Titel: Der Einphasen-Wechselstrommotor.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1907, Band 322 (S. 738–742)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj322/ar322244

Der Einphasen-Wechselstrommotor.

Bauart, Wirkungsweise und Eigenschaften der bisher angegebenen Konstruktionen.

Von Dipl.-Ing. A. Linker.

(Fortsetzung von S. 726 d. Bd.)

c) Repulsionsmotoren.

Auf Grund eingehender Versuche über elektroinduktive Abstoßung (Repulsion) hervorgerufen durch magnetische Wechselfelder60) zeigte Elihu Thomson im Jahre 1887, daß man diese Erscheinung zum Betrieb eines Wechselstrommotors verwenden könne. Motoren, welche auf diesem Prinzip beruhen, haben beim Anlauf ein kräftiges Drehmoment, welches jedoch mit steigender Umdrehungszahl abnimmt und bei Synchronismus niedrig ist. Die Umdrehungszahl ändert sich ebenfalls stark mit der Belastung ähnlich wie bei einem Hauptschlußmotor.

Textabbildung Bd. 322, S. 738

Sein erster Motor (3, 4) bestand aus zwei konzentrischen, kreisförmigen Spulen (Fig. 73), von denen die äußere (I) feststehende den Wechselstrom zugeführt erhielt. Die innere (II) war darin frei drehbar angeordnet und ihre Enden führten zu zwei Kommutatorlamellen von 90 ° Breite. Durch Kurzschließen der Bürsten b kann infolge der im sekundären Ring induzierten EMK ein Strom entstehen, dessen Feld entsprechend der Bürstenstellung einen bestimmten Winkel mit dem Primärfeld bildet, wodurch ein Drehmoment hervorgerufen wird, welches bei Anlauf am größten ist. Da jedoch nach einer Drehung von 90° der Kurzschluß der Spule geöffnet werden muß, um kein negatives Drehmoment zu erhalten, so besitzt eine solche Vorrichtung tote Punkte. Zur Erzeugung eines während einer Umdrehung gleichgerichteten Drehmoments ordnet Thomson mehrere Spulen nach Art einer offenen Trommelwicklung an, die an eine gleiche Anzahl von Segmenten angeschlossen sind. Da der Motor kein Eisen enthält, so ist seine Wirkung gering. Er hat deswegen in dieser Form nur als Leistungsmesser oder Zähler Anwendung gefunden.

Auch eine andere Konstruktion von E. Thomson (26, 27, 29), bei welcher eine Ringwicklung benutzt wird, hat wegen der schlechten Ausnutzung des Wicklungsraumes und des jedenfalls starken Feuerns der Bürsten keine praktische Bedeutung erlangt.

Zur Vermeidung des Kommutatorfeuers ordnet J. van Depoele (36, 66) bei seinem Motor61) zwischen oder über den zum Kommutator geführten Spulen besondere in sich geschlossene Spulen aus einigen Windungen an (vergl. |739| Fig. 19). Im übrigen weicht die Konstruktion von den früher angegebenen nur insofern ab, als die Armatur als Ring innerhalb des Feldes rotiert und in dem von den Bürsten gebildeten Kurzschlußzweig ein Regulierwiderstand vorgesehen ist.

Textabbildung Bd. 322, S. 739

Auf einem anderen Prinzip beruht der von P. Nipkow (39) angegebene Motor, wie ihn Fig. 74 zeigt. Er besitzt ein vom Wechselstrom erregtes Feld I und eine gewöhnliche Gleichstromarmatur mit Kommutator, dessen Bürsten nicht wie beim Gleichstrommotor in der neutralen Zone, sondern um ½ Polteilung (90 elektr. Grad) dagegen verschoben, also in der Polachse angeordnet sind. Infolge der Transformatorwirkung des Ankers kann von den Bürsten, die sich in den Punkten höchsten und niedrigsten Potentials befinden, ein Strom zur Erregung eines um eine halbe Polteilung gegen I verschobenen Magnetsystems II abgenommen werden, dessen Feld in Phase mit dem Ankerstrom ist und infolgedessen mit ihm ein Drehmoment erzeugt. Man könnte diesen Motor daher auch als Hauptschlußmotor ansehen, dessen Felderregung und Ankerstrom nicht durch Konduktion, sondern durch Transformation hervorgerufen werden. Allerdings ist das Anlaufmoment wegen der großen Reaktanz des Sekundärkreises klein und der Anlaufstrom ziemlich hoch. Auch beim Lauf arbeitet 4er Motor mit schlechtem Leistungsfaktor wegen der Reaktanz des Magnetsystems II.

Durch Verbreiterung der Kommutatorbürsten sucht L. Gutmann (80) die Eigenschaften des Repulsionsmotors zu verbessern, benutzte jedoch anfangs nur eine Bürste, von welcher eine Anzahl in der neutralen Zone und vor einer Polhälfte gelegener Spulen einer einfachen Ringwicklung kurzgeschlossen wurden. Infolge des. Kommutatorfeuers versah er jedoch den Anker mit einer offenen Wicklung oder ordnete in ähnlicher Weise wie Depoele (s. Fig. 19) in sich kurzgeschlossene Spulen über der Armaturwicklung an, die zur Dämpfung der Kurzschlußströme dienen sollten. Da auch dieses Mittel ebenso wie die Anwendung einer zweifach geschlossenen Wicklung jedenfalls wenig Erfolg hatte, schloß er die vor diametralen Polhälften gelegenen Spulen einer Ringwicklung nunmehr durch zwei Bürsten gleicher Breite kurz und benutzte später zur Verbesserung des Wirkungsgrades (87, 89) statt der früheren breiten Bürsten V-förmige62) deren Oeffnungswinkel sich nach der Breite der Pollücken richtete. Zur Regulierung der Geschwindigkeit besaß das Magnetfeld außerdem noch eine Sekundärwicklung, von der durch einen Schalter mehr oder weniger Windungen kurzgeschlossen werden konnten oder welche, wie in einem späteren Patent (94) angegeben ist, zur Erregung eines gegen die Hauptpole um weniger als 90° geneigten Hilfspolpaares diente. Schließlich verwendete er (97) nur zwei um etwa 90 elektr. Grad gegeneinander verschobene Bürsten, von denen die eine in der neutralen Zone stand, und schloß sie durch einen regulierbaren Widerstand oder eine über das Joch gewickelte Spule. Bei allen diesen Anordnungen ist die Drehrichtung umgekehrt wie beim ursprünglichen Repulsionsmotor von Thomsen und zwar entspricht sie der Verschiebung der Bürste aus der geometrisch neutralen Zone. Diese Anordnungen haben jedoch keine praktische Bedeutung erlangt.

Während nun Thomson diesen Uebelstand durch Anwendung einer offenen Wicklung zu vermeiden suchte, hat die El. A.-G. vorm. Schuckert & Co., Nürnberg (113), auf die in Fig. 75 dargestellte Weise63) eine kontinuierliche Drehung des Feldsystems F erhalten, indem sie durch den Schaltapparat S einzelne Spulen des feststehenden Ankers A (in der Figur zB, 11' und 33') abwechselnd kurzschloß. Infolge der elektroinduktiven Abstoßung der dadurch entstehenden und gegen das Feld F verschobenen Pole kommt ein Drehmoment zustande. Diese Konstruktion ist jedoch etwas kompliziert und besitzt den Nachteil einer großen Anzahl von Bürsten, weswegen sie schon aus diesem Grunde keine Bedeutung für die Praxis haben konnte.

Textabbildung Bd. 322, S. 739
Textabbildung Bd. 322, S. 739
Textabbildung Bd. 322, S. 739

In ähnlicher Weise und mit denselben Nachteilen, wie bei den Motoren von Gutmann, haben R. Lundell & Johnson (128, 137) nach Fig. 76 zwei durch kleine Widerstände r geschlossene Bürstensätze angeordnet, von denen der eine B' gegen den anderen feststehenden B verschiebbar ist, wodurch eine Regulierung der Geschwindigkeit und Umsteuerung erfolgen kann. Die Anwendung körperlicher Pole ist dabei ein großer Nachteil (vergl. Brown, Boveri & Co., Fig. 92).

E. Arnold verwendete zuerst 1892 als Rotor einen gewöhnlichen Gleichstromanker und ein Feld mit kontinuierlichem Eisen und verteilter Wicklung, so daß sich ein Drehfeld ausbilden konnte. Die Bürsten sind um etwa 45 elektr. Grad aus der Achse des Hauptfeldes verstellt und kurzgeschlossen. Dieser Motor, als Wagner-Motor in Amerika bekannt, hat große Verbreitung gefunden (weiteres s. Fig. 138).

Zur Vermeidung der Funkenbildung am Kommutator verwendet E. Arnold (143) mehrteilige Bürsten B (Fig. 77), von denen die einzelnen Teile verschiedener Polarität direkt oder durch Widerstände r untereinander verbunden sind. Dadurch wird erreicht, daß von dem ganzen Arbeitsstrom immer nur ein Teil über eine Bürste fließt, wenn die Isolation zwischen den Lamellen dicker als eine Teilbürste gewählt wird, so daß zwei benachbarte Lamellen von ihr nicht überbrückt werden können.

E. A. Clark (144, 145) ordnet nach Fig. 78 zwischen den körperlichen Hauptpolen unbewickelte Polansätze ab |740| an, welche den Zweck haben sollen, die Bildung eines starken Querfeldes zu ermöglichen und dadurch das Drehmoment zu vergrößern. Die Anordnung hat jedoch keine praktische Bedeutung erlangt.

Textabbildung Bd. 322, S. 740

Eine ganze Reihe besonders eigentümlicher Motorkonstruktionen ist ferner von L. B. Atkinson in seinem Vortrag vor der Institution of Civil Engineers, London, im Jahre 1898 angegeben. Fig. 79 zeigt einen Repulsionsmotor (176, 178), bei welchem64) die Statorwicklung in zwei gegeneinander um 90 elektr. Grad verschobene Wicklungen zerlegt ist. Hierbei erzeugt die Wicklung II mit dem vom Feld I in dem kurzgeschlossenen Anker induzierten Strom ein Drehmoment, welches den günstigsten Wert erreichen würde, sobald beide Faktoren (Feld und Ankerstrom) gleiche Phase hätten. Zu dem Zweck ist parallel zur Wicklung I ein Regulierwiderstand r geschaltet. Dadurch wird das Feld der Wicklung I um soviel gegenüber dem Feld II nacheilend verschoben, daß der Ankerstrom gegen das Feld II eine Phasenverschiebung von genau 180° erhält, vorausgesetzt, daß die Streuung klein ist. Auf diese Weise ist eine Regulierung der Phasenverschiebung möglich. Der Widerstand R dient zur Veränderung des Drehmoments bezw. der Geschwindigkeit. Abgesehen von der schlechteren Raumausnutzung hat diese Form gegenüber dem gewöhnlichen Repulsionsmotor von Thomson den Nachteil, daß unter sonst gleichen Verhältnissen der Magnetisierungsstrom größer wird, dagegen den Vorteil, daß man das erregende Feld und den Ankerstrom verändern kann.

Textabbildung Bd. 322, S. 740
Textabbildung Bd. 322, S. 740
Textabbildung Bd. 322, S. 740

Nach demselben Prinzip, wie von Nipkow (Fig. 74) angegeben, ist ferner von Atkinson (176, 178) ein Motor65) konstruiert, bei welchem nach Fig. 80 die im Anker induzierte EMK dazu benutzt wird, die um 90 ° gegen die Hauptwicklung I verschobenen Spulen II zu erregen, wodurch ein motorisch wirksames Querfeld entsteht. Jedoch wäre beim Anlauf die Phasenverschiebung wegen der Reaktanz des Ankers und der Wicklung II sehr groß, wodurch das Drehmoment verkleinert würde. Im Gegensatz zu Nipkow schaltet daher Atkinson einen induktionsfreien Widerstand R in den Stromkreis II, wodurch der Leistungsfaktor allerdings auf Kosten des Wirkungsgrades verbessert und der Anlaufstrom verkleinert wird.

Anstatt die Wicklung II vom Hauptstrome durchfließen zu lassen, legt Atkinson sie in den Nebenschluß zur Wicklung I, wie Fig. 81 zeigt. Diese Anordnung hat die Nachteile des gewöhnlichen Nebenschluß-Kommutatormotors. Zwar wird die Selbstinduktion der induzierenden Wicklung I aufgehoben, dagegen bleibt aber die der Spulen II bestehen. Zwischen dem Ankerstrom und dem motorisch wirksamen Feld II besteht daher eine große Phasenverschiebung, wodurch das Drehmoment stark verringert wird. Legt man dagegen das Feld II an eine Spannung, welche um 90° gegen die Spannung der Wicklung I verschoben ist, wie es ebenfalls von Atkinson vorgeschlagen ist, so wird das Drehmoment seinen normalen Wert erreichen und der Leistungsfaktor nahezu gleich der Einheit. Die Anordnung ist jedoch wegen der Notwendigkeit einer zweiten Phase zu umständlich.

Durch Einführung eines zweiten kurzgeschlossenen Bürstenpaares66) in der Achsenrichtung der Wicklung II erhält schließlich Atkinson aus der Fig. 79 eine Maschine, welche die Eigenschaften eines Repulsionsmotors beim Anlauf, eines Induktionsmotors bei Lauf besitzt. Fig. 82 zeigt das Schema dieses Motors, der beim Anlauf ein großes Drehmoment und bei Lauf eine gute Kompensierung und große Ueberlastungsfähigkeit aufweist. Dasselbe könnte jedoch auch ohne die Wicklung II nur durch Verschiebung des Bürstenkreuzes erreicht werden, wie es später bei dem Motor von Milch (Fig. 156) angegeben ist.

Textabbildung Bd. 322, S. 740
Textabbildung Bd. 322, S. 740

Auch bei der Fig. 80 hat Atkinson durch Anordnung kurzgeschlossener Bürsten in der Querfeldachse67) entsprechend Fig. 83 eine Verbesserung der Wirkungsweise erzielt. Wenn nun auch in der Richtung der beiden Bürstensysteme im Anker EMKe induziert werden, welche zur Kompensation der Phasenverschiebung beitragen, so kann eine vollkommene Kompensierung auf diese Weise niemals erreicht werden, da die Wicklung II vom Anker gespeist wird und infolge der Streuung zwischen beiden eine Reaktanzspannung auftritt, welche den Leistungsfaktor erniedrigt. Trotz des doppelten Bürstensatzes besitzt der Motor nicht, wie man eigentlich annehmen müßte, die Charakteristik eines Asynchronmotors, sondern diejenige eines Hauptschlußmotors.

Textabbildung Bd. 322, S. 740
Textabbildung Bd. 322, S. 740
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Fig. 84 stellt ferner eine andere Konstruktion (176, 178) dar, bei welcher der Magnetisierungsstrom von der Wicklung III im Anker induziert wird. Durch die schräge Anordnung und Phasenverschiebung des Erregerfeldes wird jedoch das Drehmoment verkleinert.

Während die bisher angegebenen Konstruktionen infolge der Verwendung körperlicher Pole nicht nur große Streuung und damit schlechten Leistungsfaktor, sondern auch ein kleines Anlaufsmoment und geringe Ueberlastungsfähigkeit besitzen, vermeidet die Firma The Langdon-Davies Electric Motor Co., Ltd., (184, 190) diese Nachteile, indem sie nach Fig. 85 das Statoreisen ebenso wie es E. Arnold schon 1892 getan hat, gleichmäßig als Ring ausbildet und die Hauptwicklung F in Nuten desselben unterbringt. Dadurch wird die Entstehung eines Drehfeldes begünstigt und infolge der verminderten Streuung der Leistungsfaktor vergrößert. Außerdem wird der Kommutator umsomehr von Strömen entlastet, je mehr die Form des Drehfeldes sich einem Kreise nähert, was besonders bei einem kontinuierlichen Statorring leichter möglich ist, da die Streuung gering wird, als bei Anordnung körperlicher Pole.

Textabbildung Bd. 322, S. 741

Außer dieser Schaltung, die sich auch für Hochspannung gut eignet, ist noch eine andere (Fig. 86) angegeben. Der Rotor A erhält hierbei den Strom direkt vom Netz, während die Statorwicklung in zwei gegen die Bürsten geneigten Punkten über einen regulierbaren Widerstand r geschlossen ist. Der Leistungsfaktor wird wie in einem normalen Repulsionsmotor keinen hohen Wert annehmen können, weil das motorisch wirkende Feld senkrecht zu den Bürsten durch den transformatorisch induzierten Sekundärstrom hervorgerufen wird, dessen Streufeld nicht kompensiert ist.

Dem Prinzip und der Bauart nach identisch mit den von Nipkow (Fig. 74) und Atkinson (Fig. 80) beschriebenen Motoren sind von F. Vogel (203) mit kleinen Aenderungen einige Konstruktionen angegeben, bei denen nach der Patentschrift zu urteilen, die Wirkungsweise nicht richtig erkannt ist. Darnach soll die Form der Fig. 74 (mit Fig. 13 der Patentschrift übereinstimmend) bei mittlerer Primärspannung oder veränderlicher Belastung sich ähnlich wie ein Gleichstrom-Nebenschlußmotor verhalten, während sie tatsächlich die Charakteristik des Hauptschußmotors besitzt.

Da das Drehmoment als Produkt von Ankerstrom und Feldstärke Nullwerte aufweist, wurde der Anker mit einer zweiten unabhängigen Wicklung versehen und durch zwei in der Richtung der Hilfspole gelegene Bürsten über einen Widerstand geschlossen, um in diesen Augenblicken ein Drehmoment durch das Hauptfeld und die Hilfswicklung zu erzeugen. Es zeigte sich jedoch, daß auch die zweite Wicklung fortgelassen werden konnte, wodurch sich dann die schon von Atkinson in Fig. 83 angegebene Form ergab.

Textabbildung Bd. 322, S. 741

Erwähnt ist ferner in der Patentschrift eine Anordnung (Fig. 87), bei welcher die Wicklung II von einer durch Wicklung I transformatorisch beeinflußten Sekundärwicklung III gespeist wird. Im Prinzip stimmt diese Schaltung mit Fig. 81 überein. Abgesehen von dem Nachteil einer dritten Wicklung hat dieser Motor dieselben schlechten Eigenschaften wie der Nebenschlußmotor von Atkinson (Fig. 81), da das Feld II wegen der konstanten Spannung bei jeder beliebigen Geschwindigkeit eine Phasenverschiebung von nahezu 90° gegenüber der Klemmenspannung besitzt, während die Phase des Ankerstroms von der Geschwindigkeit abhängig ist. Durch Fortlassen der Wicklung II und direkte Zuführung des Erregerstroms zum Anker vermittels der Bürsten B1 nach Fig. 88 würde die Wirkungsweise des Motors günstiger werden, da infolge der Rotation des Ankers im Felde I der Erregerstrom zum Teil vom Anker geliefert wird. In dieser Form hätte man nämlich einen kompensierten Nebenschlußmotor.

Textabbildung Bd. 322, S. 741

C. Eberhardt (213) ordnet im Anker eine ungerade Anzahl von diametral gewickelten Spulen an, deren Anfänge an die Lamellen des Kommutators angeschlossen sind, während die Enden zu einem Sternpunkt durch einen Schleifring vereinigt sind. Die Wirkungsweise entspricht derjenigen des Motors von Thomson.

Nach demselben Prinzip, wie es schon von Thomson (s. Fig. 73) angegeben ist, haben auch Crompton & Co. und R. Goldschmidt (224) einen Motor gebaut, der in einem zweipoligen Wechselfelde eine drehbare Spule enthält. Der Motor hat sich jedoch praktisch nicht bewährt aus Gründen, die schon vorher bei der ähnlichen Type erklärt sind.

Textabbildung Bd. 322, S. 741
Textabbildung Bd. 322, S. 741

Eine Verbesserung der Anordnungen von Nipkow (Fig. 74) und Atkinson (Fig. 80) stellt der von D. Gurtzmann (231) konstruierte Motor (Fig. 89) dar. Während dort ein Feld mit körperlichen Polen verwendet wurde, sind hier die in der Achse des Feldes liegenden Bürsten mit den Punkten a gleichen Potentials der gleichmäßig verteilten Statorwicklung verbunden. Ein Stromübergang aus dem Anker nach dem Netz kann dabei nicht stattfinden, sondern die in dem Anker A transformatorisch erzeugte EMK ruft in der Statorwicklung Ströme hervor, deren Feld um 90° gegen das Hauptfeld verschoben ist, d.h. senkrecht zur Bürstenachse steht und in Phase mit den Ankerströmen ist.

Textabbildung Bd. 322, S. 741
Textabbildung Bd. 322, S. 741

Dadurch entsteht ein Drehmoment wie in einem Hauptschlußmotor. Eine Veränderung des |742| Drehmoments und der Geschwindigkeit kann außerdem durch Einschalten der Widerstände r ermöglicht werden.

Zur Regulierung und Umkehrung der Geschwindigkeit ist ferner von D. Gurtzmann (232) der Repulsionsmotor nach Fig. 90 mit je zwei unter sich kurzgeschlossenen Bürsten bb1 f. d. Pol versehen, die um eine halbe Polteilung auseinanderliegen. Im Gegensatz zu der Anordnung Fig. 76 sind die Bürstensätze noch durch einen veränderlichen Widerstand R geschlossen. Dadurch kann für verschiedene Belastungen und Umdrehungszahl das Verhältnis zwischen dem von den Bürsten b entnommenen Arbeitsstrom und dem nach b1 fließenden Erregerstrom so eingestellt werden, daß möglichst große Phasenkompensierung und außerdem funkenfreies Arbeiten erzielt wird.

Durch Einführung einer EMK in die Verbindung der Bürsten eines normalen Repulsionsmotors erreicht C. F. Scott (240) nach Fig. 91 eine Regulierung des Drehmoments und damit der Geschwindigkeit in weiten Grenzen. Der Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß durch Benutzung des Hauptschlußtransformators T eine gute Kommutierung bei verschiedenen Geschwindigkeiten erreicht wird, während diese Eigenschaft dem gewöhnlichen Repulsionsmotor besonders für übersynchronen Lauf nicht eigen ist.

Eine andere Vorrichtung zur Regulierung der Geschwindigkeit ist von L. Schüler (242) angegeben. Hierbei laufen die Bürstenträger in einem um die Achse leicht drehbaren Gestell, so daß die Bürsten durch Reibung vom Kommutator mitgenommen werden. Durch einen gabelförmigen Anschlag, dessen Stellung von einem Geschwindigkeitsregulator beeinflußt wird, kann die Bürstenverschiebung so eingestellt werden, daß die Umdrehungszahl bei verschiedenen Belastungen konstant bleibt.

(Fortsetzung folgt.)

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El. World., Mai 1887, Bd. 9, S. 258.

El., Mai 1890, Bd. 25, S. 35.

E. T. Z., 11. Juli 1890, S. 387, 399, 435. (Flemming.)

E. T. Z., 25. Dezember 1891, S. 707. (Uppenborn.)

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C. f. E., 20. September 1889, Bd. 12, S. 154.

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E. T. Z., 7. Oktober 1892, S. 561.

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El. Anz., 10. Januar 1895, S. 38.

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Min. of Proceed., 22. Februar 1898, Bd. 133, S. 132.

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Min. of Proceed., 22. Februar 1898, Bd. 133, S. 132.

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Min. of Proceed. 1898, Bd. 133, S. 134 u. 146.

|740|

Min. of Proceed., 1898, Bd. 133, S. 145.

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