Bericht über vergleichende Versuche mit dynamo-elektrischen Maschinen. Mit Abbildungen auf Tafel 6. Vergleichende Versuche mit dynamo-elektrischen Maschinen. Das Franklin Institute hat aus Anlaſs des beabsichtigten Ankaufes einer dynamo-elektrischen Maschine mit mehreren solchen Maschinen, namentlich bezüglich deren Verwendbarkeit zur Erzeugung elektrischen Lichtes, durch einen Ausschuſs Versuche ausstellen lassen, über welche im Journal of the Franklin Institute der genannten Gesellschaft, 1878 Bd. 105 S. 289 und 361 ausführlich und hiernach auszugsweise Folgendes berichtet wird. Zu den Versuchen standen zur Verfügung 2 Maschinen von C. F. Brush, 2 Maschinen von Wallace-Farmer und eine Maschine von Gramme, mit welcher Breguet die Centennialausstellung 1876 beschickt hatte. Bei allen 5 Maschinen ging der ganze Strom durch die inducirenden Elektromagnete. Die elektrischen Versuchsapparate waren aus den Sammlungen der Central High School in Philadelphia entliehen; zu den Kraftmessungen hatten die Fales and Jenks Manufacturing Company in Providence (R. I.) ein Brown'sches Dynamometer und J. W. Sutton in New-York ein Federdynamometer geliehen; doch kam letzteres wegen der besonderen Verhältnisse, unter denen die Versuche angestellt wurden, nicht zur Verwendung. Die Betriebskraft lieferte die stehende Dampfmaschine des Institute, von 152mm lichter Cylinderweite, 203mm Kolbenhub, einem schweren Schwungrade von 762mm Durchmesser und einer zwischen 100 und 250 Umdrehungen in der Minute regulirbaren Geschwindigkeit. Bei den Kraftmessungen wurden Indicatordiagramme von der Maschine genommen zur Controle der Dynamometerablesungen. Nur für die groſse Wallace-Maschine, welche eine groſsere Kraft verlangte, als von der genannten Betriebsmaschine geliefert und durch das Dynamometer sicher übertragen werden konnte, wurde die Kraft der Fabrik von J. P. Morris entnommen, einer Maschine von 229mm innerem Cylinderdurchmesser und 457mm Hub, und der Kraftverbrauch aus den Indicatordiagrammen bestimmt. Diese Bestimmung zeigte, daſs diese groſse Maschine nicht ökonomischer als die kleineren derselben Art sind; doch wurden die Zahlen in der Tabelle weggelassen, weil die Vergleichung von Zahlen, die auf verschiedenem Wege erlangt sind, miſslich ist. Die Gramme'sche Maschine (Fig. 1 Taf. 6) hat 2 Elektromagnete, welche die ringförmige Armatur aus weichem Eisen fast ganz umschlieſsen; die Bewickelung der Armatur ist in 60 einzelne Spulen abgetheilt, und die Schleifen zwischen je zwei solchen Spulen stehen mit den Kupferstreifen des Commutators in Verbindung; auf dem Commutator schleifen Bürsten aus weichem Eisen, welche die Ströme dem äuſsern Schlieſsungskreise zuführen. Die Maschine lief ruhig, mit wenig oder keinen Funken am Commutator und geringer Erwärmung; nach etwa 5 stündigem Gange war die Temperatur der Armatur etwa 36°. Die Brush'sche Maschine ist in Fig. 2 Taf. 6 abgebildet; sie besitzt 2 Hufeisen-Elektromagnete, welche sich einander die gleichnamigen Pole zukehren, in passender Entfernung von einander; die ringförmige Armatur läuft zwischen den Polen um. Bei dieser Maschine ist (abweichend von der Gramme'schen Maschine) nicht der ganze Ring bewickelt, sondern zwischen den einzelnen Spulen liegen eiserne Vorsprünge des Ringes, welche groſse Flächen zur Ausstrahlung der Wärme bieten. Die 8 Spulen bilden 4 Paare, indem die einander diametral gegenüber liegenden verbunden, ihre äuſseren Enden aber in der Wellenachse an den Commutator zugeführt sind, welcher auſserhalb der Lager liegt. Der Ring läuft zwischen den Polen zweier groſser magnetischer Felder (Fig. 3 und 4), deren ziemlich breite positive Pole an dem einen und deren negative an dem anderen Ende eines Ringdurchmessers liegen. Der Commutator läſst beständig 3 Paar Spulen wirksam im Stromkreise, nur das an der neutralen Stelle liegende 4. Paar ist ausgeschlossen. Den Commutator bilden Messingsegmente, welche auf einen nicht-leitenden Ring aufgelegt sind, sich also allein abnutzen und leicht auswechseln lassen. Auf ihm schleifen Streifen von hartem Messing, welche an ihren äuſseren Enden mit einander verbunden., billig und leicht zu ersetzen sind. Die groſse Umlaufsgeschwindigkeit und die Gestalt der Armatur veranlaſsten einen groſsen Luftwiderstand und ein beständiges Summen bei übrigens ruhigem Gange. Die Erwärmung der Armatur war unbeträchtlich und überstieg nach 4 3/4 Stunden Gang nicht 49°. Diese Maschinen sind einfach im Bau und billig in der Unterhaltung; alle Theile sind leicht zugänglich. Fig. 2 zeigt eine kleinere Brush-Maschine, welche sich von den gröſseren nur dadurch unterscheidet, daſs bei ihr zwei Commutatoren vorhanden sind, deren jeder mit abwechselnden Spulen der Armatur in Verbindung steht; dadurch kann man Ströme von hoher oder niedriger elektromotorischer Kraft (55 bis 120 Volta-Einheiten) erhalten, oder den Stromkreis in 2 Zweige, jeden mit eigenem Lichte, zerlegen. Die Wallace-Farmer'sche Maschine (Fig. 5 Taf. 6) hat zwar auch zwei Hufeisenmagnete, dieselben kehren sich aber einander entgegengesetzte Pole zu (Fig. 6); zwischen den Schenkeln derselben geht durch deren Tragständer die Welle, welche die Armatur trägt. Die Armatur bildet eine Guſseisenscheibe, welche auf beiden Seiten am Umfange mit von Spulen umgebenen eisernen Kernen besetzt ist. Die Spulenenden (Fig. 7) sind mit einander verbunden und die Schleifen in gleicher Weise, wie bei der Gramme'schen Maschine, an einen Commutator der nämlichen Einrichtung geführt. Der Strom wird durch den Polwechsel der Kerne bei deren Durchgange durch die magnetischen Felder erzeugt. Man könnte somit jede Spulenreihe unabhängig von der andern benutzen; in der That werden aber die Verbindungen so gemacht, daſs die Ströme beider Reihen sich im äuſseren Schlieſsungskreise summiren. Auch bei dieser Maschine bietet die Armatur groſse Flächen zur Abkühlung, aber auch bei ihr ist der Widerstand der Luft beträchtlich. Der Brush- und der Wallace-Farmer-Maschine waren Lampen beigegeben. Die Versuche erwiesen die Brush-Lampe als sehr zweckmäſsig, und es kam dieselbe Lampe für die verschiedenen Versuche zur Verwendung. Bei dieser in Fig. 8 und 9 Taf. 6 abgebildeten Lampe ruht die Drahtspule a mit der isolirten Platte b auf dem Metallträger c; in der Spule spielt lose der theilweise von stellbaren Federn e getragene Kern d; der Stab f geht frei durch den Kern d und trägt in einer Fassung an seinem unteren Ende den oberen Kohlenstab k; der untere Stab k1 ist isolirt an einem Arme y angebracht, welcher am unteren Ende des Trägers c befestigt ist und durch einen Schlitz in dem Rohre i hindurchgeht, welches auf einer passenden Grundplatte sitzt und dem Stabe c als Stütze und Führung dient. Der Strom der Maschine geht von der Zuführungsklemme an der Grundplatte durch i, c, a, g, k und k1, zu der Abführungsklemme. Der Strom zieht den Kern d empor, und dieser hebt mittels des an ihm befindlichen Fingers n die eine Seite der Klemmscheibe h, welche den Stab f unterhalb d umgibt und diesen innerhalb gewisser durch die auf der anderen Seite von nh übergreifende Stellschraube x regulirbarer Grenzen festklemmt und losläſst. Auf diese Weise werden die Kohlenspitzen weit genug von einander entfernt, daſs das elektrische Licht entsteht. Wenn die Kohlen abbrennen, wird der Strom schwächer und der Kern d, die Stange f und die Spitze k gehen nieder, bis in Folge der Annäherung der Spitzen an einander der Strom wieder stark genug wird, um dem Niedergehen Einhalt zu thun. Bei der für die Versuche verwendeten Lampe bestand die Spule a aus zwei gegen einander isolirten, gemeinschaftlich gewickelten Drähten, welche durch Stöpsel auf der oberen Fläche (Fig. 8) parallel oder hinter einander geschaltet werden konnten. Dadurch und durch Veränderung des zu hebenden Gewichtes und der Federspannung konnte die Lampe für verschiedene Ströme passend gemacht werden. Damit bei den Messungen kein zurückgeworfenes oder zerstreutes Licht auf das Photometer fallen konnte, wurde die Lampe in einen Kasten gestellt, der zwar hinten offen war, damit man hinein konnte, der aber während der Versuche durch einen nicht-reflectirenden und nicht-durchscheinenden Schirm geschlossen wurde; durch eine innwendig geschwärzte hölzerne, quadratische Röhre von 152mm Seite und von 2438mm Länge wurde ein dünner Strahl directes Licht entsendet, und trat in passender Entfernung (6m,7) in eine gleiche Röhre ein, an deren abgewendetem Ende die Vergleichskerze brennte; vor letzterer war die Dunkelkammer eines Bunsen'schen Photometers auf einem Schlitten (innerhalb 305 bis 635mm Abstand von der Kerze) beweglich, und ein Schlitz in der Seitenwand der Röhre lieſs den Beobachter das Diaphragma sehen. Auch die zweite Röhre beſaſs an ihrem Ende einen nicht-reflectirenden Verschluſs, und während der Messungen war auch das ganze Zimmer dunkel. Dieser unbedingte Abschluſs alles reflectirten und zerstreuten Lichtes sollte wirklich zuverlässige Ergebnisse liefern und ist offenbar in starkem Maſse daran Schuld, daſs die bei diesem Versuche erlangten Kerzenzahlen kleiner sind als die in vielen früheren Versuchen gefundenen. Der Unterschied in der Farbe des Lichtes hatte nicht so groſse Schwierigkeiten im Gefolge, als man erwartet hatte, und bei einiger Uebung gelang es, die davon herrührenden Fehler viel kleiner zu halten als die aus den Schwankungen des Lichtbogens. Stärkere Vergleichslichter (eine Gasflamme von 20 und ein Hydrooxygenlicht von 70 bis 136 Kerzen) erwiesen sich als unzweckmäſsig, und deshalb wurden alle Messungen mit einer genau auf ein Abbrennen von 120 Grains (7g,8) in der Stunde regulierten Normalkerze gemacht. Für gröſsere Lichtstärken hätten auch stärkere Vergleichslichter genommen werden können, deren Licht jedoch beständig durch ein besonderes Photometer mit der Normalkerze zu vergleichen wäre. Bei den ersten Versuchen wurde Lichtstärke, Stromstärke und Kraftverbrauch zugleich gemessen und so Vergleichszahlen beschafft, durch die spätere Versuche über verschiedene Punkte sich anknüpfen lieſsen. Bei Bestimmung der Lichtstärke jeder Maschine lieſs man sie 4 bis 5 Stunden beständig laufen und machte die Beobachtungen in Pausen, wobei die Geschwindigkeit und die sonstigen Verhältnisse unverändert erhalten wurden. Besonders wichtig war die relative Lage der Kohlenspitzen. Man sorgte ängstlich dafür, daſs die Achsen der Kohlenstäbe in derselben Geraden lagen, so daſs das Licht nach allen Seiten in gleicher Stärke entsendet wurde. Dazu war in die eine Seitenwand des die Lampe einschlieſsenden Kastens eine Linse eingesetzt, welche in einer zu dem nach dem Photometer geworfenen Lichtstrahle senkrechten Richtung ein Bild der Kohlenspitzen auf einen Schirm warf. Diese Bilder wurden auch von Zeit zu Zeit photographirt und zwar während der photometrischen Beobachtungen. Unsere Quelle gibt eine Reihe solcher Photographien. Eine andere Schwierigkeit bei Messung der Lichtstärke lag in den Schwankungen des Lichtbogens oder vielmehr in seiner Bewegung von einer Seite zur andern. Groſse Sorgfalt wurde darauf verwendet, den Bogen oder die Flamme ruhig zu erhalten und gleichmäſsig vertheilt um die Enden der Kohlenstäbe. Die Ablagerung der Kohlentheile von dem positiven auf dem negativen Stabe zeigte bei den verschiedenen Maschinen nicht ausgeprägt verschiedene Formen, wuchs jedoch mit der Stromstärke; sie bauten sich meist auf, bis sie eine am Grunde untergreifende Form annahmen und dann bei der nächsten Selbstregulirung der Stromstärke abgestoſsen wurden. Nur kurz vor und nach einer solchen Selbstregulirung der Lampe lieſs sich der Einfluſs dieser Ablagerungen auf die Lichtstärke schätzen. Bei Stellung der Achse des oberen Kohlenstabes über eine Kante des unteren (vgl. Fig. 10 Taf. 6) gab die kleine Brush-Maschine bei 1250 Umdrehungen in der Minute: nach„„„ vornlinksrechtshinten 2218578578111 Kerzen„„„ Mittel =\frac{3485}4=871 Bei Stellung beider Achsen in dieselbe Verticale gab diese Maschine 525 Kerzen. Einen Vortheil kann man daraus nur ziehen, wenn das Licht blos nach einer Richtung hin wirken soll. Die Zahlen von Douglass (vgl. 1878 227 203) müſsten also mit 2,87 dividirt werden, wenn sie mit den hier gegebenen vergleichbar werden sollen. So gibt Douglass für die Gramme'sche Maschine beim verdichteten Strahle 1257 Kerzen; daraus ergäbe sich 1257 : 2,87 = 438 Kerzen, was offenbar noch zu hoch ist, da die Zahl 376 in nachstehender Tabelle unter sorgfältigster Ueberwachung und Einhaltung der erwähnten Bedingungen gewonnen wurde. Tabelle 1. Gewicht, Kraftverbrauch, Lichtstärke etc. der dynamo-elektrischen Maschinen. Maschine Gewichtder Maschine Kupferdraht in MinutlicheUmdrehungen MinutlicherKraftverbrauch ErzeugtesLicht inNormal-kerzen Kraftverbrauchfür 1 Normalkerze Stärkeder Kohlenstäbe Stündlichver-brauchteKohle derArmatur denElektro-magneten Dicke Gew. Dicke Gew. Total Auf 1e + – Groſse Brush k215,5 mm2,10,21 k14,5 mm3,40 k45,4 1340 mk14850 e3,30 1230 372 mk12,1 mm9,2 × 9,2 mm45,2 mm  8,6 Kleine Brush 176,9 1,6 0,16 10,9 2,44 36,3 1400 17146 3,81   900 235 19,9 9,2 × 9,2 48,5 14,7 Groſse Wallace 272,2 1,1 0,11 22,7 2,90 56,7   800 – –   823 – – – – – Kleine Wallace 158,8 1,1 0,11   8,5 2,49 18,6 1000 17739 3,94   440 127 40,3 6,1 × 6,1 62,2   1,9 Gramme 166,0 1,5 0,15 4,3 47,2 2,74 26,1   800   8417 1,87   705 376 11,7 6,1 × 6,1 80,0 14,0 Unsere Quelle enthält weiter Angaben über die Stromstärken (theils gemessen in einer Nebenschlieſsung, theils nach der entwickelten Wärme berechnet), die Widerstände der Maschinen und der Lichtbögen, den Wirkungsgrad (durch Vergleichung der verbrauchten Arbeit mit der gelieferten). Bei allen Versuchen wurde auf ein bestimmtes Verhältniſs zwischen dem innern und äuſsern Widerstände gehalten, weil das Verhältniſs der in verschiedenen Theilen des Schlieſsungskreises verrichteten Arbeit sich mit dem Widerstände dieser Theile ändert. In allen Fällen, wo der Widerstand des Lichtbogens klein war, war die Lichtstärke groſs. Wir lassen hiervon noch Tab. 2 und 3 folgen. Tabelle 2. Stromstärke und elektromotorische Kraft. Maschine Secundl. Stromstärkein Weber-Einheiten Elektromotor Kraftin Volta-Einheiten Procent der Arbeitim Lichtbogen Entsprechende An-gabe des Dynamo-meters MinutlicheUmdrehungszahl Nach ent-wickelterWärme Aus Ver-gleich mitDaniell'schenBatterien Berechnetaus WarmeundWiderstand Aus Ver-gleich mitDaniell'schenBatterien Groſse Brush 30,37 29,87 39,94 39,28 60,08 mk14850 1340 Kleine Brush 18,63 – 55,05 – – 16243 1200 Desgleichen 21,12 21,87 62,41 64,63 56,51 17146 1400 Kleine Wallace 10,42   9,73 81,59 76,19 35,38 13395   844 Desgleichen   9,64 – 75,48 – – –   844 Desgleichen 10,33 11,16 85,12 91,96 38,59 17739 1040 Gramme 16,38 16,86 59,95 61,71 51,09   8417   800 Tabelle 3. Minutliche Leistung der dynamo-elektrischen Maschinen. Maschine Dynamometer-Ablesung Reibung undLuftwiderstand Verbrauch nachAbzug derReibung Im Lichtbogenals Warmeauftretend Im ganzenSchlieſsungs-kreisnachweisbar Nicht imSchlieſsungs-kreisnachweisbar Im LichtbogenausgenutzteArbeit Nach Abzugder Reibungausgenutzt Groſse Brush mk14850 mk2477 mk12373 mk4617 mk7403 mk  4970 Proc.31 Proc.37,5 Kleine Brush 16243 1701 14541 3608 6272   8269 22 25,0 Desgleichen 17146 2067 15080 4629 8051   7029 27 31,0 Kleine Wallace 13395 1076 12319 1902 5188   7131 14 15,5 Desgleichen 17739 1528 16211 2135 5363 10848 12 13,0 Gramme   8417   623   7794 3227 5996   1798 38 41,0 Wie zu erwarten, nähern sich die Stromstärken in Weber-Einheiten (Tab. 2) den photometrischen Werthen (Tab. 1). Die nirgends im Stromkreise nachweisbare Arbeit (Tab. 3) wird als „locale Wirkungen“ bezeichnet und wird sehr wahrscheinlich zur Erzeugung von Localströmen in verschiedenen leitenden Metallmassen verbraucht. Günstig erweist sich in dieser Beziehung, wie in Betreff der Reibung die Gramme'sche Maschine. Das Miſsverhältniſs ist indeſs nicht so arg, wenn man berücksichtigt, daſs bei der groſsen Brush-Maschine die Stromstärke nahezu doppelt so groſs ist. Der Ausschuſs schlieſst seinen Bericht mit folgenden Urtheilen: 1) Die Gramme'sche Maschine ist sehr ökonomisch hinsichtlich der Umsetzung der Kraft in elektrischen Strom (38 bezieh. 41 Proc); Verlust durch Reibung und Localwirkung ist am kleinsten, da die Geschwindigkeit verhältniſsmäſsig klein ist. Bei normal erhaltenem Widerstände im Lichtbogen ist die Erwärmung der Maschine gering und am Commutator treten keine Funken auf. 2) Nach ihr folgt die groſse Brush-Maschine im Wirkungsgrade (31 bezieh. 37,5 Proc); bei ihrer groſsen Geschwindigkeit aber ist der Verlust durch Reibung etc. verhältniſsmäſsig gröſser. Dieser Verlust wird nahezu ausgeglichen dadurch, daſs diese Maschine mit einem gegen den inneren groſsen äuſseren Widerstand arbeitet, was auch gegen die Erwärmung der Maschine schützt. Diese Maschine gab den stärksten Strom und daher das hellste Licht. 3) Nach dem Wirkungsgrade die dritte ist die kleine Brush-Maschine (27 bezieh. 31 Proc); sie eignet sich ganz vortrefflich zur Erzeugung starker Ströme und vermag Ströme von sich innerhalb weiter Grenzen ändernder elektromotorischer Kraft zu liefern. Bei zweckmäſsiger Verbindung der Maschine stieg die elektromotorische Kraft auch über 120 Volta-Einheiten. Auſserdem kann bei ihr, wie bei einigen anderen Maschinen, der Leiter in zwei Schlieſsungskreise getheilt werden. Der Commutator ist einfach und leicht zu repariren; die Erwärmung ist nicht beträchtlich. 4) Die Wallace-Farmer-Maschine gibt nicht so viel Arbeit wieder als die anderen Maschinen, obwohl sie groſse Kraft in einem kleinen Räume nutzbar macht. Bei ihr sind die localen Wirkungen beträchtlich. Bei Beseitigung dieses Fehlers würde sie eine ausgezeichnete Maschine werden. Der Ausschuſs bedauert, keine der „so weithin und so günstig bekannten“ Maschinen von Siemens und Halske (vgl. 1878 227 201) für seine Versuche zur Verfügung gehabt zu haben. Von den 5 Versuchsmaschinen hat der Ausschuſs einstimmig die kleine Brush-Maschine als sich am besten für die Zwecke des Institute eignend empfohlen.Die in obigem Bericht aufgenommenen Tabellen sind von englischem auf metrisches System umgerechnet. E–e.