Maschinen von 100 und mehr Pferdekräften bereits mit 4, 6 und mehr Polen ausgerüstet; dabei ist natürlich vorausgesetzt, daß das magnetische Feld rationell, d. h. auf Grund der bahnbrechenden Veröffentlichungen von Hopkinson und Kapp, gestaltet ist. Ferner sehen wir den Ankern der sogen, langsam laufenden Dynamos einen erhöhten Umfang gegeben, um möglichst viele Windungen auf dessen Peripherie unterzubringen, ohne daß hierdurch der Zwischenraum zwischen Anker und Magneteisen allzusehr erhöht zu werden braucht; fast ausschließlich sehen wir die Drahtwindungen nur eine Lage stark und nebenein-
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ander angeordnet. Unter Berücksichtigung der Verstärkung des magnetischen Feldes und gleichzeitiger Vergrößerung des Ankerumfanges bemerken wir vorwiegend drei verschiedene Gestaltungen, und zwar Innenpolmaschinen, Außenpolmaschinen und Seitenpolmaschinen. Vorwiegend aber sehen wir bei sämtlichen langsam laufenden Dynamos den Ringanker verwendet, welcher bei Ankern von großem Umfang eine wesentliche Ersparung an Wickelungsmaterial gegenüber den Trommelankern gestattet.
Die Innenpolmaschinen haben die in [* 13] Fig. 1 der Tafel schematisch gekennzeichnete Anordnung. Sie bestehen im wesentlichen aus einem mit Draht [* 14] bewickelten Eisenring R, welcher mittels Bolzen mit einem sternförmigen Gestell (s. die gestrichelte Linie) verschraubt ist. Letzteres ist mittels Keilen auf der Welle W befestigt. Im Innern des Ringes befindet sich ein Eisenklotz F, welcher in der Mitte so weit ausgebohrt ist, daß die den Ring 15 tragende Welle frei rotieren kann.
Derselbe trägt die mit Wickelungen versehenen prismatischen Eisenklötze N, deren Zahl je nach der Größe der Maschine 4, 6, 8 und mehr beträgt. Die Wickelungen dieser Elektromagneten sind derart verbunden, daß man abwechselnd Nordpole (N) und Südpole (S) erhält. Das gesamte Elektromagnetgestell wird dann mit einem festen Stützpunkt verschraubt. An derselben Welle W, worauf der Ring R sitzt, greift die Betriebsmaschine an und versetzt zugleich mit der Welle den Ring in Umdrehung. Dadurch werden in den Windungen des Ringes Ströme induziert. Die Windungen sind entweder mit einem Kommutator verbunden, oder sie sind an der äußern Peripherie blank gemacht und so zugleich als Kommutator ausgebildet. Bei gewöhnlicher Gramme-Ringwickelung (s. Magnetelektrische Maschinen, Bd. 11, S. 78) muß man, um den Strom aus dem Ring abzunehmen, ebenso viele Bürstenpaare auf der Peripherie schleifen lassen, wie Pole vorhanden sind, und zwar müssen die Bürsten stets in der Mitte zwischen zwei Polen angelegt sein, also bei a, c, c und d. Bei a und c erhalten wir dann etwa positive, bei b und d negative Pole.
Man kann nun entweder die Bürsten a und b sowie c und d zu je einem Stromkreis benutzen, was indes selten geschieht, oder die beiden Stromkreise hintereinander schalten, d. h. a mit b leitend verbinden und c und d an die Leitung, in welche die zu betreibenden Apparate (Lampen, [* 15] Motoren etc.) eingeschaltet sind, anlegen, oder endlich die +Pole d und b und die -Pole a und c miteinander vereinigen und dann die Apparate betreiben. Im zweiten Fall erhalten wir die maximale Spannung, im dritten Fall nur die halbe Spannung, dafür aber doppelt so viel Strom.
Für niedere Spannungen (100-150 Volt) sehen wir meist die letztere Schaltung verwendet. Man kann übrigens auch diese Parallelschaltung [* 16] der beiden Stromhälften des Ringes durch entsprechende Verbindungen im Ring selbst herstellen; man hat nur nötig, die diametral gegenüberliegenden Kommutatorsegmente miteinander zu verbinden, und hat dann nur zwei Bürstenpaare zur Stromabnahme nötig, welche zwischen zwei aufeinander folgenden Magnetpolen angelegt sein müssen (Schaltung nach Mordey). Die Innenpolmaschinen werden hauptsächlich von Siemens u. Halske, neuerdings auch von andern (Gebr. Naglo), gebaut, und zwar haben Siemens u. Halske schon seit mehreren Jahren diese Art Maschinen in Größen bis zu 600 Pferdekräften in Betrieb. Allein in den Zentralstationen der Berliner [* 17] Elektrizitätswerke sind außer 12 à 300
Pferdekräften noch 18 solcher großen Dynamos in stetigem Betrieb. Sie besitzen einen Durchmesser von über 3 m; die Zahl der Magnetpole ist 10, desgleichen die der Stromabnahmestellen. Die äußere Peripherie der Wickelung (selbstverständlich hat man es bei so großen Maschinen nicht mit Drähten, sondern mit starken Kupferbarren zu thun) ist blank und als Kommutator ausgebildet, an ihr schleifen die 10 Bürstenpaare. Dieses größte Modell aller bislang gebauten Gleichstrommaschinen ist außerdem bereits in Paris [* 18] und in Madrid [* 19] in Betrieb; auch auf der Frankfurter Ausstellung arbeitete eine solche, deren Bild wir in [* 13] Fig. 2 geben.
Bei den Außenpolmaschinen sehen wir die Verminderung der Tourenzahl fast ausschließlich der Verstärkung des magnetischen Feldes zugeteilt. Die Ankerdimensionen sind nur sehr wenig vergrößert, was schon seinen guten Grund darin hat, daß sonst die Dimensionen des Magnetgestells ganz unverhältnismäßig groß würden; man stelle sich nur einmal die in [* 13] Fig. 3 gezeichnete Maschine mit einem Anker von 3 m Durchmesser vor! Edison hat auf originelle Art versucht, bei Außenpolmaschinen trotz alledem das magnetische Feld und zugleich die Ankerdimensionen, ohne daß das Magnetgestell zu gewaltig wird, dadurch zu vergrößern, daß er die Magnetwickelung N nicht wie in [* 13] Fig. 3, sondern wie in [* 13] Fig. 4 anordnet. Um aber auch in diesem Fall die Magnetwickelung auf praktisch einfache Weise herstellen zu können, macht er den Querschnitt des Magnetgestells kreisrund. An den einzelne:: Wickelungsstellen bringt er leere Spulen auf, die er dadurch mit Draht vollwickelt, daß er die Spulen auf dem Magnetgestell mittels eines Riemens in Unidrehung versetzt und Draht darauf laufen läßt.
Seitenpolmaschinen haben die in [* 13] Fig. 5 schematisch skizzierte Gestalt. Dem Ringanker A (meist Flachring) steht beiderseits eine Reihe von Magnetpolen E gegenüber, deren Polarität in der Reihenfolge angeordnet ist, wie es die [* 13] Figur durch die Zeichen N (Nord) und S (Süd) erkennen läßt. Bei dieser Type läßt sich ebenso wie bei den Innenpolmaschinen ohne weiteres das magnetische Feld verstärken und der Ankerumfang vergrößern. Nur hat sich im Bau dieser Dynamos, namentlich bei sehr großen Modellen, gezeigt, daß es ziemlich schwierig ist, den Anker und die Magnetgestelle derart zu versteifen, daß beide nicht auf der einen oder andern Seite aneinander streifen, was durch eine nicht vollkommen gleichmäßige Anziehung des Ankers eintreten kann. Schuckert u. Komp. haben jedoch durch geeignete Vorrichtungen auch diese Schwierigkeiten gehoben und bauen nach dieser Type bereits Maschinen von 300 Pferdekräften Leistung. Auf der Frankfurter Ausstellung war eine solche Dynamomaschine im Betrieb.
Elektrische Wechselstrommaschinen, die ältesten Typen elektrischer Maschinen (s. Magnetelektrische Maschinen, Bd. 11, S. 78), haben seit einigen Jahren, namentlich seitdem die Transformatoren (s. d.) erfunden waren, eine sachgemäße Weiterbildung erfahren. Da die Wechselstrommaschinen keinen Stromwender [* 20] besitzen (ein Teil, welcher bei den Gleichstrommaschinen schon die Erzeugung von 1000 Volt schwierig, über 2000 Volt jedoch hinsichtlich der Betriebssicherheit praktisch fast unmöglich macht), so können sie ohne weiteres für die höchsten Spannungen gebaut werden, so daß sogar beträchtliche Energien mit verhältnismäßig dünnen Leitungen übertragen werden können; ferner gestatten die Transformatoren, die hohen Spannun-
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gen auf jede gewünschte Spannung, und zwar auf die denkbar einfachste Weise zu transformieren (s. Elektrische Zentralstationen). Den wesentlichsten Anteil an der Vervollkommnung der Wechselstrommaschinen nehmen Ganz u. Komp., Budapest, [* 22] ein, deren Ingenieure Zipernowsky, Déri und Blathy sich nach dieser Richtung hin einen bedeutenden Namen gemacht haben. [* 21] Fig. 6 zeigt ein Schema dieser Wechselstrommaschine. Auf der Drehungsachse der Maschine sitzt strahlenförmig eine Anzahl (in der [* 21] Figur sind es 10) Elektromagneten, von welchen je zwei aufeinander folgende entgegengesetzte Polarität haben.
Diesen 10 Magnetpolen stehen 10 auf einem kreisförmigen Eisenrahmen befestigte Ankerspulen gegenüber. Dreht sich die Achse mit den Elektromagneten, so werden in den Ankerspulen Ströme von schnell wechselnder Richtung erregt. Die Spulen sind sämtlich miteinander verbunden, und die letzten Enden der Wickelung geben die gesamte in der Maschine erzeugte Spannung. Bemerkenswert ist an dieser Maschine, daß auch die Ankerspulen Eisenkerne besitzen, daß die Eisenkerne der Anker- wie der Elektromagnete aus Eisenblechen bestehen, um schädliche Ströme im Eisen [* 23] zu vermeiden, und daß endlich, im Gegensatze zu den ältern Maschinen, die Elektromagnete rotieren und der Anker in Ruhe bleibt.
Letzteres hat den besondern Vorzug, daß die Ankerwickelung, welche zumeist sehr hohe Spannung führt, in Ruhe bleibt und so nicht noch mechanischen Einwirkungen unterworfen ist, welche geeignet sind, die Isolation der Ankerdrähte zu beeinträchtigen. Die neuere Wechselstrommaschine von Siemens u. Halske unterscheidet sich von jener von Ganz u. Komp. wesentlich dadurch, daß die die Ankerwickelung tragenden Eisenkerne etwas anders gestaltet sind. Eine weitere Ausbildungsrichtung geht dahin, die vielen einzelnen Elektromagnetspulen, wie sie die obigen Maschinen besitzen, durch eine einzige Spule zu ersetzen und trotzdem eine beliebige Anzahl von Magnetpolen zu erzeugen.
Ein anschauliches Bild dieser Richtung gibt die Wechselstrommaschine von Morden [* 21] (Fig. 7). Ein Eisencylinder A trägt strahlenförmig angeordnete Arme B. Auf den Cylinder wird eine Spule C aufgeschoben und auf der andern Seite ein zweites Gestell D mit strahlenförmigen Armen F aufgeschraubt. Schickt man Gleichstrom in die Drahtspule, so wird das Eisengestell derart magnetisiert, daß die Arme B entgegengesetzte Polarität erhalten wie die Arme F. Zwischen den Enden von B und F ist ein mäßig großer Zwischenraum, in welchen die flachen Ankerspulen G hineinragen.
Bei der Rotation stehen in einem Augenblick je zwei gegenüberliegende Arme B und F mit ihren Endflächen gerade je vor einer Ankerspule, im nächsten Augenblick zwischen zwei Spulen. Im ersten Falle durchsetzen die von B und F erzeugten Kraftlinien den Eisenkern der Spulen, im zweiten Falle nicht; es ändert sich also bei der Rotation des Magnetgestells fortlaufend die Zahl der die Spule durchsetzenden Kraftlinien, was ja die Ursache der Strominduzierung ist.
Bei der Mehrphasenstrom- (Drehstrom-) Maschine ist die Ankerwickelung derart eingerichtet, daß sie mehrere Wechselströme, welche sämtlich gegeneinander um eine gewisse Phase verschoben sind, zugleich erzeugen läßt. Das einfachste Schema einer solchen Maschine gibt [* 21] Fig. 8. Auf einem Eisenring sehen wir zwei Spulen a und b aufgewickelt, deren Enden mit den vier Schleifringen 1, 2, 3, 4 verbunden sind, an welch letztern vier Bürsten zwecks Stromabnahme schleifen. Rotiert der
^[Splatenwechsel]
Ring zwischen zwei Magnetpolen X und 8, so werden in beiden Spulen Ströme wechselnder Richtung erzeugt, und diese sind in ihrer Phase um so mehr verschieden, je mehr die Spulen a und b gegeneinander verschoben sind. In der Figur ist die Verschiebung zu 90° angenommen, und so erhalten wir bei der Rotation zwei um 90° verschobene Wechselströme, d. h. wenn z. B. der Strom in a gerade Null ist, besitzt er in der Spule b sein Maximum und umgekehrt. Diese zwei Wechselströme kann man mittels vier Leitungen von den Bürsten weiterführen und nutzbar machen.
Man hat indes durch geeignete Schaltungen der Ankerwickelung erreicht, daß man von drei Wechselströmen an nur ebensoviel Leitungen benötigt, wie man verschiedene Wechselströme erzeugt. Die allgemeine schematische Gestaltung der Ankerwickelung für diesen Fall zeigen die [* 21] Fig. 9 und 10, wo drei um 120° verschobene Wechselströme erzeugt werden. Ein Eisenring besitzt drei Wickelungen a, d, c, von welchen je eine ein Drittel des Ringes bedeckt. Die Anfänge je einer Wickelung sind alle miteinander verbunden und die Enden nach drei Schleifringen geführt, von welchen drei Bürsten die erzeugten Ströme abzunehmen gestatten. Notiert dieser Ring zwischen den Polen N und S, so wird das Maximum der Intensität in einer Wickelung erst dann eintreten, wenn sich die vorhergehende, ein Intensitätsmaximum besitzende Wickelung um 120" weiter bewegt hat. Wir erhalten also auf diese Weise drei um 120° verschobene Wechselströme und trotzdem nur drei Leitungen m, n, o. [* 21] Fig. 10 zeigt eine zweite Art, wie man diese drei Wechselströme erzielen kann.
Sin Eisenring ist nach Art der gewöhnlichen Gramme-Wickelung fortlaufend mit Draht bewickelt. An drei um je 120° voneinander entfernten Punkten ist die Ankerwickelung mit drei Schleifringen verbunden, von welchen man mittels Bürsten die bei der Rotation vor den Magnetpolen N und S in den Wickelungen erzeugten drei um 120° verschobenen Wechselströme abnehmen und fortleiten kann. Würde man die drei Verbindungen m, n, o an drei Kommutatorsegmente führen, an welchen zwei Bürsten schleiften, so hätten wir eine Gleichstrommaschine, so daß man füglich sagen kann, der Mehrphasenstrom ist ein unkommutierter Gleichstrom.
Daher auch seine Fähigkeit, ähnlich wie der Gleichstrom ohne weiteres zur Leistung mechanischer Arbeiten verwendet zu werden. [* 21] Fig. 11 zeigt die Dreiphasenstrommaschine der Lauffeuer Kraftübertragung. Sie wurde von C. Brown konstruiert und leistet 300 Pferdekräfte. Das Magnetsystem ist nach Art des bei der Mordeyschen Wechselstrommaschine verwendeten gebildet. Die Maschine ist 32polig und für niedere Spannung (50 Volt) gebaut. Sie gibt maximal 1400 Ampère. Geschaltet ist die Ankerwickelung nach Schema [* 21] Fig. 9.