Eine neue Dynamomaschine zur Beleuchtung von Eisenbahnwagen. Eine neue Dynamomaschine zur Beleuchtung von Eisenbahnwagen. Im „Elektrotechnischen Verein“ hielt am 14. Febr. 1905 E. Rosenberg einen Vortrag über eine neue von der Allgemeinen Elektrizitäts-Gesellschaft gebaute Dynamomaschine zur Beleuchtung von Eisenbahnwagen, dem folgendes entnommen sein soll. Von den vielen Systemen, die zur elektrischen Beleuchtung von Eisenbahnen schon angegeben wurden, haben nur diejenigen Aussicht auf Erfolg, die jeden Wagen unabhängig von der Lokomotive machen. Es muss also jeder Wagen für sich eine Akkumulatorenbatterie haben, die auch bei zeitweisem Stillstand des Zuges die Beleuchtung zu übernehmen, und eine Maschine, die die Akkumulatoren wieder aufzuladen vermag. Eine solche Dynamomaschine muss nun einen Strom liefern, der unabhängig von der Drehrichtung ist, d.h. mit einer Umkehrung im Laufe des Wagens nicht auch die Stromrichtung umkehrt, und muss eine Spannung geben, die von der Drehgeschwindigkeit nahezu unabhängig ist. Das sind Forderungen, die bei den bisherigen Dynamomaschinen nur mit Hilfe äusserst verwickelter elektromechanischer Konstruktionen zu erreichen waren, die aber von der neuen Dynamomaschine beinahe vollkommen ganz von selbst erfüllt werden. Textabbildung Bd. 320, S. 684 Fig. 1. Wie es möglich ist, von einer Dynamo Strom zu erhalten, dessen Richtung unabhängig vom Drehsinne ist, lässt sich an einem Schema zeigen, das als Vorläufer der Ausführung angesehen werden kann. Fig. 1 zeigt eine schematische Anordnung, bei der zwei Maschinen, eine Hauptmaschine und eine Hilfsmaschine auf derselben Achse nötig sind. Letztere liefert die Erregung F der Hauptmaschine, und wird selbst konstant von einer Akkumulatorenbatterie Q aus erregt (f); ihr Ankerstrom ändert sich also mit der Drehrichtung, während anderseits die Hauptmaschine mit veränderter Drehrichtung umgekehrt erregt wird, demnach konstante Stromrichtung im Anker besitzt. Um mit steigender Stromstärke eine Feldschwächung zu erreichen, durchfliesst der Ankerstrom der Hauptmaschine eine Gegenwicklung f1 der Hilfsmaschine. Diese beiden Maschinen waren nun in eine einzige zu vereinigen und zu diesem Zwecke musste mit einem zweiten Bürstenpaar ein rechtwinklig zum Hauptfeld stehendes Querfeld ausgenutzt werden. Der Gedanke, eine Maschine mit einem zweiten Bürstenpaar zu benutzen, hat seine Bedenken verloren, seitdem man die guten Erfolge bei den kompensierten Wechselstrom-Kommutator-Motoren gesehen hat. Textabbildung Bd. 320, S. 684 Fig. 2. Textabbildung Bd. 320, S. 684 Fig. 3. Textabbildung Bd. 320, S. 684 Fig. 4. Textabbildung Bd. 320, S. 684 Fig. 5. In den Fig. 2 und 3 sind zwei Maschinen dargestellt, die das Aussehen von vierpoligen Maschinen haben, mit zwei Paar Bürstensätzen und zwei Feldwicklungen, die der Uebersichtlichkeit wegen je zwei Pole umfassend gezeichnet sind. Die eine, mit f bezeichnete Feldwicklung wird von der Batterie Q aus mit Strom versorgt und macht die beiden oberen Polansätze zu Süd- (s), die unteren Polansätze zu Nord- (n) Polen. Diesem Magnetfelde entsprechen die in dessen neutraler Zone aufgesetzten Bürsten b b. Der mit diesen Bürsten abgenommene Strom dient zur Erregung der mit F bezeichneten Feldwicklung, welche gegenüber der ersten eine Verschiebung um 90° besitzt, so dass z.B. die beiden rechten Pole zu Süd- (S), die beiden linken zu Nord- (N) Polen werden (Fig. 2). Dabei ist eine bestimmte Drehrichtung, rechtsläufig, vorausgesetzt. Bei Umkehrung der Drehrichtung wird durch die konstante (Batterie-) Erregung f an den Bürsten b b die Polarität des Stromes umgekehrt, demnach wird bei Linksdrehung die Bezeichnung der Pole der Erregung F sich umkehren (Fig. 3). Diesem mit der Drehung wechselnden Magnetfelde F entsprechen die in seiner neutralen Linie aufgesetzten Bürsten B B, deren Strom somit unabhängig von der Drehrichtung ist und der Batterie Q bezw. der Erregung f parallel geschaltet sein kann. Die Feldwicklung könnte natürlich auch als zweiphasige Wicklung nach Art der bei Wechselstrommaschinen gebräuchlichen ausgeführt werden, immerhin aber benötigt man viel Kupfer für die Erregung. Nun ist aber bei jeder Dynamomaschine ausser dem Magnetfeld ein vom Ankerstrom erzeugtes Querfeld vorhanden, das gegenüber dem Primärfelde um 90°, und zwar in der Drehrichtung voreilend, verschoben ist. Dieses Ankerfeld sucht man wegen seiner verzerrenden, zum Funken Veranlassung gebenden Wirkung in den gewöhnlichen Dynamomaschinen durch alle möglichen Mittel zu verringern. An Stelle eines künstlichen Querfeldes F (Fig. 2 und 3) kann man nun auch dieses natürliche Querfeld benutzen und kommt damit zu einer in Fig. 4 und 5 dargestellten, von der gebräuchlichen Form etwas abweichenden Gestaltung einer zweipoligen Dynamomaschine. Die der normalen Dynamo entsprechenden Bürsten b b sind in sich kurz geschlossen, während die rechtwinklig dazu aufgesetzten Bürsten B B nach aussen geführt sind. Da die Bürsten b b kurzgeschlossen sind und trotzdem nicht mehr als den normalen Strom führen dürfen, so braucht das Feld f nur sehr schwach zu sein, da eine sehr kleine im Anker induzierte Spannung genügt, um den normalen Strom im Anker zu haben. Dieser Ankerstrom erzeugt ein um 90° gegenüber dem Primärfeld verschobenes Querfeld, das natürlich nun viel grösser ist und zur Folge hat, dass entsprechend der Drehrichtung die Ecken der Polschuhe entsprechend polarisiert werden. Es werden zwar in Wirklichkeit die beiden Felder zu einem Resultierenden sich zusammensetzen, doch kann man unbeschadet der Wirkung auch die einzelnen Felder jedes für sich betrachten. Wie in den Fig. 4 und 5 gezeichnet, haben sich neben den ursprünglichen Polen s–n neue und stärkere Pole S und N gelagert, die mit der Drehrichtung wechseln. Dieses horizontal gerichtete Feld wird also nach den Fig. 6 und 7 neben dem konstanten kleineren Feld 0 I je nach der Drehrichtung nach rechts oder nach links verlaufen, 0 II. Textabbildung Bd. 320, S. 685 Fig. 6. Textabbildung Bd. 320, S. 685 Fig. 7. Wird den Bürsten B B nun Strom entnommen, etwa indem man die Maschine auf einen äusseren Widerstand arbeiten lässt, so entsteht dadurch offenbar noch ein Feld 0 III, ein Querfeld, das gegenüber dem erzeugenden Feld 0 II um 90° voreilend verschoben ist, gegenüber dem ursprünglichen Feld 0 I demnach um 180° voreilt (Fig. 8 und 9). Textabbildung Bd. 320, S. 685 Fig. 8. Textabbildung Bd. 320, S. 685 Fig. 9. Ist der der Maschine entnommene Nutzstrom grösser als der in den Bürsten b b fliessende Hilfsstrom, so ist natürlich, da beide Felder von den Ankerwindungen erzeugt werden und sich wie die Ströme verhalten, das Feld 0 III > 0 II. Damit nun aber dieser Nutzstrom zustande kommt, muss zu 0 I ein zusätzliches Feld II' kommen, so dass das Ankerfeld 0 III aufgehoben ist. Aus der Bedingung, dass II' = 0 III, würde man nun zunächst veranlasst sein, die zusätzliche Erregung II' durch eine vom Nutzstrom durchflossene Kompoundwicklung liefern zu lassen; aber damit erhielte man eine den gebräuchlichen Dynamos gleiche Maschine, da nunmehr die Spannung entsprechend dem schwachen primären Felde 0 I mit der Geschwindigkeit wachsen würde. Eine Maschine, die parallel zu Akkumulatoren arbeiten soll, wird eine Erregung derart erhalten, dass von vornherein ein Feld 0 I' vorhanden ist. Um die Wirkung dieser Erregung besser verstehen zu können, muss man die ungefähren Verhältnisse von ausgeführten Maschinen ins Auge fassen. Die für die Erzeugung des primären Feldes erforderliche Erregung 0 I beträgt nur etwa 10 v. H. von der zur Kompensation des Ankerfeldes nötigen Erregung I I' bei normalem Strom. Der zwischen den kurzgeschlossenen Bürsten b b fliessende Hilfsstrom beträgt dabei etwa 40 v. H. des normalen Nutzstromes. Jede Steigerung des Nutzstromes hat eine Vergrösserung von 0 III zur Folge, dementsprechend muss von der Erregung 0 I' ein grösserer Teil zur Kompensation verwendet werden, so dass als wirksames primäres Feld nur ein kleinerer Rest als vorher übrig bleibt; damit verringert sich aber das primäre Feld, und damit auch der Hilfsstrom in den Bürsten b b. Mit der Verringerung des Feldes 0 II muss aber der Strom 0 III kleiner werden (konstanten äusseren Widerstand vorausgesetzt). Die Maschine reguliert sich also ganz von selbst auf konstanten Strom ein. Diese eigentümliche Wirkung kommt zustande, weil das primäre Feld die Differenz von zwei nahezu gleichen Grössen ist (0 I = 0 I' – 0 III). Wächst in einer solchen Maschine die Tourenzahl von der normalen Grösse bis auf ∞, so kann doch der Nutzstrom des Ankers niemals um mehr als 10 v. H. steigen, denn dann ist 0 III = 0 I' und ein primäres Feld ist nicht mehr vorhanden, also auch kein magnetisierender Strom in den kurzgeschlossenen Bürsten b b. Nimmt umgekehrt die Geschwindigkeit etwa um die Hälfte ab, so hat anderseits der Nutzstrom das Bestreben, abzunehmen. Hat er aber nur um 10 v. H. abgenommen, so ist das Primärfeld gleich um das Doppelte gewachsen und damit auch der in den kurzgeschlossenen Bürsten b b fliessende Magnetisierungsstrom. Wie man sieht, liefert eine solche Maschine von der höchsten Geschwindigkeit an bis nahezu auf Stillstand herunter konstanten Strom, erinnert daher an das Verhalten einer kurzgeschlossenen Drehstrommaschine, bei der auch, falls sie nur auf normalen Nutzstrom erregt ist, die Instrumente, Amperemeter und Voltmeter, bei abnehmender Geschwindigkeit bis nahezu auf Stillstand fast ruhig stehen. Textabbildung Bd. 320, S. 685 Fig. 10. Das Verhalten des Stromes einer solchen Maschine in Parallelschaltung mit einer Akkumulatorenbatterie bei veränderlicher Geschwindigkeit ist aus Fig. 10 zu ersehen, bei der die einzelnen Kurven verschieden starker Erregung entsprechen. Zwischen 300 und 500 Umdrehungen wird die Spannung der Akkumulatorenbatterie bei allen Erregungen erreicht und zwischen 700 und 800 Umdrehungen stellt sich eine konstante Stromstärke ein. Mit einer bestimmten Einstellung der Nebenschlusserregung ist praktisch eine bestimmte Stromstärke der Maschine eingestellt. Textabbildung Bd. 320, S. 685 Fig. 11. Fig. 11 zeigt die Abhängigkeit des Magnetisierungsstromes zwischen den kurzgeschlossenen Bürsten von der Geschwindigkeit, bei konstant gehaltener Spannung, eine Kurve, die annähernd hyperbelartig verläuft. Damit der Hilfsstrom keine zu grossen Werte annimmt, werden in den magnetischen Stromkreis grosse Widerstände, also geringe Querschnitte am Schenkel und Joch eingeschaltet. Bei ganz geringer Geschwindigkeit nimmt der Hilfsstrom wieder ab, die Spannung der Maschine sinkt unter die der Akkumulatorenbatterie, es muss also dafür gesorgt werden, dass kein Strom aus der Batterie in die Maschine eintritt, etwa durch einen Rückstromschalter oder noch besser durch eine Aluminiumzelle. Textabbildung Bd. 320, S. 686 Fig. 12. Fig. 12 zeigt Strom und Spannung der Maschine bei konstanter Erregung, beim Arbeiten auf einen konstanten äusseren Widerstand. Beide Kurven gehen natürlich durch den Nullpunkt. Mit Berücksichtigung der Uebersetzungsverhältnisse einer an einem Eisenbahnwagen montierten Maschine entsprechen 345 Umdrehungen der Maschine etwa 15 km Fahrgeschwindigkeit, so dass bei dieser geringen Geschwindigkeit schon Strom in die Batterie geliefert wird (Kurve I, Fig. 10). Bei 460 Umdrehungen, entsprechend 20 km Fahrgeschwindigkeit, beträgt der Strom schon die Hälfte des normalen, bei 690 Umdrehungen, entsprechend 30 km Fahrgeschwindigkeit, ist der Strom bereits ⅘ des Höchstwertes, und zwischen 800 und 2300 Umdrehungen, entsprechend 35 bis 100 km/St., ändert sich der Strom nur mehr um 12 v. H. Textabbildung Bd. 320, S. 686 Fig. 13. Textabbildung Bd. 320, S. 686 Fig. 14. In Fig. 13 ist die Spannungscharakteristik der Maschine bei konstanter Erregung und konstanter Geschwinschwindigkeit, aber veränderlichem äusseren Widerstand gegeben. N entspricht etwa dem normalen Zustand. Von hier bis zum Kurzschluss (Spannung O) wächst der Strom nur um ein Geringes, dagegen beträgt die Spannung der Maschine bei offenem Stromkreis ein Mehrfaches der Normalen. Die Maschine ist also nicht gegen Kurzschluss, sondern gegen Stromunterbrechung zu sichern, da in diesem Falle der Hilfsstrom unzulässig steigen würde. Wie bisher zu ersehen war, erfüllt also die Maschine als Zugbeleuchtungsmaschine ganz von selbst eine Reihe von Funktionen, die bisher sehr umständlichen Apparaten übertragen waren. Da im Anker neben dem Nutzstrom noch der magnetisierende Hilfsstrom vorhanden ist, der, wie in dem oben erwähnten Beispiel, etwa 40 v. H. beträgt, so scheint es zunächst, dass für gleiche zulässige Erwärmung die Ankerkupferquerschnitte grösser gewählt werden müssten, um den 1,4 fachen Strombetrag liefern zu können. In Wirklichkeit aber ist nur zwischen je zwei Bürsten die Summe der beiden Ströme, zwischen je zwei anderen Bürsten dagegen die Differenz der Ströme zu führen. Bezeichnet man also mit W den Ankerwiderstand, mit J den Nutzstrom, mit J1 den Hilfsstrom, so ist der Joulesche Verlust im Anker \frac{W}{2}\,(J+J_1)^2+\frac{W}{2}\,(J-J_1)^2=W\,(J^2+{J_1}^2), also gerade so gross wie bei einem resultierenden Strom J_R=\sqrt{J^2+{J_1}^2}=\sqrt{J^2+(0,4\,J)^2}=1,075\,J, d.h. der resultierende Ankerstrom beträgt nur 7,5 v. H. mehr. Die Ströme setzen sich gerade so zusammen, wie zwei um 90° verschobene Wechselströme (Fig. 14). Für eine derartig geringe Stromvermehrung brauchte namentlich bei intermittierendem Betrieb keine Rücksicht in der Berechnung genommen werden. Durch die Magnetschenkel und das Joch geht nur das kleine Primärfeld. Joch und Schenkel können also sehr klein in den Abmessungen gehalten werden. Das Magnetfeld des kurzgeschlossenen Hilfsstromes schliesst sich über die Polansätze hinweg. Was nun die Kommutierung anbelangt, so sind zunächst die Hilfsbürsten b b, obwohl sie in einem sehr schwachen Felde sich befinden, in einer günstigen Lage, denn bei grosser Geschwindigkeit nimmt die Stromstärke sehr ab (Fig. 11), so dass die Reaktanzspannung gering bleibt, bei grosser Stromstärke ist dagegen die Geschwindigkeit klein, so dass die Reaktanzspannung ebenfalls nur gering ist. Die Hauptbürsten befinden sich in bezug auf die Kraftlinien des Sekundärfeldes in der Normalen. Da, wie man aus der später noch erwähnten Fig. 16 ersehen kann, in der Mitte des Pulschuhes eine tiefe Nute vorgesehen ist, so ist auch die Verteilung dieses über die Polschuhe sich schliessenden Feldes bei jedem Drehsinn eine gleichmässige. Dagegen befinden sich die Bürsten mitten im Primärfelde. Diese an sich sehr bedenkliche Stellung ist hier belanglos, denn dieses Feld ist nur so stark, dass ein normaler Kurzschlusstrom entsteht; ob nun dieser Kurzschlusstrom über die Bürsten b b sich bildet, oder unter der einzelnen Bürste B, ist gleichgültig. Angenommen, vom Primärfelde wird eine gesamte Spannung von etwa 4 Volt für den Ohmschen Abfall in den Windungen, Bürsten und dem Kurzschlussdraht erzeugt, so kommt bei 50 Windungen für eine unter der Bürste B kurzgeschlossene Windung nur 1/25 Volt in Betracht gegenüber etwa 2 Volt bei einer gewöhnlichen Dynamo mit 100 Volt Spannung. Für den Wirkungsgrad gilt folgende Betrachtung: Sind die Kupferquerschnitte im Anker entsprechend den resultierenden Stromstärken berechnet, so sind die Ohmschen Verluste im Anker nicht grösser als bei einer normalen Maschine. Ebenso sind die Eisenverluste im Anker gleich gross. Die Verluste in den Magnetspulen sind kleiner, dagegen die Bürstenverluste am Kollektor grösser. Im allgemeinen entspricht der Wirkungsgrad dem bei den modernen Gleichstrommaschinen gebräuchlichen. In Fig. 15 und 16 ist die Schnittzeichnung einer vierpoligen Maschine gegeben, deren mittlere Spannung 50 Volt und deren Stromstärke 70 Ampère bei einer Geschwindigkeit von 240–1200 Umdrehungen beträgt. Der Anker hat normales Aussehen, nur muss die Bürstenbrücke in je ⅛ des Umfanges Bürsten erhalten. Infolgedessen ist der Bürstenstern in der Mitte des Kollektors angebracht und die Bürsten gehen abwechselnd nach der einen und anderen Seite. Für den Betrieb gilt das in Fig. 17 angegebene Leitungsschema, wobei Al eine Aluminiumzelle andeutet, die den Strom nur im Pfeilsinne von den neutralen Elektroden zur Aluminiumplatte hindurchlässt. Jede einzelne Lampe L ist noch mit einem der bekannten Eisenwiderstände W versehen, der gegen die Spannungsschwankung zwischen Laden und Entladen puffert. Textabbildung Bd. 320, S. 687 Textabbildung Bd. 320, S. 687 Fig. 17. Wie bereits oben erwähnt, ist ein Kurzschluss ohne Einfluss auf die Maschine. Damit sie aber auch gegen Stromunterbrechung geschützt ist, etwa wenn eine Hauptstromverbindung reisst oder eine Sicherung herausfällt; und um die dadurch hervorgerufene Spannungssteigerung unschädlich zu machen, so sind in den Erregungsstromkreis der Maschine ebenfalls Eisenwiderstände eingeschaltet, die bei der infolge der Spannungssteigerung anwachsenden Erregerstromstärke durchbrennen, und die Maschine so erregungslos machen. Zum Schlusse sei noch auf ein eigentümliches Verhalten der als Motor betriebenen Maschine hingewiesen, das ebenfalls ein Analogon in der Wechselstromtechnik hat. Schon oben wurde darauf hingewiesen, dass sich die Maschine wie eine kurzgeschlossene Drehstromdynamo verhält in bezug auf die Unabhängigkeit der gelieferten Stromstärke von der Geschwindigkeit. Die Maschine hat nämlich als Motor kein Anlaufmoment, läuft aber einmal in einer beliebigen Richtung angedreht weiter. Sie verhält sich demnach wie ein Einphasen-Induktionsmotor. Die Eigenschaften der Maschine machen sie noch für viele Zwecke verwendbar, z.B. für Antrieb durch Wasser- oder Windmühlen, auch ist sie eine ideale Primärmaschine für Serienstromkreise mit konstanter Stromstärke. Endlich kann sie auch in Dreileiteranlagen Verwendung finden, indem man von den Hilfsbürsten den Nulleiter abzweigt.