DE279732C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 d. GRUPPE

WILHELM UHDE in GERA-R.

Als Generator und Motor für pulsierenden und nahezu konstanten Gleichstrom verwendbare Gleichstrommaschine ohne Stromwender.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 3. Juni 1913 ab.

Inhaltsübersicht

der Patentschrift 279732 über Gleichstromgeneratoren und -motoren

ohne Kommutator.

Gleichstromgeneratoren ohne Kommutator.

1. Richtung der bisherigen Versuche.

2. Grundgedanke der neuen Erfindung.

2. Bisher bekannte Gleichstrommaschinen. 4. Neue Gleichstrommaschine.

a) Gleichstrommaschinen der Gleichpoltype.

A. Ausführung mit wirklich vorhandenen" Widerständen.

I. Mit Anwendung von Schleifkontakten.

1. Erzeugung einer Gleichstromspannung an den Außenklemmen der Maschine.

2. Rückleitung des Stromes ohne Induzierung einer Gegenspannung.

. 3. Rückleitung unter Induzierung einer nutzbaren Spannung bei Rückleitung durch die ganze Maschine.

4. Leitung durch die halbe Maschine, unter einer Polart hindurch.

5. Unveränderlichkeit der Verhältnisse bei Anwendung von beliebigen starren Stromverzweigungen.

II. Ohne Anwendung von Schleifkontakten mit Benutzung ohne Schleifkontakte periodisch veränderlicher Widerstände.

1. Prinzip der Erzeugung einer immer gleichgerichteten E. M. K. an den Außenklemmen der Maschine.

2. Größe des im Außenleiter erzeugten Stromes.

3. Aufzählung von ohne Schleifkontakte wirklich veränderbaren Widerständen.

4. Ausführung der periodischen .Veränderung eines wirklichen Wider-Standes.

5. Ausführung von Fall 1 in a), A, II, 1.

6. Ausführung von Fall 2 in a), A, II, 1.

7. Ausführung der Rückleitung.

8. Andere Formen der Leiterverzweigung.

B. Ausführung mit nur scheinbar veränderlichen Widerständen.

1. DiescheinbareWiderstandserhöhung als Mittel zur Gleichstromerzeugung.

2. Der Skin-Effekt als Mittel für eine scheinbare Widerstandserhöhung.

3· Der Wirbelstrom als Mittel für eine scheinbare Widerstandserhöhung.

C. Erzeugung eines Gleichstromes durch Einschaltung von Selbstinduktion, gegenseitiger Induktion usw.

b) Maschinen der Gleichpoltype und der Wechselpoltype bei Erzeugung von

Wechselströmen.

i. Allgemeines.

I. Leiteranordnung zur Erzeugung einer Gleichstromkomponente.

1. Ausführung mit hintereinander geschalteten Leitern.

2. Ausführung durch Anbringung je zweier sich periodisch ändernder Widerstände.

3. Unterschied im Verhalten der Schaltungen unter 1. und 2.

II. Leiteranordnung zur Erzeugung eines Gleichstromes.

i. Prinzip der Gleichstromerzeugung. 2: Erzeugungeines Gleichstromes durch Kombination zweier Stromkreise mit periodisch veränderlichen Widerständen nach b), I.

3. Rotierender Wechselstrom - Gleichstromumformer.

4. Verminderung der Strompulsationen.

5. Anwendung des Prinzips der Poggendorfschen Kompensationsmethode.

6. Anwendung der Null- und Kompensationsmethoden der Meßtechnik.

7. Anwendung der Wheatstoneschen Brücke.

8. Kompensationsschaltung von Thiermann.

Gleichstrommotoren ohne Kommutator.

a) Gleichstrommotoren mit Gleichstromfeld.

ι. Betrieb mit konstanter Erregung. 2. Betrieb durch Umkehrung der Erregung.

b) Betrieb von Wechsel- und Drehfeldmotoren mit Gleichstrom.

α) Durch mit dem Motor verbundene . Einrichtungen.

1. Erzeugung von magnetischen Wechselstromfeldern.

2. Erzeugung von magnetischen Feldern, die eine beliebige Phasenverschiebung besitzen.

3. Erzeugung eines Drehfeldes mit zweiphasigem Wechselstrom nach der Wheatstoneschen Brücke.

4. Herstellung eines Drehfeldes durch Übereinanderlagerung periodisch veränderlicher Gleichstromfelder.

5. Herstellung eines Drehfeldmotors nach 4:

I. mit einem Stahlmagneten als

Anker,
II. mit einem Elektromagneten mit

Schleiffedern als Anker,

III. mit einem Elektromagneten mit feststehender Wicklung als Anker.

6. Gleichzeitige Verwendung des Trägers der Drehfeldwicklung zur Aufnahme der veränderlichen Wismutwiderstände.

7. Drehfeldsynchronmotor.

8. Erzeugung eines Drehfeldes mittels reiner Wechselströme aus Gleichstrom. ,

ß) Betrieb von Wechselstrommotoren aus einer Gleichstromquelle durch nicht mit dem Motor verbundene Einrichtungen.
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Gleichstromgeneratoren und -motoren ohne Kommutator.

Durch die vorliegende Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, Gleichstromgeneratoren und -motoren zu schaffen, die bei beliebigen Spannungen und normalen Umfangsgeschwindigkeiten ohne Kommutator oder ohne veränderliche Kontakte betrieben werden können.

Gleichstromgeneratoren ohne Kommutator.

i. Richtung der bisherigen Versuche.

Um zu einer Konstruktion einer Gleichstrommaschine ohne Kommutator zu gelangen, versuchte man dieses Ziel bis jetzt immer dadurch zu erreichen, daß man geschlossene Windungen so anzuordnen suchte,, daß bei der Relativbewegung zwischen Leiter und magnetischem Felde im Leiter ein Überschuß an E. M. K. von immer gleichen Vorzeichen induziert werden sollte. Dies zu erreichen, ist aber innerhalb einer geschlossenen Windung nicht möglich.

Denn alle Maschinen liefern in einer festen, geschlossenen Windung E. M. K. K., bei denen die arithmetische Summe aller Momentanwerte ·■-innerhalb einer gewissen Anzahl von Perioden, mindestens aber innerhalb einer Umdrehung der Maschine im Beharrungszustande den Wert Null besitzt.

Wie .man auch die geschlossenen Windungen

legen und wie man auch das magnetische Feld gestalten und bewegen bzw. verändern mag, immer erhält man, wenn man in einem Teile b-c der Windung (Fig. 16, 18, 20, 22, 24, 26 und 32) eine gewisse E. M. K. erhalten hat, in dem Rest a-b der Windung eine E. M. K.

von gleicher Größe, aber entgegengesetztem Vorzeichen, also eine gesamte induzierte E. M. K.

in jedem Augenblicke

a) vom Werte Null, wenn die E. M. K. K. in den einzelnen Leiterteilen gleichzeitig (Fig. 16, 20, 22 und 26) oder

b) vom Werte ·ξ ο mit wechselndem Vorzeichen, wenn die E. M. K. K. zeitlich nacheinander induziert werden, wobei in ein und demselben Leiterteilchen E. M. K 0.) von immer gleichbleibenden (Fig. 18) oder ß) wechselnden Vorzeichen erzeugt werden können.

Auch wenn man die Anordnung in den Maschinen so trifft, daß

1. die Wicklung nur aus einem einfachen Stromkreise (Fig. 16 bis 21) oder aus beliebigen Stromverzweigungen besteht (Fig. 22 bis 25), oder

2. die einzelnen Maschinenpole kontinuierlich (Fig. 14) sind oder in Einzelpole (Fig. 16 bis 21) aufgelöst sind oder beides zugleich stattfindet (Fig. 15, 22 bis 25) oder Wechselpole oder Gleichpole oder auch beide zugleich Verwendung finden, oder daß man das magnetische Feld an einer Stelle auseinanderzieht, um es an einer anderen Stelle wieder zusammenzudrängen, oder

3. einzelne Leiterteile sich ständig oder nur zeitweise in einem magnetischen Medium befinden (vgl. die Zeitschrift Elektrotechnik und Maschinenbau, Wien, Jahrg. 1911, S. 897 f.), oder

4. Drosselspulen und in der Amplitude periodisch veränderlich gemachte Selbstinduktion oder gegenseitige Induktion benutzt wird, oder · . '

5. die Maschine reine Wechselstromspannungen (Fig. 1 bis 3) oder verzerrte oder mehrfach innerhalb einer Periode durch Null hindurchgehende Spannungen erzeugt (Fig. 4 bis 9), niemals, liefert eine derartige Maschine ohne Anwendung der im folgenden zu entwickelnden Gedanken einen Gleichstrom.

2. Grundgedanke der neuen Erfindung.

Weil ferner

erstens: in den Unipolarmaschinen (ausgezogener Teil der Fig. 11 bis 25) von Faraday an bis zu den modernen, mit Dampfturbinen gekuppelten Schleifringmaschinen, die massive Windung a-b-c nur so weit verwendet wird {b-c), als in ihr" immer nur E. M. K. K. von derselben Richtung induziert werden (Teil b-c in den Fig. 11 bis 25), so muß, da im Reste a-b der Windung die entgegengesetzte Spannung, wie in b-c, induziert wird, die metallische Verbindung vom' Teilpunkte b nach außen durch nicht der Induktion unterliegende, auf Schleifringen aufliegende Leiter stattfinden, um nicht die im Windungsteile b-c induzierten Spannungen bei einer Leitung durch a-b nach außen durch die in dem Windungsteile a-b induzierten, entgegengesetzt gerichteten Spannungen wieder aufzuheben;

zweitens: in jeder Maschine eine Hintereinanderschaltung von Windungen ohne Schleifringe nur möglich ist, wenn auch der Punkt δ durch einen die entgegengesetzte Induktion erleidenden Leiter a-b mit Außen verbunden wird und alsdann in der Gesamtheit der Leiter c-b und b-a innerhalb einer Periode bzw. innerhalb einer Umdrehung der Maschine stets die E. M. K. vom arithmetischen Mittelwerte Null induziert wird, so bezweckt die Erfindung, gleichgültig, ob die Maschine mit Gleichoder Wechselpolen, kontinuierlichen oder unterteilten Polen gebaut ist oder aus einer Kombination dieser Pole besteht, trotzdem zwisehen den Aus- und Eintrittsklemmen c und a der Windung c-b-a eine resultierende Gleichstromwirkung ohne im Stromkreise angebrachte veränderliche Kontakte dadurch zu erreichen, daß die Wirkung der auftretenden Gegenspannungen ganz oder teilweise unterdrückt wird, und zwar

A. durch Einbau von ohne veränderliche Kontakte

1. wirklich (Wismut, Selen usw.) oder

2. nur scheinbar (Skin-Effekt, Wirbelströme, Hysteresis usw.) periodisch veränderlichen Widerstandsleitern, die als Spannungs- bzw. Energieverlust wirken, oder

B. durch Einschaltung von in ihren Amplituden periodisch veränderlich gemachten direkten Gegenspannungen (gegenseitiger Induktion, Selbstinduktion), oder

C. durch Einbau von A. und Einschaltung von B. zugleich in den Leiter b-a bzw. dessen Verzweigungen, in denen die in ihrer Wirkung zu schwächenden Gegenspannungen induziert werden.

Die Induzierung der entgegenwirkenden Spannung b-a selbst soll, da weder in ihrer Größe noch in ihrem Auftreten beeinflußbar, weil durch die Natur der Kraftlinien bedingt, nicht verhindert werden.

3. Bisher bekannte Gleichstrommaschinen.

Bisher sind bekannt geworden an Maschinen zur Erzeugung von Gleichstrom- bzw. zur Erzeugung eines Wechselstromes mit einer Gleichstromkomponente, wobei der gesamte den Außenklemmen der Maschine entnommene Gleichstrom durch die Unterbrechungsstellen der veränderlichen Kontakte hindurch muß:

1. Die Unipolarmaschine, gleichgültig, ob die Maschine zur Erzeugung einer kontinuierlichen Wirkung mit einem gleichförmigen Magneten (Fig. 14) oder bei unterteilten Polen mit Leiterverzweigungen (Fig. 11, 12, 13, 15, 17, 19, 21, 23 und 25) oder besonders geformt ist, .

2. die gewöhnliche Gleichstrommaschine mit Kommutator und

3. die Wechselstrommaschine mit durch Schleifringe periodisch veränderlich gemachten Widerständen, die einen Wechselstrom mit einer Gleichstromkomponente liefert (Elektrotechnische Zeitschrift 1910, S. 297).

Bezüglich der letzteren Maschine soll noch erwähnt werden, daß durch einfache Hintereinanderschaltung mehrerer solcher Wicklungen, bei denen die Spannungs- bzw. Widerstandsmaximalwerte zu verschiedenen Zeiten

ao nacheinander auftreten, analog den hintereinander geschalteten Wicklungen zwischen zwei Bürsten der gewöhnlichen Kommutatorgleichstrommaschine zur Verminderung der Pulsationen, 'niemals eine kontinuierliche Gleichstromwirkung, sondern hur ein Wechselstrom — bei gleichmäßiger Verteilung ein reiner Wechselstrom ohne jede .Gleichstromkomponente— mit einer Gleichstromkomponente erhalten wird, deren arithmetischer Mittelwert im Grenzfalle statt des gewünschten, wenigpulsierenden, konstanten endlichen Wertes, den Wert Null annimmt.

Ebenso liefert in einer geschlossenen Wicklung eine eingebaute, in ihren Maximalwerten periodisch veränderlich gemachte. Selbstinduktion oder gegenseitige Induktion niemals einen Wechselstrom mit einer Gleichstromkomponente, sondern stets nur einen Strom vom arithmetischen Mittelwerte Null. Die veränderliche Selbstinduktion, gegenseitige Induktion usw. hat auf die Größe des arithmetischen Mittelwertes des Stromes gar keinen Einfluß, sondern ändert nur die Gestalt der Stromkurve, wie die Integrierung der entsprechenden Differentialgleichungen zeigt.

4. Neue Gleichstrommaschine.

Im Gegensatz zu den ebenerwähnten Maschinen soll bei den im folgenden zu beschreibenden Maschinen die Lieferung eines Gleichstromes gezeigt werden, bei denen der den Außenklemmen der Maschine zu entnehmende Gleichstrom durch keinerlei Schleifkontakt zu gehen braucht für
a) die Gleichpöltype und

b) die Wechselpoltype, und zwar
I. unter Anwendung von Schleifkontakten, II. ohne Anwendung von Schleifkontakten. Entsprechend den Darlegungen unter 2. Grundgedanke der neuen Erfindung (S. 3) ist die Ausführung zu zeigen mit:

A. wirklich veränderlichen periodischen Widerständen,

B. scheinbar veränderlichen periodischen Widerständen,

C. durch Einschaltung von in ihren Amplituden periodisch veränderlich gemachten Gegenspannungen.

a) Gleichstrommaschinen der Gleichpoltype.

Nach dem Grundprinzipe unter 2. können wirklich oder nur scheinbar vorhandene Widerstände von konstantem oder ohne Schleifkontakte periodisch veränderlich gemachtem Werte benutzt werden.

Diese können die Schwächung der Wirkung einer induzierten Spannung durch Erreichung einer Klemmenspannung, die niedriger ist als die der induzierten Spannung, nur durch einen im Leiter hervorzurufenden Spannungs- bzw. Energieverlust bewirken. Ein derartiger Spannungsabfall bzw. Energieverlust kann aber nur eintreten, wenn durch den betreffenden Leiterteil ein Strom hindurchgeht. Soll daher in dem Leitersystem a-h-c (Fig. 26) im Leiter b-c oder a-b ein Spannungsverlust auftreten, auch wenn das Leitersystem a-b-c nicht geschlossen ist, so muß der Leiterteil a-b oder b-c durch einen Nebenschluß η geschlossen sein, damit der Leiterteil b-c oder a-c der Teil eines geschlossenen Stromkreises wird.

Immer muß, solange die im Leiterteile a-b oder b-c induzierte Gegenspannung wirkt, durch den durch wirkliche oder scheinbare Widerstände bewirkten Ohmschen Spannungsverlüst in diesem Leiterteile a-b oder b-c bzw. in einem Zweigleiter hierzu, die Wirkung der induzierten Gegenspannung vermindert bzw. bei einem Zweigieiter erhöht werden, um an den Außenklemmen α und c des Gesamtleiters a-b-c eine nutzbare Klemmenspannung zu erhalten.

Hiernach ergeben sich die folgenden Ausf ührungsf ormen:

A. Ausführung mit wirklich vorhandenen

Widerständen.

I. Mit Anwendung von Schleifkontakten.

i. Erzeugung einer Gleichstromspannung
an den Außenklemmen der Maschine.

Denkt man sich bei den Unipolarmaschinen nicht, wie bisher, immer nur die Leiter über der einen Polart ausgeführt, wie in den Fig. 11 bis· 25 durch die ausgezogenen Linien angedeutet ist, sondern auch über den Polen der entgegengesetzten Polart, wie durch die punktiert gezeichneten Linien angegeben ist, so kann man sich die so entstehenden beiden

Leiterteile b-c und a-b zu einem durch die ganze Maschine hindurchgehenden Leiter a-b-c vereinigt denken.

Durch einen im Verzweigungspunkte b der Leiter angebrachten Schleifkontakt geben die so erhaltenen Unipolarmaschinen mit doppelter Wirkung das Bild einer Dreileitermaschine, die im stromlosen Zustande und bei gleicher Belastung der beiden Leiter a-b und b-c an

ίο den Außenklemmen α und c der Leiterkombination a-b-c die resultierende Spannung Null besitzt.

Mehrere solche Leitersysteme a-b-c, a'-b'-c', a"-b"-c" . . . könnte man, wie in den Fig. ii bis 25 bereits teilweise angegeben ist, mit den Klemmen α bzw. c anstandslos parallel schalten.

Verbindet man dagegen diese Leiter nach Fig. 28 durch äußere Drähte d hintereinander, so daß man das Leitevsystem a-b-c-d-a'-b'-c'-d'- a"-b"-c"-d"-a'"-b'"-c'" . . . aⁿ-bⁿ-cⁿ ohne jede Unterbrechung erhält, so ist an den Endklemmen α und c" dieser hintereinander geschalteten Leiter die Spannung Null vorhanden, solange die Schleifkontakte der Einzelleiter keinen Strom oder je zwei zusammengehörige, z.B. a-b und b-c, den gleichen Strom führen.

Sobald jedoch die eine Leiterhälfte, z. B.

a-b, durch Anordnung eines Nebenschlusses gar nicht oder schwächer belastet ist als die zugehörige andere Hälfte b-c, so ist die resultierende Spannung a-c nicht mehr Null, sondern um die Größe der Differenz des Spannungsabfalles von a-b gegenüber dem von b-c von Null verschieden. Bewirkt man nun in allen Leitersystemen a'-b'-c', a"-b"-c", a'"-b'"-c'" .. . aⁿ-bⁿ-cⁿ ähnliche Verhältnisse, so kann man durch Hintereinanderschaltung dieser Leitersysteme nach Fig. 28 zwischen den Endklemmen α und c" oder bei Parallelschaltung zwischen den a- und c-Klemmen jede beliebige resultierende Gleichstromspannung erhalten, ohne daß in diesen hintereinander bzw. parallel geschalteten Leitern ein Schleifkontakt oder eine Stromunterbrechung wie bei einem Kommutator vorhanden zu sein braucht, wenn man die Pole rotieren läßt.

2. Rückleitung des Stromes ohne Induzierung einer Gegenspannung.

Die Rückleitung des Stromes von den c-Klemmen haben wir uns bisher stillschweigend durch einen um die Maschine außen herum geführten Draht d (Fig. 28) bewirkt gedacht. Dies ist jedoch nicht notwendig; man kann auch die Rückleitung innerhalb der Maschine beliebig unter den beiden Magnetpolarten hindurch bewirken, ohne daß die Rückleitung der Sitz einer unerwünschten Gegenspannung wird. Dies sieht man sofort ein, wenn man sich nur daran erinnert, daß das gesamte Leitersystem a-b-c im allgemeinen (ohne die Nebenschlüsse η mit den Schleifkontakten) der Sitz einer Wechselstrom-Ε. M. K. ist, bei der die Summe aller Momentanwerte innerhalb einer Periode bei beliebiger Anordnung den Wert Null und insbesondere bei den Anordnungen nach den Fig. 12, 13, 14, 16, xy, 20 und 21, wenn die Teile a-b und b-c gleichzeitig der Induktion unterliegen, in jedem Augenblicke den Wert Null hat und die Überlagerung einer Größe, deren Summe in jedem Augenblicke bzw. innerhalb einer Periode den Wert Null hat, an der erzeugten resultierenden Nutzspannung nichts ändern kann.

Wählt man daher die Rückleitung so, daß die in den einzelnen Teilen derselben indu-, zierten Spannungen in jedem Augenblicke den Wert Null ergeben, so erhält man an den Außenklemmen der geschlossenen Windung eine Gleichstromspannung, deren Größe in jedem Augenblicke gleich der erzeugten Nutzspannung ist; im anderen Falle erhält man wohl eine Klemmenspannung, deren arithmetischer Mittelwert gleich dem der erzeugten Nutzspannung ist, jedoch eine hiervon abweichende Kurvenform, bedingt durch Überlagerung der in diesem Falle in der Rückleitung erzeugten Wechselstromspannung.

Bei der Anordnung der Rückleitung nach Fig. 27 ändert daher die in dem Leitersystem a-b-c mit dem Nebenschlüsse η erhaltene nutzbare Klemmenspannung a-c in keinem Augenblicke durch die Rückleitung d — unter beiden Polarten hindurch — ihren Momentanwert, da in jedem Augenblicke in der Rückleitung die resultierende Klemmenspannung Null induziert wird.

3. Rückleitung unter Induzierung einer nutzbaren Spannung bei Rückleitung durch die ganze Maschine, unter beide Polarten hindurch.

Man kann aber die Anordnung der Rückleitung noch günstiger treffen, wenn man das Prinzip zur Erzeugung einer nützbaren Klemmenspannung an den Außenklemmen α und c auch auf die Rückleitung d anwendet, indem man bewirkt, daß in der Rückleitung d ebenfalls eine im gleichen Sinne, wie in der Hauptleitung a-b-c wirkende resultierende Spannung erzeugt wird. Man braucht hierbei, wie Fig. 29 zeigt, nur dafür zu sorgen, daß in der Rückleitung A₁-O₁-C₁ der Leiterteil ^₁-S₁ durch einen Nebenschluß W₁ geschlossen ist, wenn im Leitersystem a-b-c der Leiterteil b-c durch einen Nebenschluß η geschlossen ist.

4. Leitung durch die halbe Maschine, unter

einer Polart hindurch.

Um den im Leiterteile b-c des Windungssystems a-b-c durch den Nebenschluß η mittels

Schleifringe auftretenden Spannungsverlust zu erzielen, ist es nicht notwendig, den Leiter a-b-c durch die ganze Maschine hindurchzuführen. Es genügt vielmehr vom Punkte b ab irgendeinen beliebigen nach außen führenden Leiter d — nach c zu — an Stelle des Leiters a-b zu verwenden, da in jedem dieser Leiter innerhalb einer Periode die gleiche resultierende Spannung erzeugt wird wie im Leiter

ίο a-b.

■ . Man erhält auf diese Weise Rückleitungsanordnungen, von denen einige in Fig. 30 dargestellt sind. In dieser Figur stellt d die Rückleitung dar.

Die Figur zeigt zugleich, daß man auch bei Verwendung von Einzelpolen eine vollständig kontinuierliche Wirkung erhält, wenn man die halben Polflächen der Einzelpole gegeneinander versetzt oder die Leiterteile gebrochen bzw. schräg unter der betreffenden Polart hindurchführt.

5. Unveränderlichkeit der Verhältnisse bei Anwendung von beliebigen starren Stromverzweia₅ gungen.

An den eben angestellten Betrachtungen wird gar nichts geändert, wenn die Leiter a-b oder b-c innerhalb der Maschine unter der betreffenden Polart beliebig starr verzweigt werden, wie dies z. B. die Fig. 22 bis 25 zeigen, oder wenn die Pole, statt gleichförmig, beliebig in schmale und breite Einzelpole aufgelöst werden.

Fig. 31 entspricht der Stromverzweigung der Fig. 22, wenn die Rückleitung d bei Verbindung der Punkte 3' und 4 d,urch die ganze und bei Verbindung der Punkte 3 und 4' durch die halbe Maschine geführt wird.

Zwischen den Außenklemmen 1 und 6 der Maschine ist die Spannung Null vorhanden, wenn die Widerstände der Leiter 11/ und 22' einander gleich sind. Sind die Widerstände verschieden, so ist eine reine Wechselstromspannung vorhanden. Wird in den Leitern 11' bzw. 22' die Spannung 2 e und daher in 33' bzw. 44' die Spannung e induziert, so ist die Wechselstromspannung an den Außenklemmen 1 und 6' der Maschine < β. Sie erreicht den Wert e, wenn die Widerstände der Leitern' und 22' einander gleich sind und die Leiter so angeordnet werden, daß ihre Entfernung gleich der zweier Pole wird.

Trotzdem in den Stromverzweigungen starke Ströme und Energieverluste auftreten, wenn in den einzelnen Zweigleitern nicht gleichzeitig gleich große Spannungen induziert werden, ist es doch nicht möglich, den durch Schleif-

'. kontakte gebildeten Nebenschluß durch starre Verbindungen zu ersetzen, solange die Widerstände der Leiter unveränderlich sind, da die induzierte Gegenspannung in den Zweigleitern durch die in diesen auftretenden Ohmschen Spannungsverluste nur auf den Wert e der Nutzspannung herabgedrückt werden kann, also die resultierende Spannung Null bzw. eine reine Wechselstromspannung erhalten wird.

II. Ohne Anwendung von. Schleifkontakten mit Benützung ohne Schleifkontakte periodisch veränderlicher Widerstände.

i. Prinzip der Erzeugung, einer immer gleichgerichteten E. M. K. an den Außenklemmen der Maschine.

In L, 5. haben wir gesehen, daß bei einer Vermeidung der Schleifkontakte für den Nebenschluß durch Anbringung einer starren Verbindung (z. B. des Leiters 22' als Nebenschluß zu dem Hauptleiter 11' der Fig. 22 und 31) '. in der so gebildeten Leiterverzweigung zwisehen den Außenklemmen α und c der Maschine trotz der zwischen den Klemmen a-b und b-c vorhandenen immer gleichgerichteten Spannung

1. entweder gar kein Strom oder .

2. ein Wechselstrom zustande kommt.
Das erstere ist der Fall, wenn die in den

beiden Leitern 11' und 22' bei einer Leiterverzweigung von zwei Leitern (Fig. 22 und 31) abwechselnd induzierte Spannung 2 e in der Richtung b-a durch den vom Nebenschlußstrome bewirkten Ohmschen Spannungsverlust bei gleichen Widerständen der Leiter 11' und 22' auf den halben Wert reduziert wird, also eine Klemmenspannung b-a vom Werte β liefert, die gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet der Spannung b-c = e ist, welche in dem unyerzweigten Leiter 33' von dem gleichförmigen Südpol S induziert wird. Die Klemmenspannung a-c der Leiterverzweigung ii', 22' und 33'

2 C

hat daher den Wert e = o.

Hierbei ist vorausgesetzt, daß der eine Pol, z.B. der Nordpol N, so unterteilt ist und die Leiter so angeordnet sind, daß sich der eine Zweigleiter, z. B. 22' (Fig. 22 und 31), unter einer Pollücke befindet, wenn der andere Zweigleiter 11' unter einem Pol liegt.

Wenn man dagegen dafür sorgt, daß der Ohmsche Spannungsverlust, welcher durch den in der Leiterverzweigung 11', 22' fließenden Wechselstrom bewirkt wird, sich nicht gleichmäßig auf die beiden Zweigleiter 11' und 22' verteilt, sondern in größerem Maße entweder auf den jeweils im magnetischen Felde (unter dem Pol) oder auf den jeweils außerhalb des Feldes (unter einer Pollücke) befindlichen Leiter, so wird, da der im magnetischen Felde befindliche Leiter der Sitz der induzierten E..M. K. 2e ist,

i. die Klemmenspannung a-b des Leiters 11' und 22' unter den halben Wert e der indu-

zierten E. M. K. 2 6 sinken, wenn auf den jeweils im Felde befindlichen Leiter der größere Teil des Ohmschen Spannungsverlustes entfällt und

2. die Klemmenspannung a-b sich an den Leitern ii' und 22' über den halben Wert der induzierten E. M. K. 2 e erhöhen, wenn auf den jeweils im magnetischen Felde befindlichen Zweigleitern der kleinere Teil entfällt.

Da der als Kupferleiter vorgesehene Leiter 33' als Klemmenspannung b-c die halbe E. M. K. e der in dem Leiter 11' bzw. 22' induzierten E. M. K. 2e liefert, ergibt die Zweigleiterverbindung ii', 22', 33' an den Außenklemmen α und c eine resultierende, immer gleichgerichtete E. M. K., die

im Falle 1: in der Richtung der im Leiter 33' induzierten E. M. K. e wirkt, weil diese letztere größer als die an der Leiterverbindung 11', 22' vorhandene Klemmenspannung ist, und

im Falle 2: aus den entgegengesetzten Verhältnissen eine nutzbare Klemmenspannung, die der im Leiter 33' induzierten E. M. K.

entgegengesetzt gerichtet ist, da die letztere kleiner ist als die an der Leiterverbindung a-b vorhandene Klemmenspannung.

Zur Verwirklichung dieser Verhältnisse handelt es sich jetzt darum, dafür zu sorgen, daß jedesmal derjenige Zweigleiter, der sich im magnetischen Felde befindet,

im Falle 1: einen größeren Ohmschen Spannungsverlust und

im Falle 2: einen kleineren Ohmschen Spannungsverlust besitzt als der oder die nicht im magnetischen Felde befindlichen Zweigleiter. ■

Dies bedingt, daß sich die Widerstände der Zweigleiter 11' bzw. 22' periodisch, entsprechend der Rotationsgeschwindigkeit der Maschine (Fig. 32) — Feld oder Leiter —, ändern müssen, um einen veränderlichen Ohmschen Spannungsverlust zu erreichen.

Diese Widerstandsänderung kann nun entweder eine wirkliche oder auch nur eine scheinbare sein. Auf jeden Fall erfüllt sie ihren Zweck, wenn sie nur einen entsprechenden Spannungs- bzw. Energieverlust bewirkt.

2. Größe des im Außenleiter erzeugten
Stromes.

Bis jetzt ist bei der Darstellung immer stillschweigend angenommen worden, daß bei der Rotation des Polrades (Fig. 32) die Kraftlinien mitrotieren und durch Schneiden der auf dem Ständer angebrachten Wicklung die beschriebenen Wirkungen hervorgebracht werden. . Um. nun zu zeigen, daß man zu dem gleichen Ergebnis kommt, wenn man diese für die Entwicklung der Grundgedanken sehr bequeme Annahme nicht .macht, soll jetzt die Größe der Ströme in den einzelnen Leiterteilen der Stromverzweigung nach Fig. 33 und 34 nach Gorges berechnet werden, und zwar, ohne über das Rotieren oder Nichtmitrotieren der magnetischen Kraftlinie bei Rotation des Polrades (Fig. 32) irgendwelche Annahmen zu machen. Es soll den Berechnungen lediglich die Tatsache der Änderung der Zahl der Kraftlinien zugrunde gelegt werden, welche einen geschlossenen Leiterkreis durchsetzen, ohne irgendwelche Annahmen darüber, wie diese Änderung zustande kommt.

Dann liefern die Kirchhoffschen Sätze und das allgemeine Induktionsgesetz für einen geschlossenen Stromkreis

e =

dN

io⁸ dt

die als allgemein gültig von allen Seiten anerkannt werden, die folgenden Beziehungen.

I. Nach Fig. 33 ist im Punkte α oder b:

(1.) i₃ = I₁ + i_%.

II. Für den Stromkreis i-i'-2'-2' erhält man: Es nimmt die Kraftlinienzahl ab, wenn

man das Polrad in der Richtung des ungefiederten Pfeiles oder das Leitersystem a-b-c-d entgegengesetzt in der Richtung des gefiederten Pfeiles rotieren läßt, und daher wird eine E. M. K. 2 e induziert von der Richtung des Stromes i₂. Es ist hierfür:

(2:) 2e — i₂R₂ +

= 0.

III. Für den Stromkreis 2-2'-3-3'-4-4'-5-5'-6-O' folgt:

Es nimmt die Kraftlinienzahl um den halben Wert wie unter 1. zu, daher wird eine

E. M. K. vom Werte = — e induziert, die

einen Strom in der Richtung des Stromes i₃ zu erzeugen sucht. Es.ist also:

■+■ H ^R3 = 0.

. IV. Die drei Gleichungen (1.), (2.) und (3.) genügen zur Bestimmung der drei Ströme i_v i₂ und i_s: Aus (1.) und (2.) folgt:

H + H — H = ° + ^Ri , '

λ TP 1_ λ J? !_ O P —L T

"X 1 T^ ^2 ^1V2 I -^e Γ -¹ HO

'(4.) i₂ (R₁ + R₂) — i₃ R₁ — + 2 e. ■'-

Aus dieser Gleichung (4.) und der Gleichung (3.) erhält man:

H (Ri + ^2) — H Ri — + ^{2 e} — ^2

H Ri + H Rs = ^e , + (-Ri + Rz)

(5.) i₃[R_z (R₁ + R₂) + R₁R₂] = - 2 e · R₂

.+ 6(B₁+ B₂) oder

— e -

R₁ B₂ + R₃ (R₁

V. Die Gleichung (5.) zeigt, daß i₃ positiv ist, wenn R₁ > R₂, i₃ negativ ist, wenn R₁ < A₂ ist, d. h., der Außenleiterstrom hat im ersteren Falle dieselbe Richtung wie die im Leiter 33'

(6.)'
und

- 2 e + L R₂

induzierte Spannung und im Fall 2 die entgegengesetzte Richtung, genau so, wie es unter 1. nach der Schnitttheorie entwickelt ist. Es ist weiter '

R₁ + 2Ä3

R₁

VI. Genau dieselben Größen werte mit umgekehrtem Vorzeichen erhält man für die zweite Stellung (Fig. 34). der Stromverzweigung, bei der sich jetzt der Leiter 22' im magnetischen Felde befindet statt wie vorher 11', da sich an den Größen nichts ändert, als das Vorzeichen der induzierten Span-

ao nungen. Hiernach ergibt sich

(6*.) J₂' =

R₁ —

τ> τ> ι ~D f T) ι Ί> \ JX-, JX₉ -ή- ilo I Zv₁ Η- JXo)

^1+2J?₃

■^1^2 + ^(-Rl + R2)
-Rl + 2R₃

R₁R₂+R₃(R₁ +R₂)

VII. Ist z.B.

(8.) R₁ = i,6R_2>

so erhält man

(9·) h

während, wenn

(10.)

0,23

R₃+ 0,62 A₂

R₁ = R₂

ist und in den Leitern ii' und 22' keine Gegen-E. M. K. induziert wird, die im Leiter 33' induzierte E. M. K. e den Strom

R₃ +0,5R₂

liefert, der etwa viermal so groß ist wie i₃ nach (9.).

VIII. Sorgt man bei der Rotation des Polrades (Fig. 32, 33 und 34) dafür, daß, wenn der Leiter 11' sich im magnetischen Felde befindet, -R₁ > R₂ ist und, wenn der Leiter 22' sich im magnetischen Felde befindet, R₁ < R₂, so besitzen in beiden Fällen die Außenleiterströme i₃ und i₃' nach den Gleichungen (5.) und (5*.) das gleiche Vorzeichen, und da bei der Rotation des Polrades nur diese zwei Möglichkeiten auftreten, daß sich nämlich entweder der Leiter 11' oder der Leiter 22' im magnetischen Felde eines Nordpoles N befindet, so besitzen daher die Ströme i₃ und i₃' bei jeder Stellung des Polrades das R₁R₂ +R₃(R₁ +R₂)

R₂ + ₂R_S

R₁R₂+R₃(R₁ +R₂)

gleiche Vorzeichen,, und die Maschine liefert einen kontinuierlichen Gleichstrom.

IX. Dasselbe ist der Fall, wenn man dafür sorgt, daß umgekehrt jeweils derjenige Zweigleiter den größeren Widerstand besitzt, der sich nicht im magnetischen Felde befindet. Es kehrt sich dann nur die Stromrichtung von i₃ und i₃, also auch die des erzeugten Gleichstromes, um.

X. Da die Gesamtzahl der Kraftlinien sich zwischen den Leitern 33' und 44' überhaupt nicht ändert bei der Rotation des Polrades, so kann dieser Teil 33', 44' der Leiterschleife durch Anordnung der Verbindung 3-4' (Fig. 31) in Wegfall kommen, ohne an der Wirkung irgend etwas zu ändern. Die angestellten Berechnungen gelten daher auch ohne weiteres für die einfachere Verbindung α-δ-5-5'-6-6' unter einer Polart.

3. Aufzählung von ohne Schleifkontakte
wirklich veränderbaren Widerständen.

Periodisch veränderliche Widerstände ohne veränderliche Kontakte erhält man, ohne daß man die Querschnitte bzw. Längen der Leiter veränderlich macht bzw. durch einen Kommutator Teile zu- oder abschaltet, indem man den Stromkreis ganz oder nur zum Teil aus Wismut, Selen oder aus einem anderen Körper herstellt, der bei veränderter magnetischer Beaufschlagung oder im veränderten Temperaturzustande besser oder schlechter leitet, oder bei veränderter Richtung des Stromdurchganges dem letzteren einen gewissen Widerstand entgegengesetzt (Aluminiumzellen, Quecksilberdampflampe, Wechselstromgleichrichter). Im ersteren Falle hat man den aus Wismut be- no stehenden Teil periodisch in bzw. aus ein magnetisches Feld zu bringen, im zweiten Falle das Selen abwechselnd zu belichten bzw. zu verdunkeln, im dritten Falle den Leiter abwechselnd zu erwärmen bzw. abzukühlen und im vierten Falle die Stromrichtung umzukehren, da in allen diesen Fällen der Widerstand des betreffenden Leiters verändert wird bzw. Gegen-E. M. K. auftreten. Z. B. steigt bei den in der Technik üblichen magnetischen Induktionen der Widerstand eines Wismutleiters auf den i,6fachen Betrag.

Solange der Wismutleiter in dem magnetischen Felde bleibt, behält er diesen Wert, um sofort seinen früheren Widerstandswert anzunehmen, sobald er aus dem magnetischen Felde herausgebracht, wird.

4. Ausführung der periodischen Veränderung eines wirklichen Widerstandes.

Macht man in den Fig. 31, 32 und 33 die Leiter 11' und 22' aus Wismut, so wird der elektrische Leitungswiderstand des Leiters n', sobald er sich unter einem Magnetpol befindet, einen «mal so großen Wert besitzen wie vorher, wo er sich nicht im magnetischen Felde befand, also den Wert nw annehmen, und umgekehrt wird sein Widerstand wieder auf den ursprünglichen. Betrag w sinken, also gleich dem des Zweigleiters 22' werden, sobald er sich wieder außerhalb des magnetischen Feldes befindet.

Dasselbe ist mit dem Leiter 22' der Fall, sobald dieser anstatt des Leiters ii' in ein magnetisches Feld gebracht wird.

■ 5. Ausführung von Fall 1 in a), A, II, 1.

Bringt man daher das Leitersystem nach Fig. 31 auf einen Ständer nach Fig. 32 an und läßt das Magnetrad rotieren, so gelangt der Leiter 11' in ein magnetisches Feld, wenn der Leiter 22' sich außerhalb desselben befindet und umgekehrt. Solange sich einer dieser Leiter im magnetischen Felde befindet, steigt sein Widerstand w auf den «fachen Betrag, und wir haben bei rotierenden Magnet polen und ruhender Leiterverzweigung oder rotierender Leiterverzweigung und ruhenden Magnetpolen den Fall 1 in a), A, II, 1 verwirklicht, nach welchem jedesmal einer der beiden Zweigleiter 11/ oder 22', solange sich derselbe in einem magnetischen Felde befindet, einen größeren Widerstand als der in diesem Augenblicke nicht im magnetischen Felde befindliche andere Zweigleiter besitzen soll. Eine derartige Maschine liefert alsdann an den Außenklemmen a-6' (Fig. 33) der Leiterverzweigung eine immer dieselbe Richtung besitzende E. M. K., also bei geschlossenem äußeren Stromkreise einen Gleichstrom.

6. Ausführung von Fall 2 in a), A, II, 1.

Bei diesem Fall soll jedesmal derjenige der beiden Zweigleiter 11/ und 22', im Gegensatz zu 5., den größeren Widerstand besitzen, der sich nicht im magnetischen Felde befindet.

Die Erledigung dieses Falles zeigt Fig. 35.

Man braucht hierbei die Leiter 11/ und 22', die eine Klemmenspannung a-b liefern sollen, welche die im Leiter 33' induzierte Spannung

- überwiegen soll, nur aus zwei Teilen anzufertigen, und zwar den einen Teil aus einem Metall, welches seinen Widerstand im magnetischen Felde nicht ändert, und den anderen, um eine halbe Polteilung entfernten, bifilar gewickelten Teil aus Wismut, wie dies Fig. 35 zeigt. Es befindet sich dann der aus Wismut bestehende Teil eines jeden Zweigleiters in einer Pollücke, also nicht im magnetischen Felde, und besitzt daher seinen geringsten Widerstand, wenn sich der zugehörige, nicht aus Wismut bestehende Teil im magnetischen Felde befindet und hier der Sitz der induzierten Spannung wird. Sind beide Zweigleiter, wie bisher, um eine halbe Polteilung voneinander entfernt, so besitzt der der Induktion augenblicklich ausgesetzte Leiter seinen geringsten und der andere Zweigleiter seinen höchsten Widerstandswert, wie es verwirklicht werden sollte.

7. Ausführung der Rückleitung. ₈

Entsprechend den Ausführungen unter a), A, I, 2, 3 und 4 kann die Herstellung der Rückleitung ohne oder mit Induzierung einer E. M. K., und zwar im letzteren Falle je nach dem beabsichtigten Zweck entweder im günstigen oder entgegengesetzten Sinne erfolgen. Hierbei kann die Rückleitung durch die ganze Maschine oder nur unter einer Polart hindurch erfolgen. Als Beispiel hierfür soll Fig. 36 die Ausführung von a), A, I, 4 zeigen, wobei die Zweigleiter der Rückleitung c-d aus Wismut hergestellt angenommen sind und nach 5. eine Klemmenspannung c-d liefern, die im gleichen Sinne wirkt wie die Klemmenspannung a-b.

95 8. Andere Formen der Leiterverzweigungen.

Wie man auch die Leiterverzweigungen ausführen mag, an den im vorangehenden dargelegten prinzipiellen Verhältnissen wird nichts geändert. Dies zeigen die Rechnungen für die in Fig. 24, 25, 37, 38 und 39 dargelegten Schaltungen oder auch für beliebige andere S trom Verzweigungen.

B. Ausführung mit nur scheinbar veränderliehen Widerständen.

i. Die scheinbare Widerstandserhöhung als Mittel zur Gleichstromerzeugung.

Nachdem bisher unter A, II nur die wirk- no liehe Widerstandserhöhung eines Leiters als Mittel zur Erzeugung eines Gleichstromes benutzt wurde, soll jetzt gezeigt werden, wie die in »2. Grundgedanke der neuen Erfindung« aufgeführte scheinbare Widerstandserhöhung zu diesem Zwecke verwendet werden kann.

Als bekannteste der zahlreichen der Elektrotechnik zur Verfügung stehenden Mittel, die wie eine scheinbare Widerstandsänderung wirken, soll jetzt die Anwendung des Skin-Effektes und die Anwendung des Wirbelstromes gezeigt werden.

2. Der Skin-Effekt als Mittel für eine scheinbare Widerstandserhöhung.

Bekanntlich haben Leiter mit größerem Querschnitt die Eigenschaft des sog. »Skin-Effekts«, daß sie bei höheren Periodenzahlen . für den hindurchgeleiteten elektrischen Wechselstrom ihren Ohmschen Widerstand scheinbar vergrößern. Durch Verwendung von Leitern

ίο aus geeignetem Material, besonders aus Eisen, und von einem möglichst großen Querschnitt erreicht der »Skin-Effekt« bereits bei den gewöhnlichen Periodenzahlen beträchtliche Werte. Bei der Vorbeibewegung der Nordpole N unter dem Leitersystem 11', 22' nach dem Schema Fig. 39 werden in diesen Zweigleitern Spannungen induziert, so daß in den Leitern 11' und 22' ein Wechselstrom fließt, dessen Periodenzahl im vorliegenden Falle sechsmal so groß ist als die Periodenzahl, welche das ganze Leitersystem ii', 22'-66', 77' besitzt, wenn sich die Leiter 11', 22' aus der gezeichneten Lage in den Bereich der folgenden Nordpolgruppe bewegt haben. Es entsteht nämlich zwischen den Leitern 1', 2' und 12, solange sich die Leiter n' und 22' über einer Nordpolgruppe hinwegbewegen, eine immer dieselbe Richtung besitzende Spannung, die während dieser ganzen Zeit die nicht in einem magnetischen Felde befindlichen Leiter 66' und 77' speisen, so daß während dieser Zeit ein Strom von 1', 2' nach 6', 7' bzw. von 6, 7 nach 1, 2 in den Verbindungsleitungen der Leitersysteme 11', 22' und 66', 7/ fließt.

Die Richtung dieser Ströme kehrt sich aber um, sobald der Leiter 11' bzw. 22' über die sechs Nordpole bzw. die dazugehörigen sechs Pollücken hinweggegangen ist und die Leiter 66' bzw. 77' an ihre Stelle getreten sind.

Bei Ausführung der Leiter 11', 22', 66', 77' als dünne Kupferdrähte wird sich daher zwischen den Klemmen 5 und 5' eine immer gleichgerichtete Klemmenspannung a-b bilden, die derjenigen von 33' entgegengesetzt gerichtet und ihrer Größe nach gleich ist. Die resultierende Klemmenspannung a-c zwischen 5 und 3' ist daher Null, und die Maschine liefert keinen Strom.

An diesem Resultat ändert sich auch nichts, wenn wir die Leiter 11', 22', 66' und 77' zur Erzeugung eines Skin-Effektes stark und aus Eisen herstellen, für die nur eine geringe Perioden zahl besitzenden Wechselströme, welche durch die Verbindungsleitungen 1', 2'-6', 7' bzw. 67-12 zwischen den Leitersystemen 11', 22' und 66', 77' und jeweilig durch das nicht im Bereiche der Nordpole befindliche Leitersystem 66', 77' bzw. ii', 22' fließen.

Das im Bereiche der Nordpole befindliche Leitersystem ii', 22' dagegen wird von Wechselströmen bedeutend höherer Periodenzahl — in Fig. 39 sechsmal größeren — durchflossen, so daß ein großer Skin-Effekt auftritt und die Leiter 11' und 22' so wirken, als wenn sie einen bedeutend höheren. Widerstand besäßen als die nicht im magnetischen Felde befindlichen Leiter 66' und 77'.

Wir haben daher ohne Anwendung von Wismut dieselbe Wirkung wie früher bei Anfertigung der Leiter 11', 22', 66', 77' aus Wismut erreicht, nämlich daß der im magnetischen Felde befindliche Leiter so wirkt und nur so lange, als er sich im magnetischen Felde befindet, als ob er einen höheren Widerstand besäße, als die nicht im magnetischen Felde befindlichen Zweigleiter.

Infolgedessen entsteht nach den früheren Auseinandersetzungen an den Punkten 5 und 5' eine Gleichstromspannung a-b, die unter derjenigen von 33' liegt. Daher überwiegt die Spannung 33' über die resultierende Spannung a-b zwischen 5 und 5', und die Anordnung der Leiter nach Fig. 39 liefert einen die Klemmen 5 und 3' verlassenden Gleichstrom.

Da die Größe des entstehenden Skin-Effektes unabhängig von der Stärke des die Leiter 11', 22', 66', 77' durchfließenden Stromes ist, so kann man durch Einbau von Drosselspulen in diese Leiter die Stromstärke in diesen annähernd auf den die Klemmen 3', 5 verlassenden Gleichstrom beschränken.

Zur Verstärkung der Wirkung kann man die einzelnen Nordpole N nach den Kanten zu abschrägen, so daß ihr Abstand vom Ständer in der Mitte am kürzesten ist. ,

An dem Endergebnis, der Erzeugung eines Gleichstromes, wird auch nichts geändert, wenn man den Nordpol nach Fig. 24 ausbildet oder die Rückleitung nur unter einer Polart hindurchführt.

3. Der Wirbelstrom als Mittel für eine scheinbare Widerstandsvergrößerung.

Umgibt man die Leiter 11', 22', 66' und 77' , außerhalb der Maschine mit Metallmassen — Eisen oder Kupfer usw. —, so werden in den Metallmassen Wirbelströme induziert, wenn die Leiter von Wechselströmen bzw. von in ihrer Stärke stark- und schnellschwankenden Strömen durchflossen werden.

Nach den Darlegungen unter a), II, B, 2 fließen jedoch nur in denjenigen Leitern schnellschwankende Wechselströme, welche sich jeweils im Bereiche der Nordpole befinden, in Fig. 39 also nur in den Leitern 11' und 22', während die Ströme in den Leitern 66' und 77' wegen ihrer geringen Periodenzahl nur sehr langsam schwanken. Infolgedessen werden nur in den Metallstücken starke Wirbeiströme induziert werden, welche die Leiter ii' und 22' an geeigneten Stellen umgeben, da diese zur Zeit allein von schnellschwankenden Strömen

durchflossen werden. Daher werden die in diesen Leitern ii' und 22' induzierten Spannungen durch die Gegenwirkungen der Wirbelströme außer durch den Ohmschen Spannungsverlust — im Gegensatz zu dem in den Leitern 66' und 77' fast allein wirksamen Ohmschen Spannungsverlust — stark vermindert, so daß die resultierende Klemmenspannung 55' unter den Wert der vom Südpol induzierten Spannung 33' sinkt und die Maschine einen Gleichstrom liefert.

Die Entstehung der Wirbelströme kann man noch begünstigen, wenn man die Enden der Metallmassen durch eine metallische Verbindung kurzschließt.

C. Erzeugung eines Gleichstromes durch Einschaltung von Selbstinduktion, gegenseitiger Induktion .usw.

Nach der Einleitung kann man durch Einschaltung von Selbstinduktion, gegenseitiger Induktion usw. in einen einfachen Stromkreis niemals eine Gleichstromkomponente erzielen, wohl aber bei Verwendung von Stromverzweigungen, wie dies beispielsweise die Fig. 40 und 41 mit und.ohne starke Energieverluste zeigen. Die letztere Figur zeigt auch noch die Anwendung von ohne Schleifkontakte periodisch veränderlichen Widerständen, wenn man die ge-

zeichneten Leiter aus Wismut herstellt.

Die Wirkung kann noch wesentlich ver* stärkt werden, wenn man den Eisenkern für den magnetischen' Kreis der Kraftlinien durch eine Aussparung unterbricht, in der durch Rotation eines Eisensternes, der sich auf der Ankerwelle befindet und ebenso viele Eisenzähne besitzt als das Polrad Pulsationen des magnetischen Feldes erzeugt, ein periodisches Verkleinern und Vergrößern des magnetischen Widerstandes der Eisenkerne der benutzten Selbstinduktion, gegenseitigen Induktion usw. bewirkt.

b) Maschinen der Gleichpoltype und der Wechselpoltype bei Erzeugung

von Wechselströmen.

i. Allgemeines.

Während die unter a) beschriebenen Maschinen der Gleichpoltype, welche ohne An-Wendung der vorliegenden Erfindung die Spannung Null erzeugen würden, da bei ihnen die induzierten Spannungen in den einzelnen Leiterteilen gleichzeitig erzeugt werden, liefern die jetzt zu behandelnden Maschinen der Gleichpoltype und der Wechselpoltype an und für sich Wechselströme, da bei ihnen entweder in verschiedenen oder denselben Leiterteilen nacheinander entgegengesetzte Spannungen induziert werden.

Dementsprechend lieferte die in a) behandelte Gleichpoltype auch bereits in sehr einfachen Leiterverzweigungen Ströme von immer demselben Vorzeichen. Im Gegensatz hierzu liefern. die jetzt zu behandelnden Maschinen in den einfacheren Formen nur Wechselströme mit einer Gleichstromkomponente, also Ströme von abwechselnd positiven und negativen Vorzeichen, wie dies die Kurven ab' cd' e der Fig. 10 zeigt. Erst mit viel komplizierteren Leiteranordnungen erhält man Ströme von immer demselben Vorzeichen. Da die Ausführung der Maschine der Gleichpoltype zur Erzeugung von Wechselströmen prinzipiell nicht. wesentlich verschieden ist von der Wechselpoltype, so sollen zur Verkürzung der Darstellung beide gleichzeitig behandelt werden.

I. Leiteranordnung zur Erzeugung einer Gleichstromkomponente.

i. Ausführung mit hintereinander geschalteten

Leitern.

Fig. 31 stellt eine einfache Form der Gleichpoltype dar, wenn man den Leiter 22' wegläßt oder eine ganze Polteilung von ii' entfernt anordnet und beide Polarten, Nord-und Südpole, für eine Windung gleichzeitig anwenden will.

Fig. 42 zeigt die einfachste Windungsanordnung für Erzeugung von Wechselströmen mit der Gleichpoltype bei Verwendung nur eines Polsystems und Fig. 31 dasselbe Prinzip, wenn man bei der Leiterverzweigung ii'. und 22' entweder den Leiter 11' oder den Leiter 22' wegläßt, Fig. 43 und 44 die einfachsten Windungsformen der Wechselpoltype. .. ■

Läßt man in Fig. 31 einen der beiden Leiter 11' oder 22' weg oder bringt beide eine ganze Polteilung voneinander entfernt an und fertigt sie aus Wismut an, so liefert diese Leiteranordnung einen Wechselstrom mit einer Gleichstromkomponente, wenn man den äußeren Stromkreis zur Entstehung eines Stromes schließt.

Denn wenn in Fig. 10 der Teil ede den Verlauf der Spannungskurve ab c d e darstellt, wenn sich die nach Obigem angeordneten Leiter ii' bzw. 22' der Fig. 31 im magnetischen Felde befinden und der Teil abc zur Zeit, wenn sie außerhalb desselben sind, so besitzen diese während der halben Periode ede den Widerstand η · w, wenn ihr Widerstand während der anderen Halbperiode den Wert w hat. Infolgedessen ist der Widerstand des gesamten Stromkreises in der ersten halben Periode größer als in der zweiten, und wir erhalten den Stromverlauf nach Kurve a V c d' e, also während der ersten halben Periode c d' e einen schwachen Strom von negativen Vorzeichen, und während der anderen halben Periode a V c einen starken Strom mit positiven Vorzeichen, also einen Wechselstrom mit einer Gleichstromkompo-

nente, da der arithmetische Mittelwert dieses Wechselstromes während einer halben Periode augenscheinlich größer als Null ist.

Durch einfache Herstellung der in Reihe liegenden Leiter a-b-c in Fig. 42'und 43 ist man dagegen nicht in der Lage, das gleiche zu erreichen; man würde nur bewirken, daß der Widerstand bei jeder Halbwelle in gleichem Maße steigt. Dies kann man vermeiden, wenn man nach Fig. 45 und 46 die Magnetpole des Polrades seitlich gegeneinander versetzt, so daß die Wismutwiderstände z. B. nur von den Nordpolen beeinflußt werden, da dann der Widerstand immer nur während der einen Halbwelle vergrößert wird, während der andere dagegen unverändert bleibt.

Dasselbe kann man durch Verwendung eines zweiten daneben befindlichen Polrades mit halbsoviel Polen erreichen, wenn man einen der Leiter, z. B. a-b, bis unter diese Pole hinaus bifilar gewickelt verlängert und zurückführt, diesen Teil unter dem zweiten Polsystem aus Wismut herstellt, wie dies Fig. 47 als Beispiel für die Gleichpoltype zeigt.

25
■ 2. Ausführung durch Anbringung je zweier

sich periodisch ändernder Widerstände.
Die Ausführung dieses Verfahrens zeigt das Schaltungsschema Fig. 48. Die in dieser Figur sowie in den Fig. 49, 51, 52 und 56 gezeichneten Kreise mit der in der Nähe liegenden Wicklung deuten die Lieferung einer Wechselstromspannung mittels Wechselstrommaschine oder Transformators in die gezeichnete Wicklung an. Bei der Schaltung nach Fig. 48 wird während der nutzbaren halben Spannungskurve durch geringen inneren Widerstand w' und großen Nebenschlußwiderstand w" ein geringerer innerer Spannungsverlust und daher große Klemmenspannung erreicht. Bei der nächsten halben Spannungswelle wird umgekehrt durch großen inneren Widerstand w' und geringen Nebenschlußwiderstand ein großer innerer Spannungsabfall und damit geringe Klemmenspannung erzielt.

3. Unterschied im Verhalten der Schaltungen

unter 1. und 2.

Während nach der Schaltung unter 2. an den Klemmen eine Spannung mit einer Gleichstromkomponente vorhanden ist, auch wenn der äußere Stromkreis nicht geschlossen ist, ist dies bei den unter unter 1. beschriebenen Schaltungen nur bei geschlossenem äußeren Stromkreise der Fall.

II. Leiteranordnung zur Erzeugung eines
Gleichstromes.

i. Prinzip der Gleichstromerzeugung.
Die bisher unter b), I angegebenen Schaltungen lieferten nur einen pulsierenden Wechselstrom, bei dem die Kurve der momentanen Stromstärke auch negative Werte zeigte. Die Hintereinanderschaltung mehrerer Wicklungen nach dem Schema unter b), I, 1, bei denen die Maximalwerte der Widerstände nacheinander auftreten, ergibt, wie bereits früher erwähnt, keine Aufhebung der Strompulsationen und noch viel weniger eine Aufhebung der negativen Stromstärken, sondern bewirkt nur, daß die Summe der Widerstände während einer vollen Periode noch konstanter wird, liefert also dann einen reinen Wechselstrom.

Anders ist es dagegen mit der Schaltung nach b), I, 2 ; hier besitzt die erzeugte Klemmenspannung a-c auch dann eine Gleichstromkomponente, wenn der äußere Stromkreis offen oder beliebig geschlossen ist, da die Klemmenspannung vom äußeren Widerstand nur durch den erzeugten inneren Spannungsverlust, wie bei jeder anderen Maschine, abhängig ist.

Im folgenden sollen zunächst Verfahren angegeben werden, nach denen die Erzeugung eines Gleichstromes auch nach dem Schema b), I, ι und allgemein auch für einen beliebig erzeiigten Wechselstrom möglich ist.

2. Erzeugung eines Gleichstromes durch Kombination zweier Stromkreise mit periodisch
veränderlichen Widerständen nach b), I.

^w Erzeugt man einen pulsierenden Wechselstrom nach b), I, i, so wird, da der veränderliche Wismutwiderstand in dem inneren Stromkreise der Maschine liegt, an den Maschinenklemmen α b der Fig. 49 in jeder Halbperiode, in welcher der Wismutwiderstand sich in einem magnetischen Felde befindet, eine Klemmenspannung mit niedrigerem Maximalwerte vorhanden sein als in der anderen Halbperiode. Die momentanen Werte dieser Klemmenspannung, gleich der Differenz der erzeugten Spannung und dem Ohmschen Spannungsverluste, der proportional den in Fig. 10 durch die Kurve a V c d' e dargestellten Stromwerte ist, mögen in Fig. 50 durch die Ordinaten der Kurve p q r s t dargestellt sein. Verwendet man nun eine zweite gleiche Einrichtung (Fig. 51), bei welcher der Wismutwiderstand eine halbe Periode später in das magnetische Feld gebracht wird, so kann der Verlauf der Klemmenspannung a' V dieser Einrichtung durch die Kurve p q' r s' t der Fig. 50 dargestellt werden.

Da nun innerhalb der zweiten Halbperiode die erzeugte Spannung E negative Werte besitzt, so hat, wie auch die Fig. 50 zeigt, die Differenz immer einen positiven Wert, ergibt sich also eine Spannung von immer gleichbleibender Richtung.

. Verbindet man daher die beiden Einrichtungen der Fig. 49 und 51 nach Fig. 52 durch

den punktiert gezeichneten Kupferdraht ά α', so herrscht zwischen den anderen Klemmen b V die durch die vertikal schraffierten Flächen ■p q r q' φ und r s t s' r der Fig. 50 ihrer momentanen Größe nach dargestellte Spannung zur Erzeugung eines Gleichstromes mit der sich immer gleichbleibenden Richtung b V.

Man' erhält so einen Gleichstrom, dessen zeitlicher Verlauf durch die Kurve der Fig. 53 dargestellt wird.

Die Spannungen α b bzw. a' V kann man entweder direkt den Windungen einer Wechselstrommaschine oder an einem beliebigen Orte dem dort befindlichen Wechselstromnetze bzw. Transformator entnehmen. Im ersteren Falle hat man zur Erzeugung der periodischen Widerstandsänderungen Wismutwiderstände an den entsprechenden Stellen der Maschine unterzubringen und durch Verbindungsdrähte in die Stromkreise α b und a' V bzw. im äußeren Stromkreise einzuschalten.

3. Rotierender Wechselstrom-Gleichstrom-
: umformer.

Im zweiten Falle ist die Aufstellung eines kleinen Synchronmotors zur Aufnahme und periodischen Veränderung der Wismutwiderstände erforderlich. Man erhält in diesem Falle an dem betreffenden Orte einen rotierenden Wechselstrom-Gleichstromumformer.

4. Verminderung der Strompulsationen.

Eine Zuführung der Spannungen zu den Einrichtungen der Fig. 49 und 51, z. B. mittels Transformatoren, zeigt die Fig. 54, die gleichzeitig die Hintereinanderschaltung zweier Systeme 1 und 2 nach Fig. 52 angibt. Werden hierbei dem Systeme 2 Spannungen zugeführt, die gegenüber dem System 1 eine Phasenverschiebung von z. B. 90⁰ besitzen, so wird erreicht, daß den Strömen nach Fig. 53 sich die in Fig. 55 punktiert gezeichneten Ströme überlagern. Man erhält. dann die — · — gezeichnete resultierende Stromstärke, deren Pulsationen geringer sind als die des Stromes der Fig. 53.

Schaltet man noch Drosselspulen ein oder verwendet man Mehrphasenströme, so kann man die Pulsation beliebig klein machen.

Schaltet man zwei Systeme nach dem Schema I, b), deren Spannungen eine Phasenverschiebung von i8o° besitzen, hintereinander, so lagern sich deren Ströme ebenfalls übereinander und man erhält auch hier einen Stromverlauf wie in Fig. 53.

Die auftretenden Strompulsationen kann man nun ebenfalls beliebig klein machen, wenn man die so erhaltenen Einrichtungen nach dem vorherbeschriebenen Verfahren weiterbehandelt.

5. Anwendung des Prinzips der Poggendorfschen

Kompensationsmethode.

Ein anderes Verfahren zur Erzeugung von Gleichstrom erhält man, wenn man die E. M. K. in den Zweigen α b und a' V nicht parallel, sondern nach Art der Poggendorfschen Kompensationsmethode gegeneinander schaltet.

6. Anwendung der Null- und Kompensations- _g

methoden der Meßtechnik.

Nachdem wir eben gezeigt haben, wie man in einem Netze von Stromverzweigungen, welches man mit Wechselstrom speist, einen Leiter, in welchem immer nur ein Strom von gleichbleibender Richtung fließen soll, dadurch absondern kann, daß man entweder die Zweigwiderstände periodisch veränderlich macht oder veränderliche Spannungen einführt, sieht man leicht ein, daß man hierzu alle Nullmethoden der elektrischen Meßtechnik oder auf ähnlichen Prinzipen beruhende Methoden verwenden kann.

7. Anwendung der Wheatstoneschen Brücke. _loo

Als Beispiel hierfür wollen wir die Wheatstonesche Brücke betrachten, die in den Fig. 56 und 57 abgebildet ist. Ist E die vorhandene Wechselstromspannung in dem Zweige T2 mit dem Widerstände R, so erhält man als Strom i im Brücken widerstand r (vgl. M as cart und Jo üb er t, Lehrbuch der Elektrizität und des Magnetismus, Bd. II, S. 321, Formel 21):

E{a'b — a V)

Setzt man, um einen möglichst einfachen Fall zu erhalten,

' a=b',

b = a',

so erhält man

E (b — a)

■zRr + (α + δ.) {R + r) -f 2«δ

Will man nach dieser Formel einen Gleichstrom erhalten, so braucht man, wenn man z. B. die Methode der veränderlichen Widerstände anwendet, nur b > α zu machen, wenn E positiv ist und a > b zu machen, wenn E negativ ist. Es ist dann i immer positiv, d.h. die mit Wechselstrom betriebene Wheatstonesche Brücke liefert unter diesen Umständen einen Gleichstrom.

8. Kompensationsschaltung von Thiermann. '

Als weiteres Beispiel der Anwendung von Nullmethoden sei erwähnt, daß man zu einem ähnlichen Verfahren gelangt, wie es früher beschrieben ist, wenn man der in der Kompensationsschaltung von Thiermann (vgl. Heinke, Handbuch der Elektrotechnik, Bd. 2, Die Meßtechnik, 2. Abteilung, Gleichstrommessungen, S. 293) die Widerstände periodisch veränderlich macht. Die Strom Verzweigungen stimmen dann im Prinzip mit dem Schema Fig. 52 überein, wenn in dieser Figur der äußere Stromkreis b ¥ durch den Galvanometerstromkreis der Kompensationsschaltung ersetzt wird.

Gleichstrommotoren ohne Kommutator.

a) Gleichstrommotoren mit Gleichstromfeld.

i. Betrieb mit konstanter Erregung.
Jeder der in a) angegebenen Gleichstromgeneratoren kann, wenn er von einer Gleichstromquelle (in Haupt- oder Nebenschlußerregung) gespeist wird und die Leiter, soweit es erforderlich ist, nach den früheren Angaben aus Wismut hergestellt werden, als Gleichstrommotor ohne Kommutator mit veränderliehen Widerständen betrieben werden, der mit maximalem Drehmoment anläuft.

Dies erkennt man sofort bei Betrachtung der Fig. 58, die dem Schema Fig. 31 und dem Generator Fig. 32 entspricht, wenn man die Leiter ii' und 22' aus Wismut herstellt und die Leiterverzweigung 11', 22', 33' mit α und c an eine Gleichstromquelle anlegt und die Maschine erregt.

In dieser Ausführung sind die Südpole zu einem kontinuierlichen Pol von der Breite —

zusammengezogen, während die Länge des Nordpols L beträgt. Hat die magnetische Induktion den Wert B, der Ohmsche Widerstand des Leiters 22' den Wert w und ist der des Leiters 11' nw, so stellt sich der Strom i des Leiters 33' bei stillstehendem Anker in die beiden Zweigströme

ι . , η .
i„ = % und Z=T-

zwischen den beiden Zweigströmen tei Vernachlässigung der Kupferwiderstände:

Hieraus ergibt sich zwischen den Leitern 33' und 11' das resultierende Drehmoment

B-Li η — ι

i iL

2 ι + w

und z. B. für η — i,6 zu
B-Li

i + η

0,23.
Nach Fig. 60 ist das resultierende Drehmoment

ι + η ι +

und ζ. B. für ,η = i,6:

ο ^Li

B · — · 2 · 0,23.

Das eben erläuterte Beispiel entspricht der Gleichpoltype nach a) zur Erzeugung der Klemmenspannung Null. Dieser Type entsprechend sind noch iii den Fig. 59, 61, Ö2> 63, 64 einige weitere Beispiele aufgeführt, wobei die aus Wismut vorgesehenen Leiterteile — · — gezeichnet sind.

Auch die unter b) dargestellten Gleichstromgeneratoren mit Erzeugung einer Wechselstromspannung lassen sich bei Speisung mit Gleichstrom als Gleichstrommotoren ohne Kommutator betreiben, selbst im Falle unter 1. mit gleichmäßigem Drehmoment, wenn man mehrere Wicklungen parallel speist und dafür sorgt, daß diese nacheinander mit ihren Wismutleitern in das Feld der Magnetpole gelangen.

2. Betrieb durch Umkehrung der Erregung.

Bei den nach 1. mit Gleichstrom betriebenen Motoren ist ein konstantes Erregerfeld vorhanden und jede vollständige eigentliche Arbeitswicklung kann beliebig verschoben auf dem Umfange des Läufers oder Ständers angeordnet werden, je nachdem der Ständer oder Läufer die Polwicklung enthält, bzw. aus permanenten Magneten hergestellt ist.

Bei den unter 1. angegebenen Schaltungen kommt das Drehmoment durch die Differenzwirkung der Teile einer geschlossenen Windung dadurch zustande, daß bei konstanter Erregung verschieden starke Ströme in den einzelnen Leiterteilen fließen. Man kann aber die Einrichtung auch so treffen, daß während der Zeit, in der die Rückbewegung eines Leiters ein entgegenwirkendes Drehmoment schaffen will, die Erregung den Wert Null oder das entgegengesetzte Vorzeichen erhält. Alsdann erlangt auch das entgegenwirkende Drehmoment den Wert Null bzw. das entgegengesetzte Vorzeichen. Zu dieser Änderung kann man die Leiter selbst oder besonders . bifilar gewickelte Leiter und die hier angegebenen Methoden anwenden. (Ganze oder halbe Brückenschaltung, Poggendorfsche Kompensationsmethode usw., Fig. 66.)

Im Gegensatze zu den Motoren nach 1. kann bei den nach 2. mit Gleichstrom betriebenen Motoren, bei denen die Erregung nach der. Vorbeibewegung eines Leiters bzw. Systems'120 .den Wert Null, bzw. den. entgegengesetzten Wert besitzt, solange sich die Rückleitung im

magnetischen Felde befindet, die Arbeitswicklung nicht beliebig auf den Umfang verteilt werden, sondern muß als Polwicklung auf einer verhältnismäßigen schmalen Breite j edes Poles beschränkt werden.

Es ändert sich alsdann die Richtung des Drehmomentes der Leiter beim Übergange von einem Pol zum andern nicht.

no b) B.etrieb, von Wechsel- und Drehfeldmotoren mit Gleichstrom.

a. Durch mit dem Motor verbundene Einrichtungen.

i. Erzeugung von magnetischen Wechselstromfeldern.

Es läßt sich leicht zeigen, daß man bei konstanter Klemmenspannung unveränderlicher Richtung, also bei einer Gleichstromspannung, durch veränderliche Widerstände ein reines magnetisches Wechselstromfeld erzeugen kann. Die Fig. 68, 69 und 70 zeigen, wie man dies durch zwei Wicklungen, die von Strömen entgegengesetzter Richtung durchflossen werden und· Fig. 57 und 66, wie man dies mit nur einer Wicklung mittels- der Wheatstroneschen Brücke erreichen kann. Ebenso kann man natürlich auch das Prinzip der Poggendorfschen Kompensationsschaltung, der Schaltung von Thiermann und andere Nullmethoden bzw. Kompensationsschaltungen der Meßtechnik verwenden. Bei der Anwendung von zwei Wicklungen kann man durch Überlagerung pulsierender Ströme ein rein magnetisches Wechselstromfeld erzeugen, während dies bei den anderen Schaltungen durch Erzeugung reiner Wechselströme erreicht wird.

2. Erzeugung von magnetischen Feldern, die eine beliebige Phasenverschiebung besitzen.

Es soll nun gezeigt werden, wie man mittels veränderlicher Widerstän de Drehfeldmotoren betreiben kann. Zu diesem Zwecke denken wir uns außer dem Satz Wismutwiderstände der Fig. 68 oder 57 in den Motoren oder in den mit den Motoren festverbundenen Hilfsapparaten - räumlich gegenüber dem ersten System ein zweites System so versetzt angebracht, daß sie später als das letztere in das magnetische Feld gelangen. Dann erhält man ein zweites magnetisches Wechselstromfeld, welches mit derselben Periode, wie das erstere, seine Werte ändert, jedoch gegenüber dem ersteren. eine Phasenverschiebung zeigt, deren Größe durch die relative Lage des zweiten Widerstandssystems zum ersten bestimmt ist. Wir sind so in der Lage, Wechselströme bzw. magnetische Wechselstromfelder herzustellen, die gegeneinander eine Phasenverschiebung von einem beliebigen verlangten Werte besitzen.

3. Erzeugung eines Drehfeldes mit zweiphasigem Wechselstrom nach der Wheat -

stoneschen Brücke.

Wenn man daher z. B. nach dem Verfahren Fig. 57 einen zweiten Wechselstrom aus Gleichstrom . erzeugt, der gegenüber dem ersten eine Phasenverschiebung von 90° erzeugt, so besitzt man ein System von zweiphasigen Wechselströmen und erhält, wenn man diese Ströme nach den bekannten Verfahren um einen geschlossenen ringförmigen Eisenkern leitet, innerhalb desselben ein magnetisches Drehfeld.

4. Herstellung eines Drehfeldes durch Überein'-anderlagerung periodisch veränderlicher Gleichstromfelder.

Dasselbe Drehfeld kann man nach einem anderen Verfahren erhalten, wenn man zwei Stromverzweigungen nach Fig. 71 anwendet. Versieht man z. B. nach dem Schema Fig. 45 den Ring r des unteren Teiles der Fig. 73 das eine Mal mit den Windungen ach und adb und das andere Mal senkrecht hierzu mit dem Windungssystem α c' b und α d' b, so erhält man ein System von Windungen, welche ebenfalls ein magnetisches Drehfeld erzeugen, wenn das von den Windungen α c' b und α d' b erzeugte magnetische Feld gegenüber dem von den Windμngen α c b und adb erzeugten Felde eine Phasenverschiebung von 90 ° besitzt.

Zwei magnetische Felder mit dieser Phasenverschiebung erhält man nach Fig. 68 aber sofort, wenn man noch in die Windungen α c b, adb, α c' b und ad' b Wismutwiderstände einschaltet und diese nach dem Prinzip der Fig. 71 und 74 um den Eisenring g mit fester Erregerspule führt, wie dies der obere Teil der Fig. 73 zeigt. Rotieren jetzt die den Ring g einschließenden, durch die Erregerspule magnetisieren Segmente h, so werden nach den früheren Entwicklungen die Wismutwiderstände der Quadranten 41, 12, 23 und 34 periodisch so verändert, daß die in den Wicklungen α c b und adb fließenden Ströme ein magnetisches Feld erzeugen, welches gegenüber dem von den Wicklungen α c' b' und α d' V erzeugten Felde die verlangte Phasen- _ Verschiebung von 90⁰ besitzt.

In der gezeichneten Stellung der Segmente befindet sich nur der Wismutwiderstand des Quadranten 41 im magnetischen Felde, and zwar vollständig, so daß er den höchsten Wert besitzt, den er überhaupt annehmen kann. Daher besitzt der diesen Widerstand und die Windungen ad' b durchfließende Strom seinen geringsten Wert und das von dieser Spule erzeugte magnetische Feld seinen niedrigsten Wert. Da sich nun die Widerstände der anderen Quadranten 12, 23 und 34 voll-"ständig außerhalb der magnetischen Segmente h befinden, so besitzen diese ihre niedrigsten

und die hindurchfließenden Ströme ihre höchsten Werte.

Die durch die Windungen α c b und adb fließenden Ströme besitzen gleiche Stärke und heben sich daher, weil sie in entgegengesetzter Richtung um den Eisenkern geführt werden, in ihren Wirkungen gegenseitig auf. Das von denselben erzeugte resultierende magnetische Feld besitzt den Wert Null.

ίο Während das magnetische Feld der Spule ad' b seinen niedrigsten Wert besitzt, hat das magnetische Feld der Spule α c' b seinen höchsten Wert und überwiegt daher. Man erhält also, da das Feld der Spule α c b und adb Null ist, im Ringe r ein von der Spule α c' b bestimmtes, durch die Pfeile dargestelltes magnetisches Feld n' s', welches horizontal vom rechten inneren Umfange des Ringes r — hier einen Nordpol n' erzeugend ■— diametral nach dem linken inneren Umfange verläuft und hier einen Südpol s' erzeugt.

5. Herstellung eines Drehfeldmotors nach 4. I. mit einem Stahlmagneten als Anker.

Bringt man nun innerhalb des Ringes r um seine vertikale, im Mittelpunkte des Ringes angebrachte Achse drehbar einen Stahlmagneten ns an, so dreht sich dieser so lange, bis er in die gezeichnete Stellung η s kommt, d. h. so, daß sein Nordpol η dem Südpol s' des Ringes r und sein Südpol s dem Nordpol n' des Ringes gegenübersteht. In diesem Falle haben die aus dem Ringe r austretenden und durch den Magneten η s hindurchgehenden Kraftlinien ihre kürzeste Länge, und das Drehmoment des Magneten η s ist Null.
Dreht man jetzt die magnetisierten Segmente h des oberen Teiles der Fig. 73 in der Richtung des Pfeiles, wozu keinerlei elektrische Arbeit zu leisten ist, da die Wismutwiderstände bifilar gewickelt oder so geschaltet sind, daß die bei der ' Bewegung induzierten Spannungen sich aufheben, so dreht, sich, wie man sich leicht , überzeugen kann, gleichzeitig auch das magnetische Feld innerhalb des Ringes r mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit. Bewegt sich das Drehfeld vorwärts, so wandern die Pole n' und s' mit. Die Pole η und s suchen ihre relative Lage gegenüber den Polen s' und n' beizubehalten, und daher dreht sich der Magnet η s mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Pole n' und s' bzw. die Segmente h.

Wir haben jetzt nur gezeigt, wie man den Magneten η s eine Drehbewegung erteilen kann, wenn man die magnetisierten Segmente k dreht,

. wozu eine besondere Kraftquelle nötig war.

Es soll nun gezeigt werden, daß diese besondere Kraftquelle entbehrlich ist, und daß deren Arbeit von den Magneten η s geleistet werden kann. Es ist nun naheliegend, den oberen Teil der Fig. 73 über dem unteren Teile anzuordnen und die Wellen beider Teile miteinander zu verbinden. Alsdann werden, wenn sich der Magnet η s dreht, gleichzeitig die magnetisierten Segmente h des oberen Teiles gedreht. In der gezeichneten Lage hat jedoch der Magnet η s überhaupt kein Bestreben, sich zu drehen. Um dies zu erreichen, muß der Magnet η s etwas aus seiner Lage nach vorwärts oder rückwärts gedreht werden, so daß er nicht mehr mit der Verbindungslinie n' s' der Pole des Ringes r zusammenfällt, sondern mit dieser einen gewissen Winkel einschließt. Alsdann besitzt der Magnet ms das Bestreben, sich so zu drehen, daß er immer näher an die Verbindungslinie der Pole n' s' gelangt.

Bei dieser Bewegung des Magneten η s werden nun wegen dessen starrer Verbindung mit den magnetischen Segmenten h diese gleichzeitig gedreht, wodurch gleichzeitig die Pole n' und s' des Ringes r um den gleichen Winkel weiter wandern. Die Folge davon ist, daß die Pole η s niemals die Pole n' s' erreichen, sondern immer den gleichen Abstand von diesen behalten.

Daher bleibt das Drehmoment, welches die Pole η und s' und s und n' aufeinander ausüben, trotz der Drehung des Magneten #s konstant. Wir haben auf diese Weise einen Gleichstrommotor ohne Kommutator und Schleifringe mittels Drehfeldes erhalten, dessen Anker sich so lange dreht, als sein Drehmoment größer ist als der zu überwindende Widerstand.

II. Mit einem Elektromagneten mit Schleiffedern als Anker.

Man sieht leicht ein, daß man diesen Motor statt des Dauermagneten mit einem Elektromagneten als Anker, dem mittels Schleifringen der Erregerstrom zugeführt wird, betreiben kann.

III. Mit einem Elektromagneten mit feststehender Wicklung als Anker.

Jetzt soll die Ausführung mit einem Elektromagneten mit feststehender Erregung gezeigt werden. Es lassen sich die Schleifringe in diesem Falle vermeiden, wenn man den Elektromagneten so ausbildet, daß man mit feststehender Erregung arbeiten kann.

Da es bei dem unteren Teile der Fig. 73 nur darauf ankommt, daß die Kraftlinien vom Pole n' nach dem Pole s' gebracht werden und es vollkommen gleichgültig ist, ob dies, wie in der Figur geschehen, innerhalb des Hohlraumes des Ringes oder von den äußeren Seiten des Ringes außerhalb des Ringes geschieht oder von einer Außenseite des Ringes nach der Innenseite des Ringes zum anderen

Pol, so können wir zur Fortleitung der Kraftlinien als Ersatz des Magneten η s ein beliebig geformtes Eisenstück verwenden. Benutzen wir daher das in den Fig. 75 und 72 dargestellte Verbindungsstück zur Verbindung des äußeren Segmentes h und des diametral gegenüberliegenden inneren Stückes g', so können wir durch dieses so gebildete Eisenstück die Kraftlinien auf einem Durchmesser vom äußeren Teile n' des Ringes r nach dem inneren Umfange s' des Ringes r leiten.

Die Erregung des Eisenstückes geschieht dann durch eine an der Drehung nicht teilnehmende feststehende Erregerspule z, wodurch Schleifringe nicht mehr erforderlich werden.

6. Gleichzeitige Verwendung des Trägers der Drehfeldwicklung zur Aufnahme der veränderlichen Wismutwiderstände.
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Es läßt sich nun noch zeigen, daß man gleichzeitig den Träger r der Drehfeldwicklung zur Aufnahme der veränderlichen Wismutwiderstände benutzen kann.

7. Drehfeldsynchronmotor.

Der untere Teil der Fig. 73 entspricht einem Drehfeldsynchronmotor, bei dem das magnetische Feld jeder Phase durch die Übereinanderlagerung zweier magnetischer Felder erzeugt wird. Die für jede Phase erforderlichen veränderlichen Ströme werden hierbei nach Fig. 46, 71 und 74 durch den oberen Teil der Fig. 73 erzeugt.

8. Erzeugung eines Drehfeldes mittels reiner

Wechselströme aus Gleichstrom.

Verwendet man als oberen Teil der Fig. 73 Einrichtungen nach Fig. 57 bzw. 66 oder andere Null- bzw. Kompensationschaltungen, so erhält man unmittelbar reine Wechselströme von jeder beliebigen Phasenverschiebung, die man ohne weiteres zum Betriebe eines gewöhnlichen Drehfeldsynchronmotors verwenden kann.

In diesem Falle würde der untere Teil der Fig. 73 ein solcher werden.

ß. Betrieb von Wechselstrommotoren aus einer Gleichstromquelle durch nicht mit dem Motor verbundene Einrichtungen.

Bei allen bis jetzt beschriebenen Einrichtungen zur Erzeugung veränderlicher Ströme waren jene unmittelbar mit dem Motor verbunden; man kann jedoch auch die Erzeugung eines Wechselstromes oder Wechselfeldes durch außerhalb des Motors vorhandene Ein-

j richtungen bewirken.

Als Beispiel hierfür soll das Prinzip des Summers benutzt werden. Dieser stellt eine besondere Einrichtung zur Erzeugung von Wechselströmen aus Gleichstrom ohne rotierende Mechanismen bzw. ohne · bewegte Teile dar und ist in Fig. 67 abgebildet (vgl. Mie, Lehrbuch der Elektrizität und des Magnetismus, 1910, S. 631/32). Diesen kann man dadurch verbessern, daß man den veränderlichen Mikrophonkontakt durch einen bifilar

j gewickelten Wismutleiter ersetzt und nach Abstimmung des Sekundärkreises mit dem Primärkreise die jetzt nicht mehr erforderliche Telephonmembran wegläßt.
■ Mittels der durch die ebetierwähnten Einrichtungen erzeugten Wechselströme können alle beliebigen Ein- und Mehrphasenmotoren betrieben werden. Der Synchronmotor und der gewöhnliche Asynchronmotor nimmt hierbei eine Drehzahl an, die proportional der des Eisenkernes ist. Durch Verändern dieser Drehzahl kann man diese Motoren mit jeder beliebigen Geschwindigkeit laufen lassen. .

Die Einrichtung zur Erzeugung dieser periodischen Wechselströme kann man nun so konstruieren, daß die dem Gleichstromnetze entnommene Energie fast ohne mechanische Arbeit in Wechselstromenergie umgeformt wird. Da ferner die Drehzahl der oben angegebenen Motoren proportional der Drehzahl der Hilfseinrichtungen ist, so lassen sich beide nach Erreichung einer gewissen Drehzahl kuppeln.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Als Generator und Motor für pulsierenden und nahezu konstanten Gleichstrom verwendbare Gleichstrommaschine ohne Stromwender, dadurch gekennzeichnet, daß die in geschlossenen Windungen auftretenden Gegen-E. M. K. K. in ihrer Wirkung durch fest (also ohne Schleifkontakte) mit den Leiterelementen verbundene oder zusammengeschaltete wirkliche oder scheinbare Widerstände oder Gegenspannungen, die sich während der Dauer der gegenwirkenden Wechselspannungen synchron zu diesen in ihrer Wirkung periodisch ändern, ganz oder teilweise unterdrückt werden, zu welchem Zwecke ein Teil der Leiterelemente aus Wismut, Selen o. dgl. besteht oder Skin-Effekt, periodisch veränderliche Selbstinduktion, gegenseitige Induktion, Kapazität usw. erhält. j

   Hierzu 5 Blatt Zeichnungen.