Neuere Bestrebungen im Dynamomaschinenbau. Von G.Klingenberg, Ingenieur. Neuere Bestrebungen im Dynamomaschinenbau. In der Starkstromtechnik haben sich in den letzten Jahren zwei völlig verschiedene Richtungen ausgebildet, von denen jede ihre begeisterten Anhänger hat und die sich eifrigst Concurrenz machen. Der Nichtelektriker steht häufig zwischen der schweren Wahl, ob er für seine Anlage Gleichstrom, dem Rathe der Vertreter dieser Richtung folgend, oder Wechselstrom, der ihm von der andern Seite warm empfohlen wird, nehmen soll; gewöhnlich lässt er den Preis ausschlaggebend sein, ohne die Vortheile des einen oder anderen Systems zu kennen. Natürlich stehen diese Richtungen im innigsten Zusammenhang mit dem Dynamomaschinenbau, und bevor man auf diesen eingeht, lohnt es sich jedenfalls, die Vortheile und Nachtheile, die jedem dieser Systeme zukommen, gebührend hervorzuheben. Die vielseitigste Verwendung gestattet jedenfalls der Gleichstrom. Gleichstrom eignet sich gleich gut für Beleuchtung wie für Motorenbetrieb als auch für Elektrolyse. Die elektrolytischen Processe lassen überhaupt nur in wenigen Fällen die Verwendung von Wechselstrom zu (z.B. in der elektrischen Gerberei), in den meisten Fällen beherrscht Gleichstrom allein das Feld. Die Beleuchtung mit Glühlampen ist für beide Systeme gleich ökonomisch, doch gibt die Beleuchtung mit Gleichstrom bei Verwendung von Bogenlampen bei demselben Arbeitsaufwande etwa die doppelte Lichtausbeute, was hauptsächlich seinen Grund darin hat, dass die Gleichstrombogenlampe die Hauptmasse ihres Lichtes nach unten richtet und nur wenig nutzloses Licht nach oben sendet, während die Wechselstrombogenlampe ihr Licht ganz gleichmässig nach allen Seiten vertheilt. Nur wenig von der oberen Lichtzone kann nutzbringend verwerthet werden, da sich gute Reflectoren in Folge der grossen Hitze nicht halten. Für Motorenbetrieb eignet sich Gleichstrom und Wechselstrom, wenn man die Specialität des letzteren, den Mehrphasenstrom, ins Auge fasst, in gleich gutem Maasse, jedem kommen eine Reihe von Vortheilen zu, die dem anderen nicht eigen sind und die jedem für bestimmte Verwendungszwecke Vorzüge sichern. Der Hauptvortheil des Gleichstromes liegt aber in der Möglichkeit seiner Aufspeicherung bis zur gelegentlichen Verwendung. Nur bei Accumulatorenbetrieb gelingt die rationelle Ausnutzung einer Anlage, die sonst unter stark wechselnder Belastung laufen würde; durch Accumulatoren kann man eine stetige Vollausnutzung der Betriebsmaschinen mühelos erreichen, sie empfehlen sich überall da, wo grosse Belastungsschwankungen auftreten, um so mehr, als der mittlere Wirkungsgrad guter Accumulatoren in modernen Anlagen ein recht hoher ist; er liegt zwischen 80 und 85 Proc.! Dagegen liegt der typische Vortheil des Wechselstromes in der leichten Erzeugung hoher Spannungen, also in der billigen Fortleitung und in der leichten und ökonomischen Transformation auf ungefährliche Gebrauchsspannung. Deshalb sind Wechselstromanlagen überall dort ausschliesslich am Platze, wo es sich um Energieüberführung auf weite Entfernungen handelt; hier ist Gleichstrom unökonomisch, weil es erstens grosse Schwierigkeiten macht, hochgespannten Gleichstrom zu erzeugen, und weil zweitens zur Transformation wieder eine Maschinenanlage erforderlich ist, die steter Wartung bedarf und ausserdem nicht ungefährlich zu bedienen ist, während ein Wechselstromtransformator ein Apparat ist, der unbeaufsichtigt jahrelang ruhig in einem Winkel stehen kann. Nur bei elektrischen Strassenbahnen hat sich Gleichstrom als Kraftübertragungsmittel ein Feld erobern können; auch hier geht man im Allgemeinen jedoch nicht über 500 Volt und nimmt die grösseren Leitungsverluste eben in Kauf. Was nun die Dynamomaschinen und Motoren anbelangt, so sind durch die typischen Eigenschaften der Stromsysteme natürlich auch charakteristische Eigenschaften derselben bedingt. Es sollen in Folgendem einige der hauptsächlichsten Fehler jeder Gattung und die Mittel, die man zu ihrer Vermeidung neuerdings anwendet, besprochen werden. Jede Dynamomaschine oder Motor kommt in der Praxis nur in Verbindung mit anderen Maschinen vor; es kommen also auch besonders diejenigen Anforderungen in Betracht, die der allgemeine Maschinenbau stellt. Als Material für die Magnetschenkel verdrängen Flusseisen und Gusstahl das Gusseisen immer mehr, besonders seitdem es gelungen ist, in Gusstahl tadellosen Formguss herzustellen; fast alle Fabriken beziehen ihre Magnetgestelle fertig gegossen von Firmen, die den Stahlguss als Specialität betreiben; der Energieaufwand zur Magnetisirung des Gusstahls ist bedeutend geringer als für Gusseisen, man kommt mit der Hälfte des früheren Materiales aus, die Maschinen werden also bei gleicher Leistung nur noch halb so schwer, da auch das Kupfergewicht reducirt werden kann; ausserdem werden die Stromverluste in der Erregerwickelung kleiner, die Maschinen mit Gusstahlschenkeln haben einen besseren Wirkungsgrad. Flusseisen wird nur vereinzelt verwendet; einestheils gelingt es nicht stets den Guss blasenfrei herzustellen, ein unschönes Aussehen und geringere Permeabilität ist die Folge. Lamellirtes Eisen wird vereinzelt verwendet; es scheint, dass die Vortheile der guten magnetischen Eigenschaften durch die vermehrten Kosten wieder aufgewogen werden. Die Dimensionen eines Motors oder einer Maschine sind durch die Verwendung von Gusstahl ausserordentlich gering geworden, so nimmt z.B. ein 7--Gusstahlelektromotor mit Riemenscheibe nur noch einen Kaum von etwa 30 × 70 × 60 cm ein; dazu kommt noch als besonderer Vortheil, dass ein Elektromotor fast keine Fundamente braucht. Die Lager der Maschinen und Motoren sind meistens als Büchslager hergestellt, selbst bei grösseren Maschinen ist oft nur ein Deckel im Lagerbock zur leichteren Montage vorhanden, dagegen sind die Schalen aus einem Stück. Einzelne Firmen haben Kugellager, andere lagern die Schalen nur in der Mitte und sichern ihnen so eine gewisse Beweglichkeit. Durchweg ist der Flächendruck sehr niedrig gehalten, die Länge der Schalen hat oft den 3- bis 4fachen Durchmesser; fast ausschliesslich wird Ringschmierung selbst bei den grossen Maschinen verwendet, um die Wartung auf ein Minimum her abzudrücken. Thatsächlich erfordert eine moderne Wechselstrommaschine eine so geringe Wartung, wie wohl kaum eine andere Maschine. Als Isolationsmaterial scheinen allmählich Presspan und Glimmer alles andere zu verdrängen; um die Wickelung des Ankers gegen das Eisen zu isoliren, wird oft Presspan mit Glimmereinlage gebraucht und bewährt sich vorzüglich. Die Ankerbleche werden durch Einlage von Seidenpapier oder durch einen Firnissanstrich genügend von einander isolirt, viele halten auch die Oxydschicht der einzelnen Bleche schon für ein genügendes Isolationsmittel, um das Auftreten von Wirbelströmen zu vermeiden. Die Befestigung der Ankerbleche erfolgt bei grösseren Maschinen überall durch gusseiserne Formstücke bei Trommelankern, durch Messing–, Bronze- oder Rothgusskreuze bei Ringankern. Für niedrige Spannungen werden wohl ausschliesslich Trommelanker, wegen des besseren Wirkungsgrades, gebaut, bei Hochspannungsmaschinen findet wegen der leichteren Isolation meistens der Ringanker Verwendung; im Allgemeinen geht man mit Trommelankern nicht gern über 500 bis 600 Volt. Bekanntlich liegen in Trommelankern Drähte, welche die ganze Spannungsdifferenz haben, unmittelbar neben einander, während in Ringankern zwischen neben einander liegenden Drähten nur ein Bruchtheil der maximalen Spannung herrscht. Dagegen hat ein Trommelanker aus zwei Gründen einen besseren Wirkungsgrad, erstens weil die nutzlosen Drahtverbindungen bedeutend kürzer werden, also nicht soviel schädlichen Widerstand bieten, und zweitens ist die Streuung des Ankers durch den mittleren Hohlraum und durch die Achse nicht schädlich, derselbe Grund, der bei Ringankern zur Anwendung von Nabenkreuzen aus nichtmagnetischen Materialien (Rothguss, Bronze, Messing) zwingt. Von einzelnen Firmen wird sogen. Ankerventilation zur Abführung der im Anker entstehenden Wärme ausgeführt, indem zwischen einzelnen Ankerblechen Spielräume gelassen werden, durch welche von der hohl ausgebildeten Nabe aus die Luft streichen kann. Die Ansichten über den Nutzen derartiger Einrichtungen sind getheilt; wenn auch vielleicht die bessere Wärmeabführung fraglos ist, so muss man doch bedenken, dass durch die fehlenden Bleche der Querschnitt des Ankereisens verringert wird, die Induction ist also grösser, die Magnetisirungsverluste sind grösser, es muss also auch mehr Wärme abgeführt werden; der Wirkungsgrad sinkt etwas. Der grösste Nachtheil der Gleichstrommaschine ist aber der Commutator, sobald es sich um grössere Spannungen handelt; er setzt der Gleichstrommaschine als Hochspannungsmaschine bald eine Grenze. Zwar sind in Amerika schon Gleichstrommaschinen bis zu 5000 Volt ausgeführt, haben aber eine allgemeine Einführung in der Praxis nicht gefunden, und zwar mit Recht, denn für diese Spannungen ist die Wechselstrommaschine in jedem Falle weit überlegen. Schon für gewöhnliche Spannungen verlangt eine Gleichstrommaschine alle Rücksicht der Ausführung durch den Commutator; eine gute Maschine soll völlig funken frei laufen, weil das Funken eine rasche Abnutzung des Commutators bedingt. Die Isolation der einzelnen Lamellen soll eine gute sein, der Commutator soll gleichmässig ablaufen, das Isolationsmaterial soll nicht so hart sein, dass es weniger abnutzt als die Lamellen und dann vorstehe, so dass die Bürsten springen, darf auch nicht so weich sein, dass es Oel aufsaugen kann, so dass durch den eindringenden Metallstaub Kurzschlüsse gemacht werden. Diese Bedingungen haben dazu geführt, dass für den Commutator fast ausschliesslich Glimmer verwandt wird, welcher sich ganz vorzüglich bewährt. Als Material für den Commutator wird Rothguss oder Bronze verwandt; von einzelnen Firmen sind Versuche mit eisernen Commutatoren und mit Luftisolation gemacht worden, haben aber nur zu wenigen praktischen Ausführungen geführt, da sich die einzelnen Lamellen schlecht befestigen lassen und leicht herausfliegen. Um einen funkenlosen Gang der Maschinen zu erzielen, sind mehrere Wege eingeschlagen worden. Bekanntlich muss der Strom in der sogen. neutralen Zone einer Dynamomaschine commutirt werden, das ist diejenige Zone, die auf der Richtung des Feldes senkrecht steht. Nun ist aber das Feld nicht allein durch die Erregung der Feldmagnete bedingt, sondern es wirken auf dasselbe auch die im Anker inducirten Ströme zurück; es resultirt ein Feld, was bei Dynamomaschinen in der Drehrichtung, bei Motoren in umgekehrter Richtung verschoben erscheint, zugleich wird aber auch die Configuration des Feldes gestört, so dass das Feld beim Eintritt der inducirten Drähte in dasselbe geschwächt, beim Austritt jedoch verstärkt wird (Dynamomaschine vorausgesetzt). Diese Configuration des Feldes lässt sich noch ziemlich gut rechnerisch verfolgen, während die Vorgänge im Anker äusserst complicirter Natur sind. Damit keine Unterbrechung des Stromes eintritt, muss die Bürste so breit sein, dass sie zwei Lamellen gleichzeitig bedeckt; dadurch wird aber jedesmal diejenige Spule, welche sieb gerade unter der Bürste befindet, kurz geschlossen, die kurz vorher noch den vollen Strom führte. Jedenfalls ist in der Spule eine durch die Selbstinduction hervorgerufene elektromotorische Kraft thätig, die bei dem Oeffnen der betreffenden Spule durch die Vorwärtsbewegung des Commutators zu einem Oeffnungsfunken Veranlassung gibt, wenn man nicht dafür sorgt, dass durch das Feld in der betreffenden Spule eine gleich grosse elektromotorische Gegenkraft erzeugt wird, d.h. es muss zum funkenfreien Commutiren ein positives Feld schon vorhanden sein. KappG. Kapp: Dynamomaschinen. nimmt an, dass das Feld für Trommelanker 2000 bis 3000 Einheiten, für Kinganker 3000 bis 4000 Einheiten mindestens betragen müsse. Nun wirkt aber der Ankerstrom auf das Feld zurück, das Feld ist also dort am schwächsten, wo die Commutation erfolgen soll, das kann so weit gehen, dass überhaupt kein positives, sondern sogar ein negatives Feld an dieser Stelle vorhanden ist. Diese sogen. Ankerreaction ist desto geringer, je grösser der Luftzwischenraum zwischen Anker und Feldmagneten ist, andererseits kann man durch Verstärken des Gesammtfeldes auch ein stärkeres Feld für die Commutation erreichen, – beides sind also Mittel, um einen funkenfreien Gang der Maschinen zu erzielen. Natürlich ist bei grösserem Luftzwischenraum auch ein grösserer Aufwand an Energie für die Erregung der Feldmagnete nöthig, so dass ein funkenfreier Gang nur auf Kosten des Wirkungsgrades gewonnen wird; durch geschickte Wahl der Verhältnisse lässt sich jedoch auch hier viel erreichen. Dies ist der eine Weg, auf dem von den meisten Ingenieuren vorgegangen wird. Der andere Weg ist folgender: Man sucht durch passende Mittel die Verschiebung und Verzerrung des Feldes zu compensiren. Als erstes Mittel ist die Theilung des Feldmagneten zu nennen. Durch grössere Luftzwischenräume, welche durch den ganzen Magneten der Länge nach gehen, wird der Widerstand für die schädlichen Ankerkraftlinien vergrössert, so dass sich jetzt zwei Kreise von Ankerkraftlinien ausbilden; der schädliche Einfluss wird dadurch etwa auf die Hälfte reducirt, während der Weg für die Kraftlinien der Feldmagnete unverändert bleibt. Es lassen sich hierdurch also ziemlich erhebliche Vortheile erreichen, andererseits ist aber zu bemerken, dass die Theilung der Feldmagnete constructiv häufig viele Schwierigkeiten macht und daher z.B. für hufeisenförmige Feldmagnete beinahe ausgeschlossen erscheint. – Andere bringen Compensationsspulen in den Polschuhen an, die den Ankerströmen entgegenwirken; sie erreichen dadurch, dass sie den Luftzwischenraum, soweit es constructiv zulässig ist, verkleinern können, es ist also eine bedeutend geringere Erregung erforderlich, da die Energie, welche diese Compensationsspulen brauchen, ziemlich gering ist. Die Anordnung ist theoretisch sehr zweckmässig, constructiv jedoch desto schlechter, weil man diese Windungen nur sehr schwer so unterbringen kann, dass sie nicht direct hinderlich sind, da sie um den Anker, also denjenigen Theil, der die grösste Aufmerksamkeit der Bedienung erfordert, herumgeführt werden müssen und ausserdem den Commutator unzugänglich machen; desgleichen wird die Ventilation des Ankers behindert. Derselbe Zweck wird durch besondere Polansätze zu erreichen gesucht, durch welche an geeigneter Stelle vor der Bürste eine besondere Verstärkung des Feldes hervorgerufen wird; diese Anordnung ist constructiv leicht durchführbar, jedoch ist sie nicht so wirksam als die vorige, und ausserdem darf man nicht vergessen, dass durch solche Ansätze die Streuung, d.h. derjenige Theil der Kraftlinien, der nicht nutzbringend durch den Anker geht, bedeutend vermehrt wird. – Endlich ist noch eine Anordnung sehr interessant, bei der die Compensationswickelung direct auf dem Anker angebracht ist; es ist hier wohl das Bestreben thätig gewesen, die constructiven Nachtheile obiger Anordnung zu beseitigen, doch ist auch eine derartige Anordnung nicht ohne Nachtheile, da durch diese Hilfswickelung entweder der Querschnitt des Ankereisens verringert, oder der Platz für die Hauptwickelung beschränkt wird, d.h. die Ankerdrähte erhalten kleinere Querschnitte und der schädliche Widerstand des Ankers wird vergrössert. Ein besonderer Nachtheil dieser Anordnung liegt noch darin, dass eine solche Wickelung sehr schwierig auszuführen ist und besonders geschultes Personal erfordert. – Wir sehen also, dass alle diese Anordnungen wohl Vortheile bieten, gleichzeitig aber mit ziemlich erheblichen Nachtheilen verknüpft sind; die Erreichung eines funkenfreien Ganges durch Vergrössern des Luftzwischenraumes scheint der einfachste Weg und somit der rationellste zu sein. Ein weiterer Nachtheil ist den Gleichstrommaschinen und Motoren eigenthümlich, das ist die Verschiebung der Bürsten. Je grösser die Stromentnahme bei wechselnder Belastung der Dynamo ist, desto stärker ist die Verzerrung des Feldes, desto grösser ist die Induction in der kurz geschlossenen Spule, desto stärker muss also das Feld sein, das zum funken freien Commutiren erforderlich ist, d.h. man muss die Bürsten bei Dynamomaschinen in der Drehrichtung verschieben, sobald die Belastung steigt und umgekehrt. Bei Motoren muss eine Verschiebung im entgegengesetzten Sinne stattfinden. Bei Maschinen ist meistens die Verschiebung der Bürsten nicht so nachtheilig, da die Belastung meistens nicht so sehr zu schwanken pflegt und man sich in solchen Fällen, wo der Natur der Sache nach starke Schwankungen auftreten, gewöhnlich, wie schon oben erwähnt, den Vortheil einer Accumulatorenbatterie nicht entgehen lässt; ausserdem ist stets ein Maschinist da, der die Verschiebung der Bürsten besorgen kann. Anders liegt der Fall aber bei Motoren, die den grössten Belastungsschwankungen, vom Leerlauf bis zur plötzlichen Vollbelastung, ausgesetzt sind und die häufig sehr wenig Wartung erhalten können; da ist das einzige Mittel, welches gute Dienste leistet und den Commutator vor frühzeitiger Zerstörung schützt, die Verwendung von Kohlenbürsten. Kohlenbürsten haben die Eigenthümlichkeit, den Commutator ganz unbeschädigt zu lassen, selbst wenn er feuert; es brennen nur die Bürsten ab, die sich jedoch leicht ersetzen lassen; ausserdem wird das Feuern an und für sich vermindert, da die Kohle der kurzgeschlossenen Spule einen bedeutend grösseren Widerstand bietet. Allerdings sind Kohlenbürsten ein schädlicher Widerstand im äusseren Stromkreis, der besonders bei grossen Stromstärken wohl zu beachten ist, doch zieht man ihn durch Verwendung von mehreren Bürsten mit grösser Auflagefläche, manchmal auch durch Ueberziehen der Kohlen auf galvanischem Wege mit Kupfer auf ein Minimum herab. Commutator und Bürsten einer Gleichstrommaschine sind ausser den Lagern die einzigen Theile, die einer regelmässigen Abnutzung unterworfen sind und die deshalb einer regelmässigen Wartung bedürfen. Besonders der Commutator muss stets sauber gehalten sein, da sonst der Metallstaub leicht die Veranlassung von Kurzschlüssen werden kann. Das ist auch der Grund, weshalb man an Commutatoren in der Regel keine sogen. Arbeitsfläche anbringt, um eine gleichmässige Abnutzung zu erzielen und Randbildungen zu vermeiden; es müsste eine Rille eingedreht werden, die behufs Reinigung schwer zugänglich wäre. Man zieht es vor, den Commutator von Zeit zu Zeit abzudrehen und abzuschmirgeln, was bei guten Maschinen übrigens erst nach jahrelangem Betriebe erforderlich wird. Von allen diesen Mängeln sind Wechselstrommaschinen vollständig frei; in einzelnen Fällen, z.B. in Bergwerken mit schlagenden Wettern, Pulverfabriken u.s.w., kommen wegen der Feuergefährlichkeit Gleichstrommotoren gar nicht in Frage, während einzelne Typen von Wechselstrommotoren Feuersgefahr vollständig ausschliessen. (Fortsetzung folgt.)