Ferrantis Wechselstrommaschine

Die ersten elektrischen Maschinen, welche konstruiert wurden, waren Wechselstrommaschinen und erhielten eigene Kommuta­toren für die Umwandlung dieser Wechselströme in Gleichströme, da die Erzielung letzterer hauptsächlich angestrebt wurde. Die Erfindung der Jabloch­koff-Kerze, durch welche man seinerzeit hoffte, das richtige Mittel für die sogenannte Stromteilung gefunden zu haben, war hauptsächlich die Veranlassung, dass die Konstruktion von Wechselstrommaschinen lebhaft betrieben wurde. Als aber einerseits die Mängel der Kerzen mehr und mehr hervorgetreten und anderseits Glüh- und Bogenlampen fortwährend verbessert worden waren, während man gleichzeitig auch im Bau der Maschinen Fortschritte gemacht hatte, trat die Wechselstrommaschine mehr in den Hintergrund, und es schien fast, als sollte dieselbe vollkommen durch die Gleichstrommaschine verdrängt werden. Als man jedoch in den Transformatoren ein vorzügliches Mittel für die Fernleitung elektrischer Energie gefunden hatte, erhielt der Bau von Wechselstrommaschinen einen neuen kräftigen Impuls, und so vermehrt sich gegenwärtig von Tag zu Tag die Zahl jener Anlagen, die durch Wechselstrommaschinen betrieben werden.

Bei Wechselströmen darf im Vergleich mit Gleichströmen nicht übersehen werden, dass Wechselströme nicht nur durch den Widerstand des Stromkreises, sondern auch durch die Selbstinduktion wesentlich beeinflusst werden. Hierbei wirkt die Selbstinduktion in der Art auf die elektrischen Wellen, dass sie deren Amplitude vermindert, die Phase verzögert und die Welle überhaupt verflacht. Der Strom verhält sich so, als ob ihm eine Art Beharrungsvermögen innewohnen würde, welches sowohl das Auftreten des Stroms in seiner vollen Stärke als auch das Aufhören desselben verzögert. Obgleich in solcher Weise die elektromotorische Kraft durch die Selbstinduktion eine Verminderung erfährt, so darf doch hieraus nicht auf eine Ungültigkeit des Ohmschen Gesetzes für den Wechselstrom geschlossen werden; ist der Stromwert in jedem Augenblick bekannt, so kann die wirksame elektromotorische Kraft stets nach dem Ohmschen Gesetz berechnet werden. Die Verzögerung ist jedoch nicht nur dem Selbstinduktions-Koeffizienten, sondern auch der Wechselzahl proportional, wobei man unter Wechselzahl die auf eine Sekunde fallenden Perioden oder doppelten Umkehrungen des Stroms versteht. Abb. 1. Die Steigerung der Wechselzahl vergrößert somit beide induktiven Gegenwirkungen, indem nämlich hierdurch sowohl eine Zunahme der Verzögerung als auch der Herabminderung des Stroms bewirkt wird. Die genannten Gegenwirkungen nehmen ferner auch mit der Geschwindigkeit der Maschine zu. Maschinen, die mit geringer Geschwindigkeit laufen oder eine geringe Anzahl von Wechsel pro Sekunde und einen niedrigen Selbstinduktions-Koeffizienten im Verhältnis zum Stromkreis haben, geben geringere Verzögerungen. Man bestrebt sich daher, die Windungszahl der Ankerspulen möglichst klein und das magnetische Feld möglichst kräftig zu machen, was übrigens auch bei Gleichstrommaschinen gilt.

Die bekanntesten Wechselstrommaschinen sind jene von Gramme, Ziper­nowski (Glanz & Cie.), Siemens & Halske, Ferranti, Kapp, die Westing­house-Maschine, die Morday-Victoria-Maschine, die Kingdon-Maschine und mehrere andere.

Bei dem Wettstreit, der mit der Schöpfung elektrotechnischer Anlagen Platz griff, zeigten die Konstrukteure mitunter das Bestreben, ungeheure Maschinen von außergewöhnlicher Leistungskraft herzustellen, doch ist man nachmals wieder auf bescheidenere Dimensionen zurückgegangen. So stellt Abb. 1 den Typ der größten, für Zentralstationen bestimmten Wechselstrommaschinen dar, welche von Siemens & Halske konstruiert wurden. Sie sind in ihrer Anordnung ähnlich den ältesten von dieser Firma gebauten Wechselstrommaschinen. Den rotierenden Teil bildet das Magnetrad, welches aus 60 Elektromagneten zusammengesetzt ist und innerhalb eines Kranzes von ebenso vielen Ankerspulen in Umdrehung versetzt wird. Der äußere Durchmesser des Magnetrades beträgt 3,7 m, der des Ankerringes beiläufig 4,6 m. Die Erregung der Feldmagnete erfolgt durch eine eigene Gleichstrommaschine. Die für 2000 V nötige Isolierung lässt sich auch hier wieder ohne Schwierigkeit erreichen, da der Anker feststeht. Die Maschine ist für eine Leistung von 260 kW bei 100 U/min gebaut.

Abb. 2.

In ganz kolossalen Dimensionen wurde in der ersten Zeit die Wechselstrommaschine von Ferranti gebaut und in der Zentrale von Deptford (England) in Betrieb gesetzt. Sie ist nach demselben Typ gebaut, wie die ältere Maschine von Siemens & Halske mit Scheibenanker. Die größten Modelle der Ferranti­schen Maschine, welche Ströme von 10 000 Volt Spannung liefern und bei einem Kraftaufwand von 5000 PS Hunderttausende von Lampen versorgen sollten, haben sich nicht bewährt; der Betrieb derselben ist aufgegeben worden. Es möge daher nachstehend ein kleineres Modell dieser konstruktiv äußerst sorgfältig durch­gebildeten Maschine beschrieben werden. Abb. 2 zeigt den durch Zurückschieben der Feldmagnete bloßgelegten Scheibenanker in der Mitte und die beiden doppelten Halbkränze der Feldmagnete zu beiden Seiten. Abb. 3 zeigt die Maschine im betriebsfähigen Zustand mit ihrer Erregermaschine und der Ölungs­vorrichtung. Die Maschine ist für eine Leistung von 2400 V und 50 A gebaut und ihr Anker macht 500 U/min. Der Anker hat einen Durchmesser von 1,4 m und besteht aus 20 Spulen, die in zwei Zweigen zueinander parallel geschaltet sind, während die zehn Spulen jedes Zweiges hintereinander geschaltet sind.

Abb. 3.

Die Spulen A (Abb. 4) besitzen einen nichtmagnetischen Kern, welcher aus einem trapezförmigen Kupferstücke, von dem Kupferbleche fächerartig ausstrahlen, besteht. Um diesen sind die Windungen aus einem 12 mm breiten und 0,3 mm starken Kupferblechstreifen unter Zwischenlegung von Vulkanfiber als Isolierung zwischen den einzelnen Windungen hergestellt und mit einem Ende an das Kupferstück des Kerns angelötet. Die Verbindung der einzelnen Spulen mit der auf der Welle befestigten Bronzescheibe des Ankers vermitteln gabelförmige Träger D, die je zwei Spulen aufnehmen und mit diesen durch Schrauben verbunden werden, welche durch die entsprechenden Bohrungen der Gabel und durch je eine Bohrung im Kupferstück der Spule gehen. Abb. 4. Gegeneinander werden die Spulen durch das Ebonit­stück H und von der Bronzescheibe des Ankers durch den Porzellanring E isoliert. Die Befestigung der Gabel auf der Bronzescheibe erfolgt durch die Schraube D’, welche durch den Porzellanring gesteckt wird und in einen entsprechend ausgesparten Raum der Bronzescheibe reicht, in welchem sie durch eine flache Schraubenmutter festgelegt wird. Alle Zwischenräume werden mit Schwefelzement ausgegossen. Die Enden der Ankerwindungen sind an der Stirnseite der Welle mit einem Zapfen bzw. einer davon isolierten Metallhülse verbunden, welche zur Abnahme des Stromes von je einem Schleifringpaar umfasst werden; jeder dieser Schleifringe besteht aus zwei Hälften, welche beiderseits durch kreisförmige Federn miteinander verbunden sind und gegen die Hülse, beziehungsweise gegen den Zapfen angedrückt werden. Da dieser Teil der Maschine wegen der hohen Spannung von 2400 V sehr gefährlichen ist, so ist derselbe in einem verglasten Kasten eingeschlossen, dessen eiserner Deckel in Folge der Wirkung eines Elektromagneten nicht mehr abgehoben werden kann, sobald die Maschine Strom liefert (Abb. 2). Auf den Seitenteilen der Gabeln, welche die Spulen tragen, sind kleine Flügel angebracht, die eine Art Ventilator während des Umlaufes der Armatur bilden. Letztere rotiert zwischen zwei Kränzen von Elektromagneten, deren jeder aus 20 Feldmagneten besteht und die zusammen 20 magnetische Felder erzeugen. Die Magnete sind auf einem gusseisernen Gestell montiert, deren beide Hälften mit Hilfe von Zahnstangen und seitlich angebrachten, in dieselben eingreifenden Hebeln ohne große Anstrengung seitlich so weit zurückgeschoben werden können, dass der Anker vollkommen frei steht. Die Erregung der Magnete besorgt eine Gleichstrommaschine (System Thury), deren Anker auf der Welle der Wechselstrommaschine sitzt. Derselbe macht daher gleichfalls 500 U/min und liefert einen Strom von 20 A bei 100 V Spannung. Die Ölung der Lager erfolgt durch einen ununterbrochenen Ölkreislauf. Aus einem in gewisser Höhe angebrachten Gefäß fließt das Öl vermöge seines eigenen Gewichtes in die Lager und sammelt sich in einem tiefer gelegenen Gefäß, aus welchem es durch eine von der Dynamo­welle betriebene kleine Pumpe wieder in das höher gelegene Gefäß geschafft wird, nachdem es zuvor ein Filter passiert hat, das die Verunreinigungen zurückhält (Abb. 3).