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Magnetelektrische
[* 1]
Maschinen (hierzu Tafeln »
Magnetelektrische
Maschinen I u. II«),
Vorrichtungen, welche durch Einwirkung von Magneten auf geschlossene Stromkreise in diesen elektrische Ströme erzeugen. Die erste derartige Maschine [* 2] wurde 1832 von Pixii angegeben und bestand aus einem drehbaren Stahlmagnet in Hufeisenform, dessen Pole an zwei mit Drahtspulen umgebenen Eisenkernen vorüberstrichen. Die Spulen waren so geschaltet, daß bei der Annäherung der Magnetpole in beiden Spiralen positive Ströme entstanden, bei der Entfernung negative; bei fortgesetzter Drehung also eine abwechselnde Reihenfolge von positiven und negativen Strömen (Wechselströme); doch wurden die negativen Ströme im geeigneten Moment durch einen auf der Drehungsachse angebrachten Stromwender [* 3] umgekehrt und der Apparat dadurch in eine Gleichstrommaschine umgewandelt. Spätere Erfinder, wie Saxton, Clarke und Ritchie, machten die Spulen drehbar, während sie dem Magnet eine feste Lage gaben, wodurch offenbar die gleiche Wirkung erzielt wird.
Eine erhebliche Verstärkung [* 4] der Nutzwirkung erreichte Stöhrer in Leipzig, [* 5] indem er statt des einen Hufeisenmagnets deren drei anwandte, vor deren Polen eine Scheibe mit sechs Induktionsspulen gedreht werden konnte; die entstehenden Wechselströme wurden durch einen Stromwender in gleichgerichtete verwandelt. Mit diesem Apparat ließ sich bereits elektrisches Licht erzeugen, doch reichten seine Wirkungen für die Praxis noch nicht hin. Die Grundidee seines Apparats wurde in der Folge weiter ausgebildet, bis sie in der sogen. Alliancemaschine von Nollet zu einem vorläufigen Abschluß kam.
Letztere [* 1] (Fig. 1 der Tafel I) besteht aus zahlreichen festen Hufeisenmagneten und beweglichen Drahtspulen. Die Anzahl der Spulen ist stets doppelt so groß wie die Anzahl der Magnete, die gruppenweise zu Kreisen zusammengestellt sind, mit den Polen in abwechselnder Reihenfolge nach innen. Mehrere solcher Kreise [* 6] stehen nebeneinander, so daß die Pole sich decken, und daß auch in seitlicher Richtung auf einen Nordpol stets ein Südpol folgt. In der größten Maschine drehten sich 96 Induktionsrollen auf 6 Scheiben zwischen den Polen von 48 Hufeisenmagneten, alle Näherungsströme waren in sich gleichgerichtet und ebenso alle Entfernungsströme, und um dies zu erreichen, mußte die Richtung der Drahtwindungen von Spule zu Spule wechseln.
Eine ähnliche
Konstruktion, die sich nur durch die Verwendung von
Elektromagneten an
Stelle der Stahlmagnete unterscheidet,
wurde später von
Holmes ausgeführt. Die Alliance
maschinen haben die Erzeugung elektrischer Lichtquellen von großer
Stärke
[* 7] ermöglicht und sind in
Leuchttürmen vielfach benutzt worden; wenn man sie auch heute nicht mehr baut,
so trifft man doch in fast allen Wechselstrom
maschinen dieselbe oder eine ähnliche
Anordnung der festen und drehbaren Teile.
In der Form abweichend von allen bisher beschriebenen
magnetelektrischen
Maschinen ist der von
Werner
Siemens 1857 erfundene
sogen. Cylinderinduktor. Zwei
Reihen horizontaler Magnetstäbe AA' (Textfigur 2) besitzen an ihren vordern
Enden bei b eine cylindrische Höhlung, welche den
Anker
[* 8] aufnimmt.
Letzterer besteht aus einem Eisenkern cde, dessen Gestalt
aus dem in der
[* 1]
Figur dargestellten
Querschnitt zu erkennen ist; der von
Eisen
[* 9] nicht erfüllte
Raum des
Cylinders enthält
die Drahtwindungen, welche der
Länge nach um den Eisenkern gewickelt sind.
[* 1] Fig. 3 (Tafel I) zeigt einen Cylinderinduktor, wie er zum Betrieb von Zeigertelegraphen verwendet wird; die Drehung wird mittels der Kurbel [* 10] D des Zahnrades E und des Triebes F bewirkt. Die Zähne [* 11] l, welche die Scheibe G umgeben, dienen zur Begrenzung der Kurbelbewegung; bei jeder Fortschiebung um einen Zahn macht der Cylinder CBC, welcher zwischen den Magneten AA' steht, eine halbe Umdrehung, und der hierdurch erzeugte einmalige Induktionsstoß wird für sich erhalten. Jede Umdrehung ergibt demnach zwei Stromstöße von entgegengesetzter Richtung, entsprechend der Umkehrung des Magnetismus [* 12] im Eisenkern; dieselben können durch einen Stromwender in gleichgerichtete verwandelt werden.
Einen wichtigen Umschwung in der Geschichte der
magnetelektrischen
Maschinen bezeichnet die
Erfindung der
Maschinen mit konstantem
Strom. Die erste derselben wurde 1860 von Pacinotti angegeben und kurze Zeit darauf durch den
Franzosen
Gramme praktisch ausgeführt,
nach dem
sie den
Namen
Grammesche
Ringmaschine erhalten hat.
Zwischen den Polen N und S eines hufeisenförmigen Magnets dreht sich um eine zur Ebene seiner Schenkel senkrechte Achse ein Ring von Eisen ABCD (Textfig. 4), auf welchen eine Anzahl von Drahtspiralen aufgewickelt ist, die alle hintereinander zu einer fortlaufenden Windungsreihe verbunden sind. Von den Vereinigungsstellen der einzelnen Spiralen gehen metallische Fortsätze R R1 R2 R3 zur Achse des Ringes,
[* 1]
^[Abb.: Fig. 2.
Magnetelektrische
Maschine von
Siemens u.
Halske.
Fig. 4.
Schema der
magnetelektrischen
Maschine von
Gramme.]
¶
[* 13] Fig. 1. Alliance-Maschine von Nollet.
[* 13] Fig. 3. Magnetelektrische Maschine (Cylinderinduktor) von Siemens u. Halske.
[* 13] Fig. 5. Magnetelektrische Maschine von Gramme.
[* 13] Fig. 7. Dynamoelektrische Maschine von Gramme.
[* 13] Fig. 8. Schuckerts dynamoelektrische Maschine.
[* 13] Fig. 9. Siemens' dynamoelektrische Maschine mit Trommelinduktor.
Zum Artikel »Magnetelektrische Maschinen«. ¶
Fig. 10. Siemens' dynamoelektrische Maschine für Reinmetallgewinnung.
[* 14] Fig. 11. Dynamoelektrische Maschine von Edison.
[* 14] Fig. 12. Westons Dynamomaschine.
[* 14] Fig. 13. Brush-Maschine.
[* 14] Fig. 14. Innenpolmaschine von Ganz u. Komp.
[* 14] Fig. 15. Wechselstrommaschine von Gramme.
[* 14] Fig. 16. Siemens' Wechselstrommaschine, mit der Erregermaschine verbunden.
Zum Artikel »Magnetelektrische Maschinen«. ¶
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wo sie um 90° umgebogen und auf ihrer Oberfläche parallel nebeneinander und voneinander isoliert befestigt sind. Zwei vertikal stehende Drahtbündel schleifen federnd beiderseits auf der so belegten Achse und vermitteln die Fortleitung des bei der Rotation des Ringes in den Spiralen induzierten Stroms. Durch den Einfluß des Magnets wird der Ring selbst magnetisch und zwar so, daß er gleichsam aus zwei halbkreisförmigen Magneten ABC und ADC besteht, welche in A und C mit gleichnamigen Polen zusammenstoßen und in B und D ihre neutralen Punkte haben.
Die Lage dieser Pole ändert sich während der Umdrehung des Ringes nicht, da ja das weiche Eisen den Magnetismus
nicht festhält; die Wirkung ist somit die nämliche, als ob der Eisenring unbeweglich bliebe und bloß die Drahtspiralen
längs desselben dahinglitten. Die neutrale Linie BD ist die Linie des Stromwechsels; geht der Strom in den Spiralen oberhalb
derselben in der einen Richtung, so hat er in den Spiralen unterhalb die entgegengesetzte. Die federnden
Drahtbündel (in der schematischen
[* 15]
Fig. 4 durch E und F angedeutet), welche die Achse in den der neutralen Linie entsprechenden
Punkten berühren, bewirken ohne Kommutator die Gleichrichtung des Stroms im Schließungsbogen; denn jedesmal, wenn eine Spirale
die Lagen B und D passiert und sich demnach die Stromesrichtung in ihr umkehrt, tritt auch ein Wechsel in der
Verbindung durch das Übertreten von F und E auf die folgenden Metallstreifen R2 und R3 ein. Eine der ersten Formen, welche
Gramme seiner
magnetelektrischen Maschine gegeben hat, ist in
[* 15]
Fig. 5 (Tafel I) abgebildet.
Die Grammesche Maschine leidet an dem Übelstand, daß die im Innern des Ringes liegenden Teile der Drahtumwindungen dem induzierenden Einfluß der Magnetpole fast vollständig entzogen sind und den Widerstand unnütz vermehren. Hefner-Alteneck hat deshalb in seinem sogen. Trommelinduktor (Textfig. 6) die innern Windungen ganz fortgelassen. Diese eigentümliche und für eine große Anzahl späterer Konstruktionen vorbildlich gewordene Maschine besteht aus einem hohlen eisernen Cylinder AA, der auf seiner Oberfläche in der Längsrichtung mit isoliertem Draht [* 16] bewickelt und auf einer Achse befestigt ist, mit welcher er sich innerhalb eines starken magnetischen Feldes dreht. Die in Gruppen abgeteilten Drahtlagen überkreuzen sich auf den Stirnflächen und bilden eine zusammenhängende Spirale, in welcher die Ströme auf gleiche Weise erzeugt und abgeleitet werden wie in dem Grammeschen Ring.
Die bis jetzt angeführten
magnetelektrischen Maschinen benutzen sämtlich Stahlmagnete. Daß man aber auch Elektromagnete
anwenden kann, welche durch
magnetelektrische Ströme erregt werden, ist namentlich durch die Maschine von Wilde (1866) nachgewiesen
worden, in welcher der Strom eines gewöhnlichen Siemensschen Cylinderinduktors benutzt wurde zur Bildung eines kräftigen
magnetischen Feldes für einen zweiten größern Induktor. Zeigt diese Konstruktion, daß man schon damals an eine Verstärkung
der Wirkungen durch gegenseitige Erregung mehrerer Induktoren dachte, so hat doch erst Werner Siemens ein Mittel zu einer
fast unbegrenzten Steigerung der Wirkungen in
einer einzigen Maschine angegeben.
Ein Cylinderinduktor oder Grammescher Ring erzeugt, wie oben gezeigt wurde, bei seiner Drehung zwischen den Polen eines Magnets Ströme. Siemens verwendet nun an Stelle der Stahlmagnete Elektromagnete und läßt die erzeugten Ströme, ehe sie in die äußere Leitung treten, in passender Richtung die Umwindungen der Elektromagnete durchlaufen, wodurch der Magnetismus dieser letztern verstärkt wird; dieselben sind nun wieder zur Erzeugung stärkerer Ströme im Induktor befähigt, die wieder die Stärke des magnetischen Feldes steigern u. s. f. Die Steigerung dauert so lange an, bis die äußern Elektromagnete ihren Sättigungszustand erreicht haben; von dem Moment an behält der erzeugte Strom seine Stärke bei.
Durch diese Anordnung wird es ganz überflüssig, permanente Magnete oder in sich geschlossene Elektromagnete zu verwenden; denn noch die geringste Spur von Magnetismus, wie sie in jedem Eisenstück, namentlich aber als sogen. remanenter Magnetismus in den Kernen von Elektromagneten, enthalten ist, reicht aus, um den Steigerungsprozeß einzuleiten. Weil aber bei diesem Vorgang die Elektrizität [* 17] lediglich durch einen Aufwand mechanischer Kraft [* 18] erzeugt wird, nannte Siemens 1867 den entstehenden Strom einen dynamoelektrischen und die Maschinen, welche zur Erzeugung desselben in der beschriebenen Weise dienen, dynamoelektrische Maschinen. Dieselbe Entdeckung wurde fast gleichzeitig von Wheatstone gemacht, aber etwas später veröffentlicht.
Gramme gebührt das Verdienst, das dynamoelektrische Prinzip zuerst auf den Pacinottischen Ring angewandt und dadurch eine brauchbare Maschine zur Erzeugung starker gleichgerichteter Ströme ohne Kommutator hergestellt zu haben. Eine Form seiner Maschine, die für Beleuchtungszwecke Anwendung findet, ist in [* 15] Fig. 7 (Tafel I) abgebildet. Das Gerüst derselben besteht aus zwei gußeisernen Seitenwänden, welche oben und unten durch starke cylindrische Querstäbe aus Schmiedeeisen zusammengehalten werden.
Diese Stäbe bilden gleichzeitig die Kerne zweier dreipoliger Elektromagnete, d. h. zweier Elektromagnete, welche einen Pol in der Mitte und zwei diesem entgegengesetzte Pole an den beiden Enden besitzen. An den mittlern entgegengesetzten Polen sind starke Ansätze aus weichem Eisen befestigt, welche den ringförmigen Anker einschließen. Dieser Anker, dessen Prinzip oben bereits erläutert wurde, besteht aus einem Kern von geglühten Eisendrähten, um welchen ein aus vielen unter sich verbundenen Spulen bestehendes Drahtsystem gewunden ist.
Von der Vereinigungsstelle je zweier Spulen führt eine Verbindung zu dem Kollektor, [* 19] einem auf seiner Oberfläche der Länge nach mit parallelen Messingschienen belegten Cylinder, der sich mit dem Ring auf derselben Achse befindet, und auf welchem die in der [* 15] Figur auf der rechten Seite sichtbaren Leitungsbürsten schleifen. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Bürsten immer an denjenigen Schienen anliegen, welche mit den Vereinigungspunkten der innerhalb des Ringes entstehenden entgegengesetzt gerichteten Ströme verbunden sind.
Den Nachteil der Grammeschen Maschine, daß die
[* 15] ^[Abb.: Fig. 6. Trommelinduktor von Hefner-Alteneck.] ¶
mehr
Pole der Schenkelmagnete nur auf die äußern Windungen des Ringes induzierend wirken, hat Fein in Stuttgart [* 21] durch die Anbringung trichterförmiger Polansätze zu vermeiden gesucht, welche den Ring auch auf der Innenseite einfassen. Zu dem gleichen Zweck hat Schuckert in Nürnberg [* 22] den Anker seiner dynamoelektrischen Maschine (Fig. 8 der Tafel I) in einen flachen, auf drei Seiten von den Polschuhen umgebenen Ring umgeformt. Die Schuckertschen Maschinen haben sich wegen ihrer Leistungsfähigkeit ein ausgedehntes Absatzgebiet erworben.
Eine Vervielfältigung des Grammeschen Ringes weist die dynamoelektrische Maschine von Bürgin auf. Er befestigt 6-10 Ringe hintereinander auf derselben Achse und setzt die in einer Schraubenlinie gegeneinander versetzten Spulen so in Verbindung, daß eine einzige zusammenhängende Drahtleitung entsteht. Naturgemäß wächst mit der Anzahl der Ringe auch die Menge der unwirksamen Drahtwindungen, weshalb die Firma Crompton u. Komp. in ihren neuern Maschinen wieder zum einfachen Ringanker zurückgekehrt ist. An die Grammesche Maschine lehnt sich ferner ihrer Konstruktion nach an die dynamoelektrische Maschine von Gülcher, deren flacher Ringanker zwischen vier ihn klammerartig umfassenden Polschuhen sich dreht; letztere besitzen abwechselnde Polarität und bilden die Vereinigung von je zwei mit gleichnamigen Polen einander gegenüberstehenden Elektromagneten.
Die dynamoelektrische Maschine mit Trommelinduktor von Siemens u. Halske hat vor den beschriebenen Formen den großen Vorzug, vermöge der Konstruktion ihres Ankers von dem Übelstand einer unvollständigen Ausnutzung der Ankerumwindungen frei zu sein. Die Elektromagnete MM dieser Maschine sind, wie die Abbildung in [* 20] Fig. 9 (Tafel I) erkennen läßt, flach und ähnlich wie bei Gramme so angeordnet, daß in dem mittlern ausgebrauchten Teil, welcher den Trommelinduktor T einschließt, zwei kräftige Pole von entgegengesetzter Polarität entstehen.
Eine interessante Form der dynamoelektrischen Maschine von Siemens u. Halske ist die in [* 20] Fig. 10 (Tafel II) dargestellte dynamoelektrische Maschine für Reinmetallgewinnung, von welcher mehrere Exemplare in dem königlichen Hüttenwerk zu Oker im Betrieb stehen. Die Schenkelmagnete derselben sind mit dicken vierkantigen Kupferstäben an Stelle der Drahtumwindungen umgeben, und zwar trägt jeder Schenkel nur sieben solcher Windungen. Auch der Anker ist nur mit einer Leitungslage versehen, deren Abteilungen durch starke kupferne Winkelstücke mit dem Kollektor in Verbindung stehen; auf letzterem schleifen Kupferplatten als Stromsammler.
In ähnlicher Weise ist bei der in [* 20] Fig. 11 (Tafel II) abgebildeten Edisonschen dynamoelektrischen Maschine der Anker gebildet. Die Kupferbekleidung desselben besteht aus isolierten Stäben, deren Enden mittels senkrecht zur Achse gestellter, untereinander wiederum isolierter Kupferscheiben zu einem zusammenhängenden Stromkreis verbunden sind, während das magnetische Feld, innerhalb dessen der Anker sich dreht, durch die kräftigen Polansätze zweier aufrecht stehender Elektromagnete gebildet wird.
Die dynamoelektrische Maschine von Weston [* 20] (Fig. 12, Tafel II), welche ebenfalls nach dem Vorbild der Trommelmaschine erbaut ist, zeichnet sich durch gute Ventilation aus, die eine übermäßige Erwärmung der Maschine verhütet. Zu diesem Zweck ist der Anker aus parallelen Eisenscheiben an Stelle des geschlossenen Hohlcylinders zusammengesetzt, und auch die Polansätze der Schenkelmagnete sind durchbrochen. Äußerlich hat noch die Maximsche dynamoelektrische Maschine große Ähnlichkeit [* 23] mit der Siemensschen. Sie besitzt dieselben flachen, in der Mitte aufgebogenen Elektromagnete, doch dreht sich im magnetischen Feld an Stelle des Trommelinduktors eine nach dem Prinzip des Grammeschen Ringes konstruierte cylindrische Armatur.
Eine ganz eigenartige Erscheinung bildet die in [* 20] Fig. 13 (Tafel II) abgebildete Brush-Maschine. Der Anker dieser Maschine besteht aus einem massiven, der Ventilation halber mit konzentrischen Rinnen versehenen gußeisernen Ring, der in tiefen rechteckigen Einschnitten 8 Spulen trägt. Die Anfangsdrähte je zweier diametral sich gegenüberstehender Spulen sind miteinander verbunden, während die Enddrähte zu einem Stromwender führen, welcher die entstehenden Wechselströme in gleichgerichtete verwandelt. Der Ring dreht sich innerhalb eines kräftigen, durch zwei Paar mit gleichen Polen einander gegenüberstehender Elektromagnete gebildeten magnetischen Feldes. Ursprünglich nur für elektrische Beleuchtung [* 24] bestimmt, hat die Brush-Maschine wegen ihrer kräftigen Wirkungen jetzt auch zur Reinmetallgewinnung Verwendung gefunden.
Während in den bis jetzt beschriebenen Maschinen die festen Elektromagnete außerhalb des drehbaren Ankers liegen und mehr oder minder große Flächen ihrer Pole demselben abkehren, wodurch Magnetismus verloren geht, sind in den neuesten Gleichstrommaschinen von Siemens u. Halske und Ganz u. Komp. in Budapest [* 25] die Elektromagnete stromartig im Innenraum eines erweiterten Grammeschen Ringes befestigt, welcher die Polflächen vollständig umschließt und allen Magnetismus auffängt. In ihrem Aufbau haben diese Maschinen einige Ähnlichkeit mit der weiter unten zu beschreibenden Wechselstrommaschine von Gramme, wie eine Vergleichung der [* 20] Fig. 14 u. 15 (Tafel II) ergibt, von denen erstere die Innenpolmaschine von Ganz u. Komp., letztere die Wechselstrommaschine von Gramme darstellt.
Über die Benutzung der magnet- und dynamoelektrischen Maschinen als Motoren s. Elektromagnetismus [* 26] und Elektrische Kraftübertragung. [* 27]
Neben den dynamoelektrischen Maschinen haben sich auch die
magnetelektrischen in der Form von Wechselstrom
maschinen weiter
entwickelt, wobei in den meisten Fällen die permanenten Magnete durch Elektromagnete ersetzt worden sind, welche
ihren Strom von kleinern dynamoelektrischen Maschinen erhalten. Als Wechselstrommaschine wurde oben bereits die neuere Form
der Alliancemaschine erwähnt. Auf ähnlichen Grundsätzen beruht die Maschine des Belgiers Méritens.
Sie besteht aus einem kreisförmig angeordneten System horizontaler Hufeisenmagnete, vor deren Polen sich ein nach Analogie
des Grammeschen Ringes zusammengesetzter Kranz von Induktionsspulen dreht. Die Drahtumwindungen dieser Spulen
sind alle in derselben Richtung gewickelt und bilden eine einzige zusammenhängende Spirale, deren Enden zu zwei auf der Achse
der Maschine isoliert angebrachten Kupferringen führen, von wo die bei der Drehung im Anker entstehenden Wechselströme durch
Schleiffedern nach außen geleitet werden. Alle folgenden Arten von Wechselstrom
maschinen besitzen Elektromagnete
an Stelle der Stahlmagnete und bedürfen deshalb einer besondern Erregermaschine. In den Wechselstrom
maschinen von Lontin sind
die induzierenden Elektromagnete sternförmig um eine bewegliche Achse gestellt und drehen sich innerhalb eines Kranzes feststehender
¶