DE45808C - Ankerbewickelung für Dynamomaschinen - Google Patents

Description

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KAISERLICHES Ä|||ä PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21: Elektrische Apparate.

W. FRITSCHE in BERLIN. Ankerbewickelung für Dynamomaschinen.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 19. Juni 1887 ab.

Die bekannten Dynamomaschinentypen unterscheiden sich durch die charakteristische Art der Bewickelung ihrer Anker. Alle bis jetzt gebauten Gleichstrommaschinenanker sind Abarten des Ring- oder Trommelankers, demnach giebt es nur zwei Maschinengrundtypen, denen sich die Brush-Maschine und die Thompson-Houston-Maschine als Unterabtheilungen anschliefsen.

Die erste und naheliegendste Ankerconstruction ist der Pacinotti'sche Ringanker, bei welchem der geschlossene isolirte Leiter einfach in Schleifen gelegt als eine in sich zurücklaufende Spirale über einen Ring gewickelt ist. Die zur Fortführung der in den einzelnen Umwindungen des Ankers bei dessen Rotation durch ein magnetisches Feld entstehenden Inductionsströme erforderlichen Ableitungen sind beim Ringanker verhältnifsmäfsig bequem durch radial liegende Drähte, die mit den Commutatorsegmenten verbunden sind, auszuführen. Der grofse Vorzug des Ringankers, die Einfachheit seiner Bewickelung hat ihm trotz gewisser Mangel grofse Verbreitung verschafft und sind die verschiedensten Constructionen erdacht, um die Nachtheile des Ringankers, nämlich die schwierige und unsichere Befestigung des Ringes mit der Rotationsachse und die theilweise ungünstige Lage der Windungen zu der Richtung der Kraftlinien des magnetischen Feldes, zu umgehen. Der Vortheil des Ringankers, nämlich denselben ohne Weiteres so bewickeln zu können, dafs während der Rotation bei jeder Stellung desselben gleich viel Windungen oder Schleifen (wenn unter Schleife derjenige Theil des ganzen Leiters verstanden wird, welcher zwischen je zwei Commutatorsegmenten liegt) durch das magnetische Feld geführt werden, wird indessen illusorisch, wenigstens in den meisten Fällen, aber ganz besonders dann, wenn der Ring durch Arme mit der Rotationsachse verbunden wird.

Bei Nichterfüllung der Bedingung, dafs bei jeder Stellung des Ankers gleich viel Windungen von den Kraftlinien geschnitten werden, ergeben sich Differenzspannungen, welche bekanntermafsen Stromschwankungen undFunkenbildung zur Folge haben.

Da es aufserdem nicht immer gelingt, die Windungen ihrer ganzen Länge nach der intensiven Wirkungssphäre des magnetischen Feldes auszusetzen, so ist man bemüht gewesen, einen Ersatz für den Ringanker zu beschaffen: es entstand der v. Hefner-Alteneck 'sehe Trommelanker. Bei der Trommel sind die einzelnen Schleifen, von denen beim Ringanker nur der am ä'ufseren oder inneren halben Umfang des Ringquerschnittes liegende Theil als wirksame Inductionslänge erscheint, fast ihrer ganzen Länge nach der Wirkungssphäre des magnetischen Feldes ausgesetzt. Es bildet beim Trommelanker jede Schleife ein Rechteck, deren beide langen Seiten als Erzeugende des Cylinders zu betrachten sind, also parallel zur Achse liegen, während die kurzen Seiten gleich dem Durchmesser des Grundkreises sind.

Eine gewisse Anzahl solcher Schleifen, welche natürlich einen in sich geschlossenen Leiter bilden müssen, auf Mantel und Stirnflächen eines Cylinders zu befestigen, so dafs allen schon oben bei Besprechung des Ringankers

angedeuteten Forderungen genügt wird, bringt gewisse Schwierigkeiten mit sich.

Die Trommelbewickelung wird am klarsten, wenn man sich dieselbe aus einzelnen rechteckigen Schleifen zusammengesetzt denkt.

Während beim Pacinotti'schen Ring der eine Schleife bildende Leitertheil seiner ganzen Lange nach stets nur durch das Wirkungsfeld eines Poles geht, ist die ganze Trommelschleife während der Rotation des Ankers zugleich der Wirkung beider Pole ausgesetzt, wobei zunächst nur zweipolige Maschinen angenommen werden sollen.

Um nun im äufseren Stromkreis einen möglichst constanten Strom, der sich aus lauter gleichwerthigen Inductionsimpulsen zusammensetzt, zu erhalten, müssen die beiden langen Stäbe der rechteckigen Schleife so auf den Cylinder gelegt werden, dafs die in denselben entstehenden, sich unterstützenden Ströme so viel wie möglich gleich sind. Zwei mit einander über die Stirnflächen verbundene Stäbe müssen, da die Pole parallel der Achse liegen, symmetrisch zu dieser angeordnet sein, es sind mithin zwei diametral gegenüberliegende Stäbe, zu verbinden, denn diese werden unter gleichen Verhältnissen von den Kraftlinien geschnitten. Diese Forderung ist zunächst mafsgebend für das Bewickelungsschema des Trommelankers, ferner ist für eine bequeme Ableitung der in ' den einzelnen Schleifen entstehenden Inductionsströme zu sorgen und das Leitungsmaterial möglichst gleichmäfsig um den Cylinder zu vertheilen, damit bei der Rotation keine Stöfse auftreten.

Das Bewickelungsschema des Trommelankers nach v. Hefner-Alteneck wird durch Fig. ι veranschaulicht. Die Trommel ist perspectivisch gezeichnet, auf derselben liegen 20 Stäbe, welche, an io Commutatorsegmente anschliefsend, zu io Schleifen vereinigt werden sollen. Geht man vom Commutatorsegment I aus und verbindet dasselbe über die vordere Stirnfläche durch ein Curvenstück mit dem vorderen Ende des Stabes i, so wird das hintere Ende desselben Stabes dann über die hintere Stirnfläche mit Stab 2 zu verbinden und von dem noch freibleibenden Ende des Stabes 2 ein ähnliches Verbindungsstück zum Commutatorsegment II zu führen sein; hier schliefst sich nun direct durch Verbindung des Commutatorsegmentes II mit dem Stab 3, der seinerseits wieder mit Stab 4 vereinigt ist, die zweite Schleife an und so fort, bis schliefslich die zehnte Schleife, in Stab 20 endend, wieder mit dem Commutatorsegment I verbunden ist.

Wie die Fig 1 zeigt, sind durch diese Vereinigung der einzelnen Stäbe zu Schleifen, die insgesammt eine in sich geschlossene Wickelung bilden, welche als Schleifenbildung bezeichnet werden soll, zwei symmetrisch um die Achse gruppirte Windungen entstanden, welche in dem Schema durch ausgezogen gezeichnete und durch punktirtc Linien scharf gekennzeichnet sind. Die mit gleichen Strichen gezeichneten Schleifen bilden Wickclungslagen, von denen die eine an die eine Hälfte der Commutatorsegmente, die andere an die übrigen Segmente angeschlossen ist. Diese beiden Wickelungslagen sind charakteristisch für die continuirliche Bewickelung des Trommelankers; sie liegen in Wirklichkeit über einander, denn nur dadurch wird die erforderliche Verbindung aller wirklich diametral gegenüberliegenden Stäbe ermöglicht. Nur um dem Verständnis zu Hülfe zu kommen, sind in der Figur die Drähte gegen einander verschoben gedacht, so dafs sie in einer Ebene dargestellt erscheinen. In Wirklichkeit liegen auf der einen Cylinderhälfte z. B. die punktirt gezeichneten Drähte oben, also von der Cylinderachse am entferntesten, die mit durchzogenen Linien markirten unten, also der Cylinderachse am nächsten, auf der anderen Hälfte umgekehrt. Denkt man sich nun die obere Drahtlage gegen die untere nach rechts verschoben, so liegen die punktirten Stäbe auf der einen Hälfte des Mantels rechts neben den ausgezogen gezeichneten, auf der anderen Mantelfläche umgekehrt, wenn man von links nach rechts um den Cylinder geht.

Da zur Veranschaulichung der wirklichen Wickelung stets das in einer Ebene darstellbare verzerrte Bild gezeichnet werden mufs, so liegt es nahe, statt des complicirten perspectivischen Bildes ein einfaches geometrisches Schema zu zeichnen, welches erhalten wird, wenn man den Mantel des Cylinders abrollt und in die Papierebene ausbreitet. In Fig. 2 ist dies geschehen, das mittlere Rechteck AB C D stellt den Trommelmantel dar, auf welchem die einzelnen Stäbe in gleichen Abständen parallel neben einander liegen; die Stäbe sind ebenso wie in Fig. 1 numerirt.

Die erste Schleife erhielt man aus Stab 1 und 2. Die Verbindung beider Stäbe auf der vorderen Stirnfläche mit den Commutatorsegmenten I und II, sowie auf der hinteren mit einander, die in Fig. 1 durch über die Grundkreise gezogene Sehnen bewerkstelligt wurde, kann man bei der geometrischen Fig. 2 entweder durch einen Bogen oder durch eine gebrochene Linie, wie in Fig. 2 geschehen, darstellen. Man gelangt dann, von Segment I ausgehend, über Stab 1 und 2 und die gebrochenen Linien nach Segment II. Die Verbindung des Stabes 2 mit Stab 3 über die vordere Stirnfläche ist unterhalb des Rechtecks ABCD ebenfalls durch eine gebrochene Linie gekennzeichnet, an deren Knick das Commutatorsegment durch einen kurzen Strich markirt ist, und zwar sind die Commutatorsegmente

entsprechend den Wickelungslagen durch ausgezogene oder punktirte Linien bezeichnet. Vom hinteren Ende 3 schreitet man fort, abwechselnd unter- und oberhalb des Rechtecks ABCD, ebenso wie in Fig. 1 über die Stirnflächen, wobei schliefslich der Stab 20 mit dem Stab ι vereinigt wird.

Ein Vortheil dieser schematischen Darstellung, die einfache geometrische Figur, dürfte ohne Weiteres einleuchten; ein besonderer Vorzugist aber noch der, dafs man die Lage der Pole sehr Übersichtlich veranschaulichen kann, was in Fig. 2 durch Schraffur geschehen ist. Wie aus der Figur ersichtlich, greift jede Schleife durch die Wirkungssphäre beider' Pole.

Die Fig. 2 giebt nun aber nicht lediglich eine neue, in verschiedener Richtung vortheilhafte schematische Darstellung der längst bekannten Schleifenwickelung nach v. Hefner-Al te η eck, sondern sie weist auch auf die Ausführbarkeit der ganzen Bewickelung lediglich auf dem Mantel der Trommel hin, man braucht hierzu das Schema nur auf einen Cylinder aufzurollen, hat also nur nach Biegimg des Drahtes oder Kröpfung der Stäbe nach diesem Schema für eine geeignete Befestigung der Drahtlagen zu sorgen. Es ist klar, dafs dabei die beiden Wickelungslagen entweder über einander, z. B. aus flach liegenden Stäben, oder neben einander aus hochkant stehenden Stäben angeordnet werden können.

Man kann ferner aus dem eben erläuterten Schema eine neue Wickelung ableiten, welche eine weittragende Bedeutung für den Bau von Dynamomaschinen, besonders auch für grofse, vielpolige Maschinen hat.

Jede Schleife der v. H ef η er-Al te η eckschen Trommelwickelung, die in Fig. 1 als Rechteck erschien, war in Fig. 2, als aus einem je nach einer Seite hin zweimal gekröpften Stabpaar bestehend, veranschaulicht; läfst man nun die parallel zur Achse liegenden Theile fort, schiebt also die Verbindungslinien, die aufserhalb des Rechtecks ABCD liegen, zusammen, so erhält man, wie Fig. 3 zeigt, statt der rechteckigen Schleifen der Fig. 1 rhombische Schleifen, welche von Commutatorsegment zu Commutatorsegment fortschreitend eine continuirliche Schleifenbewickelung ergeben. Die Polschuhe erhalten hierbei zweckmäfsig eine rhombische Form.

Das Schema Fig. 3 könnte ebenfalls lediglich auf dem Mantel der Trommel ausgeführt werden, jedoch blieben bei der praktischen Ausführung die beim Zusammenschieben der geneigten Verbindungsstäbe entstandenen Knickpunkte in der Mittelebene der Trommel unbequem.

Betrachtet man jedoch die Fig. 3 genauer und zeichnet in die einzelnen Schleifenstäbe die Richtung des Stromlaufes in den beiden auch hier durch verschiedene Striche gekennzeichneten Gruppen, welche natürlich parallel geschaltet sind, durch Pfeile ein, der Strom mag z. B. bei I ein-, bei VI austreten, so gelangt man auf ein sehr einfaches, praktisch leicht durchführbares .Wickclungsschema.

Vom Commutatorsegment 1 ausgehend, mufs der Strom durch alle punktirt und ausgezogen gezeichneten Schleifen eontinuirlich verlaufen, um beim Commutatorsegment VI in den äufseren Stromkreis übertreten zu können.

Wie ersichtlich, hat der Strom in allen von rechts nach links bis zur Mittelebene der Trommel ansteigenden Stäben der einen Gruppe (der punktirten) gleiche Richtung und dieselbe Richtung in den von der Mittelebene von rechts nach links ansteigenden Stäben der anderen Gruppe; ferner ist der Strom gleichgerichtet in allen noch übrig bleibenden Stäben beider Gruppen. So ist z. B. der Strom gleichgerichtet in den beide Pole durchkreuzenden Stäben i, 12, Ii und 2, welche paarweise zwei verschiedenen rhombischen Schleifen angehören.

Der Stab 1 geht vom Commutatorsegment I aus, der Stab 2 berührt das Commutatorsegment II, und man kann daher, statt den Strom auf dem Umwege durch mehrere Schleifen vom Commutatorsegment I nach II zu führen, wobei er in den gleichgeführten Stä'ben i, 12, 11 und 2 dieselbe Richtung hat, diese Stäbe so mit einander verbinden, dafs der Strom direct vom Segment I nach II gelangt, d. h. also den ausgezogenen Stab ι direct in den punktirten Stab 12 übergehen lassen, diesen mit 11 verbinden (wie es jetzt schon ist) und den Stab ι ι mit 2 vereinigen, wie dies in Fig. 4 geschehen ist.

Auf diese Weise erhält man die neue, eigenartige Bewickelung, welche aus lauter geraden Stäben besteht, die von der vorderen zur hinteren Stirnfläche des Mantels ohne jegliche Kröpfung durchlaufen.

Wie die Fig. 4 erkennen läfst, markiren sich auch hier, entsprechend den durch verschiedene Linien gekennzeichneten Schleifen, wie in Fig. 1, zwei Gruppen, die an je eine Hälfte der Commutatorsegmente angeschlossen sind.

Bei der weiteren Betrachtung der neuen Trommelankerbewickelung ist nunmehr die Vorstellung, dafs die continuirliche Bewickelung aus einzelnen Schleifen zusammengesetzt ist, fallen zu lassen; die Fig. 4 zeigt, dafs die Verbindung des Commutatorsegmentes I mit Segment Il durch das der Inductionswirkung beider Magnetpole unterworfene Leiterstück nur einmal gekröpft ist; die Verbindung wird einfach durch ein Paar gerader Stäbe gleicher Länge, die gewjssermafsen eine Welle bilden, hergestellt und ebenso die Vereinigung aller übrigen Commutatorsegmente.

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Zu der Vorstellung dieser Wellenform gelangt man ohne Weiteres, wenn man sich die auf- und absteigenden Verbindungslinien von Wellenberg und -Thal als Curven von unendlich grofsem Krümmungsradius vorstellt. Ein beweglicher Punkt würde dann in einer solchen Wellenlinie sämmtliche Commutatortheile in natürlicher Reihenfolge durchlaufen und zum Ausgangspunkte zurückkehren.

Die neue, eben abgeleitete Wickelung kann man mithin nicht mehr als Schleifenwickelung" kennzeichnen, sondern es eignet sich für dieselbe der passendere Name »Wellenwickelung«.

Durch die Wellenwickelung ist ebenso gut wie durchs die Schleifenwickelung die Bedingung erfüllt, dafs die zwischen je zwei Commutatorsegmenten liegenden Leiterbruchtheile so durch die Wirkungssphäre beider Pole geführt sind, dafs in ihnen bei der Rotation des Ankerkörpers gleichwerthige elektromotorische Kräfte und sich unterstützende gleichgerichtete Ströme entstehen.

Die Wellenwickelung läfst sich wie folgt kennzeichnen:

Es werden zur Erzielung einer continuirlichen Ankerbewickelung einzelne Drähte oder Stäbe gleicher Länge in zwei verschiedenen Gruppen nach VVellenlinien auf der Mantelfläche einer Trommel von einer Stirnfläche zur anderen gelegt, wobei zur Erzielung der symmetrischen Lage eines Stabpaares (entsprechend den diametral liegenden Stäben in Fig. i) zu den magnetischen Feldern stets eine gleiche Anzahl Knotenpunkte auf beiden Grundkreisen des Mantels übersprungen werden mufs, so dafs schliefslich, nachdem sämmtliche Knotenpunkte berührt sind, der letzte Stab wieder zum Anfangsknotenpunkt bei natürlicher Reihenfolge im Durchlaufen der Commutatorsegmente zurückläuft.

Diese Charakteristik gilt ganz allgemein sowohl für die Bewickelung von zwei- als auch vielpoligen Ankern, auch sogar, wie später zu zeigen, für Ring- oder Scheibenanker.

Ehe zur Betrachtung der vielpoligen Anker übergegangen wird, soll die Wellenwickelung mit Hülfe der Fig. 5 von einem anderen Gesichtspunkt aus hergeleitet und dabei der Fundamentalunterschied der Schleifen- und Wellenwickelung nochmals gekennzeichnet werden.

Wie bereits angedeutet, kommen bei der neuen Wickelung keine quadratischen, rechteckigen oder sonst einer geschlossenen geometrischen Figur vergleichbare Schleifen zwischen den benachbarten Commutatorsegmenten vor, sondern es schreitet der Leiter in Wellenlinien von Commutatorsegment zu Commutatorsegment fort. Nun kann man aus Fig. 2 dadurch eine neue Wickelung ableiten, dafs man das Commutatorsegment I unterhalb des Rechtecks ABCD mit dem Stab 1, wie in Fig 2, verbindet, den Stab 1 aber über die hintere Stirnfläche, also oberhalb des Rechteckes dadurch mit Stab 2 vereinigt, dafs man den Draht am oberen Endpunkte von Stab 1 nicht nach rechts herumführt, sondern nach links, Fig. 5, dann knickt und, vom Knickpunkte abfallend, zu dem oberen Ende von Stab 2 geht, so dafs also das Commutatorsegment I in vorschriftsmäfsiger Weise, allerdings auf anderem Wege als in Fig. 2, mit dem Commutatorsegment II verbunden ist. Verfolgt man dies Verfahren weiter, so gelangt man schliefslich wieder bei Stab ι an. Bei dieser Wickelung hat man lediglich die Schleifen zu Wellenlinien aus einander gezerrt, jedoch ebenso gut wie in Fig. 1, 2, 3 und 4 die Aufgabe gelöst, dafs gleiche Inductionslängen gleichmäfsig über dem Cylindermantel vertheilt sind.

Die Fig. 5 geht auch aus der Fig. 4 direct hervor, wenn man einfach den Entwickelungsgang umkehrt, mittelst dessen Fig. 3 aus Fig. 2 hervorging. Fig. 4 also durch eine Mittelebene in der Längsrichtung schneidet und die eine Hälfte senkrecht zur Schnittebene verschiebt, wobei die Schnittpunkte der Stäbe gerade Linien beschreiben, welche die auf der Mantelfläche befindlichen, der Achse parallelen Stäbe in Fig. ι darstellen.

Würden Anker nach dem Schema Fig. 2 und Fig. 5 ausgeführt, deren Bewickelung z. B. aus einzelnen Stäben besteht, so werden, wenn man sich beide Schemas, so. wie sie dargestellt sind, auf einen Cylindermantel aufgerollt denkt, bei der Ausführung nach Fig. 2 die Stäbe zweimal nach derselben Seite hin' gekröpft sein müssen, also die nicht parallel zur Achse liegenden Theile auf beiden Seiten in verschiedenem Sinne als Schraubenlinien um den Cylinder gehen, während bei der Ausführung nach Schema Fig. 5 die Stäbe nach zwei verschiedenen Seiten gekröpft sind; beide Enden laufen also als Links- oder Rechtsgewinde um den Cylinder.

Es liegt auf der Hand, besonders nach den voraufgegangenen Betrachtungen, dafs man das Schema Fig. 5 nicht vortheilhaft verwirklichen wird, sondern dafs man aus demselben sofort das in Fig. 4 gegebene Schema der neuen Wellenwickelung ableitet, indem man die nach zwei Seiten hin gebogenen Stäbe zu geraden Stäben ausreckt, also den geraden Weg dem winkligen vorzieht, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist.

Alle bekannten vielpoligen Dynamomaschinen, die theils mit Ring-, theils mit Trommelanker ausgeführt werden, sind nichts weiter als zwei, vier, sechs oder je nach der Zahl der Polpaare mehrere parallel geschaltete, selbstständige Dynamomaschinen. Am klarsten kann man dies bei Entwickelung einer vielpoligen Maschine aus einer zweipoligen zeigen.

Wie oben auseinandergesetzt, ist es für die Trommelbewickclung der zweipoligen Maschine kennzeichnend, dafs bei der Rotation des Ankers die je eine Schleife bildenden Leitertheile durch die Wirkungssphäre beider Pole gehen.

Umstellt man nun einen Trommelanker mit zwei Polpaaren (also vier Polen) und läfst die eine Schleife bildenden Leitertheile immer nur durch je zwei ungleichnamige Pole gehen, so erhalt man zwei zweipolige Maschinen, welche parallel geschaltet sind. Die vierpolige Maschine ist also auf zwei zweipolige zurückgeführt.

Fig. 7 zeigt die Richtigkeit dieser Behauptung; je zwei zu einer rechteckigen Schleife verbundene Stäbe gehen hier durch je ein Paar Magnetpole; man hat stets mehrere getrennte, durch den Commutator und die Bürsten parallel geschaltete Stromkreise.

Wie jedoch die Fig. 8 erkennen läfst, kann man bei der neuen Wickelung den Leiter als Wellenlinie ohne Weiteres in zwei parallel geschalteten Stromkreisen nach einander durch alle Pole führen und somit eine sehr hohe elektromotorische Kraft erzielen, während dies .bei den bisherigen Wickelungen nur mittelst des mehr oder weniger complicirten Commutators bewerkstelligt werden kann.

Die Fig. 8 giebt das verdoppelte Schema der Fig. 4 für eine vierpolige Maschine. Aus dem Vergleich der beiden Schemas, Fig. 7 und 8, für die Schleifenwickelung und Wellenwickelung einer vierpoligen Maschine geht die bereits präcisirte Charakteristik ganz besonders deutlich hervor; bei ersterer schreitet man von Commutatorsegment zu Commutatorsegment fort, sich immer nur in einer kurzen Schleife im Felde zweier Pole bewegend, während man bei der Wellenwickelung, von Commutatorsegment zu Commutatorsegment fortschreitend, stets in längerer Wellenlinie um den ganzen Ankerkörper durch alle Pole geht.

Die Bewickelung ist, wie bereits bemerkt, sowohl auf Scheiben- wie auf Trommelanker anwendbar und wird im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dafs sämmtliche Drähte oder Stäbe in zwei Gruppen symmetrisch geneigt zur Bewegungsrichtung angeordnet und derart mit einander verbunden sind, dafs man, von einem Punkte ausgehend, entweder sämmtliche Drähte oder einen aliquoten Theil derselben verfolgen kann, um an denselben Punkt wieder zurückzukommen. Bei der Anwendung der Wickelung für Scheibenanker können die Drähte oder Stäbe in Wellenlinien in zwei verschiedenen Ebenen über die Scheibe gelegt werden, so dafs die Verbindung der Enden lediglich auf ein und derselben Seite der Scheibe erfolgt.' Hierdurch ist auch die Möglichkeit geboten, Scheibenanker völlig ohne Kern auszuführen und dennoch eine solide Drahtverbindung herzustellen.

Bei Trommelankern kann die Verbindung der Draht- oder Stabenden lediglich auf dem Trommelmantel erfolgen, so dafs die schwierig herzustellende Führung der Drähte über die Stirnflächen der Trommel völlig vermieden wird.

Die Wirkungsweise der neuen Wickelung im Zusammenhange mit den eigenartig gestalteten Polschuhen läfst sich auf Grund der Fundamentalgesctzc über die Inductionsvorgänge in metallischen Leitern beim Durchgang durch ein magnetisches Feld leicht durch eine graphische Darstellung veranschaulichen, in welcher:

1. die Gröfse der einzelnen Stromimpulse und

2. die Richtung derselben berücksichtigt sind. Die Gröfse der einzelnen Stromimpulse i«t cet.

par. direct proportional der Länge der im Bereich der magnetischen Kraftlinien befindlichen Leitertheile und daher je nach der relativen Stellung des Ankers zu den Polschuhen verschieden. Die Richtung der inducirten Stromimpulse läfst sich nach der von Faraday (s. Kittler, Elektrotechnik, Bd. I, S. 27) aufgestellten, allgemein gültigen Regel für die einzelnen Leitertheile feststellen.

Da nun in der Abwickelung die Leitertheile in ihrer wirklichen Länge zur Erscheinung kommen, so genügt es also, behufs Auffindung der Gesammtgröfse der Inductionswirkung die Stromimpulse in den einzelnen Leitertheilen mit Rücksicht auf Stromrichtung und Länge der Leitertheile in einem Diagramm zusammenzutragen.

Zur Vereinfachung der Aufgabe genügt es, die Anzahl der Leitertheile und der Polschuhe · thunlichst zu beschränken. Es ist deshalb bei der betreffenden Darstellung, Fig. 17 und 18, welche die Abwickelung einer Trommelwickelung nach Fig. 6 bez\v. 4 wiedergiebt, vorausgesetzt, dafs jede Schleife nur sechs Stabe oder Leitertheile 1 bis 6 bezw. 7 bis 12 enthält.

Die beiden Polschuhe A¹ B' C¹ D¹ und E¹ F¹ G¹H¹ sind hier durch rechteckig begrenzte Flächen angedeutet, um gleichzeitig den Einflufs der Form der Polschuhe nachzuweisen.

Die Polschuhe mögen ein homogenes magnetisches Feld bilden, wobei die Kraftlinien so gedacht sind, dafs sie von oben senkrecht zur Ebene der Zeichnung in das Papier ein- und, durch den Anker hindurchgehend, beim Südpol senkrecht aus der Ebene der Zeichnung wieder heraustreten.

Nach der oben erwähnten Regel von Faraday verlaufen nun unter Einwirkung der so gerichteten Kraftlinien und bei der Drehung des Ankers von links nach rechts, wie dies

durch den Pfeil α" angedeutet ist, die inducirten Stromimpulse in den in die Fig. 16 eingetragenen Pfeilrichtungen.

Die Punkte α und b sind daher Aullagepunkte für die Bürsten, so dafs also der Strom in der Richtung der Pfeile α und β im äufseren Stromkreis verläuft, wobei also die in den beiden Hälften des Ankers inducirten elektromotorischen Kräfte gemeinsam zur Wirkung kommen.

Wegen der oben erwähnten Proportionalität der erzeugten elektromotorischen Kräfte mit der Länge des bewegten Leiters kann man unter der Voraussetzung eines beliebigen Malsstabes in der schematischen Darstellung die in der betreffenden Wirkungssphäre befindlichen Leiterlängen direct auftragen.

In Fig. 18 sind, bei der Bürste α beginnend, die in den continuirlich verlaufenden Leitern i, 2, ·}, 4, 3, 6 und die in den dazu parallel liegenden Leitern 7, 8, 9, 10, 11, 12 erzeugten elektromotorischen Kräfte den erwähnten Pfeilrichtungen entsprechend aufgetragen.

Wie Fig. 18 zeigt, liegt der Leiter 1 theilweise im Felde des Nordpoles N und _#theilweise in dem des Südpoles S. Beide Felder induciren also in dem Leiter 1 entgegengesetzt gerichtete elektromotorische Kräfte, von denen daher nur die Differenz zur Wirkung gelangt. In den Fig. 17 und 18 sind nun die in einem Leitertheil überwiegenden elektromotorischen Kräfte stets durch zwei Pfeilspitzen gekennzeichnet. Trägt man also in Fig. 18 die im nordmagnetischen Felde liegende gröfsere Länge des Leiters 1 als positiv und die im südmagnetischen Felde liegende Länge als negativ auf, so stellt die Länge m'n¹ die resultirende elektromotorische Kraft im Leiter 1 dar. Das Leiterstück 2 ist als Fortsetzung von 1 so durch das Feld des Südpoles geführt, dafs in dem gröfsten Theil desselben eine elektromotorische Kraft entsteht, welche die im Leiter 1 vorwiegende unterstützt. Dieselbe ist also positiv aufzutragen. Ein kleiner Theil von 2 liegt aber schon wieder im Felde des Nordpoles, es entsteht also in diesem Theil eine entgegenwirkende Kraft, welche negativ aufzutragen ist. Durch den Leitertheil.2 ist daher die der Länge n^lo^l, Fig. 18, entsprechende resultirende Kraft dargestellt.

In derselben Weise wird das beschriebene Verfahren nun für alle Leitertheile fortgesetzt, wobei sich für die der ersten parallel geschaltete zweite Hälfte ein ganz analoges Schema ergiebt, Fig. 18.

Die gesammte elektromotorische Kraft erscheint somit nicht als reine Summe, sondern setzt sich mehr oder weniger aus Differenzen zusammen. Fafst man aber in Fig. 17 nur die geneigt schraffirten Flächen der Polschuhe ins Auge, denkt man. sich also die horizontal bezw. vertical schraffirten Ecken der Rechtecke A¹B¹C¹D¹ und E¹F¹G¹W fortgeschnitten, so dafs durch das Schema Polschuhe von rhombischem Querschnitt repräsentirt werden, so ergiebt sich, dafs die durch Doppelpfeilspitzen angedeuteten elektromotorischen Kräfte nur unter dem Einflufs dieser Polschuhe entstehen, während die durch einfache Pfeile angedeuteten Kräfte, welche den Hauplkräften entgegenwirken, stets unter dem Einflufs der horizontal bezw. vertical schraffirten Ecken entstehen.

Da nun diese kleineren gegenwirkenden elektromotorischen Kräfte von elektromotorischen Hauptkräften aufgehoben werden, so erklärt sich leicht die entgegengesetzte Richtung des resultirenden Stromes in zwei benachbarten Drähten, von denen der eine in der einen, der zweite aber in der anderen Hälfte des Ankers liegt.

Aus obiger Betrachtung ergiebt sich ebenso leicht der theoretische Gesichtspunkt, welcher für die Formgebung der Polschuhe mafsgebend ist, denn werden die Eckdreiecke der Polschuhe weggeschnitten, letzlere also der schrägen Lage der Inductionsstäbe entsprechend geformt, so ergiebt sich, dafs entgegenwirkende elektromotorische Kräfte also überhaupt nicht mehr entstehen; die entsprechende graphische Darstellung (Fig. 19) zeigt dann, dafs die gesammte elektromotorische Kraft eine reine Summe ist. Will man also bei gegebener Länge der Ankerwickelung bei Aufwendung eines gewissen Betrages an mechanischer Energie ein Maximum an elektrischer Energie erzeugen, also den günstigsten Nutzeffect erzielen, so ergiebt sich mit zwingender Notwendigkeit die praktische Forderung, den Polschuhen die durch die Windung selbst vorgeschriebene Form zu geben.

Die in den Figuren angegebenen Polschuhformen sind also ganz charakteristisch für die neue Wickelung und stehen in inniger Wechselbeziehung mit derselben.

Fig. 10 zeigt z. B. eine schematische Darstellung der Wickelung für einen achtpoligen Scheibenanker; in Fig. 16 ist eine gleiche Darstellung für einen vierpoligen Trommelanker gegeben. Fig. ι 1 zeigt die praktische Ausführung eines achtpoligen Scheibenankers in Ansicht und Fig. 12 einen Schnitt durch die ganze mit einem solchen Anker ausgerüstete Maschine. Die Fig. 13 und 14 stellen Schnitte durch eine Maschine mit Trommelanker dar, während die Fig. 15 einen solchen Trommelanker mit seiner Wickelung in Ansicht zeigt.

Wie aus Fig. 10 ersichtlich, besteht die Wickelung für den Scheibenanker aus zwei Gruppen von Drähten oder Stäben, weiche in je einer Ebene liegen und am inneren und äufseren Umfang in den Kreisen O und O¹ mit

einander verbunden sind. Die Anzahl der Knotenpunkte ist in beiden Kreisen die gleiche und ist abhängig' von der Anzahl der Pole. Enthält die Maschine η Pole und sollen auf jeden Pol m Knotenpunkte kommen, so ist die Gesammtzahl der Knotenpunkte zweckmäfsig [nm±_ i) bezw. («m± 2) oder (nm±. 3) u. s. w., je nachdem man die Drähte einfach oder zu zweien, dreien u. s. w. parallel anordnet. Bei Nichtbeachtung dieser Regel erhält man Anker, deren Windungstheile keine gleichmäfsigen Längen besitzen, was Stromverluste und Funkenbildung zur Folge haben würde.

In Fig. 10 ist der äufsere und innere Umfang O und O¹ des Scheibenankers der obigen Regel gemäfs in je (8· 10 — 1) = 79 gleiche Theile getheilt, welche die Knotenpunkte bilden. Letztere sind derart mit Ziffern bezeichnet, dafs drei Abtheilungen mit je 20 und eine ,Abtheilung mit 19 Knotenpunkten entstehen. Die Knotenpunkte des äufseren und des inneren Kreises liegen zwar je auf einem Radius, jedoch sind die Ziffern an den EndSn je eines Drahtes oder Drahtelementes infolge der geneigten Anordnung der Drahtelemente um je zehn Knotenpunkte versetzt.

Beginnt man nun bei dem mit α bezeichneten Knotenpunkt 1 des äufseren Kreises O und verfolgt den nach rechts gehenden Drahtstrang, so gelangt man zunächst nach dem um zehn Knotenpunkte weiter rechts liegenden Knotenpunkt ι des inneren Kreises O¹, dann wieder nach dem nächstfolgenden 20. Knotenpunkt vom Ausgangsknotenpunkt α entfernt liegenden Knotenpunkt 1 des äufseren Kreises O u. s. w., immer von einem Knotenpunkt 1 des einen' Kreises nach dem des anderen Kreises, wobei immer 20 Punkte zwischen je zwei gleichbezifferten Knotenpunkten desselben Kreises bleiben., Nachdem auf dem äufseren Kreis O dreimal Zwischenräume von je 20 Knotenpunkten gelassen worden sind, gelangt man beim vierten Male nicht mehr zu dem nächstfolgenden Knotenpunkt 1, welcher der Ausgangspunkt α ist, sondern -— da zwischen diesen beiden Punkten /1 nur 19 Zwischenräume liegen — zu dem auf den Ausgangspunkt λ folgenden Knotenpunkt 2. Von hier aus setzt sich die Wickelung zu den einzelnen Punkten 2 in derselben Weise fort, und berührt man bei Verfolgung der Wickelung auf diese Weise allmälig sämmtliche Knotenpunkte, bis man endlich wieder bei dem Ausgangsknotenpunkt a anlangt.

Die Polschuhe erhalten im Querschnitt zweckmäfsig annähernd die Form eines Trapezoids, das aus den von zwei auf demselben Radius liegenden Knotenpunkten ausgehenden Drähten gebildet wird, wie in Fig. 10 durch Schraffirung angedeutet ist. Die gegenüberstehenden und auf einander folgenden Polschuhe besitzen, wie aus Fig. 10 ersichtlich, entgegengesetzte Polarität. Die Richtung der durch die Inductionswirkung erzeugten Ströme ist durch Pfeilspitzen auf den Drähten angegeben, so dafs sich die Induclionserscheinungen und ihre Wirkungen im Anker leicht verfolgen lassen. Die Stromabnahme erfolgt in Ebenen, welche durch die Mittellinien zweier auf einander folgender Pole gelegt werden können, also z. B. bei a und b, Fig. 10, wie durch Pfeile angedeutet. Denkt man sich bei α einen Nordpol oberhalb der Papierebene, so giebt der Pfeil χ die Drehungsrichtung des Ankers an. Sollen die Drähte zu zweien, dreien u. s. w.'parallel angeordnet werden, so müfste die Anzahl der' ' Knotenpunkte z. B. 78, yy u. s. w. sein, und man hätte dann gleichzeitig zwei, drei u. s. w. Drähte in Wellenlinien vom äufseren zum inneren Kreis zu führen.

Die Fig. 11 und 12 zeigen eine Ausführungsform des Scheibenankers mit der in Fig. 10 schematisch dargestellten Wickelung als Beispiel. Auf der Welle w ist ein aus zwei Theilen cc¹ bestehendes Speichenrad t mit nach innen sich konisch erweiterndem Kranz befestigt. In diesen Kranz ist, durch eine Schicht i von demselben isolirt, ein Ring e eingeklemmt, welcher aus so viel von einander isolirten Elementen besteht, als Knotenpunkte vorhanden sind. Zwischen diesem und dem zweiten äufseren, in gleicher Weise wie e zusammengesetzten Ringe d sind die die Drahtbewickelung ersetzenden Stäbe d^l d² in zwei Lagen bezw. in zwei verschiedenen Exemplaren ein-, gesetzt, derart, dafs je zwei in verschiedenen Ebenen liegende Stabenden desselben Knotenpunktes mit einander in leitender Verbindung stehen, von den angrenzenden Knotenpunkten aber durch isolirende Schichten i'i² getrennt sind. Die Stäbe d^l d² stellen hier also allein die Verbindung der beiden Ankerringe e und d her, und ist kein Kern vorhanden. Hierdurch ist es ermöglicht, den Abstand der Polschuhe P¹ P'² von einander aufserordentlich gering zu halten. Der Ring e kann durch einen isolirten Reifen gesichert werden und direct als Commutator und Stromableiter dienen, indem man z. B., wie angedeutet, rotirende Schleifcontacte, Fig. 12, bei α und b, Fig. 11, anordnet. Ebenso gut kann man jedoch auch die Knotenpunkte des Ringes d als Commutator ausbilden oder dieselben mit einem besonderen, auf der Welle u> anzuordnenden Commutator verbinden.

An Stelle eines ,'fortlaufenden Drahtes können auch einzelne Drähte oder Stäbe von Knotenr punkt zu Knotenpunkt geführt werden. Ebenso können mehrere Drähte zur Wickelung benutzt werden. Da bei diesem Scheibenanker die Wickelung völlig frei liegt und die Luft somit

unbehindert zwischen den Wandungen circuliren kann, so ist die Kühlung wesentlich vollkommener als bei allen bisher bekannten Maschinen.

Ebenso wie für Scheibenanker lä'fst sich die Wickelung auch für Trommelanker ausführen, wie sich dies aus Fig. 16, welche eine schematische Darstellung der Wickelung auf einem "abgewickelten Trommelmantel darstellt, erkennen Jä'fst. In dem ausgeführten Beispiel einer Trommelankerbewickelung sind 4 Pole und je 16 Knotenpunkte für einen Pol angenommen. Ferner wurde vorausgesetzt, dafs der abgewickelte Trommelmantel gleich der vierfachen Trommelbreite sei. Hieraus resultirt dann eine quadratische, durch Schraffur kenntlich gemachte Form der Polschuhe; doch läfst sich jedes andere Verhältnifs vom Ankerdurchmesser •zur Ankerlänge annehmen, wobei dann die Polschuhe die Form eines Rhombus erhalten. Entsprechend den vier Polen und den je 16 Knotenpunkten für je einen Pol ist hier behufs Herstellung der Wickelung der ganze " Trommelmantel in 4 · 16 —■ 1 = 63 gleiche Theile getheilt. Der von der einen Seite vom Knotenpunkte 1 (a) nach rechts ausgehende Draht führt zu dem nächsten Knotenpunkt 1 der gegenüberliegenden Seite wieder nach der . ersten Seite zu einem neuen Knotenpunkt 1 zurück, nochmals zu einem Knotenpunkt 1 der gegenüberliegenden Seite, um nun — da die zweite Abtheilung der Trommel nicht 32, sondern nur 31 Knotenpunkte enthält — nach dem auf den Ausgangspunkt folgenden Knotenpunkt 2 zurückzukehren. Die Fortsetzung der Wickelung verläuft dann in derselben Weise, wie bei dem Scheibenanker beschrieben, und endet wieder im Ausgangspunkt.' Auch im übrigen gilt alles von der Wickelung des Scheibenankers Gesagte auch von der des Trommelankers. Die auf einander folgenden Polschule zeigen auch hier wieder abwechselnde Polarität. Die Stromabnahme erfolgt am Rande der Wickelung, und zwar in der Miltelebene zweier auf einander folgenden Polschuhe, also z. B. bei α und b. Die Richtung der durch die Inductionswirkung erzeugten Ströme ist durch Pfeilspitzen an den Drahtwindungen sichtbar gemacht. Denkt man sich die Polschuhe oberhalb der Papicrebene, so giebt der Pfeil je die Drehungsrichtung des Ankers an.

Fig. 15 zeigt eine Ausführungsform des Trommelankers, während die Fig. 13 und 14 eine Anordnung desselben in der Maschine zeigen. Auf der Welle n> ist der Trommelkörper K befestigt, welcher den Kern t trägt. Zu beiden Seiten des letzteren sind die Ringe r r¹ angebracht, welche aus so viel von einander isolirten metallischen Elementen bestehen, als Knotenpunkte vorhanden sind.

Mit den Knotenpunkten sind die Drähte, Stäbe oder Drahtbündel in der beschriebenen Weise in zwei Lagen dd^l verbunden. Von dem Ring r¹ aus erfolgt die Abnahme des Stromes durch einen Schleifcontact beliebiger Construction. Die Anordnung der Polschuhe P ergiebt sich ohne Weiteres aus der Zeichnung.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Eine Wickelung für Scheiben- oder Trommelanker, dadurch gekennzeichnet, dafs die Drähte oder Stäbe nach Wellenlinien zwischen Knotenpunkten, welche abwechselnd auf zwei getrennten Kreisen liegen, derart geführt werden, dafs immer eine gleiche Anzahl Knotenpunkte übersprungen werden und die Draht- oder Stabenden in dem oder den Ausgangsknotenpunkten zusammenlaufen. ;

   Hierzu 5 Blatt Zeichnungen.