Online-Bibliothek

Elektrische Maschinen

[634] Elektrische Maschinen (hierzu Tafel »Elektrische Maschinen I-VI«), Vorrichtungen zur Verwandlung von mechanischer in elektrische Energie. Führt man einen Draht so durch ein magnetisches Feld, daß er dessen Kraftlinien bei seiner Bewegung durchschneidet, so tritt in ihm ein elektrischer Strom auf, der je nach der Richtung der Kraftlinien des Feldes und der Bewegungsrichtung des Drahtes in dem einen oder dem entgegengesetzten Sinne verlaufen kann. Auf dieser Art der Stromerregung beruhen die magnetelektrischen und dynamoelektrischen Maschinen. Bei den erstern ruft ein Stahlmagnet, bei den letztern ein Elektromagnet das magnetische Feld hervor, das ein den Kern des zu einer Spule aufgewickelten Drahtes bildender Körper von weichem Eisen verstärkt. Bei den ältesten magnetelektrischen Maschinen von Pixii (1832; Tafel I, Fig. 1), Ritchie (1832), Clarke (1832; Fig. 2), Stöhrer (1844; Fig. 4), der Gesellschaft Alliance (Fig. 5) u.a. hatten Magnet und Kern die Form eines Hufeisens; einer von beiden drehte sich um eine den Schenkeln parallele Achse, so daß seine Pole abwechselnd zu Nord- und Südpolen wurden. Die Spulen durchlief jedesmal ein Strom, wenn in ihrem Kern Magnetismus erregt wurde, und wenn er wieder verging. Es traten also bei jeder Umdrehung des Eisenkörpers vier Stromstöße auf, von denen zwei aufeinanderfolgende gleichgerichtet waren. Die unvorteilhafte Form dieser Maschinen machte ihre technische Verwendung unmöglich, für eine solche erwies sich erst die Doppelt-⊺ Anker-Maschine oder der Zylinderinduktor von Werner Siemens (1857) als brauchbar, der seinen Namen der Form seines Magnetankers verdankt.

Fig. 1. Zylinderinduktor.

Die Fig. 6 (Tafel I) zeigt ihn in perspektivischer Ansicht, Textfig. 1 in schematischer Darstellung. Der Anker c d e hat, ohne die Wickelung b b, die Form eines ɪ, mit ihr versehen die eines Zylinders. Die Drehung der Kurbel D Fig. 6 (Tafel I) wird mit zunehmender Geschwindigkeit durch das Räderwerk E F auf den Induktor B übertragen. Dieser dreht sich dann in den kreisförmigen Ausschnitten der aus Stahlplatten bestehenden Magnete A A', deren andre Enden in einer gemeinschaftlichen Stahlplatte befestigt sind. Die Spulen b b sind der Zylinderachse parallel gewickelt. Bei ihrer Umdrehung schneiden sie die Kraftlinien der Magnete abwechselnd unter rechten Winkeln, abwechselnd laufen sie ihnen parallel. In der ersten Stellung wird ein kräftiger Strom erregt, der bis zur zweiten auf Null herabsinkt, um dann wieder mit entgegengesetzter Richtung zu seiner frühern Stärke anzusteigen. Die Spulenenden gehen zu zwei isoliert auf der Achse angebrachten Ringen, auf denen man mit den Drähten des äußern Stromkreises verbundene Metallfedern, die Bürsten, schleifen läßt. Auf diese Weise erhält man Wechselströme, kann diese aber in Gleichströme, d.h. Ströme von unveränderlicher Richtung, verwandeln, wenn man statt der beiden Ringe einen einzigen in zwei gleiche, voneinander isolierte Hälften geteilten nimmt, und jedesmal, wenn der Strom wechselt, jede der Bürsten auf die andre Ringhälfte treten läßt. Die Kurbel D, deren Achse im Maschinengestell gelagert ist, trägt unten eine Feder, die über die dreieckigen Zähne e e der Deckelplatte G hingleiten; sie kann also nur in einem Sinne gedreht werden. Die vom Zylinderinduktor gelieferten Ströme werden für Signale aller Art häufig verwendet.

Die mittels Stahlmagneten zu erhalten den Ströme erreichen nie eine so große Stärke, wie man sie mit Elektromagneten erzielen könnte. Unt solche zu verwenden, ersetzten 1866 Wilde und Ladd den Magneten einer magnetelektrischen Maschine durch einen Elektromagneten und ließen ihn durch einen Zylinderinduktor erregen. Die Maschine Ladds zeigt Fig. 8 der Tafel I. Es lag nun nahe, zu versuchen, ob es nicht möglich sei, den Strom, den eine solche mit einem Elektromagneten versehene Maschine erzeugt, auch zu ihrer Erregung zu benutzen. Diese Aufgabe lösten unabhängig voneinander 1867 Werner Siemens und Wheatstone. Siemens richtete seine Doppelt-⊺-Maschine so ein, daß der von ihr entwickelte Strom um den Elektromagneten gehen mußte, er erregte in dessen Kern eine geringe Menge Magnetismus, indem er kurze Zeit den Strom eines Elements durch seine Drahtbewickelung schickte, und setzte den Induktor in Drehung. Der Magnet erzeugte einen schwachen Strom in ihm, dieser verstärkte den Magnetismus des Magneten, der Magnetismus wieder den Strom, der stärkere Strom den Magnetismus etc., so daß nach wenigen Umdrehungen der Strom so stark wurde, daß infolge der durch ihn hervorgerufenen Erhitzung die Isolation der Drähte verbrannte und der Versuch abgebrochen werden mußte. Diese Art der gegenseitigen Verstärkung von Strom und Magnetismus nannte Siemens 1867 das dynamoelektrische Prinzip. Einen Monat später veröffentlichte Wheatstone denselben Gedanken, doch wollte er nicht den gesamten Strom, sondern nur einen davon abgezweigten Teil um den Elektromagneten leiten.

Es entging Siemens nicht, daß an der übermäßigen Erhitzung des Induktors wen iger die im Draht entwickelte Wärme, als der schroffe Wechsel der magnetischen Polarität des Kernes schuld sein mußte, dessen Moleküle dabei in heftige Bewegung gesetzt werden. Um diese auf ein unschädliches Maß zurückzuführen, war es nur nötig, dem Magnetkern eine zweckmäßigere Form zu geben. Mit solchen traten 1871 Gramme und v. Hefner-Alteneck hervor. Grammes Anker hatte nach dem Vorgange von Elias (1841; Tafel I, Fig. 3) die Form eines Ringes, um den der Draht in Schraubenlinien gewunden wurde, der Anker von v. Hefner-Alteneck die einer Trommel, um deren Grund- und Seitenflächen der Draht so gelegt wurde, daß er jene in radialer Richtung, diese den Seitenlinien parallel überspannte. Den Ringanker hatte auch 1865 Pacinotti bei einer von ihm gebauten magnetelektrischen Maschine (Tafel I, Fig. 7)angebracht. Ring u. Trommel erhalten eine genügende Anzahl z. T. übereinander liegender Drahtwindungen[634] und werden auf einer Welle befestigt, die von einer Kraftmaschine in Umdrehung versetzt wird. Beide sind in Textfigur 2 und 3 in der Richtung der Welle und im Grundriß dargestellt. Die Figuren zeigen die Welle w w im Durchschnitt, ihre Verbindungen mit Ring und Trommel sind weggelassen. Die Spulen sind als Linien gezeichnet und zwar beim Ringanker nur deren sichtbare Teile, beim Trommelanker sind die auf der vordern Stirnfläche liegenden Teile ausgezogen, die auf der hintern befindlichen punktiert, die längs den Seitenflächen liegenden treten als Punkte auf. Auf der hintern Fläche der Trommel müssen die Spulen so gelegt werden, daß sie die Welle durchlassen.

Sie drehen sich zwischen den beiden Magnetpolen N und S, die so breit sind, daß sie die auf den Seitenflächen des Ringes oder der Trommel liegenden Wickelungsteile bedecken. Nur bei A und G bleiben zwischen den Polen schmale Stellen frei. Die Kraftlinien des magnetischen Feldes gehen von Pol zu Pol, folgen aber auf dieser Bahn dem Eisen des Ringes oder der Trommel. Die Drahtteile zwischen diesen und den Polen durchschneiden somit die Kraftlinien, solange sie sich unter den Polen hindurch bewegen. Wie beim Zylinderinduktor werden dabei in ihnen Ströme erregt, die jedoch unter dem Einfluß des Nordpols in entgegengesetzter Richtung verlaufen, wie unter dem des Südpols. Nur an den Punkten A und G sind die Spulen stromlos, zu diesen fließt also von beiden Seiten ein Strom hin. Brächte man dort Kontaktvorrichtungen an, also z. B. blanke Stellen, auf denen man Metallfedern schleifen ließe, so könnte man von diesen den in den Spulen erregten Strom abnehmen und durch einen äußern Stromkreis an einen beliebigen Ort hin leiten. Man verfährt zweckmäßiger, indem man von Punkten der Spulen, die in gleichen Abständen liegen, Drahte zu den blanken Metallschienen c leitet, die voneinander und von der Welle isoliert die Oberfläche eines dieser aufgesetzten Zylinders, des Kommutators oder Kollektors, bildet und auf diesen ein Bündel federnder Kupferdrähte oder -Bleche oder, wie es in neuerer Zeit häufiger geschieht, Kohlenprismen, die Bürsten B, schleifen läßt. Verbindet man diese mit zwei Klemmschrauben, den Polklemmen, so erhält man zwei Punkte, von denen aus man stets den äußern Stromkreis mit Strom versorgen kann. Die in die Fig. 2 und 3 eingezeichneten Pfeilspitzen ergeben die Richtung der erregten Ströme, die bei der durch den großen Pfeil gegebenen Drehungsrichtung des Ankers auftreten, ihr Verlauf beim Trommelanker ergibt sich, wenn man einerseits die Ziffern von 1–8, anderseits die von I-VIII verfolgt. Vor einem Pole haben sie die nämliche Richtung, die vor dem Nordpol zu beobachtende ist aber der vor dem Südpol entgegengesetzt.

In den Punkten D und E ist nun die Dichtigkeit der Kraftlinien am größten, hier wird also in jeder Windung der stärkste Strom auftreten. Er nimmt bis zu Null ab. während sich die Windung von D nach G bewegt, ändert hierdurch seine Richtung, nimmt wieder bis E zu, um in A abermals gleich Null zu werden. Da aber jede Windung bei ihrer Fortbewegung sogleich durch eine andre ersetzt wird, so ändert sich das Strombild nicht, wenn auch der Ring in Bewegung ist, und es treten somit an den Bürsten nur Ströme einer Richtung aus. Diese behalten aber auch ihre Stärke bei, da, ehe eine Änderung in der Stärke des von einer Windung gelieferten Stromes eintreten kann, ihre Stelle durch eine zweite ersetzt wird, in der nun wieder die nämliche Stromstärke vorhanden ist. Die Maschine liefert also Gleichstrom.

Fig. 2. Grammes Ringanker. Grundriß und Seitenansicht.

Der Feldmagnet einer Gleichstromdynamomaschine muß aus drei Teilen bestehen, den die Wickelung tragenden Magnetschenkeln, ihrer Fortsetzung in den einen zylindrischen Raum zur Aufnahme des Ankers einschließenden Polschuhen und dem sie auf der andern Seite verbindenden Stück, dem Joch oder der Külasse.

Fig. 3. v. Hefner-Altenecks Trommelanker. Desgleichen.

Die Zusammen setzung der einzelnen Teile zeigt Fig. 4 (Tafel II), die eine kleine Gleichstrommaschine von Siemens u. Halske darstellt. Die Polschuhe sind abgeschrägt und oben durch eine Platte eines unmagnetischen Körpers verbunden, auf der die Polklemmen aufgesetzt sind. Die Vermeidung scharfer Ecken verhindert das Austreten von magnetischen Kraftlinien aus diesen, deren Streuung, also mehr oder weniger beträchtliche Verluste an Magnetismus. Die Magnetschenkel bilden mit der Grundplatte ein Stück, diese stellt also das Joch dar. Der Anker ist ein Trommelanker, auf dem Kommutator schleifen die aus je drei nebeneinander gelagerten Bürsten bestehenden Stromabnehmer, so daß also jede Bürste nach Belieben ausgewechselt werden kann, ohne daß die Maschine abgestellt werden müßte. Von den Haltern der Stromabnehmer gehen zwei Drähte zu den Polklemmen. Da der Anker sehr rasch laufen muß, so ist für eine immerwährende Schmierung Sorge getragen, die durch die[635] zwei auf den Lagern sitzenden Schmiergefäße bewerkstelligt wird. Die Maschine wird durch einen Riemen betrieben, sie ist auf Schienen gestellt, und es bedarf nur des Anziehens der durch die vorn sichtbaren Hebel zu bewegenden Schrauben, um den Riemen nach Bedarf zu spannen. Es fällt auf, daß die Bürsten nicht, wie dies in Textfig. 2 und 3 angegeben ist, auf den Kommutatorschienen schleifen, die sich in dem zwischen den Polschuhen frei bleibenden Raum befinden, sondern daß sie etwas in der Richtung der Drehung verschoben worden sind. Sie müssen sich in der neutralen Zone befinden, d.h. mit den Teilen der Wickelung in Verbindung gebracht werden, in denen der Strom wechselt, also seine Stärke Null ist. Wäre das nicht der Fall, so würden die Bürsten feuern, d.h. es würden an ihnen Öffnungsfunken entstehen, weil beim Übergang der Bürste von einer zur folgenden Schiene jedesmal eine Stromunterbrechung stattfinden würde. Die neutrale Zone würde sich nun zwischen den Polen der Feldmagnete befinden, wenn nicht der Anker auch zu einem Magneten würde, dessen Kraftlinien senkrecht auf denen des Feldmagneten stehen. Das aus beiden Feldern resultierende Feld ergibt dann eine etwas im Sinne der Drehung verschobene neutrale Zone, und die Maschinen müssen deshalb Vorrichtungen haben, welche die Bürsten genau einzustellen erlauben. Ein Blick auf die Figur zeigt, daß die Maschine große Eisenmassen und verhältnismäßig wenig Kupfer enthält. Bei den ältern Maschinen war das Verhältnis umgekehrt, namentlich hatte die erste größere Maschine Edisons sehr lange und dünne Magnetschenkel. Von Hopkinson wurde ihr dann die auch jetzt noch oft angewendete Form mit kürzern und dickern Magnetschenkeln gegeben, die in Fig. 5 der Tafel II dargestellt ist. Sie hat, wie die in Fig. 2 der Tafel II abgebildete Maschine von Gramme, einen Ringanker. Auch seitlich vom Feldmagneten hat man den Anker angebracht. Eine solche Form zeigt die Maschine von Kummer u. Komp., Fig. 6, Tafel II. Andre Maschinenformen erhält man durch Vermehrung der Magnetschenkel und Pole. Die Kraftlinien des Feldmagneten, deren Schluß jedesmal das Ankereisen bildet, stellt für die in Fig. 1 (Tafel II) dargestellte Maschinenform die Textfig. 4 dar.

Fig. 4. Kraftlinien der Gleichstrommaschine von Siemens u. Halske.

Legt man den Anker zwischen die Magnetschenkel und gibt den Polschuhen die in Textfig. 5 gezeichnete Form, so erhält man die in Fig. 6 (Tafel V) vorgeführte Örlikonmaschine, die der Manchesterdynamo von Mather und Platt sehr ähnlich ist. Dabei ist es unbedenklich, die Polschuhein zwei Platten zu vereinigen, da sich in diesen dann sogenannte Folgepunkte bilden, die Kraftlinien als zwei durch das Ankereisen geschlossene Systeme auftreten. Man kann aber auch die Schenkel und Pole der Magnete zu beiden Seiten des Ankers aufstellen (Textfig. 6), wie dies W. Lahmeyer tat, und das geteilte Joch um Schenkel und Anker herumführen. Man erhält so die in Tafel V, Fig. 1, dargestellte Maschine, die sich mittels durchlochter Bleche sehr vollständig vor Berührung durch Unberufene schützen läßt, zugleich eine Maschinenform, die nur eine ganz geringe Streuung der magnetischen Kraftlinien in ihre Umgebung zeigt.

Fig. 5. Kraftlinien der Orlikondynamo.

Bietet dies auch manche Vorteile, so folgt daraus noch nicht, daß die Maschine ihren Magnetismus besser als andre ausnutzt. Da ja bei a, b, c und d (Fig. 6) eine große Zahl von Kraftlinien zwischen dem Pol und demJoch verläuft, ohne von den Ankerdrähten durchschnitten zu werden, so geht ein nicht unbedeutender Teil des von der Maschine entwickelten Magnetismus für die Stromerzeugung verloren. Maschinen, die wie die Lahmeyermaschine durch eine mehr oder weniger ununter brochene eiserne Hülle an der Streuung der Kraftlinien in ihre Umgebung verhindert werden, heißen eisenumkleidete (ironclad) Maschinen. Sie sind namentlich in Amerika in häufigem Gebrauch.

Obwohl diese Maschinen zwei magnetische Kreise haben, so besitzen sie doch nur zwei Pole. Es lassen sich aber die Maschinen auch so bauen, daß sie vier, sechs etc. Pole erhalten, also ebensoviel man sie tische Kreise vorhanden sind; man hat mithin von den zweipoligen die mehrpoligen Maschinen zu unterscheiden.

Fig. 6. Kraftlinien der Lahmeyermaschine.

Eine Zwischenform zwischen beiden Arten ist die in Fig. 1 der Tafel II abgebildete, früher oft gebaute Lichtmaschine von Siemens, die zwei Paar Spulen, aber nur ein Paar Polschuhe hat und also wie Örlikondynamo wirkt. Mehrpolige Maschinen erfordern für jedes Paar Pole auch ein Paar Bürsten. Textfig. 7 zeigt die Anordnung einer solchen vierpoligen Maschine mit den Bürsten, von denen man zwei Stromkreise entnehmen kann, die für sich allein oder in verschiedener Weise zusammengeschaltet zu benutzen sind. Fig. 7 der Tafel II gibt eine Ausführung dieser Anordnung durch die Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft in Berlin.

fig. 7. Kraftlinien und Drahtverbindungen einer mehrpoligen Maschine.

Je zwei gegenüberstehende Bürsten sind durch Kupferbügel verbunden, von denen Drähte zu den oben befindlichen Polklemmen der Maschine gehen. Mehrpolige Maschinen haben vor zweipoligen den Vorteil, daß sie bei gleicher Leistungsfähigkeit einer viel geringern Umdrehungsgeschwindigkeit bedürfen. Da es neuerdings gelungen ist, rasch laufende Dampfmaschinen zu bauen, so eignen sich solche zu direkter Verkuppelung mit diesen, mit Gaskraftmaschinen oder[636] mit Turbinen. Man umgeht auf diese Weise die unvollkommene Verbindung der Antriebsmaschine und der Dynamo durch Riemen oder Räderübersetzung, und das ist der Grund dafür, daß die mehrpoligen Maschinen in neuerer Zeit so viel häufiger zur Verwendung gekommen sind, wie die zweipoligen. Eine mit einer Borsigschen Dampfmaschine gekuppelten Dynamomaschine von Siemens u. Halske zeigt Tafel III; Fig. 4 auf Tafel V gibt dagegen eine Körtingsche Gasdynamo, bei der als treibende Kraft die Ausdehnung eines Gemenges von Wassergas und Luft dient, das durch einen elektrischen Funken entzündet wird.

Die in Fig. 7 (Tafel II) dargestellte Maschine ist eine Innenpolmaschine. Man kann aber auch den Anker als Ring die sternartig angeordneten Magnete umgeben lassen und erhält dann die Außenpolmaschine, deren Anker man am besten festlegt, während man die Magnete sich drehen läßt. Endlich kann man auch, wie dies Schuckert u. Komp. getan haben, den Anker zwischen zwei oder mehr Polpaaren sich drehen lassen. Er wird dann zweckmäßig als flacher Ring ausgebildet (Flachringmaschine mit zwei Polpaaren, Taf. II, Fig. 3). Da zwei einander gegenüberstehende Pole gleichartig sind, so würde man die Maschine aus der in Fig. 4 dargestellten erhalten, wenn man die Polschuhe durchschnitte und zwischen sie den um 90° gedrehten Ring anbrächte. Um seine Achse durchzulassen, muß das Joch die Form eines Ringes oder wenigstens des Teiles eines solchen (Tafel II, Fig. 3) haben. Eine ganz eigentümliche Bauart zeigt die Bogenlichtmaschine von Thomson-Houston, die eine sich sehr wenig ändernde Stromstärke liefert und deshalb gute Dienste leistet, wenn, wie es in Amerika häufig geschieht, Bogenlampen in Hintereinanderschaltung betrieben werden sollen. Fig. 7 (Tafel V) stellt ihr perspektivisches Bild, die kleine Nebenfigur 7a den Durchschnitt vor. Der bei A sichtbare, um die horizontale unterhalb B gelegene Welle drehbare Anker besitzt nur drei Spulen, die so gewickelt sind, daß der Anker eine Kugel bildet, die sich in den halbkugelförmigen Polschuhen dreht. Die Magnete sind hohle Zylinder, das Joch wird durch die sie tragenden Flanschen D und die sie zusammenhaltenden Eisenstäbe E gebildet (s. Nebenfigur 70). Die Bürsten bestehen aus zwei Kupferstreifen, die gegeneinander verstellbar sind und auf den drei Ringteilen des Kommutators F schleifen, von denen ein jeder mit dem einen Ende einer Spule verbunden ist, während die drei andern Spulenenden zusammengelegt sind. Die Regulierung besorgt der Elektromagnet G, dessen Kern, wenn er herabgezogen wird, die Kupferstreifen etwas voneinander entfernt. Auch ist vorn auf der Achse ein kleines Zentrifugalgebläse angebracht, das an den Bürsten entstehende Funken sofort auslöscht.

Der vom Anker gelieferte Strom hat die Wickelung des Elektromagneten und den äußern Stromkreis (A S) zu durchlaufen. Dies kann so geschehen, daß man ihn nacheinander oder zugleich die beiden Stromteile durchlaufen läßt. Die erste Art der Schaltung, die Textfig. 8 ergibt, ist die der Hauptstrommaschine, die der zweiten, Textfig. 9, die der Nebenschluß- oder Shuntmaschine.

Fig. 8. Schaltung der Hauptstrommaschine.

Die erste Art der Schaltung kann nur in seltenen Fällen angewendet werden, da die Hauptstrommaschine bei Zuschaltung eines Widerstandes, z. B. einer Reihe Lampen, in den äußern Stromkreis schwächer erregt werden würde; sie würde also gerade dann an Leistungsfähigkeit einbüßen, wenn höhere Leistungsfähigkeit von ihr verlangt wird.

Fig. 9. Schaltung der Nebenschlußmaschine.

Die Nebenschlußmaschine verstärkt dagegen in diesem Falle den den Elektromagneten erregenden Strom und damit ihre Leistungsfähigkeit. Unter Umständen ist es auch vorteilhaft, beide Schaltungsweisen zur Verbund- oder Compoundschaltung zu vereinigen (Textfig. 10), indem man von den Klemmen der Hauptstrommaschine einen dünnen Draht abzweigt und diesen um den Feldmagneten mit dem dicken, den Hauptstrom führenden Draht windet.

Fig. 10. Schaltung der Verbundmaschine.

Am häufigsten verwendet werden gegenwärtig die Nebenschlußmaschinen, welche die Spannung und damit die Erregung der Maschinen bequem zu regulieren erlauben, indem man die Wickelung des Feldmagneten in mehrere Teile teilt, von denen einige aus Hand oder selbsttätig aus- und eingeschaltet werden können, je nachdem die Spannung im Stromkreise zu hoch oder zu niedrig wird.

Die vorzügliche Wirkungsweise der jetzigen Dynamomaschinen, von denen kleinere 80 Proz., größere bis 97 Proz. der zu ihrem Betrieb verwendeten mechanischen Energie als elektrische wiedergewinnen lassen, ist durch die auf theoretischem und praktischem Weg erlangte Zweckmäßigkeit ihres Baues erreicht. Die Magnetschenkel macht man aus starkem Schmiedeeisen, wenn irgend möglich Polschuhe, Schenkel und Joch aus einem Stücke, den Anker dagegen stellt man aus sorgfältig ausgesuchten Blechplatten aus Eisen oder Dynamostahl her, die man so zusammenstellt, daß sich ihre Flächen in der Richtung der Kraftlinien befinden und durch Glimmerplatten, Mikanit oder paraffiniertes Papier voneinander isoliert. Wird dadurch den Kraftlinien kein schädlicher Widerstand entgegengestellt, so wird die Bildung der Wirbelströme vermieden, deren Entstehung an eine Leitung in der Richtung senkrecht zu der der Kraftlinien gebunden ist. Ihr Auftreten bedingt Erhitzung des Ankers und somit einen Energieverlust, denn man muß nun Kühlungsmittel anwenden, um die störende Wärme wieder[637] los zu werden. Ein Energieverlust ist auch durch den Widerstand der Drahtleitungen bedingt, die bei der Bewegung des Ankers nicht durch das magnetische Feld geführt, also nicht der Induktion unterworfen werden. Wie ein Blick auf die Textfig. 2 und 3 (S. 635) lehrt, sind dies beim Ringanker die im Innern des Ringes, beim Trommelanker die an den Stirnflächen der Trommel befindlichen Wickelungsteile. Doch sind diese Verluste zu vermeiden, wenn man die von Fritsche eingeführte Wellenwickelung anwendet, die in Schraubenlinien so über den zylindrischen Teil des Trommelankers hin und zurück geführt wird, daß die Stirnflächen frei bleiben. Man muß dazu vier quadratische Polschuhe wie bei Textfig. 7 verwenden, deren Seiten mit der Zylinderachse 45° bilden, braucht aber, da man nur einen Stromkreis erhält, nicht vier, sondern nur zwei Bürsten, die in einem Winkel von 90° anzubringen sind.

Fig. 11 u. 12. Wirkungsweise der Wechselstrommaschine.

Bei Parallelschaltung von zwei Wechselstrom-Dynamomaschinen entsteht die Gefahr, daß, wenn der Feldmagnet der einen durch irgend einen zufälligen Umstand seinen Magnetismus verliert, sich der der andern durch ihre Ankerspulen ergießt und dort großes Unheil anrichtet. Leblanc verbindet deshalb die Pole des Feldmagneten der Maschine durch einen kupfernen Barren (Amortisseur). In diesem entstehen, wenn die Maschinen verschieden rasch laufen, Wirbelströme, deren Richtung eine derartige ist, daß sie die Magnetisierung der Feldmagnete besorgen, also wie Feldmagnete wirken. Sie verhindern das Schwächerwerden oder Aufhören des Magnetismus der Feldmagnete und ersetzen also bei einem etwaigen Versagen der zum Antreiben der Wechselstrommaschine notwendigen Erregergleichstrommaschine, die den Magneten jener Maschine Magnetismus mitteilt, deren Wirkung.

Spannungen, die 4000 Volt überschreiten, sind mit Gleichstrommaschinen nicht wohl zu erreichen, da die Kommutatorschienen einander so nahe liegen, daß die Gefahr eines ihre Isolierung durchschlagenden Funkens in hohem Maße vorhanden ist. Wechselstrommaschinen sind dieser Gefahr weitaus weniger ausgesetzt, mit ihnen kann man Spannungen bis zu 40,000 Volt und mehr erreichen. Da eine jede Gleichstrommaschine Wechselströme liefert, die erst durch Zwischenkunft des Kommutators in Gleichströme verwandelt werden, so kann man jede Gleichstrommaschine zur Wechselstrommaschine machen, wenn man den Kommutator durch zwei Schleifringe ersetzt, zu denen die Enden zweier diametral gegenüberliegender Spulen gehen und auf diesen die Bürsten schleifen läßt. Es hat keine Schwierigkeit, diese Ringe in großer Entfernung voneinander, z. B. auf beiden Seiten des Ankers, anzubringen und so das Überschlagen eines Funkens von einem zum andern unmöglich zu machen. Sie sind in Textfig. 11 und 12 durch R und R, dargestellt und der Übersichtlichkeit wegen von verschiedenem Durchmesser gezeichnet, während sie in Wirklichkeit gleich groß sind und nebeneinander auf der Achse sitzen. In beiden gezeichneten Lagen werden in den beiden Hälften der Wickelung Ströme induziert, die bei der in Fig. 11 dargestellten durch Vermittelung der Ringe und Bürsten im äußern Stromkreis AS einen Strom erregen. In der um 90° gedrehten Lage in Textfig. 12 aber kann ein solcher Strom nicht auftreten, da die obern und untern Hälften des Ankers, deren Ströme in die Ringe eintreten könnten, in ihren beiden Teilen in entgegengesetzter Weise beeinflußt werden, die in ihnen entstehenden Ströme sich also aufheben müssen. Man erhält also im A S während einer Umdrehung des Ankers zwei in entgegengesetzter Richtung verlaufende Stromstöße, die durch Zeitpunkte der Stromlosigkeit unterbrochen sind. Um die großen Umdrehungszahlen zu vermeiden, nimmt man für den Bau der Wechselstrommaschinen stets mehrpolige Außen- oder Innenpolmaschinen mit benachbarten ungleichnamigen Polen oder solche, bei denen sich die Spulen zwischen einander gegenüber aufgestellten Magnetpolen hindurch bewegen. Befindet sich die zylindrische Spule unter oder vor dem Magnetpol, so tritt kein Strom in ihr auf, da in ihren beiden Hälften gleichgerichtete Ströme hervorgerufen werden, die sich aufheben müssen, während bei Übertreten von einem Pol zum andern entgegengesetzt gerichtete Ströme induziert werden, die in der Spule einen Kreislauf bilden können. Die Art, wie der Strom seine Stärke ändert, während die ihn führende Spule von einem Pole bis zum folgenden gleichnamigen Pole gelangt, ist leicht aus Textfig. 13 zu ersehen. Dort bedeutet A B den Bogen, den eine Spule bei einer Umdrehung oder beim Übergang von einem zum folgenden gleichnamigen Pole beschreibt.

Fig. 13. Verlauf des Wechselstroms.

Steht sie im Anfang ihrer Bewegung bei A, so hat der Strom bei C seine durch C D gegebene größte Stärke in der einen Richtung erreicht, bei E ist er wieder O, bei F hat er seine größte Stärke in entgegengesetzter Richtung F G erreicht, während er bei B wieder O wird. Befand sich also die Spule bei A vor einem Nordpol, so passierte sie bei E einen Südpol und gelangte bei B wieder vor einen Nordpol. Nach der ausgezogenen regelmäßigen Linie (Sinusoide) verläuft der Wechsel der Stromstärke jedoch nur in seltenen Fällen, häufiger nach einer Linie wie die punktiert gezeichnete. Die Abweichungen von der Sinusoide sind aber immer so gering, daß man sie allen einschlägigen Rechnungen zugrunde zu legen pflegt. Die Zeit, die verfließt, während in der Spule ein vollständiger Stromwechsel stattfindet, während sie sich also von A bis B bewegt, nennt man eine Periode, ihre Hälfte einen Wechsel.[638]

Eine Wechselstrommaschine kann nun aber ihre Feldmagneten nicht selbst erregen, da diese stets die nämliche Polarität besitzen müssen. Sie bedarf also einer Gleichstrommaschine als Erregermaschine, die gewöhnlich von der auch sie treibenden Kraftmaschine in Bewegung gesetzt wird, wenn man es nicht vorzieht, die Welle der Wechselstrommaschine mit einem Kommutator zu versehen, an ihn einige Spulen anzuschließen und durch den von diesem zu entnehmenden Gleichstrom die Magnete speisen zu lassen. Wechselstrommaschinen eignen sich besonders dazu, direkt mit einer Dampf- oder Gaskraftmaschine gekuppelt zu werden, weil ihr Anker mit seinen großen Eisenmassen alsdann das Schwungrad ersetzen kann. Eine solche Schwungradmaschine, wie sie von Siemens u. Halske zu Oberleutensdorf in Böhmen aufgestellt ist, zeigt Tafel VI. Vorn auf der Achse sieht man die Erregermaschine.

Fig. 14. Schema einer Mehrphasenstrommaschine.

Bei kleinern Maschinen reicht man mit einer Magnetwickelung aus, wenn man nur für die nötige Anzahl von Polschuhen sorgt. Dieser Gedanke liegt einer Reihe von Maschinen zugrunde, für welche die in Fig. 2 und 3 (Tafel V) dargestellte, von Mordey angegebene, ein Beispiel ist. Sie besitzt einen Elektromagnet, der eine durch Gleichstrom zu erregende Wickelung, aber neun einen Stern bildende Polschuhe hat. Ihre obern Enden sind gegeneinander gebogen und fassen die um 18 Porzellankerne gewundenen U-förmigen Wickelungen des Ankers zwischen sich, die eine zusammenhängende Leitung bilden. Der Magnet rotiert um seine Achse und ruft dabei in den Spulen Induktionsströme hervor, die, da die Spulen stets in gleicher Weise von den Magnetpolen beeinflußt werden, in der beschriebenen Weise als Wechselströme auftreten. Solche Maschinen, bei denen die von den Elektromagneten erregten Spulen sich sämtlich in demselben Erregungszustand, derselben Phase befinden, nennt man einphasige. Nun ist es aber auch möglich, die Spulen und Feldmagnete so anzuordnen, daß die einen in dem Augenblick am stärksten erregt werden, in welchem die andern keinen Strom entwickeln. Das ist z. B. bei der in Textfig. 14 dargestellten Anordnung der Fall, wo zwei um 90° voneinander abstehende Spulen a und b auf dem zwischen den Magnetpolen N und S kreisenden Eisenring angebracht sind, deren Enden zu den vier Schleifringen 1, 2, 3, 4 gehen, auf denen ebenso viele die Enden von Drahtleitungen bildenden Bürsten schleifen. Die eine Leitung ist stromlos, wenn die andre Strom hat, und man erhält so eine Zweiphasenmaschine, die zwei Stromkreise mit vier Leitungen speisen kann. Da man derartige Einrichtungen namentlich dann trifft, wenn elektrische Arbeit auf weitere Entfernungen übertragen werden soll, so wendet man zweckmäßiger drei im Winkel von 120° voneinander abstehende Spulen a, b, c an, wie solche Textfig. 15 zeigt, führt deren eine Enden zu drei Schleifringen, auf denen die Bürsten der Leitungen m, n, o schleifen, und vereinigt die andern in einem Punkt. Wie die Figur erkennen läßt, wird in b kein Strom entwickelt, in a und e aber treten Ströme auf, die gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind, sich also aufheben. Im Vereinigungspunkte tritt also kein Strom auf, er ist ein neutraler Punkt. Dasselbe findet aber in jeder Stellung der Spulen statt. Steht z. B. c gerade vor S, so wird in ihm ein Strom von der größten Starke, die vorkommen kann, erregt, schwächere Ströme treten dann in a und b durch Einwirkung von N auf, aber diese Ströme sind entgegengesetzt gerichtet und gleich stark, wie der Strom in c. Der neutrale Punkt ist also stets stromlos und kann zur Erde abgeleitet werden, leitet man aber durch die drei Drähte den Strom zu einer ebenso gebauten Maschine, so erhalten deren Spule dieselben Ströme wie die der ersten, und es kann dadurch die Maschine in Bewegung gesetzt werden, während die drei Enden der Spulen der zweiten Maschine ebenfalls an einen neutralen Punkt gelegt werden. Einen solchen Strom nennt man Dreiphasenstrom oder Drehstrom; die ihn liefernden Maschinen werden gegenwärtig sehr häufig gebaut. Sie unterscheiden sich nur in der Einteilung und der Verbindung der Spulen von einer Einphasenmaschine, die auf Tafel VI dargestellte Maschine ist ein solcher Drehstromgenerator. Wie einfach eine solche Maschine ist, und wie wenig Raum auch für mächtige Leistungen sie bedarf, zeigen Fig. 1, 2 und 3 (Tafel IV), die eine Drehstromdynamo der Allgemeinen Elektrizitäts-Gesellschaft darstellen, deren Leistung bis zu 200,000 Watt, also nahe 300 Pferdestärken, gehen kann.

Fig. 15. Schema einer Dreiphasenstrommaschine.

Sie gibt die gebräuchlichste Form, bei welcher der sich drehende Anker Rotor genannt wird, während der feststehende die Feldmagnete tragende Bügel Stator heißt. Einen in der Form dem Generator ganz gleichen Schuckertschen Motor gibt Fig. 5 auf Tafel V, der zum Betrieb einer Fördermaschine bestimmt ist. Vgl. Kittler, Handbuch der Elektrotechnik (Bd. 1, 2. Aufl., Stuttg. 1892; Bd. 2, 1890); S. Thompson, Die dynamoelektrischen Maschinen (6. Aufl., nach Grawinkels Übersetzung neu bearbeitet von Strecker u. Vesper, Halle 1901); Derselbe, Mehrphasige elektrische Ströme und Wechselstrommotoren (deutsch von Strecker u. Vesper, 2. Aufl., das. 1902); Kapp, Dynamomaschinen (deutsch von Holborn u. Kahle, 3. Aufl., Berl. u. Münch. 1899); Arnold, Die Gleichstrommaschine (Berl. 1902–1903, 2 Bde.); Glaser de Cew, Die dynamoelektrischen Maschinen (6. Aufl., Wien 1893); Gerland, Lehrbuch der Elektrotechnik (Stuttg. 1903).