Titel: Der Einphasen-Wechselstrommotor.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1907, Band 322 (S. 709–712)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj322/ar322234

Der Einphasen-Wechselstrommotor.

Bauart, Wirkungsweise und Eigenschaften der bisher angegebenen Konstruktionen.

Von Dipl.-Ing. A. Linker.

(Fortsetzung von S. 694 d. Bd.)

Eine andere Form des auf S. 693 angegebenen Motors hat C. P. Steinmetz (185) durch besondere Schaltungsanordnung38) der drei Phasen eines Dreiphasenmotors erhalten. In Fig. 41 sind zwei Phasen (I und II) direkt an das Netz gelegt, Phase III ist beim Anlauf offen, während parallel zu Phase II ein induktionsfreier Widerstand R geschaltet ist. Aehnlich ist die Schaltung (186, 187) in Fig. 42, worin die drei Phasen nach monocyklischem System an die Wechselstromleitung gelegt sind. Durch Vereinigung der in Fig. 38 angegebenen Schaltungsweise mit den oben beschriebenen entsteht schließlich eine Form des Kondensatormotors, wie sie in Fig. 43 angegeben ist.

Textabbildung Bd. 322, S. 709
Textabbildung Bd. 322, S. 709

Dabei ist es möglich, durch Veränderung der Induktanz L im Tertiärkreise IIIb und der Kapazität C in der Tertiärwicklung IIb eine gegenseitige Phasenverschiebung der Felder von 60° bezw. 120° zu erhalten, so daß hierdurch ein nahezu konstantes Drehfeld wie in einem Dreiphasenmotor gebildet wird. Bei einem praktisch brauchbaren Anlaufmoment hat diese Type den Vorzug einer weitgehenden Phasenkompensation und damit auch großen Ueberlastungsfähigkeit. Um ferner bei kleinem Anlaufstrom ein genügend großes Anlaufmoment zu erhalten, wird in den Rotorkreis ein Anlaßwiderstand eingeschaltet. Die Anordnung der tertiären Wicklung IIb hat noch den Vorteil, daß man dadurch unabhängig von der Netzspannung die Kondensatorspannung beliebig hoch wählen kann. Je höher man diese Spannung macht, um so kleiner kann die Kapazität des Kondensators werden; im allgemeinen geht man jedoch nicht über 500 Volt. Auch die gegen die Anwendung von Kondensatoren gehegten Bedenken, daß die höheren Harmonischen in der Spannungskurve starke Ströme höherer Periodenzahl hervorrufen, wird in diesem Falle hinfällig, da die in der Wicklung üb induzierte Kondensatorspannung infolge des nahezu sinusförmigen Feldes keine schädlichen Oberschwingen besitzt.

Wegen ihrer komplizierten und teueren Bauart hat jedoch diese Konstruktion nicht die praktische Bedeutung wie die in Fig. 38 angegebene einfachere Form.

Unter den vielen Modifikationen der Wicklungen zur Erzeugung einer Kunstphase soll noch eine von A Heyland (195) angegebene39) erwähnt werden. Der Stator besitzt eine gleichmäßig verteilte, in halb offenen Nuten verlegte Hauptwicklung und eine um 90 ° dagegen verschobene, in geschlossenen Nuten liegende Spulenwicklung, welche nur aus wenigen Windungen besteht, um ein starkes Feld zu erzeugen.

Beim Anlauf sind beide Wicklungen parallel geschaltet und rufen, da sie verschiedene Selbstinduktion besitzen, ein rotierendes Feld hervor, das auf den dreiphasig gewickelten, über Schleifringe und Widerstände geschlossenen Rotoranker ein Drehmoment ausübt.

Mit Hilfe des Anlaßwiderstandes wird dann nach Erreichung einer bestimmten Geschwindigkeit die Hilfswicklung mit ausgeschaltet.

Die Anlaufsverhältnisse sind günstig, indem der Motor ohne großen Stromverbrauch die volle Belastung durchzuziehen imstande ist. Er ist deswegen vielfach für Hebezeuge und Aufzüge verwendet worden.

Während bisher zur Erreichung eines großen Anlaufsmoments Widerstände in den Stromkreis des Rotors eingeschaltet wurden, führt W. G. Rhodes (196) dem Läufer durch Schleifringe vom Netz aus entweder direkt einen Erregerstrom zu oder entnimmt ihn einem im Hauptstromkreise liegenden Autotransformator. Nach seiner Ansicht soll dadurch außerdem die Phasenverschiebung im Hauptstromkreise kompensiert werden können. Das ist jedoch nicht der Fall, da eine Kompensation nur dann auftreten kann, wenn dem Rotor Erregerströme von einer der Schlüpfung entsprechenden Periodenzahl zugeführt werden, wie es nur durch Verwendung eines Kommutators möglich ist (s. später Fig. 98).

Die Aufgabe, Wechselstrommotoren mit Kurzschlußanker von selbst zum Anlauf zu bringen, ist von der A.-G. Helios (201, 202) dadurch gelöst, daß sie den Anker in achsialer Richtung verschiebbar40) macht.

Beim Einschalten des Stromes wird infolge der nie zu vermeidenden Unsymmetrie in der Lage der Kurzschlußringe zum Feld eine elektrodynamische Kraftwirkung auf |710| den Anker ausgeübt, welche ihn unter Ueberwindung des magnetischen Zuges aus dem Felde herausstößt. Wird in dieser Lage durch eine mechanische Vorrichtung, wie es z.B. von E. Cantono (192, 193) angegeben ist, oder besser durch Benutzung einer Hilfsphase dem Anker eine geringe Drehung erteilt, so erreicht er schnell nahezu die synchrone Umdrehungszahl. Damit fällt die elektrodynamische Abstoßung infolge der geänderten Stromverteilung in den Kurzschlußringen fort und die magnetische Kraft zieht den Anker wieder in das Feld hinein. Gleichzeitig kuppelt sich der Motor selbsttätig mit der Belastung und schaltet dabei die Hilfsphase aus.

Auf andere Art bringt R. D. de Lignières (204, 205, 208) einen Motor zum Anlauf, indem er den Stator durch einen Hilfsmotor in Umdrehung versetzt und sobald die Relativgeschwindigkeit zwischen Stator und Rotor nahezu den Synchronismus erreicht hat, den Stator allmählich durch eine mechanische Bremsvorrichtung zum Stillstand bringt. Dadurch wird erreicht, daß der Motor aus der Ruhelage die volle Belastung durchzieht. Durch Aenderung der Umdrehungszahl des Stators in positivem oder negativem Sinne kann die Geschwindigkeit reguliert bezw. eine bremsende Wirkung hervorgerufen werden. Durch Abänderung der Konstruktion (207) ist dann der Hilfsmotor unnötig geworden, indem die Regulierung der Umdrehungszahl durch eine elektromagnetische Bremse erfolgt.

Textabbildung Bd. 322, S. 710

Ein Versuch, die induzierende Wirkung des Rotorquerfeldes eines Hifsmotors zum Anlassen eines Hauptmotors zu benutzen, ist von M. Corsepius (214) bei seinem kommutatorlosen Induktionsmotor41) gemacht worden. Der Motor besitzt einen Stator, in welchem ein Hauptrotor und ein Hilfsrotor, letzterer nach Art einer Leerscheibe auf der Welle des ersteren drehbar untergebracht sind. Von den verschiedenen Schaltungen wird hauptsächlich die in Fig. 44 angegebene benutzt. Zum Anlauf des Motors wird die um eine halbe Polteilung gegen die Wicklung III verschobene Hilfsphase IV des Stators S2 durch einen Widerstand R (Fig. 45a) geschlossen und nach Hintereinanderschaltung der beiden Wicklungen der Strom den Klemmen eh zugeführt. Durch die hierbei entstehende Kunstphase läuft der Rotor R2 (Fig. 44) leer an und induziert in den Spulen III und IV E M K'e, deren Phasenverschiebung fast 90° ist. Nun schaltet man nach Fig. 45b die Statorwicklungen S1 und S2 parallel zu einander und führt den Punkten ae und dh den Strom zu. Infolge der in S2 induzierten E M K'e werden die Ströme in S1 und S2 eine große Phasenverschiebung haben und der Rotor R1 kann jetzt mit großer Zugkraft wie ein Zweiphasenmotor anlaufen. Schließlich wird der Rotor R2 mit R1 gekuppelt und dadurch die Leistung des Motors vergrößert.

Textabbildung Bd. 322, S. 710

Abgesehen von der umständlichen Anlaßmethode ist der von der Firma E. H. Geist A.-Q., Köln, noch jetzt gebaute Motor im Verhältnis zur Leistung etwas groß und deswegen teuerer, wenn auch die Betriebsverhältnisse42) ziemlich günstige sind.

Zur Regulierung der Umdrehungszahl verändert A. Zehden (219) den Polabstand, indem er alle Pole durch Zahnstangen mit einem gemeinsamen Zahnrade verbindet, so daß bei der Drehung des letzteren eine radiale Verschiebung der Pole erfolgt. Diese Anordnung besitzt jedoch keine nennenswerten Vorzüge.

III. Abschnitt.
Kommutatormotoren ohne Kompensation.

Führt man einem Gleichstrom-Hauptschlußmotor, dessen Feld zur Vermeidung starker Wirbelströme und damit verbundener Verluste und Erwärmung aus Eisenblechen zusammengesetzt ist, Wechselstrom zu, so wird er in Rotation geraten. Da nämlich das Drehmoment eines Gleichstrommotors proportional dem Produkt aus magnetischem Kraftfluß und Ankerstromstärke ist, so ändert sich seine Richtung nicht, wenn durch Vertauschen der Polarität das Feld und der Ankerstrom ihre Richtung gleichzeitig wechseln. Wegen der erhöhten Verluste im Eisen und der größeren Verluste, welche in den durch die Bürsten kurzgeschlossenen Spulen auftreten, ist der Wirkungsgrad gegenüber den Gleichstrommotoren gleicher Leistung erheblich kleiner und das Gewicht größer. Besondere Schwierigkeiten macht die Erreichung' eines funkenfreien Arbeitens des Kommutators bei verschiedenen Umdrehungszahlen und Belastungen, da in den kurzgeschlossenen Spulen nicht nur eine infolge ihres Eigenfeldes induzierte EMK, die sogenannte Reaktanzspannung, sondern dazu noch eine vom Wechselfeld durch Transformatorwirkung hervorgerufene EMK auftritt. Beim Anlaufen zeigen deswegen die älteren und einfacheren Konstruktionen ein starkes Feuern der Bürsten, zu dessen Verminderung der Kommutator mit vielen Lamellen versehen wird, so daß jede Spule eine möglichst kleine Windungszahl erhält. Außerdem werden schmale Bürsten kleine Periodenzahlen und ein schwaches Feld bezw. niedrige Induktionen verwendet.

Ebenso wie bei Gleichstrom gibt es zwei Klassen von Kommutatoren entsprechend der Schaltung des Magnetfeldes zum Anker, nämlich Hauptschluß- und Nebenschlußmotoren. Dazu kommt noch die durch elektroinduktive Abstoßung wirkende Type der Repulsionsmotoren, bei welchen das Armaturfeld von einem durch Transformation und Rotation induzierten Strom erzeugt wird.

Diese Arten außer dem Nebenschlußmotor besitzen ein großes Anzugsmoment und ihre Umdrehungszahl nimmt je nach der Konstruktion mit zunehmender Belastung mehr oder weniger stark ab. Das Drehmoment ändert sich mit der Bürstenstellung, am wenigsten jedoch bei Nebenschlußmotoren. Der Leitungsfaktor ist besonders bei den neueren Typen für größere Motoren unter normaler Belastung größer als 0,9, dagegen ist er beim Anlauf klein. Bezüglich der Funkenbildung bei Belastung zeigt sich der Repulsionsmotor in der Nähe des Synchronismus den anderen beiden Arten überlegen, da hierbei ein fast konstantes Drehfeld auftritt und die durch Rotation und Transformation in den kurzgeschlossenen Spulen hervorgerufenen EMKe sich nahezu aufheben. Eine Aenderung der Umdrehungszahl läßt sich durch Regulierung der Klemmenspannung oder der im Anker induzierten EMK erzielen. Auch die Umkehr der Drehrichtung, die Bremsung und das Zurückarbeiten ins Netz können auf einfache Weise vorgenommen werden.

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Wir wollen nun die einzelnen Konstruktionen nebst ihrer Wirkungsweise näher betrachten.

a) Hauptschlußmotoren.

Eine reine Hintereinanderschaltung von Anker und Feld ist zuerst von L. T. Smith (55) benutzt. Dabei befindet sich ein mit Ring- oder Trommelwicklung versehener Anker in einer Spule, deren Wicklungsfläche in einer durch die Armaturachse gelegten Ebene liegt. Das Eigentümliche an diesem Motor besteht darin, daß er keine magnetisch leitenden Materialien im Anker und Feld besitzt, um, wie es in dem Patentanspruch besonders hervorgehoben ist, eine starke Erwärmung hervorgerufen durch Wirbelströme in den sonst vorhandenen Eisenteilen zu vermeiden. Die Leistung dieses Motors wird daher nur eine geringe gewesen sein.

Auch eine von R. Hunter (59) angegebene Konstruktion, bei welcher der durch Schleifringe und Bürsten mit dem Anker in leitender Verbindung stehende zweiteilige Kommutator bei 2p Polen des Motors mit der p-fachen Umdrehungszahl des Ankers durch Zahnräder angetrieben wird, ist praktisch nicht zur Geltung gekommen.

Ebensowenig Bedeutung gewann eine Anordnung von F. Brain & Arnot (85).

Textabbildung Bd. 322, S. 711

Da der gewöhnliche Hauptschlußmotor infolge des Magnetisierungsstromes einen kleinen Leistungsfaktor besaß, schalteten W. Stanley jr. & J. F. Kelly (100, 105, 107) nach Fig. 46 einen Kondensator C, der aus einigen Polarisationszellen bestand, in den Stromkreis. Diese Anordnung ist jedoch bei den Schwierigkeiten der Herstellung eines praktisch brauchbaren Kondensators ebensowenig von Bedeutung wie eine andere (111), bei welcher der Kondensator im Nebenschluß zum ganzen Motor liegt, oder wobei zur Kompensierung des Ankerfeldes eine kurzgeschlossene Spule (104) verwendet wurde43), wie es 1892 auch von Eickemeyer44) angegeben ist.

Textabbildung Bd. 322, S. 711

Um die Funkenbildung am Kommutator zu beseitigen, sind von der Firma Ganz & Co., Budapest, nach Patenten von M. Déri (123, 124, 130) und O. T. Blàthy (125, 126) als Verbindungen zwischen Wicklung und Kommutator induktiv gewickelte Widerstände I und II eingelegt, von denen der Einfachheit wegen in Fig. 47 nur zwei dargestellt sind. Betrachten wir z.B. die in den Kurzschluß tretende Spule S, so sind deren Enden A und B durch die Verbindungen b II zu der Lamelle I und über a I zu 2 geführt. Die Schleifen I und II können, wie in der Figur angegeben, entweder auf einen besonderen, außerhalb des magnetischen Kraftflusses gelegenen Ring e oder direkt auf das Armatureisen A gewickelt werden. Wird die Spule S von der Bürste kurzgeschlossen, so entsteht durch Transformatorwirkung eine EMK in ihr, welche einen Strom hervorruft. Da nun dieser in dem Ring e einen pollosen, magnetischen Kraftfluß hervorruft, so tritt eine starke Induktionswirkung auf, wodurch der Kurzschlußstrom innerhalb zulässiger Grenzen gehalten wird. Dagegen könnten in den Wicklungen I und II, wenn sie sich in dem Wirkungskreis der Pole befinden sollten, keine Ströme weder durch Rotation noch Transformation induziert werden, da die entstehenden EMKe sich gegenseitig aufheben.

Dieselbe Anordnung läßt sich auch bei Trommelankern verwenden und ist in Fig. 48 für einen vierpoligen Motor angedeutet. Dabei sind jedoch die Verbindungen I und II direkt auf den Eisenkern A der Armatur gewickelt. Natürlich kann man solche induktiven Widerstände auch für Nebenschluß- und Repulsionsmotoren verwenden. Spätere Konstruktionen aus dem Jahre 1893 besitzen noch in den Polschuhen kräftige Kupferstäbe zur Abdämpfung der Querfelder.

Textabbildung Bd. 322, S. 711
Textabbildung Bd. 322, S. 711

Infolge der günstigen Wirkung dieser mit der Zeit etwas abgeänderten, für den Hauptstrom induktionsfreien Widerstände auf die Kommutation sind von der Firma Ganz & Co. in den Jahren 1891/1893 viele Motoren geliefert werden und haben zur Zufriedenheit gearbeitet. Fig. 49 zeigt die Betriebskurven eines vierpoligen Hauptschlußmotors für eine Leistung von 2 PS bei 110 Volt Spannung und 25 Perioden, bei welchem der Leistungsfaktor und Wirkungsgrad ziemlich hoch sind. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht jedoch darin, daß für jede Bürste immer zwei Schleifen in dem Hauptstromkreis liegen und, wenn sie auch sonst keine Induktionswirkung hervorrufen, dadurch den Wirkungsgrad verringern.

Dieselbe Konstruktion45) wurde auch von der Helios A.-G., Köln-Ehrenfeld (129) gebaut.

Zur Vermeidung der Funkenbildung am Kommutator benutzten M. Hutin & M. Le Blanc (131) zwei einfach geschlossene Wicklungen mit abwechselnd angeordneten Lamellen. Die Bürstenbreite ist so gewählt, daß keine Spule der einzelnen Wicklung kurz geschlossen wird. Da jedoch beim Abschalten der einzelnen Wicklungen aus dem Stromkreise noch Funken auftraten, wurden in der neutralen Zone vom Hauptstrome durchflossene Hilfspole |712| und zwischen den Hauptpolen einzelne Spulen aus dicken Stäben angeordnet, welche auf das Entstehen der Kurzschlußströme dämpfend zurückwirken und damit das Feuern vermindern sollten. Diese Konstruktion ist jedoch im Verhältnis zum Preise nicht wirksam genug.

Das Bestreben, günstige Kommutationsverhältnisse zu erzielen, hat A. Kingdon (132) zu der in Fig. 50 dargestellten Anordnung veranlaßt. Der Wechselstrom durchfließt dabei in zwei parallelen Zweigen die bifilaren Feldwicklungen F, dann über die Doppelbürsten b den Kommutator K den Anker A und die anderen Feldspulen F. Infolge der bifilaren Anordnungen bilden die Feldwicklungen einen induktionsfreien Widerstand im Kurzschlußkreis und sollten dadurch eine günstige Wirkung auf die Kommutation ausüben. Wegen der breiten Isolationsstreifen tritt jedoch eine Unterbrechung des Erregerstromes auf, so daß der Kommutator trotzdem feuerte.

Textabbildung Bd. 322, S. 712
Textabbildung Bd. 322, S. 712

Bei einer anderen Anordnung, wo die Bürsten über die Feldwicklungen mit den Sekundärwicklungen eines vom Hauptstrom gespeisten Transformators verbunden sind, tritt ebenfalls Funkenbildung unter den Bürsten ein, da die Erregerwicklung abwechselnd geschlossen und geöffnet wird.

Soll die Umdrehungszahl eines Hauptschlußmotors beliebig eingestellt und die Drehrichtung verändert werden können, so hätte man nach einer Anordnung (Fig. 51) von O. H. Pieper & A. F. Pieper (198, 199) im Nebenschluß zum Anker einen induktionsfreien oder zur Verminderung des Energieverlustes einen induktiven (210) Widerstand anzuschließen, welcher auch auf dem Eisen des Feldmagnets aufgewickelt sein kann. Wird der Widerstand kurz geschlossen, so bleibt der Motor stehen. Die Spannung am Kommutator ist also von der Größe des parallel geschalteten Widerstandes abhängig. Bei Kurzschluß des Ankers wirkt die Feldwicklung F nur als Drosselspule. Sie muß daher eine große Selbstinduktion und damit eine große Windungszahl besitzen, damit die Stromwärme bei Stillstand nicht zu groß wird. Dadurch wird aber eine Verschlechterung des Leistungsfaktors hervorgerufen, weswegen diese Anordnung nur für kleine Motoren anwendbar ist.

Nach vielen Versuchen, einen geeigneten Bahnmotor zu finden, ist es im Jahre 1902 B. G. Lamme (216, 222, 275) gelungen, durch Beseitigung der Fehler und sachgemäße Ausführung der Konstruktion einen Motor zu erhalten, der auch einem Bahnbetrieb unter schwierigen Bedingungen gewachsen ist. Als reiner Hauptschlußmotor46) gebaut, besitzt er ein nach Fig. 52 ausgebildetes Feldsystem mit den aus Kupferband hergestellten Spulen s und eine mit einer Gleichstromschleifenwicklung und Kommutator versehene Armatur. Um die schädlichen Kurzschlußströme auf ein geringes Maß herunterzudrücken, sind außer einer großen Lamellenzahl und geringer Windungszahl f. d. Spule die Verbindungen von der Wicklung zum Kommutator aus Nickelinstreifen von hohem Widerstand hergestellt und in den Nuten des Ankers untergebracht. Zur Beseitigung des Querfeldes besitzen die Polschuhe Nuten N mit einer Kompensationswicklung, welche vom Hauptstrome durchflössen wird.

Textabbildung Bd. 322, S. 712

Diese Wirkung kann außerdem noch durch eine starke Dämpferwindung D vergrößert werden. Als Hauptpatentanspruch ist angegeben, daß das Verhältnis der Feldselbstinduktion zur Gegen-EMK des Ankers klein und gleich dem Verhältnis der Linienwechselzahl zur Ankerwechselzahl gehalten werden soll. Als Verhältnis der Amperewindungen des Feldes zu denen des Ankers ist 20 : 27 gewählt und der Polzahl zur Periodenzahl 1 : 4,16 festgelegt.

Textabbildung Bd. 322, S. 712

Dieser A. C. Railway-Motor47) No. 91 wurde von der Westinghouse Electric & Mfg. Co., Pittsburg, Pa. für die projektierte Washington-, Baltimore- and Annapolis-Bahn gebaut, so daß es von Interesse sein dürfte, sein Verhalten kennen zu lernen. Fig. 53 zeigt die Betriebskurven eines achtpoligen Motors für 110 PS Leistung, 200 Volt Spannung, 25 Perioden, 700 Umdreh./Min. Darin bedeuten: c in km/Std. die Geschwindigkeit, N die abgegebene Leistung in PS. Der Wirkungsgrad η ist einschließlich des Zahnradvorgeleges mit einem Uebersetzungsverhältnis von 10 : 31, die Zugkraft Z für einen Raddurchmesser von 33 Zoll (84 cm) in kg bestimmt. In ähnlicher Weise ist auch der A. C. Railway-Motor No. 106 von 150 PS Leistung gebaut.48)

(Fortsetzung folgt.)

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Trans. Am. Inst. 23. Februar 1898. Bd. 15, S. 35 ff.

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E. T. Z., 7. Mai 1903, S. 346.

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E. T. Z., 4. September 1902, S. 795.

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E. T. Z., 10. Dezember 1903, S. 1012.

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El. Bahnen u. Betriebe, 24. November 1905, S. 633.

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E. T. Z. 1892, S. 181. El. World 1904, Bd. 43, S. 479.

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Tr. Am. Jnst., 29. Januar 1904, Bd. 21, S. 69.

El. World, 6. Februar 1904, Bd. 43, S. 268.

E. T. Z., 5. Mai 1904, S. 366.

Str. Ry. J., 27. August 1904, Bd. 24, S. 280.

Electrician, 9. September 1904, Bd. 53, S. 826.

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E. T. Z., 6. September 1894, S. 502.

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Tr. Am. Inst., 26. September 1902, Bd. 19, (Vortrag vor d. American Institute of Electrical Engineers.)

El. World, 4. Oktober 1902, Bd. 40, S. 537.

13. Februar 1904, Bd. 43, S. 312.

20. Februar 1904, Bd. 43, S. 360.

E. T. Z., 6. November 1902, S. 983.

24. März 1904. S. 236.

Schw. E. T. Z., 9. April 1904, S. 122, 135, 140.

Str. Ry. J., 13. Februar 1904, S. 261.

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Westinghouse El. & Mfg. Co. Circular No. 1078, März 1904.

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Westinghouse El. & Mfg. Co. Circular No. 1109, April 1905.

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