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Als Generator, Motor, Umformer und Spannungsteiler verwendbare Gleich-oder
Wechselstrommaschine unipolarer Bauart. Gemäß der Erfindung werden die von einem
unipolaren Magnetfeld induzierten Ankerleiter aus mehreren (theoretisch beliebig
vielen) kreis- oder ringförmigen, dicht nebeneinander, zentrisch und senkrecht zur
Drehachse liegenden Scheiben oder aus konzentrischen, dicht übereinander, parallel
und zentrisch zur Drehachse angeordneten Hohlzylindern gebildet, die an beiden Rändern
abwechselnd mit Kontakteinrichtungen versehen sind. Der Kontakt beim Laufen der
Maschine wird hierbei durch die Fliehkraft aufrechterhalten oder verstärkt oder
auch durch magnetische Anziehung gesichert. Natürlich können auch beide Arten von
Kräften zur Beseitigung von Kontaktschwierigkeiten herangezogen werden. Diese Kontakteinrichtungen
und -bahnen werden an beiden Rändern der Ankerleiter, und zwar abwechselnd an dem
einen, z. B. äußeren Rand, auf der einen Seitenwand und dem anderen (inneren) Rand
auf der anderen Seitenwand der unmittelbar aufeinanderfolgenden scheibenförmigen
Ankerleiter oder an den der Drehachse zugewandten Innenwänden der entsprechend geformten
Ränder der hohlzylinder- oder trommelförmigen Ankerleiter angebracht. Als geeignete
Kontakte dienen vorzugsweise Rollkontakte, die zweckmäßig nach Art der Kugel- oder
Rollenlager
ausgebildet werden. Natürlich können auch Schleif-
oder Flüssigkeitskontakte, besonders bei geringeren Umfangsgeschwindigkeiten, benutzt
werden, die dann so gebaut sind, daß sie beim Laufen der Maschine durch die Fliehkraft
oder magnetische Anziehung einen genügend sicheren Stromübergang gewährleisten.
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Die in gleicher Richtung induzierten Ankerleiter werden ferner in
zwei oder mehreren abwechselnd ineinandergreifenden Scheiben-oder Trommelankern
zusammengefaßt. Bei scheibenförmigen Ankerleitern werden die Scheiben des inneren
Ankers an der durch ihn gehenden Achse befestigt, die des äußeren an einem offenen
oder geschlossenen Hohlzylinder oder Trommel. Diese umgibt die Anker und ist auf
einer oder beiden Seiten zu einer die Achse des inneren Ankers konzentrisch umschließenden,
sich verjüngenden Hohlachse gewissermaßen zusammengezogen. Jeder zweite der neben-
oder übereinander angeordneten Leiter soll, entweder einzeln oder zu mehreren zu
einem Anker zusammengefaßt, gegenüber dein induzierenden Magnetfeld sich in Ruhe
befinden oder in ihm in entgegengesetzer Richtung wie die anderen ein- oder mehrleiterigen
Anker verlaufen. Das Magnetfeld kann stillstehen oder umlaufen. Die dem Magnetfeld
gegenüber in Ruhe befindlichen, also nicht induzierten Ankerleiter oder Anker dienen
dann zur Rückführung des Stromes oder zickzack- oder wellenförmigen Addition der
in den übrigen induzierten Ankerleitern vorhandenen elektromotorischen Kräfte (EMKe.),
und die Gesamtspannung ist gleich der Summe der EMKe. der halben Gesamtzahl aller
Ankerleiter (Scheiben oder Trommeln). Drehen sich die abwechselnd ineinandergreifenden,
je aus der halben Scheiben- oder Trommelzahl bestehenden Anker mit gleicher Geschwindigkeit,
aber in entgegengesetzter Richtung zueinander, so werden beide Ankerhälften gleich
stark induziert und geben die doppelte Spannung einer Hälfte, also den doppelten
Wert, als wenn eine Ankerhälfte gegenüber dem induzierenden Magnetfeld sich in Ruhe
befindet.
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Die Ankerleiter selbst bilden, wenn höhere Spannungen erzeugt werden
sollen, uni hierzu das Magnetfeld möglichst zu verstärken, gemäß der Erfindung als
massive Eisen- oder Stahlscheiben oder -zylinder ganz oder teilweise auch das wirksame
Ankereisen. Da für die Stromleitung der ganze Querschnitt von massiven Scheiben
oder Trommeln zur Verfügung steht, so ist der Widerstand von Eisen- oder Stahlankern,
trotzdem die elektrische Leitfähigkeit nur etwa ein Zehntel derjenigen von Kupfer
beträgt, in der Regel noch beträchtlich kleiner als der von Ankern mit Wicklungen
aus Kupferstäben oder -drähten. Aus besonderen Gründen, z. B. für Wechselstrom oder
um Wirbelstronibildung in den Kontakteinrichtungen und -bahnen durch Fernhaltung
des magnetischen Feldes zu verhindern, können die Ankerleiter auch teilweise oder
ganz aus nichtmagnetisierbarem Baustoff hergestellt werden. Beispielsweise können
die Kontaktbahnen als Ringe aus Bronze angefertigt sein, die von Scheiben, Speichen,
Gittern oder Käfigen aus unmagnetisierbarem oder magnetisierbarem Baustoff gehalten
werden. Für die Kontakte, z. B. Rollen oder Kugeln, kann ebenfalls uninagnetisierbares
Material, etwa Bronze, benutzt werden, um eine Verstärkung des magnetischen Feldes
in ihnen bei zu starker Wirbelstrombildung zu vermeiden. Aus dem gleichen Grunde
kann der elektrische Widerstand ihres Baustoffes durch geeignete Eigenschaften künstlich
vergrößert sein. Lm Wirbelstrombildung in den Ankerleitern selbst zu vermeiden,
muß das Ankerfeld möglichst homogen sein. Die Aussparungen in den- nicht massiven
Ankerleitern müssen deshalb symmetrisch erfolgen. Bei Wechselstrom kann zur Verstärkung
des wirksamen Ankerfeldes in geeigneter Weise unterteiltes Ankereisen als unmittelbarer
Ankerleiter oder nur als Füllstoff zwischen Ankerleitern, die als unterteilte Arme
oder Speichen den magnetischen Füllstoff tragen, benutzt werden, der von den Leitern
selbst isoliert sein kann.
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Die einzelnen Ankerleiter (Scheiben oder Trommeln) müssen voneinander
isoliert sein, dürfen also außer an ihren Kontaktbahnen nicht in leitender Verbindung
miteinander, weder mittelbar noch unmittelbar, stehen. An ihren Befestigungsstellen
sind sie daher durch Isolationsschichten voneinander zu trennen. Die frei in die
Luft stehenden Teile der Ankerleiter können mit einer Isolationsschicht, wie z.
B. Emaille usw., überzogen sein. Für den Zwischenraum zwischen den Scheiben oder
Trommeln ist außer dem Mindestmaß für störungsfreien Lauf noch die Überschlagspannung
zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Leitern maßgebend. Ist sie für Luft
oder die etwa vorhandene Isolation der Leiter bei dem Mindestabstand für Freilauf
nicht ausreichend, so kann der Luftdruck erhöht werden oder es können andere Isolationsmittel
wie Stickstoff unter Druck, dünnflüssiges 01, Petroleum usw., also Gase, Dämpfe
oder Flüssigkeiten, welche die Isolation oder Durchschlagfestigkeit verbessern und
durch den Zutritt von Sauerstoff oder Luft nicht explo- i sionsfähig werden, als
Füllung der Maschine oder des Ankers benutzt werden. Unter Umständen
ist
eine Einrichtung für natürlichen oder künstlichen Umlauf des Füllmittels oder seiner
teilweisen ständigen oder zeitweiligen vollständigen Erneuerung zweckmäßig. Bietet
der Abstand der Leiter bei der in Frage kommenden Durchschlagspannung der Luft,
der Flüssigkeit oder der Gase eine unnötig große Sicherheit, so kann zur Verbesserung
oder Herbeiführung genügender Kontakte auch eine Verdünnung des gasförmigen Isoliermittels
durch teilweise Evakuierung erfolgen.
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Die Form des Magnetjoches Wit-zweckmäßig so gewählt, daß die magnetischen
Kraftlinien radial in den feststehenden oder umlaufenden Ankerteil eintreten, tun
den achsialen Schub auf den äußeren Anker zu vermeiden. Man kann ihn aber auf den
ganzen Anker dadurch verhindern, daß man das Magnetfeld und die Anker "vmtnetrisch
unterteilt und die Stellung der Ankerhälften zum Ständer und die Erregung so einregelt,
(laß die achsialen Schübe beider Hälften der Maschine sich auf die gemeinsamen oder
verbundenen Achsen der Ankerteile aufheben.
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Um zu verhüten, daß sich ein zu starkes magnetisches Streufeld in
den Ankerarmen, Lagern und Wellen ausbildet und unzulässige Wirbelströme erzeugt,
kann eine Kompensationswicklung auf einem oder mehreren dieser Teile angewandt werden,
deren Erregung so eingestellt wird, daß ihre magnetomotorische Kraft derjenigen
des Hauptfeldes in den betreffenden Maschinenteilen entgegengesetzt und gleich groß
ist. Zweckmäßig wird die Kompensationswicklung auf der Welle angebracht, weil hierin
die Wirbelströme sich besonders stark bilden würden, da sie im Streufeld des magnetischen
Hauptfeldes liegt und dieses in ihr umläuft, wenn das Magnetfeld oder die Welle
sich gegeneinander drehen. Die Stromzuführung zu dieser Kompensationswicklung geschieht,
wenn bei höherer Umfangsgeschwindigkeit der Welle die bekannten Schleifkontakte
keine genügenden Verbindungen geben, gemäß der Erfindung mit Kontakten, die beim
Laufen der Maschine durch die Fliehkraft verbessert werden, also vorzugsweise durch
Rollkontakte nach Art von Kugellagern.
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Das Streufeld in den Ankern und den Achsen kann aber auch dadurch
vermieden oder genügend verringert werden, daß diese Teile aus nichtmagnetisierbaren
Baustoffen, wie z. B. Kupfer- oder Aluminiumlegierungen, unmagnetisierbarem Eisen
oder Stahl usw., gefertigt oder die wirksamen Ankereisen von den Achsen und Lagern
genügend weit entfernt angeordnet werden, wozu Zwischenschalter aus isolierendem
oder unmagnetisierbarem Baustoff dienen können. Wird die Maschine der Erfindung
zur Erzeugung von pulsierendem Gleichstrom benutzt, indem das magnetische Feld entsprechend
erregt wird, so müssen die zu seiner Verstärkung im Joch oder den Polen verwendeten
magnetisch und elektrisch leitenden Stoffe zur Verhinderung der Bildung von Wirbelströmen
irgendwie unterteilt werden. Auch die induzierten Leiter müssen dann strahlenförmig
unterteilt sein.
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Die Anker können für die gleiche oder verschiedenen Stromarten in
voneinander isolierte oder nach Art von Spannungsteilern geschaltete Gruppen innerhalb
derselben :Maschine geteilt sein. Solche Maschinen stellen Einankerspannungswandler
oder -umformer dar. Natürlich kann die Teilung auch durch vollständige Trennung
der Spannungsstufen oder Stromarten, in gegebenen Fällen in besonderen Maschinen
mit gemeinsamem oder auch einzelnem Antrieb, vorgenommen werden. Praktisch wichtig
ist besonders, daß für die Erzeugung von Gleichstrom selbst dann keine besondere
Gleichstromhilfsquelle zur Erregung der Maschine nötig ist, wenn für diese nicht
die Gesamtspannung der Maschine, z. B. Hochspannung, sondern Mittel- oder Niederspannung
benutzt werden soll, da kleinere Spannungen in einfacher Weise durch Spannungsteilung
mittels Anzapfen abgenommen werden können.
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Die Maschine gemäß der Erfindung kann als Generator, Motor, Umformer
oder Spannungsteiler sowohl als Nebenschluß- wie auch als Hauptstrom- oder Verbundmaschine
geschaltet sein. Es ist selbstverständlich, daß sie als solche für beliebige Verwendung
elektrischer oder mechanischer Arbeit benutzt werden kann. Sie ermöglicht wegen
des einfachen Baues ihrer Anker (-lie Anwendung höchster Umlaufzahlen und kann deshalb
vorteilhaft mit Dampf- oder Gasturbinen gekuppelt «-erden.
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Für die Erzeugung von hohen Spannungen wird die Elektroturbine zweckmäßig
mit gegenläufigen Ankern betrieben. Die Elektroturbine eignet sich, namentlich wenn
Magnetfeld und Anker in zwei magnetisch und elektrisch getrennte, aber eine zusammenhängende
Maschineneinheit bildende Hälften unterteilt werden, zum Betrieb des Gleichstrom-Dreileitersystems.
Bei der gewöhnlichen Ausführung mit nur einem Magnetfeld und gegenläufigen Ankern
muß die Reglung durch Zu- und Abschalten der äußeren Ankerleiter erfolgen, was häufig
zu große Spannungssprünge ergibt.
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Bei der Verwendung der Elektroturbine als Motor können die gegenläufigen
Anker zum Antrieb gegenläufiger oder mit zwei entgegengesetzten oder verschiedenen
Richtungen
laufenden oder auch von einläufigen Arbeitsmaschinen
in der Weise benutzt werden, daß die Antriebswelle der Arbeitsmaschine durch eine
Triebeinrichtung angetrieben wird, bei der die Drehrichtung die gleiche bleibt,
und durch eine zweite, bei der die umgekehrte Drehrichtung des zweiten Ankers auf
die der Arbeitswelle gebracht ist, z. B. durch offenen und gekreuzten Riemen-, Seil-
oder Kettenantrieb o. dgl. Natürlich können auch ' mehrere voneinander unabhängige
Arbeitsmaschinen von den gegenläufigen Ankern angetrieben werden. Ferner kann ein
Ankerteil lediglich zur Reglung der Umlaufzahl des anderen zeitweilig oder dauernd
festgehalten werden oder leer laufen. Er bildet dann einen Vorschaltwiderstand mit
sehr geringen Verlusten, indem er eine Gegenspannung liefert, statt als Widerstand
zu wirken, in dem Spannung mittels Umwandlung der Energie in Wärme vernichtet wird.
Durch das Festhalten eines drehbaren Ankerteiles findet umgekehrt eine Steigerung
der Leistung und der Umdrehungszahl des übrigen statt, und zwar um das Doppelte,
wenn bei der gleichen Gesamtspannung die Hälfte der Ankerleiter stillgesetzt wird.
Je nach dem Verhältnis der gleichzeitig belasteten, feststehenden und leer laufenden
Ankerleiter kann die Leistung und Umdrehungszahl in weitesten Grenzen geregelt werden.
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Zur Steigerung der Strombelastungsfähigkeit bei Umformern oder Spannungsteilern
oder zur Spannungsreglung kann auch ein Teil der Ankerleiter in einem Ankersystem
durch geeignete Anordnung der Kontakte und feste Verbindungen parallel und mit andern
hintereinandergeschaltet werden. Die Stärke der Leiter kann aber auch für die Abteilung
mit höherer Strombelastung größer gewählt werden als in den übrigen Ani kerteilen.
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In Abb. t bis 4: ist eine Maschine nach der Erfindung mit einem Scheibenanker
dargestellt. Mit S ist das Joch der Maschine oder der Ständer, mit Ai der innere
und mit Aa der äußere Anker bezeichnet. WE, ist die im Innern des Ständers konzentrisch
zur Stelle Bi liegende Erregerwicklung, die mit dem Ständer fest verbunden ist,
weil angenommen ist, daß der äußere Anker Ad nicht stillsteht, sondern mit
der gleichen Geschwindigkeit wie der innere Anker Al, aber in entgegengesetzter
Richtung wie dieser, umläuft. L1 und L. sind Doppellager für die beiden Anker Aa
und Ai. Auf der Welle Bi liegt die Kompensationswicklung W, um Welle, Lager und
Ankerarme von Wirbelströmen frei zu halten. Diese Wicklung wird bei gut gebauten
Maschinen entbehrlich. Der Strom wird ihr durch die hohle Welle Bi des inneren Ankers
mittels Rollkontakten Ri, die als Kugellagerkontakte mit feststehenden Kontaktringen
ausgebildet sind, zugeführt. In gleicher Weise erfolgt durch Kugelrollkontakte und
Kontaktringe 12d die Stromabnahme oder -zuführung zu den in Reihe geschalteten Ankern
Ad und Ai, welche mit den Endscheiben dieser Anker, und zwar von dem äußeren
Ad durch entsprechend isolierte Drähte in Verbindung stehen.
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Die Anker selbst werden durch die kreisförmigen Scheiben K gebildet,
die für den äußeren Anker Ad mit K" und für den inneren Anker Ai mit Ki bezeichnet
sind. Es ist angenommen, daß die Maschine (Anker) mit 6 ooo Umdrehungen in der Minute
läuft und die Scheiben wegen der hohen Beanspruchung aus Nickelstahl gefertigt sind.
Mit Rücksicht auf die Umfangsgeschwindigkeit am Rand der Scheiben sind gemäß der
Erfindung sowohl am inneren wie äußeren Scheibenrand Kugelrollkontakte angewandt,
bei denen Bronze- oder Stahlkugeln zwei aufeinanderfolgende Scheiben durch Anpressen
infolge der Fliehkraft bei rollendem Kontakt verbinden. Die Kugeln laufen hierzu
in länglichen, an den äußeren Enden der Kugelform und -größe angepaßten Nuten, deren
Hälften durch eingedrehte Rillen von den Seitenwänden der zu verbindenden Ränder
zweier unmittelbar benachbarten Scheiben gebildet werden (Abb. 3 und q.). Die nach
Art von Kugellagern ausgebildeten Kontakte geben den Scheiben einen gewissen seitlichen
Halt und auch Führung. Da der äußere Anker Aa einschließlich seiner Lager als vollkommen
geschlossener Raum abgedichtet werden kann, können beide Anker innen mit dünnem
01 oder Petroleum mit Ölzusatz o. dgl. gefüllt werden, so daß die Kugellagerkontakte,
unter Öl laufend, stets gut geschmiert sind und etwaige Fünkchen durch die
Füllung im Entstehen gelöscht werden. Die Abnutzung der Kontakte kann aber auch
durch Kühlung mit geeigneten Dämpfen oder Gasen mit Ölgehalt vermindert oder sogar
für lange Betriebszeit praktisch verhindert werden.
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Die Ankerscheiben sind nach ihren Einspannstellen hin entsprechend
ihrer höheren mechanischen Beanspruchung verstärkt. Sie können aber auch gleich
stark gemacht werden. Die Befestigung geschieht zweckmäßig durch Zusammenpressen
mit untereinander gleich starken und kaum zusammendrückbar en Isolationszwischenlagen.
Natürlich muß besonders beim inneren Anker Al durch eine gute Bauweise dafür
gesorgt werden, daß die Scheiben gegen Verdrehen durch das an ihnen angreifende
Drehmoment gesichert sind. Um die relative Lage beider Anker
namentlich
beim Auftreten achsialen Schubes zwischen ihnen ein- und feststellen zu können,
wird zweckmäßig eines @ der Doppellager mit einer einstellbaren Einrichtung zum
Aufnehmen van achsialem Druck versehen.
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In Abb. 4 ist ein Teil des Doppelscheibenankers in größerem Maßstab
dargestellt, um den zickzack- oder wellenförmigen Stromverlauf in den Ankern der
Elektroturbine anschaulich zu machen. Die Ankerwelle Bi besitzt in diesem Falle
keine Kompensationswicklung, sondern das magnetische Streufeld in ihr soll entweder
durch Verwendung unmagnetisierbaren Werkstoffes (Phosphorbranze, unmagnetisierbaren
Stahl usw.) oder dadurch vermieden werden, daß die Ankerscheiben genügend weit von
ihr entfernt sind oder nicht vollständig aus magnetisierbarem Werkstoff hergestellt
werden. Auf der linken Seite der Abb. 4 sind beispielsweise drei Ankerscheiben dargestellt,
die an ihren inneren und äußeren Rändern unmagnetisierbaren, aber elektrisch genügend
leitenden Werkstoff P besitzen, zwischen dem das wirksame Ankereisen E sich befindet.
Auf der rechten Seite der Abb. 4 ist das Ankereisen E nur an den inneren Rändern
der Scheiben durch unmagnetisierbaren Baustoff ersetzt, um lediglich das Streufeld
in der Ankerwelle Bi praktisch zu beseitigen. Als unmagnetisierbarer Werkstoff für
die Scheibenränder (Kontaktbahnen) kommt zwecks Erzielung guter Kontakte vorzugsweise
Kupferbronze o. dgl. in Betracht. Die gegenseitige Befestigung der einzelnen Scheibenteile
kann sehr sicher und einfach durch warmes Aufziehen der ringförmigen Scheibenteile
oder in der an der mittelsten Scheibe dargestellten Weise geschehen, bei welcher
die unmagnetisierbaren Kontaktränder der Ankerscheiben durch das in zwei Ringscheiben
geteilte wirksame Ankereisen mittels Nut und Feder durch Zusammenschrauben oder
-nieten der beiden Hälften der Eisenscheiben gehalten werden. Der Spannungs- und
Stromverlauf ist durch die gefiederten Pfeile angegeben und in seiner Zickzack-
oder Wellenform leicht zu erkennen.