auch alle Vorrichtungen, durch welche einelektrischer Strom erregt wird, nämlich galvanische
Elemente
und
Batterien,
Thermosäulen, magnetelektrische und dynamoelektrische
Maschinen. Elektromotoren nennt man bisweilen auch die elektrischen
Bewegungsmaschinen (analog
Gasmotor etc.).
Maschinen, welche, mit elektrischem Strom gespeist, mechanische Arbeit leisten. Von der Zeit ab, wo man
mechanische Energie in elektrische mittels elektrischer Maschinen umzusetzen gelernt hatte, bedurfte es
lediglich nur noch eines äußern Anstoßes, um umgekehrt elektrische Energie in mechanische überzuführen. Die notwendigsten
Bestandteile zu dieser Umsetzung waren im Prinzip bereits durch die Konstruktion der elektrischen Maschinen gegeben; man brauchte
nur umgekehrt Strom in die elektrische Maschine
[* 3] zu senden, so begann die elektrische Maschine sich zu drehen
und konnte zum Antrieb irgend welcher Vorrichtungen, also als Arbeitsmaschine (als Elektromotor), benutzt werden. Immerhin
aber war die Umkehrung nur unmittelbar bei den Gleichstrommaschinen und etwa bei den neuen Mehrphasenstrommaschinen möglich;
bei Wechselstrommaschinen dagegen nur unter gewissen Bedingungen, oder wenn an der Maschine noch besondere Vorrichtungen angebracht
waren (s. unten). Durch die bloße Umkehrung war die Konstruktion von Elektromotoren¶
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auch bei den Gleichstrommotoren nur im Prinzip gelöst. Eine fernere Ausbildung mußte ihr Hauptaugenmerk darauf richten, die
Motoren ihrer Aufgabe gemäß passend einzurichten. Anders sind die Anforderungen, welche man an eine stromgebende Maschine
stellt, anders jene, welche die mechanische Arbeitsleistung bezwecken. Und wenn z. B. auch
eine und dieselbe Gleichstrommaschine ebensogut als Maschine wie als Motor arbeitet und es auch eine ganze
Reihe von Fällen gibt, wo einfach gewöhnliche Gleichstrom-Lichtmaschinen als Motoren verwendet werden können, so gibt es
doch noch manche Punkte, welche besonders bei den Motoren von höchster Bedeutung sind.
Zunächst soll ein Motor möglichst wenig Bedienung und Beaufsichtigung erfordern. Diese Bedingung tritt
bei elektrischen Maschinen lange nicht so in den Vordergrund, da Bedienungspersonal schon an und für sich stets vorhanden
sein muß. Zu Erfüllung dieser Bedingung müssen z. B. bei Gleichstrommotoren die Bürsten am Kommutator auch ohne Verstellung
bei jeder Belastung möglichst ohne Funkenbildung arbeiten, was durch ein besonders kräftiges magnetisches
Feld erreicht wird.
Sie müssen ferner kompakt und solide gebaut sein, wenig Platz einnehmen und gegen äußere Einwirkungen (Feuchtigkeit, Staub
etc.) möglichst unempfindlich sein. Anderseits wird in vielen Fällen eine geringe Tourenzahl gefordert, da die meisten der
anzutreibenden Arbeitsmaschinen bei einer solchen arbeiten. Teilweise werden, wie z. B. bei elektrischen
Bahnen, sehr vielfache Forderungen, wie geringes Gewicht, hohe Leistung, geringe Rauminanspruchnahme, leichte Zugänglichkeit
zu den einzelnen Teilen, geringe Tourenzahl und hohe Zugkraft beim Anfahren zugleich gefordert; andre Betriebe verlangen eine
unveränderliche Geschwindigkeit trotz variabler Belastung u. a. Kurzum, der Motor muß seinen jeweiligen Zwecken angepaßt
sein, und diese sind zu verschieden und vielfältig, als daß man eine nur für Lichtzwecke bestimmte
Maschine allenthalben als Motor verwenden könnte.
Gleichstrommotoren sind lediglich Gleichstrommaschinen, in welche der elektrische Strom eingeleitet wird und die dann Arbeit
leisten. Bei Gleichstrom läßt sich also eine und dieselbe Maschine als stromerzeugende Maschine oder als Motor verwenden.
Immerhin ist das Bestreben nicht zu verkennen, einem Motor eine seiner speziellen Aufgabe angemessene
Gestaltung zu geben. Es ist ein ander Ding, Licht
[* 5] zu geben, als mechanische Arbeit zu leisten. Letztere z. B. verlangt eine mäßige
Tourenzahl der Antriebsmaschine, und so ist man denn auch bei der Konstruktion von Motoren vorwiegend daraufhin ausgegangen,
langsam laufende zu erzielen. Ferner sind in vielen FällenMotoren von l/20 bis 1 Pferdekraft am meisten gesucht, während man
Lichtmaschinen von dieser geringen Stärke
[* 6] nie bauen wird, da sie zu klein sind, um in Anlagen Verwendung zu finden.
Wechselstrommotoren sind elektrische Maschinen, welche, mit Wechselstrom gespeist, motorische Arbeit zu
leisten im stande sind. Vorausgeschickt sei, daß die Leistung motorischer Arbeit mittels gewöhnlichen Wechselstroms ein
Problem ist, welches wohl nie für alle praktisch möglichen Fälle gelöst werden wird. Es sind allerdings eine Unzahl verschiedener
Methoden angegeben worden, welche diesen Zweck erreichen sollen, allein bis heute gibt es nur zwei Arten
von Wechselstrommotoren, welche bis zu einem gewissen Grade und bedingungsweise praktisch brauchbar
sind, und zwar 1) die
Wechselstrommaschine als Motor und 2) den synchronen Motor der Firma Ganz u. Komp.; allein die Wechselstrommaschine hat den
fundamentalen Mangel, daß sie, mit Wechselstrom gespeist, erst dann als Motor arbeitet, wenn sie auf eine
bestimmte Geschwindigkeit gebracht worden ist, und der Motor von Ganz u. Komp. hat darin eine tiefgreifende Beschränkung,
daß er, wiewohl er von selbst anläuft, beim Anlaufen keine Zugkraft entwickelt, bis er eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht
hat, und daß er nicht mit hoher Spannung betrieben werden kann.
Die Wechselstrommaschine als Motor zu betreiben erfordert zunächst, daß die Elekromagnete mittels gleichgerichteten
Stromes erregt werden, ferner muß die Maschine auf eine solche Geschwindigkeit gebracht werden, daß die Ankerspulen des Motors
gleichzeitig (synchron) wie die Ankerspulen der stromgebenden Wechselstrommaschine vor den Elektromagnetpolen vorübergehen.
Schaltet man schon früher ein, so werden gegebenen Falles in einem Augenblick zwar die Ankerspulen von
den Magnetpolen in der gewünschten Richtung angezogen werden; ehe sich jedoch die Ankerspulen bis zu einer solchen Stellung
hinsichtlich der Magnetpole bewegt haben, daß eine Umkehrung der Stromrichtung den Ankerspulen zur Weiterbewegung notwendig
wird, tritt schon bei der Erzeugermaschine der Wechsel in der Richtung des Stromes ein, und die Motorspulen,
die eben noch nach einer bestimmten Richtung angezogen wurden, werden wieder abgestoßen; der Motor kommt zum Stehen.
Der Wechselstrom kann also bei einer Wechselstrommaschine nur dann eine Bewegung aufrecht erhalten, wenn die Ankerspulen des
Motors wie des Generators gleichzeitig vor den Magnetpolen vorbeigehen, dann allein trifft der Wechsel in der
Stromrichtung den Motoranker immer gerade in jenem Moment, wo er eines Stromwechsels bedarf. Ist diese Geschwindigkeit einmal
erreicht und wird in diesem Moment die Maschine eingeschaltet, so läuft sie als Motor mit der gleichen Geschwindigkeit weiter,
ohne daß plötzliche Belastungen sie aus ihrem Tempo zu bringen vermöchten.
Tritt jedoch eine plötzliche Überlastung ein und läßt der Motor infolgedessen nur äußerst wenig in seiner Umdrehungszahl
nach, so kommt er sofort zum Stillstand. Zwei Dinge sind somit zum Betrieb von Wechselstrommaschinen als Motoren dringend notwendig:
Der Wechselstrommotor von Ganz u. Komp., Budapest,
[* 8] konstruiert durch die bekannten Ingenieure Zipernowskij,
Déri und Blathy, wird lediglich durch Wechselstrom gespeist. Die Ankerwelle trägt einen Stromwender,
[* 9] auf welchem zwei Bürsten
gleiten, die mit der Magnetwickelung verbunden sind. Der Anker
[* 10] erhält direkt Wechselstrom. Das Prinzip ist folgendes: Wird
Wechselstrom eingeleitet, so erhalten Anker- und Magnetspulen in einem bestimmten Augenblick eine solche
Polarität, daß etwa der Anker in einer bestimmten Richtung angezogen wird. Diese Anziehung dauert noch alt, wenn
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auch ein Wechsel in der Richtung des Stromes eintritt, da dann sowohl im Anker wie in den Magnetspulen die Stromrichtung umgekehrt
wird, die magnetischen Verhältnisse also dieselben bleiben. Dies geht so lange, bis die Ankerspulen gerade einem Magnetpol
gegenüberstehen, von da ab würde nun eine Anziehung nach der entgegengesetzten Seite erfolgen, die begonnene
Bewegung also gehemmt werden, wenn nicht jedesmal in diesem Augenblick in den Magnetspulen durch den Stromwender der Strom gewendet
würde.
Daher erfolgt trotzdem eine Anziehung und Bewegung des Ankers immer in der gleichen Richtung, und die Bewegung nimmt zu, bis die
Ankerspulen des Motors gleichzeitig mit jenen der Maschine vor den Magnetpolen vorbeigehen. In diesem Falle
erhalten auch die Magnete stets Strom gleicher Richtung, denn in dem Augenblick, wo der Strom wechseln will, gehen die Bürsten
von dem einen Stromwendersegment auf das andre über. Von diesem Zeitpunkt ab arbeitet der Motor mit Kraft.
[* 12]
Das Angehen dieser Motoren geht unter lebhafter Funkenbildung am Stromwender vor sich. Da ferner zwei aufeinander
folgende Segmente des Stromwenders die ganze Spannung führen, so darf man die Spannung nicht hoch wählen, da sie sonst zwischen
den Segmenten direkt überginge. Der Ganzsche Wechselstrommotor ist also nur für niedere Spannung brauchbar. Bei hoher Spannung
müßte man erst mittels eines Transformators die hohe Spannung auf niedere umsetzen.
[* 11]
^[Abb.: Fig. 1 u. 2. Erzeugung
eines rotierenden magnetischen Feldes.]
Mehrphasenstrom - (Drehstrom -) Motoren sind Maschinen, welche, mit Mehrphasen-(Dreh-) strom gespeist, elektrische Energie in
mechanische umsetzen. Das Prinzip, auf welchem sie beruhen, ist folgendes: SchonArago hatte beobachtet,
daß, wenn eine horizontale Kupferscheibe um eine vertikale Achse, über deren Mitte sich eine Magnetnadel in horizontaler
Ebene frei drehen kann, in rasche Umdrehungen versetzt wird, die Magnetnadel alsbald in der gleichen Richtung zu rotieren beginnt.
Es werden nämlich in der Kupferscheibe bei ihrer Rotation vor den Polen der MagnetnadelStröme induziert,
die vermöge ihrer elektrodynamischen Gegenwirkung die Nadel anziehen und mitreißen.
Die Drehstrommotoren bilden die einfache Umkehrung; es rotiert der Magnetismus
[* 13] und induziert in einem passend eingerichteten
AnkerStröme, welche letztern zwingen, der Rotation des Magnetismus zu folgen. Die Rotation des Magnetismus (und dies ist der
zweite Unterschied) wird jedoch nicht dadurch erzielt, daß man einen Magneten mechanisch in Drehung versetzt,
nein, man erzeugt diese Rotation auf elektrischem Wege mit Hilfe des Mehrphasenstroms und erhält somit mittels dieses Stromes
eine Bewegung des Ankers, welche motorische Arbeit zu leisten im stande ist. Die wesentlichste Eigenschaft des Mehrphasenstroms
ist also jene, ein Rotieren des Magnetismus (ein rotierendes magnetisches Feld) zu erzeugen. Der Vorgang
ist wie folgt: Ein Eisenring (s. Fig. 1) sei mit drei Wickelungen (genau wie der Anker der Mehrphasenstrommaschine) bedeckt,
von welchen jede ein Drittel des Ringumfanges einnimmt.
Die Anfänge der drei Wickelungen sind untereinander verbunden und die drei Enden an die drei Leitungen
(1, 2, 3) einer Mehrphasenstrommaschine angelegt. Dadurch erhalten die drei Wickelungen des RingesStröme, deren Phasen um
120° verschoben sind, d. h., während eine Wickelung gerade ein Maximum der Stromintensität durchfließt, wird die zweite
Wickelung erst, nachdem sich der Anker der Mehrphasenstrommaschine um 120° weiter gedreht hat, ein Maximum
der Stromintensität besitzen u. s. f., und diese Abnahme der Stromstärke in der einen und
die Zunahme derselben in der zweiten Wickelung geht so allmählich vor sich, daß der durch die Ströme im Eisen
[* 14] des Ringes
erregte Magnetismus mit seinem Maximum ganz allmählich von der einen Spule nach der zweiten und dann natürlich
auch nach der dritten übergeht; die magnetische Achse des infolge der drei stromdurchflossenen Wickelungen im Ringeisen erregten
Magnetismus rotiert in einer bestimmten Richtung und mit einer Schnelligkeit, welche der Rotation des Ankers der Mehrphasenstrommaschine
entspricht. Ist nun im Innern des Ringes eine Kupferscheibe S um die Achse c drehbar, so wird sie infolge
des rotierenden Magnetismus mitgerissen. Die Schaltung der Ringwickelungen kann selbstverständlich auch wie in
[* 11]
Fig. 2 gestaltet
sein. Versuche haben ergeben, daß man als Anker nicht eine Kupferscheibe benutzen soll, sondern einen Eisenkern mit einer
Anzahl in sich kurz geschlossener Windungen.
Das wesentlichste der Mehrphasenstrommotoren ist das rotierende magnetische Feld. Zuerst wurde es angegeben
von Ferraris, und zwar erzielte er es durch zwei um 90° verschobene Wechselströme; letztere erzeugte er dadurch, daß er
einen gewöhnlichen einphasigen Wechselstrom in zwei Zweige zerlegte, von welchen der eine einen großen Widerstand und geringe
Selbstinduktion, der zweite einen geringen Widerstand und eine hohe Selbstinduktion besitzt. Die Selbstinduktion
verursacht, daß der Strom in dem letztern Zweig gegen jenen im erstern Zweig um eine gewisse Phase verschoben ist.
Praktische Brauchbarkeit hat indes der nach diesem Prinzip konstruierte Motor mit rotierendem magnetischen Feld nicht erlangt.
Tesla ist einen Schritt weiter gegangen und erzeugte gleich in der Maschine selbst zwei um 90° verschobene,
voneinander unabhängige Wechselströme und erzielte dadurch zuerst praktisch einigermaßen brauchbare Motoren. Einen fernern
Fortschritt müssen wir darin erblicken, daß man drei um 120° verschobene Wechselströme nahm und zu ihrer Fortleitung nur
drei Leitungen benötigte. Im allgemeinen ist die Leistung motorischer Arbeit mit Mehrphasenstrom um so
günstiger, je mehr einzelne gegeneinander verschobene Wechselströme ihn bilden. Da man nun einerseits für die Fortleitung
jedes einzelnen Wechselstromes zum mindesten eine Leitung benötigt, so würde die Zahl derselben (wollte
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