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Kommutierende Maschine für hohe Lamellenspannung. Die Kollektorinaschine
vermag eine Reihe von Aufgaben zu lösen, die die kollektorlosen Maschinen also die
asynchronen oder Synchronmaschinen, nicht zu lösen vermögen. 2 it der Kollektormaschine
ist es möglich, Gleichstrom zu erzeugen und in mechanische oder Wechselstromenergie
umzusetzen und stetig regelbare Motoren für Gleich- und Wechselstrom zu bauen, endlich
Wechselstrom -einer Periodenzahl in solchen anderer Periodenzahl umzuformen.
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Der Kollektor hat aber zwei sehr wesentliche Nachteile, die seiner
Verwendung eine verhältnismäßig enge Grenze setzen. Das ist erstens die verhältnismäßig
geringe Gesamtspannung, die mit Kollektormaschinen bewältigt werden kann, zweitens
der geringe Betrag der-unkompensierten Restspannung, der an den Bürsten in der Kommutationsperiode
ausgehalten werden kann. Unter Restspannung ist derjenige Betrag der in der Kommutierungszone
auftretenden Spannung zwischen zwei Stegen zu verstehen, der durch die üblichen
Mittel (Hilfspol u. dgl.) nicht mehr kompensiert werden kann. Sobald diese unkoinpensierte
Restspannung, die den verschiedensten Ursachen ihre Entstehung verdanken kann, über
etwa 2 Volt wächst, kann ein dauernd einwandfreier Betrieb nicht aufrechterhalten
werden. Diese Beschränkungen bedeuten Begrenztheit in der Spannung und Leistung.
Die Spannungs- und Leistungsgrenzen werden bei Wechselstromkollektormaschinen herabgedrückt,
je höher die Periodenzahl ist. Bei Gleichstrom liegen die Spannungs- und Leistungsgrenzen,
insbesondere bei niedertourigen Maschinen, am höchsten; immerhin liegen die durch
Gleichstrommaschinen erzeugbaren Spannungen ganz wesentlich unter den durch Wechselstromtransformatoren
erzeugbaren. Schon die Erzeugung von Spannungen von 3ooo bis ,#ooo Volt in einer
Kollektormaschine ist nur unter ganz besonderen Voraussetzungen möglich.
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eben den obenerwähnt;en prinzipiellen ',Nachteilen hat die Kollektormaschine
noch zwei Nachteile mehr konstruktiver Natur. Zum Unterschied von synchronen und
asynchronen Maschinen muß jene mit einem umlaufenden Kollektor ausgeführt «-erden,
(la Kollektormaschinen mit ruhendem Kollektor :ich nicht bewährt haben. Aus demselben
Grunde muß die Wicklung, in der die Energie umgesetzt wird, die Ankerwicklung, kreisen.
Das erstere bedingt eine Vergrößerung des zwischen zwei Lagern umlaufenden Teiles,
d.li. eine Herabsetzung der maximal ausführbaren Leistung in der Maschineneinheit,
insbesondere bei schnellaufenden Maschinen. Das zweite bildet einen andern Grund,
weshalb die Spannung nicht ebenso hoch wie in den ruhenden Transformatoren getrieben
werden kann.
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Die Erfindung hat den Zweck, die angeführten Nachteile der Kollektormaschine
zu vermeiden und dadurch Anordnungen zu schaffen, die die oben angegebenen Grenzen
der
Kollektortnaschinen fast beliebig hinausschieben ttnd sowohl gestatten, Gleichstrom
sehr hoher Spannung zu erzeugen und umzuwandeln, als auch Wechselstron:inaschinen
mit den Eigenschaften der Wechselstromkollektormaschinen und Periodenumformer zu
schaffen, welche mit Bezug auf Spannung, Periodenzahl und Tourenzahl die bisherigen
Grenzen weit überschreiten.
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Es ist bereits bekannt, den Kommutierungsvorgang, der bei dem
normalen Kollektor in diesem allein ausgeführt wird, in zwei getrennte Organe zu
unterteilen. Davon hat das eine Organ nur die Aufgabe, zwischen Netz und die einzelnen
Ankerwicklungen periodisch große Isolationsstrecken einzuschalten, um zu erreichen,
daß entsprechend den periodisch wachsenden und abnehmenden Spannungen immer Isolationswege
zwischengeschaltet sind, die genügen, um einen Überschlag zu verhindern; es hat
dagegen nicht die Aufgabe der Kommutierung, d. h. der Kontaktschluß geschieht an
diesem Organ spannungslos, und die Kontaktöffnung erfolgt stromlos. Das zweite Organ
ist ein elektrisches Rückschlagventil, physikalisch also dasselbe wie ein Gleichrichter.
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Nun hat schon diese Kombination eine Reihe von Vorteilen gegenüber
den normalen Kollektoren, dagegen hat sie noch zwei Nachteile, die ihre Verwendbarkeit
bedeutend einschränken. Diese Nachteile hängen beide mit der Verwendung von elektrischen
Rückschlagventilen zusammen. Da diese nur in einer ganz bestimmten Richtung wirken,
so ist eine derartige Maschine erstens lediglich auf Gleichstrom beschränkt, aber
außerdem hat sie auch für Gleichstrom nur ein beschränktes Anwendungsgebiet. Es
kann nämlich eine Maschine nicht ohne besondere Umschaltungen sowohl motorisch als
auch generatorisch arbeiten. Es würde beispielsweise in einem Gleichstromgenerator
sofort ein verheerender Kurzschluß entstehen, wenn die Energiezufuhr seiner Antriebsmaschine
aus irgendeinem Grunde plötzlich aussetzt oder die Netzspannung durch parallel arbeitende
Generatoren etwas höher würde, so daß der Generator, wenn auch nur für den Bruchteil
einer Sekunde, zum Motor würde. Dasselbe würde eintreten bei einem Umformer. Es
würde also nicht möglich sein, einen Umformer so zu verwenden, daß er gelegentlich
nach dieser oder nach jener Seite Energie zu liefern imstande wäre.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß in der Kombination aus einem
Schaltorgan, welches periodisch verschiedene Übergangsabstände zwischen Netzklemmen
und jedem einzelnen Teil 'der Ankerwicklung erzeugt, selbst aber nie während des
Bestehens von Spannungsdifferenzen oder während des Stromschlusses schaltet, und
elektrischen Ventilen an Stelle der bisher bekannten Rückschlagventile (Ouecksilberdampfgleichrichter)
gesteuerte Ventile verwendet werden und darin, daß diese beiden Schaltorgane in
genauer zeitlicher Abhängigkeit voneinander arbeiten, d. h. daß das gesteuerte Ventil
im Takt mit dem ersten Schaltorgan geschaltet wird. Unter gesteuertem Ventil ist
dabei ein Schaltorgan (am besten Gasstrecke) zu verstehen, bei dem die Einschaltung
oder Ausschaltung oder Ein- und Ausschaltung von außen durch besondere Mittel bewirkt
werden im Gegensatz zu einem Rückschlagventil, dessen Einschaltung und dessen Ausschaltung
lediglich in Eigenschaften des Ventils begründet sind, das also eine unabhängig
von der Stromart und dem Stromverlauf zeitlich bestimmbare Schaltung nicht zuläßt.
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Dieses gesteuerte Ventil muß, um in der angegebenen Kombination verwendbar
zu sein, folgende Eigenschaften haben: i. Die Stromschlüsse und Stromunterbrechungen
müssen mit großer Geschwindigkeit und außergewöhnlicher Genauigkeit in Abhängigkeit
von anderen periodischen Vorgängen vorgenommen werden.
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2. Die ab- und zuschaltbare Leistung muß groß sein; vor allem muß
die abschaltbare Spannung zum mindesten größer als 2 Volt sein, denn 2 Volt schalten
auch die normalen Kollektoren mit Hartli-ohlebürsten.
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3. Muß das Ventil außergewöhnlich häufige Schaltungen - (einige hundert
pro Sekunde) betriebssicher längere Zeit hindurch ununterbrochen vornehmen können.
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Die Erfindung ist in den anliegenden Abbildungen dargestellt.
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Abb. i stellt das Ausführungsbeispiel eines gesteuerten Ventils dar.
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Abb. 2 zeigt eine nach der Erfindung geschaltete Maschine mit ruhender
Ackerwicklung.
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Abb. 3, Abb. 3a und Abb. 3g- veranschaulichen eine Ausführungsform
der Schaltorgane. Abb.3 ist die Vorderansicht, Abb. 3a ein zugehöriges Lager in
Seitenansicht, Abb.3b die Seitenansicht des Schaltorgans.
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Abb. 4, Abb. 4a und Abb. q.b stellen eine Maschine für besonders hohe
Gesamtspannung dar. Abb. q. ist das Gesamtschaltbild, Abb. q.a und Abb. qb sind
Seitenansichten von Schaltorganen.
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Da die Vorbedingung für die Ausführbarkeit der Erfindung in der Möglichkeit
des Baues eines derartigen Ventils besteht, so sei zunächst an Hand der Abb. i ein
Ausführungsbeispiel eines derartigen Ventils beschrieben.
In Abb.
i stellen i bis 4. beispielsweise aus Kohle bestehende Elektroden dar. Die beiden
Elektroden i und 3 sind durch den Steg 5 leitend miteinander verbunden. Sie selbst
sind durch den Schaft 6 von Erde isoliert. Auch die beiden Elektroden 2 und -. sind
ebenfalls auf Isolatoren 7 und 8 angeordnet. Der zu unterbrechende und zu schließende
Strom wird an den Klemmen 9 und io zugeführt. An die Brücke 5, welche die beiden
Elektroden i und 3 leitend verbindet, ist der Mittelleiter i i der S:ekundärwicklung
eines Transformators 12 angelegt. Die Außenleiter dieser Wicklung 13 und 14. sind
je an die Klemmen 9 und io angeschlossen. Die von -den Transformatorwicklungen 15
und 16 erzeugten Spannungen sind gleichphasig und gleichgerichtet, so daß beim Aufdrücken
einer Spannung auf -die Primärwicklung 17 des Transformators 12 zwischen den Elektroden
i und 2 einerseits und den Elektroden 3 und :4 anderseits zwar Spannungen entstehen,
daß dagegen zwischen den Elektroden 2 und 4 keine -Spannungsdifferenzen auftreten.
Die Spannung zwischen i und 2 oder 3 und 4 wird so hoch bemessen, daß die Luftwege
zwischen i und s oder 3 und 4 durchschlagen werden, so daß dann zwei Lichtbogen
zum Brennen kommen, so daß zwischen Klemme 9 und io ein Strom fließt, der die beiden
Lichtbogen durchfließt. Durch diese Anordnung werden also die Zündspannungen nicht
auf die Hauptleitungen übertragen, da zwischen den Klemmen 9 undio die Summe dieser
Zündspannungen Null ist. Um bei brennenden Lichtbogen die Rückwirkung der zwischen
den Elektroden 2 und ¢ auftretenden Spannung auf die Sekundärwicklungen 15 und 16
des Transformators 12 zu begrenzen, können in die Leitungen 13 und 14 noch bezüglich
die Widerständ:e i 8 und i g eingeschaltet sein, die Ohmsche, induktive oder kapazitiv
e Widerstände sein können. Soll die Gleichheit der Spannungen zwischen i und 2 oder
3 und 4. mit Rücksicht auf die Abfälle in den Widerständen 18 und i9 noch genauer
gemacht !, werden, so können die Leitungen 13 und 14 zu je einer Wicklung 2o oder
2i eines Transformators 22 geführt werden, derart, daß sich ihre Magnetisierungen
gegenseitig aufheben, so daß dieser Transformator bei Stromgleichheit die Tendenz
hat, diese Ungleichheiten auszugleichen. Die Widerstände 18 und 19 haben den Zweck,
nach erfolgter Lichtbogenbildung einen Kurzschluß auf dem Transformator 12 zu verhindern.
Demselben Zweck dient der in die Zuleitung zur Primärwicklung 17 eingeschaltete
Widerstand 23. Die in dem Transformator erzeugte Zündspannung wird zweckmäßig mit
einer so hohen Frequenz betrieben, daß diese das Mehrfache der Frequenz der Zündungen
des Lichtbogens beträgt, damit die Zündung mit genügender Genauigkeit erfolgt. Die
Auslöschung des LRchtbogens erfolgt, nachdem vorher die Zündspannung zu Null gemacht
worden ist, durch einen ionenfreien Gasstrom, der bekanntlich den Widerstand eines
Lichtbogens ungeheuer erhöht. Gegebenenfalls kann zu den Klemmen 9 und i o auch
noch. ein Kondensator parallel gelegt sein oder zeitweise parallel gelegt werden.
Das Gas wird durch die Rohre 24 und 25 den Lichtbogen zugeführt und mittels der
Düsen 26 und 27 in dieselben hineingeblasen. Das Druckgas wird in dem vom Motor
28 angetriebenen Gebläse 29 erzeugt, dem Luftbehälter 30 zugeführt und gelangt
von diesem über den Rohrstutzen 31 in den Rohrstutzen- 32. Zwischen den Rohrstutzen
31 und 32 befindet sich eine am Umfang bei 33 und 34 mit Löchern versehene Scheibe
35, welche ebenfalls von dem Motor 28 angetrieben wird und mit der Dynamo 36 durch
die vierdrehbare Kupplung 37 verbunden ist. Jedesmal nun, wenn ein Loch der Scheibe
35 zwischen den Stutzen 31 und 32 vorbeikreist, tritt ein kurzer Luftstrom zwischen
die Lichtbogen, so daß sie verlöschen. Da die Umfangsgesch-Nvindigkeit der Scheibe
35 und der Luftdruck im Luftbehälter 30 hoch gemacht werden können, so können
Löschgeschwindigkeit und Löschhäufigkeit ungeheuer hoch werden, und es kann die
Löschung selbst sehr genau sein. Durch .die Kupplung 37 der Dynamo 36, welche die
Zündspannung erzeugt, mit der Scheibe 35, welche die Löschung steuert, können Ein-
und Ausschaltmoment in genaue Abhängigkeit gebracht werden, wobei dafür gesorgt
werden muß, daß der Zündfunken und der Löschluftstrom nicht gleichzeitig auftreten.
Die den Transformator 12 speisende Dynamo 36 ist keine Dynamo, die normale hochfrequente
Wechselströme erzeugt; sie erzeugt oder steuert vielmehr intermittierende Wechselstromstöße
jedesmal dann, wenn gezündet werden soll, was durch ganz schmale Erregermagnetpole
leicht zu erreichen ist. Durch Verdrehung der beiden Hälften der Kupplung 37 gegeneinander
kann auch die Länge des erzeugten Stromdurchganges zwischen den Klemmen 9 und 1o
geregelt werden. Die Drehzahl des Antriebsmotors 28 muß natürlich auch in Beziehung
gebracht werden mit den zwischen 9 und io erzeugten Stromphasen, wenn ein bestimmter
Zweck, beispielsweise Gleichrichtung o. dgl., erreicht werden soll.
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Um einen übermäßig großen Abbrand der Elektroden i bis 4 zu verhindern,
können
verschiedene Mittel angewendet werden; beispielsweise kann
der Gasstrom so geleitet ,werden, daß er die Elektroden selbst nicht trifft, sondern
lediglich zwischen ihnen, aber in einem bestimmten Abstande von ihnen, verläuft,
so daß er eine ionenfreie Zone zwischen sie legt; oder der Strom kann aus einem
Gas wie Wasserstoff, Stickstoff oder Kohlensäure bestehen, das eine Verbrennung
nicht unterhält. Um ein solches Gas nicht ständig erneuern zu müssen, kann es in
Gefäßen 39 aufgefangen und dem Kompressor 29 durch das Rohr 38 wieder zugeführt
werden. Das Ausblasen des Lichtbogens kann auch durch einen Luftstrom erfolgen,
der durch im Takt mit den Kommutierungsvorgängen, etwa elektrisch gesteuerte Explosionen
stoßweise erzeugt wird. Da sich ein gewisser Abbrand nicht vermeiden lassen wird,
so kann eine Vorrichtung vorgesehen sein, die die Elektroden i und 3 den Elektroden
2 und 4 bei Abb.rand nähert. Hierzu dient die Anordnung 40. Der Magnet 41 erhält
Spannung von einer AnzapfleitUng 41a des Transformators i2. Wird die kurz vor dem
Durchschlag der Lichtbogenstrecken entstehende Zündspannung wegen zu großen Abstandes
der Elektroden voneinander zu hoch, so wird der Anker .42 gegen die Feder 43 angezogen.
Der Nocken 44 läßt die Stange 6 los, und die Elektroden i und 3 fallen um
eine Zahnteilung herunter.
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Das in Abh. i angegebene Ventil hat alle die oben als notwendig angegebenen
Eigenschaften: Hohe Spannung vor der Zündung (i ooo Volt und mehr), hohe Stromstärke
(fast unbegrenzt), hohe Zündgeschwindigkeit und Schaltgenauigkeit.
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Abb.2 zeigt eine Kollektormaschine, die als Gleichstromgenerator oder
-motor beliebiger Schaltung oder als Wechselstromkollektormaschine oder auch als
Umformer arbeiten kann.
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Der Übersichtlichkeit halber sei die Maschine zunächst als Gleichstrommotor
beschrieben. Die Ankerwicklung 45- liegt im Ständer einer Maschine und kann wie
eine normale Ring- oder Trommelwicklung angeordnet sein. Sie ist in zehn Ankerspulen
unterteilt. Der Läufer 46 ist ein normales Magnetrad, dessen Erregerwicklung nicht
gezeichnet ist, und das vom Hauptgleichstrom, von einem Nebenschlußstrom oder von
einem Fremderregerstrom erregt sein kann, wodurch die Maschine den Charakter eines
Hauptstrommotors, eines Nebenschlußmotors oder eines fremderregten Gleichstrommotors
erhält. Die Ankerwicklungen sind mit ihren Anzapfungen 47 bezüglich an je fünf Bürsten
48 und 49 gelegt. Die Bürsten 48 schleifen auf einem kreisenden Schaltring 50, während
die Bürsten 4.9 auf einem gleichen Schaltring 51 schleifen. Es ist im Verfolge der
Ankerwicklung 45 immer abwechselnd eine Anzapfung an eine zum Schaltring 5o und
die folgende an eine zum Schaltring 51 gehörige Bürste angeschlossen. Die Schaltringe
5o und 51 laufen synchron mit dem Magnetrad 46 und sind mit ihm durch eine verstellbare
Kupplung 52 verbunden. Die Schaltringe tragen je zwei Schleifringe 53 bis 56, die
über Bürsten 61 bis 64 bezüglich mit den gesteuerten Ventilen 57- bis 6o verbunden
sind. Über die Ventile 57 und 58 gelangen die Schleifringe 56 und -53 bezüglich
in Kontakt mit dem negativen Pol 65 der Leitung und über die Ventile 59 und 6o die
Schleifringe 54 und 55 bezüglich in Kontakt mit dem positiven Pol 66 der Leitung.
Die Schleifringe 53 bis 56 sind bezüglich verbunden. mit den Schleifsegmenten 67
bis 7o, die einen Teil der Schaltringe 5o und 5i bilden. Der übrige Teil der Schaltringe
ist von den Teilen 67 bis 70 isoliert. Er wird am besten aus dünnen, voneinander
isolierten Stegen aus demselben Material wie die Segmente 67 bis 70 unter
Zwischenlage von Glimmer kollektorartig aufgebaut. Die beiden Schaltringe
50 und 51 wirken mit der Ankerwicklung und den Bürsten 48 und 49 ganz
ähnlich wie ein normaler Kollektoranker, indem sie gegenüberliegende Ankerwicklungen
in zyklischer Vertauschung an den positiven und negativen Pol der Stromquelle anlegen,
nur haben die Bürsten und die Kollektorstege ihre Rollen vertauscht. Diese Anordnung
hat aber, insbesondere für Maschinen hoher Spannung, den wichtigen Vorteil, daß
der Anker in den Ständer der Maschine verlegt werden kann, wo eine Isolierung gegen
hohe Spannungen wesentlich leichter ist als im Läufer. Da die Spannung höher ist,
als sie bei normalen Maschinen gemacht werden kann, so wird bei gleicher Leistung
die Stromstärke gleichzeitig geringer. Die Bürstenauflagefläche und i damit die
Bürstenreibungsverluste werden daher unter Umständen trotz der größeren Anzahl von
Bürstensätzen pro Polpaar nicht größer, unter Umständen sogar kleiner als bei Maschinen
für normale Spannung. Die Schaltringe 5o und 51 bilden die Schaltorgane, welche
lediglich den Zweck haben, zwischen die Netzpole, an welche die Segmente 67 bis
7o angelegt sind, und die einzelnen Anzapfleitungen der Ankerwicklung 47 periodisch
die notwendigen Isolationsabstände zwischenzuschalten, welche bei den zu bewältigenden
hohen Spannungen einen Überschlag verhindern. Durch den Umlauf der Segmente 67 bis
70 werden die isolierenden Abstände zwischen ihnen und den Bürsten periodisch
-geändert. Die Schaltringe 50 und
5t eignen sich wesentlich
besser für die Herstellung großer Isolationsabstände als normale Kollektoren, da
die isolierten Teile ; i b.74 der Schaltringe ganz oder zum überwiegenden Teil aus
Isoliermaterial leergestellt «-erden können und daher besser isolieren als ein normaler
Kollektor, dessen isolierende Zwischenlagen nur den. geringsten Teil des ganzen
Umfangs ausmachen. Dieser Zweck wird uni. so vollkommener erreicht, je schmaler
die Bürsten 4.8 und .I9 sind. In der Abbildung bedecken die Bürsten daher auch nur
einen Bruchteil des Gesamtumfanges des Schaltringes. Der wichtigere Grund für die
?Möglichkeit der Erzeugung hoher Spannungen bestellt nun aber- darin, daß zwischen
den Segmenten 67 bis 70 einerseits und den Bürsten .18 und .l9 anderseits
keinerlei Zuschaltung beim Bestellen von Potentialdifferenzen und keinerlei Abschaltungen
beim Fließen von Strömen vorgenommen werden. Hierdurch wird die Funkenbildung an
den Schaltringen bei guter mechanischer Ausführung vollkommen vermieden, ebenso
wie bei gut ausgeführten Schleifringen. Durch die V erineidung voll Funkenbildung
all den Schaltringen wird nicht nur die Gefahr des Rundfeuers herabgesetzt, es wird
auch vermieden, daß die Bürsten und Schleifsegmente irgendwie durch Funkenbildung
allgegriffen werden. Überdies kann ein Bürstenmaterial verwendet «-erden, welches,
cla auf die Vernichtung voll Restkommtitierungsspannungen keine Rücksicht genommen
zu werden braucht, sehr gut leitet und daher nnit hoher Aniperezahl pro Ouadratzentinieter
belastet «-erden kann, wodurch die Erwärmung und damit die Größe des Schaltringes
vermindert wird.
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Dein Zweck, den Strornschluli oder die Stromunterbrechung vom Schaltring
wegzunehmen, dienen null die gesteuerten Ventile 57 bis 6o, welche nach Art des
in Abb. i beschriebenen Ventils aufgebaut sein können. Die beschriebenen Ventile
haben die Eigenschaft, in genauem Takt mit anderen periodischen Vorgängen starke
Ströme und verhältnismäßig hohe Spannungen ab- und zuschalten zu können. Die Steuerung
der Ventile gescliieht im Takt mit dem Umlauf des 'Maglietrades 46 etwa dadurch,
daß die Welle 75 (Abb. i) mit jenem unmittelbar oder durch irgendwelche andere Organe
(Zahnräder, Kurbelstangen) gekuppelt ist. Der Einfachlieit halber ist dieser Antrieb
in Abb. 2 nicht gezeichnet. Die Steuerung der Ventile erfolgt derart, daß das. Ventil
vor dein Auflaufen einer Bürste auf eines der Segmente den Lichtbogen gelöscht und
dadurch den Strom .roterbrochen hat. Ist die Bürste aber erst itifgelaufen, so wird
der -Lichtbogen gezün-(lut und fließt dann. wie bei einem Schleifring. Vor dein
Ablauf der Bürste dagegen wird der Lichtbogen wieder gelöscht und dadurch der Strom
unterbrochen. Damit der aus dem Netz kommende und über den Anker fließende Hauptstrom
nicht vollkommen unterbrochen wird, müssen, und zwar an den beiden Polen je zwei
Ventile vorhanden sein, damit bei der Unterbrechung des einen immer im andern Strom
fließt; um dies zu erreichen sin-t vier Ventile vorgesehen, von denen 57 und 58
am negativen und 59 und 6o am positii en Pol des Netzes arbeiten, und voll denen
einerseits 57 und 58 und anderseits 59 und 6o wechselseitig den Strom führen oder
unterbrochen sind. Bei der Überleitung des Stromes voll Ventil 57 auf -Ventil 58
und umgekehrt treteil dabei immer Zeitpunkte ein, in denen in beiden Ventilen gleichzeitig
Strom fließt. Das ist die eigentliche Kommutierungsperiode, in der also der Strom
von dem einen auf (las andere Ventil und damit von einer Bürste 4.8 auf eine Bürste
.l9 übergeführt wird; Die Unterteilung des Schaltorgans in zwei getrennte Schaltringe
5o und 51 hat dabei den Zweck, zu vermeiden, daß es je vorkommen kann, daß eines
der Segmente 67 bis 7o zwei Bürsten 48 oder 49 kurzschließt, so daß durch diesen
Kurzschluß übermäßige Stroinbelastungen und damit Funkenbildung eintreten könnten.
Der Kurzschluß zweierBürsten und damit einer Ankerspule könnte nur über die beiden
Ventile 57 und 58 oder 59 und 6o auftreten, und dort wird er durch die Steuerung
der Ventile verhindert. Der große Vorteil der Anordnung besteht auch darin, daß
die Bürsten ebenso wie bei einem Schleifring auf der ganzen Auflagefläche gleichmäßig
belastet sind, was bei normalen Kollektoren i wegen der Kurzschlußerscheinungei1
in der hommutationszone nicht der Fall ist.
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Zur schnellen Oberleitung des Stromes von einer Bürste des Schaltorgans
5o auf eine Bürste des Schaltorgans 51 oder -von dem Ventil 57 auf das Ventil 58
oder von Ventil 59 auf Ventil 6o können die allgemein bekannten Kommutationsinittel
angewendet «-erden, als da sind: i. Die Verschiebung der zu kommutierenden Spule
unter den Magnetpol. Uin dies ermöglichen zu können, ist die am besten während des
Laufens verstellbare Kupplung 52 angeordnet.
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2. Die Verwendung von Hilfspolen und Kompensationswicklung. Diese
müßten bei einer Maschine nach Abb. 2 auf dem umlaufenden Teil ..16 angebracht und
die Hilfspol-oder Kompensationsströme ebenso wie die Erregerströme durch Schleifringe
zugeführt werden.
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3. Handelt es sich um Maschinen, welche
mit Wechselströmen
betrieben werden, so können, ebenso wie bei den Wechselstromkollektormaschinen,
noch Hilfsmittel, etwa Hilfspole, angeordnet sein, welche .die sogenannte Transformator-E.M.K.
kompenszeren.
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q.. Endlich ist es bei der angegebenen Maschine möglich, alle diese
Kompensationsmittel vollkommen außerhalb der Maschine anzubringen, wodurch sie selbst
vereinfacht wird, indem je zwischen den zu einem Pol gehörigen Ventilen 57, 58 oder
59, 6o besondere Wicklungen 75, 76, 77, 78 angebracht werden, in denen
die erforderlichen Kommutations- oder auch Kompensationsspannungen (letztere bei
Wechselstrommaschinen) erzeugt «-erden. Zu diesem Zweck können diese Wicklungen
75 bis 78 auf Transformatorjochen liegen, denen durch Primärwicklungen 79 und 8o
die geeigneten Felder zur Er zeugung der geeigneten Spannungen z. B. durch eine
besondere Maschine 8.1 aufgedrückt werden. Die in der Maschine 8z erzeugten
Ströme können reine Sinusströme mit Kommutationsperiodenzahl sein. Zur genauen Dosierung
werden sie zweckmäßig nach Größe und Phase regelbar gemacht. Zur Phasenregelung
kann zwischen der Welle des Magnetfeldes 46 und der :Maschine 81 eine verstellbare
Kupplung 82 eingeschaltet sein. Die Phase kann aber auch rein elektrisch durch Anordnung
einer mehrphasigen Gleichstromerregerwicklung in bekannter Weise verändert werden.
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Alle diese Mittel brauchen aber nur dann angewendet werden, wenn besonders
schwierige Bedingungen vorliegen, wie sie bei sehr hohen Spannungen, hohen Periodenzahlen
(Hochfrequenz) oder sehr hohen Leistungen eintreten können. Bei minder schwierigen
Bedingungen kann man unter Umständen ohne irgendwelche besondere Kommutationsmittel
auskommen, da die Ventile imstande sind, starke Ströme bei Spannungen wesentlich
größerer Höhe ohne Schaden für das kommutatorähnliche Schaltorgan abzuschalten,
als dies bei den normalen Kollektoren der Fall ist.
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Umgekehrt kann auch die Verwendung der bekannten Kommutierungsmittel
unter Umständen die Verwendung eines intermittierenden Luftstromes beim Ausblasen
der Ventile ersparen, und man kann an Stelle' eines intermittierenden Luftstromes
einen kontinuierlichen mäßiger Geschwindigkeit verwenden, der nur stark genug ist,
um die Wiederzündung des Lichtbogens zu verhindern, nachdem die Kommutierungsspannungen
den Strom auf Null gebracht haben.
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Aus den vorstehenden Überlegungen folgt auch, daß es nicht notwendig
ist, bei Maschinen nach der Erfindung zur Vermeidung hoher Kon iniutationsspannungen
stark unterteilte Ankerwicklungen mit vielen Ankerspulen pro Polpaar anzuwenden,
daß man vielmehr mit verhältnismäßig geringer Anzahl von Ankerspulen auskommt und
entsprechend verhältnismäßig wenig Bürsten 48 und 49 benötigt. Die @in der Abb.
2 angegebene Anzahl von zehn Ankerspulen kann z. B. schon für gewisse Verwendungszwecke
genügen. Erst diese Tatsache macht die in der Abb. 2 angegebenen Schaltorgane
50 und 51 in Kombination mit gesteuerten Ventilen besonders vorteilhaft,
denn die Anordnung wird um so günstiger, je kleiner die Anzahl der Ankeranzapfungen.
ist, da für jede Anzapfung eine Bürste vorgesehen werden muß. Die Anordnung nach
Abb. 2 ist für mittlere Spannungen bestimmt, sollen aber Höchstspannungen, etwa
Gleichstromhöchstspannungen, erzeugt oder in andere Stromart oder Energieform umgewandelt
werden, so reicht hierzu die Anordnung nach Abb.2 nicht aus. Unter Höchstspannungen
sind dabei Spannungen bis zu Zoo ooo Volt und mehr verstanden.
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Das in Abb. r - beschriebene Ventil reicht auch noch für sehr hohe
Maschinenspannungen aus, da die auf die Ventile kommende Teilspannung verhältnismäßig
gering ist, und da außerdem die abschaltbare Spannung durch Verlängerung der Luftstrecke
oder durch Vermehrung der hintereinandergeschalteten Luftstrecken beliebig vergrößert
werden kann. Dagegen ist die Spannung, welche mit den Schaltringen 5o, 5 1 beherrscht
werden kann, auf mittlere Spannungen beschränkt. Dies ergibt sich aus folgender
Überlegung: Ist aus irgendeinem Grunde die Drehzahl Größe der gegeben, so ist damit
Volpaarzahl auch die Zeit
gegeben, in der ein Segment einmal alle zu einem Polpaar gehörigen Ankerwicklun.gsanzapfungen
oder die zugehörigen Bürsten überstreicht. Da nun die Umfangsgeschwindigkeit aus
mechanischen Rücksichten nicht beliebig vergrößert werden kann, so ist die in dieser
Zeit durchlaufene Strecke begrenzt. Diese räumliche Strecke ist aber gerade der
Überschlagsweg. In Abb. 3 ist nun eine Anordnung angegeben, welche gestattet, wesentlich
größere Überschlagswege in der zur Verfügung stehenden Zeit periodisch herzustellen.
In der Abb. 4 ist dann weiter unten gezeigt, wie die Schaltorgane nach Abb. 3 zur
Erreichung der gemäß der Erfindung angestrebten Wirkung in einer Gesamtanlage angeordnet
werden.
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In Abb. 3 bedeuten 83 und 84 umlaufende Wellen, welche in den Lagern
85 bis 88 gelagert sind; diese Lager sind auf Isolatoren 11
89 befestigt und
können daher hohen Potentialen gegen Erde ausgesetzt werden. In
Abb.3a
ist eilte Seitenansicht eines solchen Lagers dargestellt. Abb. 3b stellt eine Seitenansicht
des Schaltorgans dar, bei der die Lager mit den Isolatoren weggelassen sind. Die
Wellen 83 und 84 tragen bezüglich weit ausladende Arme go und gi; sie werden durch
die mit ihnen gekuppelten Zahnräder 92 und 93, die beide den gleichen Durchmesser
haben, in genauem Synchronlauf gehalten. Die Zahnräder 92 und 93 sind gemäß eitler
besonderen, unten näher zu beschreibenden Konstruktion derart aufgebaut, daß sie
zwischen den Wellen 83 und 84 Isolatoren großer Widerstandsfähigkeit gegen sehr
hohe Spannurlgen bilden. Die beiden Zahnräder 1Lä.minen nun derart, daß sich die
Enden 94 und 95 der Arme go und gi in der in Abb. 3b dargestellten Stellung gerade
treffen. Die Pole, zwischen denen periodisch eine große Isolationsstrecke zwischengeschaltet
werden soll, werden an die Wellen 83 und 84 angelegt. Wird etwa die Welle 83 angetrieben,
so läuft die Welle 8.f mit gleicher Drehzahl um und macht bei jeder Umdrehung einmal
Kontakt durch die beiden Enden 9d. und 95 und stellt in der Zwischenzeit
zwischen zwei Kontaktschlüssen zunächst zunehmend und dann wieder abnehmend einen
großen Isolationsabstand zwischen den beiden Wellen her. Die Kontaktarme go und
gi sind durch die Gegengewichte 96 und 97 ausbalanciert. Die kontaktmachenden Enden
sind derart ausgebildet, daß z. B. das Ende 95 zwischen den beiden federnden Kontaktstücken
98 und 99 wie ein Messerschalter Kontakt macht.
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Die Anordnung nach Abb. 3 hat eine Reihe sehr wesentlicher Vorteile
zur Erreichung des erfindungsgemäß verlangten Endzweckes der Herstellung großer
Isolationsstrecken in sehr kurzer Zeit. Da die Kontaktarme go und 9i vollkommen
frei in der Luft verlaufen, so ist die gesamte durchlaufene Luftstrecke gleichzeitig
Isolationsstrecke. Außerdem aber können die Kontakte 95 oder 98 und 99 mit
sehr großer Geschwindigkeit bewegt werden, ohne daß die Relativgeschwindigkeit der
Kontakte 95 einerseits und- der Kontaktfedern 98 und 99 anderseits groß wird, da
die beiden Kontaktarme mit der gleichen Umfangsgeschwindigkeit laufen. Die geringe
Relativgeschwindigkeit ist aber wichtig, weil sonst die Kontakte leicht mechanisch
zerschlagen und dadurch bald betriebsunsicher werden könnten. Die Anordnung nach
Abb. 3 ist ein Schleif- und gleichzeitig ein Messerkontakt, der einen sehr innigen
Stromschluß herstellt und für fast beliebig hohe Stromstärken ausgeführt werden
kann. In der Abb.3b sind die Schaltmesser mit verhältnismäßig geringer Ausdehnung
in Richtung des Umfangs angegeben. Man kann die Schaltmesser auch mit größerer Ausdehnung
in Richtung des Umfanges ausführen, wie durch die gestrichelten Ansätze angedeutet
ist. Macht man dann.gleichzeitig die Summe der Radien r1 und r2 der Schaltmesser
nur wenig größer als #die Achsenentfernung A-B, so kann man für eine gegebene Schaltzeit
die Relativbewegung der beiden Kontakte beim Berühren fast beliebig klein machen.
Das ist wichtig, falls mit Rücksicht auf sehr große Spannungen und daher großeAchsenabständedieUmfangsgeschwindi,gkeiten
groß werden. Für ganz besonders hohe Spannungen kann es zweckmäßig sein, auf jeder
Welle zwei um igo° versetzte Arme anzubringen und dann die Wellen mit der halben
Drehzahl laufen zu lassen, da in diesem Fall bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit
die Arme doppelt so lang gemacht "werden können. Man kann auch drei oder mehr Arme
auf beiden Wellen anordnen. Die Umlaufzahl muß dann entsprechend kleiner gemacht
werden, um die gleiche Anzahl von Stromschlüssen pro Sekunde zu erhalten. Vier Arme
ergeben die größte Maximalentfernung bei gegebener Umfangsgeschwindigkeit und Periodenzahl.
Zur Herstellung größerer Isolationsfähigkeit der beiden Arme und Wellen gegeneinander
können dieselben mehr oder weniger vollkommen mit Isolationsmaterial umgeben sein,
ebenso die Gegengewichte 96 und 97. Demselben Zweck dienen Isolationsplatten
ioo, welche zwischen den umlaufenden Armen feststehen. Auch können die Schaltorgane
in besondere Kammern eingeschlossen werden, in denen sich besonders gereinigte und
getrocknete Luft oder auch Druckluft oder ein anderes Gas befinden. Die kreisenden
Arme müssen völlig synchron laufen, erstens gegeneinander und zweitens mit dein
Maschinenanker und der Ventilsteuerung. Dies ist nun durch Zahnräder oder ähnliche
kraftschlüssige Vorrichtungen zu erreichen. Gleichzeitig tilüssen die Zahnräder
die hohen Potentialdifferenzen aushalten; zu diesem Zweck können dieselben nach
Abb. 3 und 3b aufgebaut sein. Die Zahnkränze ioi können aus Metallringen bestehen.
Diese sind auf konzentrische Ringe io2 aufgezogen, welche abwechselnd aus Stahl
und Isolierstoff bestehen. Am besten werden die Stahlringe vollkommen in Isolierstoff
(Pertinax, Hartpapier o. dgl.) eingeschlossen. Dieser Aufbau ergibt sowohl elektrisch
als auch mechanisch die zweckentsprechenden Verhältnisse. Es ist vorteilhaft, jeden
Ring einzeln auf den vorigen aufzupressen.
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Die Schaltorgane nach Abb.3 können für die höchsten bisher betriebsmäßig
mit Wech- i selstrom erzeugten Spannungen und darüber hinaus hergestellt werden.
Prinzipiell ist
aber die Grenze fast beliebig dadurch zu erweitern,
daß mehrere dieser Schalter hintereinandergeschaltet werden.
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Durch Verbindung dieses Schaltorgans mit dem beschriebenen Ventil
ist im Prinzip die Möglichkeit gegeben, alle Spannungen zu- beherrschen. Um sehr
hohe Spannungen zu erzeugen, ist es zweckmäßig, die einzelnen Ankerspulen in ruhende
Transformatoren, gegebenenfalls Öltransformatoren, zu verlegen. Die Erregerfelder
können in diesem Fall durch Wechselströme erzeugt werden, ähnlich dem Drehfeld in
einem asynchronen Motor. Die Transformation muß in diesem Falle nur mit ebenso vielen
Phasen erfolgen, als Ankerspulen vorhanden sein müssen. Eine derartige Anordnung
ist naturgemäß nur bei Stromumformungen, nicht aber bei Umformung von elektrischer
in mechanische Energie oder umgekehrt möglich.
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In Abb. 4 ist eine Anordnung beschrieben, die zur Erzeugung oder Umformung
von Strömen sehr hoher Spannung geeignet ist. Der Übersichtlichkeit halber ist eine
umlaufende Maschine dargestellt. Das Erregerfeld 103 kreist in dem ruhenden Anker,
der durch die Ankerwicklungen 104 dargestellt ist. Der Anker hat acht Ankerspulen.
Jede der acht mit I bis VIII bezeichneten Anzapfungen ist an eines der Schaltorgane
i05 angeschlossen, welches in der in Abb. 3 dargestellten Weise aufgebaut ist. Von
den in der Abb. 3 dargestellten Schalthebeln sind auf den Wellen 107 und io8 je
vier, und zwar voneinander isoliert, aufgebracht. Die einzelnen Ankeranzapfungen
sind durch Schleifringe mit den einzelnen Schalthebeln verbunden. Die elektrisch
miteinander verbundenen Schleifringe, Schalthebel und Anker anzapfungen tragen die
gleichen römischen Zahlen I bis VIII. Die Abb. 4b ist eine Seitenansicht der Schalthebel
113, io8 und 114, die Abb. 4a eine Seitenansicht der Schalthebel i i2,
1 07 und i i i. Auch in den Seitenansichten sind die bezüglichen Schalthebel
mit den Zahlen I bis VIII bezeichnet. Man erkennt, daß die Schalthebel auf der Welle
achsial und außerdem im Winkel gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Wellen
der Schalthebel laufen mit derselben Drehzahl wie das Magnetrad 103 und sind mit
diesem unmittelbar gekuppelt oder durch die Zahnräder io6 gleichlaufend angetrieben.
Die Schalthebel auf der Welle io7 kämmen mit je vier Schalthebeln auf den Wellen
112 und i i i, die Schalthebel der Welle io8 mit Schalthebeln auf den Wellen 113
und 114-Die Schalthebel der Welle i i2 sowohl als auch die der Welle i 13
sind alle vier leitend verbunden und über die gesteuerten Ventile 115
und i 16 nach Abb. i an den negativen Pol i i9, die Schalthebel i i i und
114 bezüglich über die Ventile i 17 und z 18 an den po-sitiven Pol
i2o der Leitung angeschlossen. Die einzelnen Schaltarme auf den Wellen io7, io8
und i i i bis 114 sind gegeneinander versetzt angeordnet. In Abb.4a sind die Wellen
1i2, 107 und i i i mit ihren Armen, in Abb. 4b die Wellen 113, io8
und 114 mit ihren Armen in Seitenansicht dargestellt. Die Stellungen dieser Arme
zueinander sind aus diesen Abbildungen zu ersehen. Dreht sich nun der Erregermagnet
103 finit den Wellen und ihren Armen, so machen die einzelnen Schaltarme genau die
gleichen Kontakte wie die Bürsten eines Ankers auf den Kollektorstegen. Dadurch,
daß mit jeder der Wellen io7 und io8 j e zwei Schaltwellen mit deren Armen kämmen,
werden. die Ankeranzapfungen in zyklischer Vertauschung einerseits an den positiven,
anderseits an den negativen Pol der Leitung angeschlossen. Durch die Ventile werden
die Leitungspole immer abwechselnd an die in der Zeichnung rechts oder links vom
Erregerrad liegenden Schalthebelsysteme angeschlossen ebenso wie bei den Schaltringen
5o und 5, in Abb. 2. Hierdurch wird die Kommutation erzielt, d. h. es wird
erreicht, daß die Schalthebel nur strom- lind spannungslos schalten.
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Wie schon oben erwähnt, kann sowohl die in Abb. 2 wie die in Abb.
4 dargestellte Maschine auch als Umformer, beispielsweise als Gleichstrom-Drehstromumformer,
verwendet werden. Für diesen Verwendungszweck haben die gemäß den Abb. 2 und 4 aufgebauten
Maschinen noch einen ganz besonderen Vorteil, der so wichtig ist, daß es durch ihn
überhaupt erst möglich_ gemacht wird, derartige Umformer mit uhenden Ankerwicklungen,
die die Vorbedingung für hohe Spannungen bilden, auszuführen. Es läßt sich bekanntlich
nicht erreichen, daß zwischen einem durch elektrischen Mehrphasenstrom erzeugten
Drehfeld und dem mechanisch durch dieses Drehfeld angetriebenen Synchronmotor völliger
Synchronismus besteht, da die mechanische Trägheit sowohl ein Nachhinken bei Frequenzänderungen
als auch Pendelungen im Gefolge hat. Durch eine Reihe an sich bekannter Mittel kann
man diese zeitweissen und periodischen Phasenunterschiede klein machen; sie vollkommen
zu vermeiden, ist unmöglich. Diese Tatsache bildet den Hauptgrund, daß es bisher
niemals gelungen ist, Umformer mit kreisenden Bürsten, also ruhender Ankerwicklung,
in dauernd einwandfreiem Arbeiten zu erhalten. Bei den Maschinen gemäß der Erfindung
ist dieser Übelstand dadurch beseitigt, daß alle Vorgänge, welche mit der Kommutierung
im Zusammeniange stehen, völlig synchron erfolgen können, lein die Zündung und Ausblasung
des Licht-
Bogens, die Erregung der Kommutierungswicklung (Abb.
2: 75, 76, 79, 77, 78 und go), die Drehung der Schaltorgane (Abb.
2: 5o und 51) sind von Strömen oder mechanischen Umdrehungen abhängig, welche'durch
eine gemeinsame Welle (s. Abb. 2) vollkominen starr aneinander- gebunden sind. Unterschiede
in der Phase können also nur mehr auftreten zwischen dem Hauptfeld und den Kommutierungsvorgängen.
Man hat es aber in der Hand, die Kommutierungsspannungen so groß zu machen, daß
sie von den Schwankungen des Hauptfeldes nicht bee:influßt werden.
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Ein wichtiger Vorteil der beschriebenen Kombination ist noch der,
daß im Gegensatz zu der bekannten Kollektormaschine bei den neuen Anordnungen die
Polzahlen oder die Drehzahlen der Schaltorgane und der eigentlichen Maschine (Magnetrad,
Anker) nicht die gleichen sein brauchen': Es könnten z. B. Magnetrad und Anker zwölfpolig
sein und das Magnetrad mit 5oo Touren pro Minute umlaufen, so daß die Periodenzahl
der Ankerströme c- 500-12 - 5o wäre, während die 2-60
Schaltringe
(Abb.2) oder die Schalthebelwellen (Abb. 3 und 4.) mit 3ooo Touren pro Minuten umliefen.
In diesem Falle müßten nur die Wicklungen der sechs Polpaare in Reihen- oder Parallelschaltung
gemeinsam an die Schalthebel usw. geführt sein. Zwischen dein Magnetrad und den
Schaltorganen müssen in diesem Fall mir Getriebe (Zahnräderübersetzungen) eingeschaltet
sein, welche die Tourenübersetzung von z : & bewirken, dabei aber einen völligen
Synchronismus aufrechterhalten. Das Verhältnis der Drehzahl zwischen Maschine und
Schaltorgan muß derart sein, daß die Schaltorgane genau bei jeder Periode einmal
jede Ankeranzapfung an jeden Netzpol anschließen. Diese vergrößerte Freiheit in
der Wahl der Drehzahlen für Maschine einerseits und Schaltorgane anderseits kann
unter gegebenen Verhältnissen von größter Wichtigkeit für den Entwurf vor, Anlagen
nach der Erfindung sein. wie V den was Unabhängigkeit in Drehzahl Ein zweiter wesentlicher
Vorteil liegt darin, daß der stromerzeugende Teil der Maschine von der Schaltvorrichtung
(Kollektor), abgesehen von einer Zuleitung durch fest verlegte Leitungen und von
mechanischer Verbindung zum Zwecke der Erreichung des Synchronlaufes, getrennt werden
kann; vor allem, daß -der stromerzeugende Teil (Magnetfeld und Anker)- nicht mit
dem Schaltorganismus zwischen zwei Lagern auf derselben Welle untergebracht sein
muß. Dieser Vorteil sich in verschiedener Weise -In erster Linie lassen sich Generatoren
und Motoren in ebenso großen Einheiten bauen -Wechselstromsynchron- oder -Asynchronmaschinen.
Dies bedeutet erstens eine ergrößerung der maximal herstellbaren Leistung pro Maschineneinheit
auf das Vielfache, insbesondere bei Turbomaschinen; zweitens können beispielsweise
Bahnmotoren wesentlich größerer Leistungen zwischen Laufrädern untergebracht werden,
die Möglichkeit im Bau von Triebwagen und Lokomotiven ganz wesentlich vergrößert
und diese verbessert, verbilligt und leichter zu bauen gestattet. In beiden Fällen
spielt auch die größere der von Maschine und Schaltorgan eine wesentliche Rolle.
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PATENT E