Kommutator-Motore für einphasigen Wechselstrom. Von Dr. Albert Hoerburger, Berlin. (Fortsetzung von S. 741 d. Bd.) Kommutator-Motore für einphasigen Wechselstrom. 3. Der kompensierte Serienmotor. Der kompensierte Serienmotor ist aus der Ueberlegung entstanden, dass das Querfeld des Ankers nicht allein für das Verhalten des Motors schädlich ist, sondern auch zu einem richtigen fabelten nicht notwendig ist. Anstatt es nun wie bei den bisher betrachteten Motoren in seiner Entstehung durch mechanische Mittel zu behindern, kann man es auch sich unbehindert entwickeln lassen, nachträglich aber durch eine geeignete Vorrichtung wieder aufheben, oder kompensieren. Zu diesem Zwecke nun dient eine Wicklung, die ausser der Feldwicklung noch auf dem Stator eines gewöhnlichen Serienmotors aufgebracht wird und ein magnetisches Feld erzeugt, welches dem Ankerfelde grade entgegengesetzt ist, und darum seine Wirkung aufhebt. Ein solches Feld muss also gegenüber dem Erregerfeld um eine halbe Polteilung verschoben sein. Wenn nun das Kompensationsfeld seine Aufgabe bei allen Belastungen des Motors erfüllen soll, so muss es mit dem Ankerfeld seine Grösse entsprechend ändern. Am einfachsten wird das erreicht, wenn es von dem gleichen Strom wie das Ankerfeld erzeugt wird. Man erhält so eine schematische Leitungsskizze nach Fig. 9, wie sie zuerst von Steinmetz-Eickemeyer angegeben wurde. Der gleiche Strom durchfliesst nacheinander die Feldwindungen, den Anker und die Kompensationswindungen. Textabbildung Bd. 320, S. 759 Fig. 9. Kompensierter Serienmotor. Da nun die Wechselstrommotore stets mit einer grossen Polzahl ausgestattet sind, wird die Unterbringung dieser zweiten Wicklung Schwierigkeiten machen, falls das Gehäuse mit ausgebildeten Polansätzen ausgestattet ist. Während es für den Serienmotor nach Heubach trotz der etwas höheren Streuung günstiger ist, ausgebildete Pole zu verwenden, weil dadurch eine grössere neutrale Zone für die Kommutierung des Ankers vorhanden ist, tritt für die kompensierten Motore das Umgekehrte ein und dieselben werden, wie die meisten ausgeführten Motore beweisen, fast ausschliesslich mit verteiltem Feld gebaut. Der Stator gleicht in diesem Falle ganz dem Gehäuse eines gewöhnlichen Induktionsmotors. Will man nun die Kompensationswicklung unterbringen, so wird man statt der einphasigen Wicklung eine zweiphasige Wicklung verwenden, davon die eine als Feld, die andere als Kompensationsspule benutzen. Fig. 10 gibt die schematische Leitungsskizze. Beide Wicklungen können dabei ineinander übergreifen. Textabbildung Bd. 320, S. 760 Fig. 10. Kompensierter Serienmotor mit verteilter Statorwicklung. Textabbildung Bd. 320, S. 760 Fig. 11. Kompensierter Serienmotor mit kurzgeschlossener Kompensationsspule. Beim Serienmotor war der Verkleinerung des induktiven Spannungsabfalles im Feld durch die schädliche Einwirkung des Ankerquerfeldes eine Grenze gesetzt. Beim kompensierten Motor, wo das Ankerfeld aufgehoben ist, hindert nichts, das Feld noch mehr zu verkleinern und so den Leistungsfaktor des Motors günstiger zu gestalten, als er durch das Fehlen der Querfeldspannung schon geworden ist. Ein motorisch wirkendes Feld muss allerdings unter allen Umständen vorhanden sein. Auch gelingt es niemals genau das Ankerfeld vollständig zu kompensieren; die beiden Spulen stehen nämlich im Verhältnis von primärer zu sekundärer Spule eines Transformators und müssen daher auf getrennten Maschinenteilen angebracht sein. Infolge des trennenden Luftspaltes sind immer Streulinien vorhanden. Anstatt Anker und Kompensationsspule elektrisch zu verbinden, d.h. in Serie schalten, kann man dieselben auch magnetisch kuppeln, d.h. die eine von der anderen induzieren lassen. Man erhält so die in Fig. 11 schematisch dargestellte Einrichtung, wo die Kompensationsspule durch eine in sich geschlossene Windung dargestellt ist Auf diese Einrichtung erhielten Stanley und Kelly im Jahre 1892 das amerikanische Patent 479675, das sich auf kurzgeschlossene Spulen, deren Achse mit der Bürstenachse zusammenfällt, bezieht. Der kompensierte Serienmotor wird neuerdings von der General Electric Co. in Schenectady zum Betrieb einer Einphasenbahn verwendet, und zwar wird dieser Motor dabei gleichzeitig für Wechselstrom und für Gleichstrom gebraucht. Der Anker dieser Motore gleicht mit seiner Schleifenwicklung wieder völlig den gebräuchlichen Gleichstromankern, das Feld ist vierpolig und wie der Stator eines zweiphasigen Induktionsmotors, bei dem die Wicklung gleichmässig in den Nuten verteilt ist, gebaut. Der Luftzwischenraum zwischen Stator und Anker beträgt auf jeder 2 mm. Die Betriebsspannung am Fahrdraht ist für Wechselstrom 2200 Volt bei 25 Perioden, bei Gleichstrom 600 Volt. Die einzelnen Wagen sind mit zwei Stromabnehmervorrichtungen ausgerüstet, und zwar ist die Stange mit der Rolle für den einphasigen Wechselstrom viel länger als die für Gleichstrom. Der Fahrdraht mit der Hochspannung ist derartig hoch aufgehangen, dass ihn die kurze Gleichstromstange niemals berühren kann. Es ist dadurch eine Sicherheit gegeben, dass die Hochspannung niemals an die Motore gelangen kann, sondern nur in die Hochspannungswicklung des Transformators. Die Motore sind für eine Leistung von 50 PS gebaut, für eine Wechselspannung von 200 Volt und eine Gleichstromspannung von 250 Volt. In beiden Fällen wird die Serienparallelschaltung verwendet und der gleiche normal gebaute Fahrschalter benutzt. Die Motore unterscheiden sich in ihrem äusseren Aussehen in nichts von dem der gewöhnlichen Bahnmotore für Gleichstrom. Die Betriebskurven eines solchen kompensierten Serienmotors sind in der Fig. 12 zur Abbildung gelangt. Man kann aus ihnen das in jeder Beziehung bessere Verhalten eines kompensierten Motors gegenüber einem einfachen Serienmotor ersehen. Textabbildung Bd. 320, S. 760 Fig. 12. Kurven des kompensierten Serienmotors. Textabbildung Bd. 320, S. 760 Fig. 13 Kompensierter Serienmotor System Winter-Eichberg-Latour. Textabbildung Bd. 320, S. 760 Fig. 14. Verteilung- der Felder im Winter-Eichberg-Latour-Motor. Bei einem kompensierten Motor kann man nun immer drei verschiedene Windungen und drei verschiedene Felder unterscheiden, nämlich das Erregerfeld F, das Ankerfeld A und das Kompensationsfeld C. Bei dem bisher behandelten Motor waren diese drei Felder so verteilt, dass Erreger- und Kompensationsfeld auf dem Stator, das Ankerfeld auf dem Rotor angebracht war, und das Kompensationsfeld konnte dabei von dem Ankerfeld in einer kurzgeschlossenen Windung induziert werden (Fig. 11). Man kann nun diese Verhältnisse einfach umkehren und das Ankerfeld auf dem Stator, das Erregerfeld auf dem Rotor anbringen und beide von demselben Strom in Serie erzeugen, das Kompensationsfeld im Rotor in einer kurzgeschlossenen Windung vom Ankerfeld induzieren lassen. Es ist dazu nicht nötig, zwei verschiedene Wicklungen auf dem Rotor anzubringen, man kann ein und dieselbe Wicklung für beide Zwecke benutzen und hat nur Sorge zu tragen, dass der Rotor in der Achse des Ankerfeldes kurzgeschlossen ist, was durch einen weiteren unter sich verbundenen Bürstensatz geschehen kann. Man erhält so eine Anordnung, die schematisch durch die Fig. 13 wiedergegeben werden kann. Von dem gewöhnlichen Serienmotor unterscheidet sich der so erhaltene Motor nur durch einen zweiten Bürstensatz, der gegenüber dem ersten um eine halbe Polteilung verschoben ist und die einzelnen Bürsten leitend verbunden hat. Die Statorwindung induziert durch ihr Feld BA in dem laufenden Rotor einen Strom Jc, der sich durch die kurzgeschlossenen Bürsten ausgleicht, und ein Feld erzeugt BC, das dem Ankerfeld gerade entgegengesetzt ist. Durch den dem Rotor zugeleiteten Strom J wird ein drittes Feld BF erzeugt, das senkrecht auf den beiden vorigen steht. Diese Schaltungsweise ist wohl zuerst von Latour angegeben worden. Anscheinend hat man durch eine derartige Einrichtung nur den Nachteil eines weiteren Bürstensatzes und damit neue Schwierigkeiten durch Feuern am Kommutator und neue Verluste durch die kurzgeschlossenen Windungen in den Kauf genommen. In Wirklichkeit ist aber durch eine derartige Einrichtung ein grosser und sehr wichtiger Vorteil erreicht worden, der darin besteht, dass bei Rotation mit synchroner Geschwindigkeit einmal ein vollkommenes Drehfeld entsteht und damit die Schwierigkeiten am Kommutator vollkommen wegfallen, und zweitens, dass eine Kompensierung der Phasenverschiebung erreicht werden kann, so dass man mit einem solchen Motor ohne Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, d.h. mit einem Leistungsfaktor gleich der Einheit arbeiten kann. Um dies näher zu erklären, soll die Fig. 13 nochmals wiederholt und in ihr die einzelnen Felder eingezeichnet werden (Fig. 14). Die nachstehende theoretische Abhandlung soll in der gleichen einfachen Weise durchgeführt werden wie beim gewöhnlichen Serienmotor, indem angenommen wird, dass die Phasenverschiebung der verschiedenen Spannungen immer entweder 0 oder 90° beträgt. Der Wicklung A steht auf dem Rotor eine durch die Bürsten c d kurz geschlossene Wicklung C gegenüber. In dieser Wicklung wird durch das Feld BA ein Strom Jc induziert. Da der Strom nur Wärmearbeit leistet, so ist er in Phase mit der induzierten Spannung. Diese Spannung, deren Grösse eCi = C4 . v . z . BA ist und mit ihr der Strom Jc, sind gegenüber dem induzierenden Feld BA um 90° in der Phase zurück. Der Hauptstrom J, der in der Wicklung A das Feld BA erzeugt hat, wird dem Rotor durch die Bürsten a b zugeleitet und erzeugt in ihm das Feld BF in der Richtung der Bürstenachse a b, also senkrecht zu den bisher betrachteten Feldern BA und Bc. Das Feld Bf ist demnach in Phase mit dem Strom Jc und mit der induzierten Spannung eCi (Fig. 15). Wenn der Rotor sich dreht, so entsteht dadurch, dass die Ankerdrähte dabei von dem Felde BF geschnitten werden, an den Bürsten c d eine elektromotorische Gegenkraft, die mit dem Felde BF, also auch mit eCi in Phase ist. Die Grösse dieser elektromotorischen Gegenkraft ist gegeben durch eCg = C5 . n . z. Bf, wenn mit n die Zahl der Umdrehungen, mit z die Zahl der Ankerdrähte bezeichnet wird. Diese Spannung verhält sich wie eine Wattspannung. Der Anker rotiert aber auch in dem Felde BA = BC und durch die Rotation in diesem Felde entsteht an den Bürsten a b eine elektromotorische Gegenkraft eFg = C6 . n . z . BA, die in Phase mit dem Felde BA ist. Dieses Feld eilt aber dem Felde BF um 90° voraus, demnach ist auch die Spannung eFg gegenüber der Spannung eCg um 90° voraus und sie verhält sich dieser Spannung gegenüber wie eine Kondensatorspannung. Endlich wird in der Wicklung F an den Bürsten a b durch den Strom J noch eine Spannung induziert, eFi = C7 . v . z . BF, welche gegenüber dem Felde BF in der Phase um 90° zurück ist. Dieser schädlichen Spannung wirkt nun, wie man aus dem Diagramm Fig. 15 sieht, die Spannung eFg entgegen, sie wird zum Teil oder ganz aufgehoben. In letzterem Falle ist die Spannung am Motor E gegeben durch die Summe E = eCg + eCi, und der Motor hat keine Phasenverschiebung, da die Gesamtspannung E mit dem Strom J zusammenfällt. Die gesamte induzierte Spannung Ei ist gegeben durch die Summe der beiden gegenüber dem Strom J um 90° verschobenen Spannungen, also durch Ei = CFg + eFi, oder durch Einsetzen der oben gegebenen Werte Ei= z .(n . B'A– v . B'F), wenn man die Konstanten durch die veränderte Bezeichnung des Feldes ausdrückt. Damit die Phasenverschiebung 0 und so der Leistungsfaktor des Motors gleich 1 wird, muss die Summe der um 90° verschobenen Spannungen 0 sein, also Textabbildung Bd. 320, S. 761 Fig. 15. Vereinfachtes Diagramm des Winter-Eichberg Latour-Motors. Ei = z . (n . B'A – v . B'F) = 0. Das tritt aber ein, wenn n . B'A– v B'f = 0. Diese Bedingung anders geschrieben gibt das Verhältnis \frac{n}{v}=\frac{B'_F}{B'_A}. Bei synchronem Lauf ist n = v, in diesem Falle arbeitet der Motor ohne Phasenverschiebung, wenn die beiden Felder gleich sind, also B'F = B'A. Um das günstige Verhalten des Motors beim Lauf noch mehr erkennen zu lassen, soll auch sein Verhalten gegenüber den Kurzschlussverlusten am Kommutator näher beleuchtet werden. Bei den bisher betrachteten Motoren traten stets grosse Schwierigkeiten auf, den Motor beim Lauf funkenfrei zu bekommen, ferner entstanden in den kurzgeschlossenen Windungen unter den Bürsten grosse Energieverluste und starke Erwärmung. Bei diesem Motor entstehen bei Stillstand wohl auch Verluste durch die kurzgeschlossenen Windungen. Doch ändern sich diese Verhältnisse im günstigen Sinne, sobald der Motor läuft. Durch das Feld BF wird in den durch die Bürsten c d kurzgeschlossenen Windungen eine Spannung εi = C8 . v . ξ . BF induziert, wenn man die Zahl der in Serie geschalteten durch die Bürsten kurz geschlossenen Windungen mit ξ bezeichnet. Die Spannung ist als induziert, gegen das Feld BF um 90° in der Phase zurück. Wenn nun der Motor sich mit der Geschwindigkeit n bewegt, so entsteht in denselben kurzgeschlossenen Windungen, dadurch dass sie die Kraftlinien des Feldes BA schneiden, eine gegenelektromotorische Kraft von der Grösse εg = C9 . n . ξ . BA. Textabbildung Bd. 320, S. 761 Fig. 16. Diagramm der Kurzschlusspannung im Winter-Eichberg-Motor. Diese elektromotorische Kraft ist, Wie alle durch die Bewegung erzeugten Spannungen in Phase mit dem erzeugenden Felde BA, dieses eilt aber dem Felde BF nm 90° in der Phase vor, demnach ist, wie Fig. 16 zeigt, εg um 180° gegen εi verschoben. Bei irgend einer Geschwindigkeit n entsteht in den kurzgeschlossenen Windungen unter den Bürsten c b eine Spannung ε = εg – εi, welche für die verlorene Kurzschlussenergie massgebend ist. Die Spannung und damit die verlorene Energie wird 0, wenn εg = εi oder wenn v. B'F = n . B'A. Auch in diesem Falle tritt kein Verlust ein bei synchronen Lauf, d.h. n = v, wenn die beiden Felder B'A und B'F einander gleich sind; dieselbe Bedingung bestand für Phasengleichheit am Motor. Sind die beiden aufeinander senkrechtstehenden in der Phase um 90° verschobenen Felder einander gleich, so entsteht ein vollkommenes Drehfeld. Die günstige Wirkung auf die Bürsten tritt auch schon ein bei einem nicht völlig kreisförmigen Feld, so dass innerhalb ziemlich weiter Grenzen die Kurzschlussenergie nicht ins Gewicht fällt. Die Ausbildung der Theorie dieses Motors stammt von Eichberg, der die wichtigen Eigenschaften des Motors in bezug auf Phasenverschiebung und Kurzschlussverluste zuerst erkannt haben. Von ihm zusammen mit Winter stammt auch eine konstruktive Einrichtung, welche die Eigentümlichkeiten des Motors noch viel besser zur Geltung bringt. Bei den gewöhnlichen Serienmotoren erfolgt die Regulierung von einem Spannungsregulator aus, durch den dem Motor verschiedene Spannungen zugeführt werden. Das Drehmoment des Motors ist nämlich abhängig vom Strom im Anker, der Zahl der Ankerdrähte und dem Feld. Da die Wechselstrommotore mit sehr geringer Sättigung arbeiten, kann man das Feld proportional dem Strom setzen und erhält so die ungefähre Formel, dass das Drehmoment mit dem Quadrate der Spannung sich ändert. Bei dem Winter-Eichberg-Motor kann man nun die beiden Faktoren in der Gleichung für das Drehmoment D = C10 . zA J . BF, in ein bestimmtes Verhältnis setzen, d.h. man erhält das gleiche Drehmoment, wenn man J um ebensoviel verkleinert, als man BF vergrössert. Bei einem Wechselstrommotor steigt nun anderseits die Schwierigkeit der Kommutierung mit der Geschwindigkeit, da die für das Feuern massgebende Reaktanzspannung mit der Geschwindigkeit wächst; natürlich wachsen die Schwierigkeiten auch mit der Grösse des zu kommutierenden Stromes. Diese Beziehungen gelten für die Bürsten a b. Für die Bürsten c d erkannten wir umgekehrt die Abnahme der Schwierigkeiten mit der Geschwindigkeit und Abhängigkeit vom Felde BF. Man kann nun die günstigen Eigenschaften der beiden Bürstensätze zusammen erhalten und trotzdem das gleiche Drehmoment erreichen, wenn man für kleine Geschwindigkeit grossen Strom nimmt, der wegen der kleinen Reaktanzspannung in den Bürsten a b immer noch leicht zu kommutieren ist, dafür aber kleines Feld BF, damit die Kurzschlussenergie in den Bürsten c d klein wird; bei nahezu synchronem Lauf aber wählt man einen kleinen Strom J, der trotz der grossen Reaktanzspannung leicht zu kommutieren ist, dagegen grosses Feld BF, da ja in den Bürsten c d die Kurzschlussverluste doch verschwinden. Damit diese Eigentümlichkeit zur Geltung kommt, verwenden Winter-Eichberg den Stator in einer Schaltung, die in Fig. 17 angegeben ist. Die Hochspannung E wird durch einen regelbaren Transformator mit Sparschaltung vermindert, und so gleichzeitig dem Motor verschiedene Spannung zugeführt. Der Ankerstrom durchfliesst noch einen Serientransformator ST, dessen sekundäres Feld ebenfalls regelbar ist und durch einen Umschalter den Bürsten zugeleitet wird. Infolgedessen kann der im Motor liegende Erregerkreis durch Aenderung der Spannung reguliert werden, einfach durch Aenderung des Uebersetzungsverhältnisses. Feld und Ankerstrom stehen daher im Verhältnis der Uebersetzung des Transformators \frac{J_F}{J_A}=\frac{1}{ü}, wenn man mit ü das Verhältnis der primären Windungszahl im Kreise A zur sekundären Windungszahl im Kreise F bezeichnet. JF ist proportional BF; man kann also auch, da \frac{B_F}{J_A}=\frac{1}{ü} das Verhältnis vom Erregerfeld zum Ankerstrom durch das Uebersetzungsverhältnis beeinflussen, und hat es so in der Hand für jede Geschwindigkeit, die für die Kommutierung günstigsten Verhältnisse einzustellen. Textabbildung Bd. 320, S. 762 Fig. 17. Schaltung nach Winter-Eichberg. Textabbildung Bd. 320, S. 762 Fig. 18. Kurven des Winter-Eichberg-Motors bei verschiedenen Uebersetzungsverhältnissen. 1) 32 : 64. 2) 40 : 64. 25 Perioden, 215 Volt. 2 mm Luftspalt. Welchen Einfluss die Aenderung des Uebersetzungsverhältnisses auf die sonstigen Eigenschaften des Motors haben, zeigen die Kurven der Fig. 18 und 19. Der Winter-Eichberg-Motor wird als sogenannter WE-Motor von der Union Elektrizitätsgesellschaft gebaut. Er ist auf der Einphasenbahn Niederschöneweide Spindlersfeld angewandt, und hat sich in dem mehr als ein Jahr dauernden Betrieb für den schwierigsten Bahndienst als geeignet erwiesen. Er ist neuerdings auch für die Hamburger Vollbahn gewählt worden. Die Motore haben eine einphasige Ständerwicklung und einen normalen Gleichstromanker, mit einem zweiten Bürstensatz (vergl. D. p. J. S. 335 d. Bds.). Als praktische Vorteile des Winter-Eichberg-Motors werden noch angegeben: Die Ständerwicklung ist vom Läufer völlig unabhängig, der Motor kann also direckt mit hochgespanntem Wechselstrom gespeist werden, die Drehrichtung des Motors lässt sich in einfachster Weise umkehren, indem die Stromzuführung zum Motor, also das Feld BF durch einen Umschalter U umgekehrt wird; der Motor kann stillgesetzt werden, ohne dass der Motor von der Hochspannung abgeschaltet wird, indem man die Stromzuführung zum Motor unterbricht. Textabbildung Bd. 320, S. 763 Fig. 19. Kurven des Winter-Eichberg-Motors bei verschiedenen Uebersetzungsverhältnissen. 1) 24 : 1. 2) 19,2 : 1. 3) 14,8 : 1. 4) 12,8 : 1. 5) 9,6 : 1. 6) 8,3 : 1. 25 Perioden, 6000 Volt. Zahnradübersetzung 1 : 4,26. Raddurchmesser 1000 mm. Es sollen nun noch einige weitere Schaltungsmöglichkeiten angegeben werden, die keine besondere Anwendung in der Praxis gefunden haben. Aus Fig. 11 ist eine Schaltung bekannt geworden, in der die in sich kurz geschlossenen Kompensationsspule auf dem Ständer angebracht ist und vom Ankerstrom im Rotor induziert wird. Man kann nun bei dieser Anordnung die Stellung von Anker und Kompensationsspule vertauschen, ohne sonstige Aenderungen vorzunehmen. Man erhält so die Schaltung nach Fig. 20. Auf dem Motor sind zwei getrennte Wicklungen, die beide vom gleichen Strom durchflössen werden. Der Rotor ist in der Achse der einen Spule kurz geschlossen und in ihr wird ein Strom von dieser Spule induziert. Man erreicht auf diese Weise den Vorteil, dass zum Anker keine direkte Stromzuführung nötig ist, dass also der Motor mit Hochspannung betrieben werden kann. Diese Schaltung ist von Atkinson angegeben worden. In einer weiteren Anordnung ist der Rotor und eine Feldwicklung in Serie geschaltet und bildet einen geschlossenen Kreis; beide sind also von dem gleichen Strom durchflössen. Man erhält so die Anordnung von Fig. 21. Die zweite Feldspule ist an das Netz angeschlossen; diese induziert den Anker, der über die zweite Spulen geschlossen ist. Dieser Motor wird ein gutes Drehmoment besitzen, da Anker und Feld stets in Phase sind. Eine derartige Schaltung ist ebenfalls von Atkinson angegeben worden und im deutschen Patent 108539, Kl. 21, enthalten. Textabbildung Bd. 320, S. 763 Fig. 20. Kompensierter Motor. Umkehrung von Fig. 11. Textabbildung Bd. 320, S. 763 Fig. 21. Kompensierter Motor. Umkehrung von Fig. 20. (Fortsetzung folgt.)