Der Einphasen-Wechselstrommotor. Bauart, Wirkungsweise und Eigenschaften der bisher angegebenen Konstruktionen. Von Dipl.-Ing. A. Linker. (Fortsetzung von S. 659 d. Bd.) Der Einphasen-Wechselstrommotor. II. Abschnitt. Asynchronmotoren oder Induktionsmotoren. Diese Motoren besitzen allgemein einen feststehenden Eisenring (Stator) mit einer Wicklung, die vom Wechselstrom durchflössen wird, und eine darin rotierende Wicklung, die entweder als Phasen- oder Käfiganker ausgebildet ist und das für das Drehmoment erforderliche Feld erzeugen soll. Während nun der Synchronmotor zur Erregung des Magnetfeldes einen gleichgerichteten Strom braucht, wird bei dieser Gruppe von Motoren der zur Erzeugung des Feldes notwendige Strom im Rotor vom Stator oder primären Teil aus durch Induktion hervorgerufen. Der Induktionsmotor wirkt daher wie ein Transformator mit beweglicher Sekundärwicklung. Da er ferner zur Erzeugung einer E. M. K. im Rotor mit einer kleineren als der synchronen Geschwindigkeit laufen muß, so bezeichnet man ihn auch deswegen als Asynchronmotor. Er läuft aus der Ruhelage ohne besondere Hilfsmittel nicht an, da hierbei kein Drehmoment entwickelt wird. Erteilt man dem Rotor jedoch in beliebiger Richtung eine kleine Anfangsgeschwindigkeit, so erzeugen die infolge der Rotation im Statorfelde in der Rotorwicklung induzierten Ströme ein Querfeld, das mit dem Statorfeld zusammen ein Drehfeld hervorruft, wodurch bei genügender Stärke desselben der Motor unbelastet auf seine normale Tourenzahl kommt, die nur wenig vom Synchronismus abweicht. Dann kann er belastet werden und ändert zwischen Leerlauf und Vollast seine Geschwindigkeit nur um etwa 5 bis 8 v. H. Die Geschwindigkeitskurve entspricht also derjenigen eines Gleichstrom - Nebenschlußmotors. (Motor mit konstantem Feld.) Die normale Leistung dieser Klasse von Motoren beträgt ungefähr 70 v. H. im Vergleich zu einem ebenso groß dimensionierten Drehstrommotor. Durch geeignete Hilfsvorrichtungen kann man auch den Asynchronmotor zum Anlauf bringen. Er entwickelt aber auch dann nur ein geringes Anzugsmoment, das selbst bei Schleifringankern und Anlaßwiderständen etwa 50–100 v. H. des normalen beträgt bei einer Stromaufnahme von ¾ – 5/4 des Normalstromes. Außerdem ist der Leistungsfaktor beim Anlauf infolge der starken Phasenverschiebung klein. Der Motor eignet sich daher wenig für Hebezeuge, da diese ein großes Anlaufsmoment und hohe Ueberlastungsfähigkeit erfordern, und ebensowenig für Bahnbetrieb. Man hat jedoch verschiedene Konstruktionen ausgebildet, um dem Motor seine ungünstigen Eigenschaften zu nehmen. Ein asynchroner Motor, allerdings auf einem anderen Prinzip als die normalen Ausführungen beruhend, ist zuerst von F. Borel und E. Paccaud (9, 11) angegeben worden. Die KonstruktionE. T. Z., Aug. 1889, S. 416. ist etwa folgende: Innerhalb der Pole eines hufeisenförmigen Elektromagnets M (Fig. 12) ist frei drehbar eine Eisenscheibe E angeordnet. Umgeben wird sie von einem feststehenden mit der Magnetwicklung hintereinander geschalteten Solenoid 5. Bei Gleichstrom tritt keine Rotation auf. Ist dagegen der Strom wechselnd oder intermittierend, so entsteht infolge der in dem Hufeisenmagnet induzierten Wirbelströme und der dadurch bedingten magnetischen Verzögerung seines Feldes ein sogenanntes Hysteresisdrehmoment. Der Motor hat jedoch keine praktische Bedeutung erlangt, jedenfalls weil die Leistung zu gering ist. Textabbildung Bd. 322, S. 673 Fig. 12. Da ein gewöhnlicher Einphasen-Induktionsmotor aus der Ruhelage nicht von selbst anläuft, weil die Achsen des Ankerfeldes und des Magnetkraftflusses zusammenfallen, so zerlegen L. B. Atkinson und W. Goolden (15) die Ankerwicklung in zwei gleichgewickelte Hälften und schalten die Spulen des einen Teils mit denjenigen des anderen Teils in Reihe, welche um eine halbe Polteilung gegen die Spulen des ersten Systems verschoben sind. Die Wicklungen der beiden Magnetsysteme werden in Reihe geschaltet und vom Hauptstrome gespeist. Auf diese Weise sollen die Spulen der einen Ankerhälfte transformatorisch wirkend in der anderen einen Strom erzeugen, der mit dem Feld eines Magnetsystems zusammen ein Drehmoment hervorruft und deswegen motorisch wirkt. Die Anordnung ist jedoch nur ein zweiteiliger Motor und besitzt keine Vorteile. Textabbildung Bd. 322, S. 673 Fig. 13. Auf andere Weise erhält W. Mordey (16) bei einem Asynchronmotor ein Anlaufsmoment, indem er nach Fig. 13 auf dem Eisenring des Feldsystems F Spulen (II) anbringt, welche durch die Schleifringe s von der Ankerspule b einen Strom erhalten, der durch Transformation von Seiten der Primärspulen I des Hauptfeldes hervorgerufen wird. Das hierbei von den Spulen II erzeugte Feld steht senkrecht zum Ankerfeld und ergibt mit diesem Ankerstern zusammen ein Drehmoment, wodurch der Anker zum Anlauf kommt. Nun kann die in sich geschlossene Wicklung a wie bei einem normalen Induktionsmotor mitarbeiten. Durch Einfügen eines induktiven Widerstandes L sollte außerdem die zeitliche Verschiebung des Stromes verändert werden. Eine andere Anordnung ist von E. Thomson und M. Wightmann (21) angegeben, bei welcher der mit dem Wechselstrom durch Schleifringe gespeiste Anker A die Gestalt eines S besitzt und in dem mit einer massiven Kupferschicht C versehenen Eisenring D rotiert (Fig. 14). Das Wechselfeld ruft in den massiven Teilen des Armaturkörpers Wirbelströme hervor, deren Feld mit dem Hauptfefd zusammen ein FlächenfeldF. Braun, E. T. Z., 31. März 1898, S. 204. erzeugt. Dieses entspricht in seiner Wirkung einem rotierenden Feld, induziert daher in dem Kupferzylinder C Ströme, durch die ein Drehmoment erzeugt wird, welches den Anker in Umdrehung versetzt. Dieser Motor hat jedenfalls infolge der starken Erwärmung, großen Verluste und wegen des niedrigen Leistungsfaktors keine praktische Verwendung erlangt. Textabbildung Bd. 322, S. 674 Fig. 14. Textabbildung Bd. 322, S. 674 Fig. 15. Zur Erzeugung eines Flächenfeldes sind später von E. Thomson (58) noch andere Anordnungen angegeben, auf die jedoch nicht näher eingegangen werden soll. Thomson hat ferner (28, 34) einen anderen MotorC. f. E., 20. September 1889, Bd. 12, S. 154. E. T. Z., 28. März 1890, S. 191. konstruiert, der als gewöhnlicher Induktionsmotor mit Kurzschlußanker arbeitet. Der primäre oder induzierende Teil ist entweder als Ringwicklung ausgeführt oder besitzt ausgeprägte Pole. Der sekundäre, meistens rotierende Teil hat Trommel-Ring- oder Polwicklung. Bemerkenswert ist dabei, daß der Rotor oder induzierte Teil A (Fig. 15) zum AnlassenE. T. Z., 19. Dezember 1890, S. 677. mit einem Kommutator K verbunden ist, der soviel Segmente besitzt, wie der Motor Pole enthält. Zum Ingangsetzen des Motors wird eine der beiden kurzgeschlossenen Bürsten B1 aus der diametralen Stellung durch einen Schwungkugelregulator verschoben. Dadurch wird erreicht, daß die Spulen nicht direkt vor den Polen, sondern erst, wenn sie um einen gewissen Winkel gegen diese verschoben sind, kurzgeschlossen werden, wobei ein Antrieb durch Repulsionswirkung entstehtAus diesem Grunde könnte dieser Motor auch zu der Klasse V gerechnet werden.. Unbelastet gerät der Motor auf diese Weise in Rotation und erreicht allmählich eine nahezu synchrone Tourenzahl. In diesem Moment können die mit den Kommutatorzuführungen verbundenen Schleifringe s durch eine besondere Vorrichtung selbsttätig kurzgeschlossen und eventl. die Kommutatorbürsten B abgehoben werden, so daß der Motor normal nur unter dem Einfluß der Induktionswirkung arbeitet. Jedoch hat diese Anordnung wegen der unvorteilhaften konstruktiven Ausbildung keine praktische Bedeutung erlangt. Von den bisher geschilderten Prinzipien abweichend ist der in Fig. 16 angegebene MotorE. T. Z., Oktober 1889, S. 473 und 15. Februar 1894, S. 99. von N. Tesla (30, 31) gebaut Er gehört zu den ersten Typen, bei welchen künstlich ein rotierendes Feld durch Anwendung zweier oder mehrerer räumlich und zeitlich gegeneinander verschobener Wechselfelder erzeugt wird, wie es schon Ferraris„Rotationi elletrodynamiche“. Atti dell Acad. di Torino, März 1888, Bd. 23, S. 360 und L'Elletricità, 22. März 1888. unabhängig von Tesla zur Erzeugung der sogen. Kunstphase praktisch verwendet hatte. Textabbildung Bd. 322, S. 674 Fig. 16. Der Motor besaß vier feststehende, ausgeprägte Pole A B, die durch ein ringförmiges Joch geschlossen waren, und einen rotierenden Anker C mit zwei in sich geschlossenen Spulen. Wird der Schalter S auf die Kontakte 1 gelegt, so liegt in dem Zweige A1A2 der induktionsfreie Widerstand R, in B1B2 der induktive Widerstand W. Dadurch wird in den Spulen A die Phasenverschiebung φ1 des aufgenommenen Stromes J1 gegenüber der Klemmenspannung Ek kleiner, als sie ohne den Widerstand R sein würde, entsprechend der Gleichung \mbox{tg}\,\varphi=\frac{L\cdot \omega}{R}, während der Strom J2 infolge der Vergrößerung des Faktors L durch die Reaktanz des Widerstandes W eine größere Phasenverschiebung erleidet. Zwischen den Strömen J1 und J2 tritt also eine zeitliche Phasenverchiebung φ2 – φ1 auf, so daß sie bei der räumlichen Verschiebung der Spulen A gegen B eine dem Zweiphasenstrom ähnliche Wirkung haben, indem sie ein Drehfeld erzeugen, allerdings kein kreisförmiges, sondern ein elliptisches. Nachdem der Motor mit Hilfe dieser Kunstphase zum Anlauf gebracht ist, wird der Schalter S auf die Kontakte 2 gelegt. Dadurch wird die Phasenverschiebung der beiden Felder φ2 – φ1 = 0 und die vier Pole rufen jetzt ein zweipoliges Wechselfeld hervor, welches infolge der Rotation des Kurzschlußankers in ihm einen Strom erzeugt, dessen Feld die zur Entstehung eines Drehfeldes notwendige zweite Komponente liefert. So schön dieser Gedanke auch theoretisch war, so ist es für Tesla doch schwierig gewesen, ihn in eine praktisch brauchbare Form umzusetzen. Da infolge der Anordnung von körperlichen Polen ein gleichmäßiges Drehfeld ohne lokale Wechselfelder sich nicht ausbilden konnte und dazu eine große Streuung besonders bei der hohen Periodenzahl der amerikanischen Zentralen auftrat, so hatte der Motor einen niedrigen Leistungsfaktor und dadurch bedingte geringe Ueberlastungsfähigkeit. Weil nun auch das Anlaufsmoment klein und die dazu erforderliche Stromaufnahme groß waren, hat der Motor in dieser Form keine praktische Bedeutung erlangt. Erst im Jahre 1892 hat die Maschinenfabrik Oerlikon den ersten brauchbaren Einphasenmotor mit Kunstphase gebaut, indem sie den primären Teil ohne körperliche Pole als Eisenring mit einer bei Generatoren üblichen Spulenwicklung ausführte (s. später Fig. 30). Bei einer anderen Konstruktion von Tesla (33) werden die beiden Komponenten der Drehfelder von einer Doppelspule D (Fig. 17) erzeugt, welche eine schräge Stellung zu einem aus Blechen bestehenden senkrecht angeordneten System A einnimmt. Innerhalb der Spule liegt der drehbare als Flachring ausgeführte Kurzschlußanker B. Wird die Spule D mit Wechselstrom gespeist, so entsteht im Anker B senkrecht zur Spule D ein Feld, welches mit dem durch die senkrechten Eisenplatten verlaufenden Kraftfluß infolge der verschiedenen Phase ein rotierendes Feld ergibt und dadurch auf den Anker B ein Drehmoment ausübt. Auch dieser Motor hat sich nicht eingebürgert, da er ähnliche Nachteile besaß, wie der vorher angegebene. Textabbildung Bd. 322, S. 675 Fig. 17. Textabbildung Bd. 322, S. 675 Fig. 18. Zur Erzeugung eines Anlaufsmoments ordnet J. van Depoele (35, 73) in der Polachse eine feste mit der Hauptwicklung I hintereinander geschaltete Hilfsspule H (Fig. 18) an, welche ein zum Hauptfeld N-S senkrechtes hervorruft. Der Anker A besteht aus einer gewöhnlichen RingwicklungC. f. E., 20. September 1889, Bd. 12, S. 154. E. T. Z., 28. März 1890, S. 192. mit zwei diametralen Verbindungen a b und c d, wodurch er als Kurzschlußanker wirkt. Da die Felder beider Spulen wegen des parallel zur Wicklung I geschalteten Widerstandes W in der Phase verschoben sind, entsteht ein wenn auch nur geringes Drehmoment, so daß der Motor wenigstens unbelastet anläuft. Zur Regulierung der Phasenverschiebung sind veränderliche induktive Widerstände W in eine oder beide Phasen aufgenommen. In einer späteren Patentschrift (74) sind noch verschiedene Schaltungen angegeben, bei welchen die Spule H durch eine über den Hauptmagnetspulen liegende Sekundärwicklung erregt wird. Textabbildung Bd. 322, S. 675 Fig. 19. Da diese Konstruktionen jedenfalls infolge der geringen zeitlichen Verschiebung der Felder ein zu geringes Anlaufsmoment ergaben, wurde der Anker A (Fig. 19) nach Art eines Grammeringes mit einem Kommutator versehen. Dadurch war es möglich, in die über beide senkrecht zur Achse des von der Wicklung F erzeugten Hauptfeldes befindlichen Bürsten gelegte Kurzschlußverbindung einen regulierbaren induktionsfreien Widerstand aufzunehmen und auf diese Weise ein stärkeres Drehmoment beim Anlauf zu erhalten. Diese Einrichtung wird jedoch mit starker Funkenbildung verbunden gewesen sein, denn Depoele änderte sie in der nach Fig. 19 angegebenen Weise ab, indem er nur die Hälfte der Spulen mit den Kommutatorlamellen verband und die anderen dazwischen liegenden (k) in sich kurzschloß. In dieser Form ist allerdings der Motor nicht mehr als asynchroner aufzufassen, da hierbei die Armatur A und das Feldsystem hintereinander geschaltet sind, und die Spule H parallel zum Anker liegt. Die kurzgeschlossenen Spulen k sollten dämpfend auf die Entstehung starker Kurzschlußströme einwirken und dadurch beim Anlauf das Feuern vermindern. Bei höherer Umdrehungszahl erzeugen sie jedoch wie in einem Kurzschlußanker ein Drehmoment und übernehmen damit einen Teil der motorischen Wirkung. Dieser Motor bildet daher gewissermaßen schon eine Uebergangsstufe zu den im Abschnitt V behandelten Formen. Um ein rotierendes Feld ohne Benutzung einer durch Widerstände hervorgerufenen Kunstphase zu erhalten, ordnet J. van Depoele (41), wie Fig. 20 für einen vierpoligen Motor zeigt, innerhalb des Hauptfeldsystems I eine zweite um ½ Polteilung dagegen verschobene Magnetwicklung II an und speist sie durch Induktionsströme, die einer über der Primärwicklung a liegenden Sekundärwicklung b entnommen werden. Innerhalb der beiden Magnetsysteme befindet sich die aus einzelnen Kurzschlußwindungen bestehende Armatur A. Da die Felder I und II gegeneinander zeitlich in der Phase und außerdem räumlich verschoben sind, so erzeugen sie zusammen ein Drehfeld, durch welches die Armatur A in Rotation versetzt wird. Textabbildung Bd. 322, S. 675 Fig. 20. Textabbildung Bd. 322, S. 675 Fig. 21. Textabbildung Bd. 322, S. 675 Fig. 22. N. Tesla (45, 46, 49) erreicht auf andere WeiseE. T. Z., 7. Februar 1890, S. 85 und 27. November 1891, S. 653. die zum Entstehen eines Drehfeldes notwendige Phasenverschiebung der beiden Einzelfelder des primären Teils, indem er nach Fig. 21 den um eine halbe Polteilung gegeneinander versetzten Feldwicklungen I und II verschiedene Induktanz gibt. Zu dem Zwecke wickelt er die Spulen I für höhere Selbstinduktion mit vielen Windungen dicken Kupferdrahtes, wodurch der Ohmsche Widerstand klein gehalten wird. Außerdem sind die Spulen möglichst nahe von Eisen umschlossen, damit die magnetische Leitfähigkeit bezw. die Streuung groß wird. Die anderen Spulen (II) bestehen aus wenig Windungen eines Drahtes von großem spezifischem Widerstände (Eisen oder Neusilber) und sind außerdem auf ganz kurze Polansätze gewickelt, damit sie bei der geringen Windungszahl einen nahezu gleich großen magnetischen Kraftfluß wie die Pole I erzeugen. Der Anker A ist mit Kurzschlußwicklung versehen. Außerdem sind von Tesla noch andere (47, 50) ähnlich ausgeführte Konstruktionen angegeben worden. Im Prinzip übereinstimmend mit Fig. 14 ist ferner von N. Tesla (54) ein MotorE. T. Z., 21. November 1890, S. 619. konstruiert, bei welchem nach Fig. 22 durch die in den Polansätzen P induzierten Wirbelströme ein gegen das Hauptfeld in der Phase verschobenes erzeugt wird, so daß unter Einwirkung des dadurch entstehenden Flächenfeldes eine Rotation des Ankers eintritt. Die Wirkung ist jedoch nicht sehr stark, so daß diese Konstruktion, außer bei der Verwendung für Meßinstrumente, keine praktische Bedeutung erlangt hat. Durch die in Fig. 23 dargestellte Anordnung der Ankerspulen, glaubte P. Nipkow (56), ein starkes Anlaufsmoment und synchronen Gang zu erzielen. Da der Anker jedoch nur einachsig gewickelt ist, so arbeitet der Motor wie ein asynchroner Motor mit Kurzschlußanker. Textabbildung Bd. 322, S. 676 Fig. 23. Textabbildung Bd. 322, S. 676 Fig. 24. Im weiteren Ausbau seiner Ideen hat Tesla auch unter Zuhilfenahme der Schutzwirkung eines in sich geschlossenen magnetischen Kreises Motoren mit KunstphaseE. T. Z., 21. November 1890, S. 619. gebaut (62, 63). Infolge der Verwendung von körperlichen Polen ist jedoch diesen Motoren keine praktische Bedeutung beizumessen aus dem nämlichen Grunde, wie er schon bei den früheren Motoren Teslas (s. S. 675) erörtert worden ist. Erwähnt sei noch eine Konstruktion von N. Tesla (64, 65), bei welcher die Magnetpole P mit Ansätzen a, b versehen sind, wie Fig. 24 zeigt. Diese rufen durch ihre Schirmwirkung eine magnetische Verzögerung des Kraftflusses hervor und, da infolge des größeren Querschnitts von a eine Unsymmetrie des Feldes auftritt, entsteht ein rotierendes Feld analog wie in Fig. 22, wodurch der Kurzschlußanker A in Rotation versetzt wird. Auf einem anderen Prinzip beruht die Wirkungsweise des von C. S. Bradley (67) angegebenen Motors (Fig. 25). Sein Feld besteht aus einer Anzahl von Polen, denen ungleichnamige gegenüberstehen, so daß zwischen ihnen ein schmaler Raum frei bleibt. In diesem Zwischenraum befindet sich frei drehbar die auf der Achse befestigte Kupferscheibe A mit ringsektorförmigen Ausschnitten. Leitet man durch die Schleifringe S und den zweiteiligen Stromwender K den Spulen mit Hilfe der feststehenden Bürsten B Wechselstrom zu, so wird sich in einem bestimmten Augenblick die eingezeichnete Polarität vorfinden. Durch den Kraftfluß werden nun EMK' e in der Scheibe A induziert, welche die radial verlaufenden Ströme J in den Stücken a, b hervorrufen. Durch die Wechselwirkung zwischen dem Feld und den Strömen tritt eine Drehung der Scheibe ein, bis die Streifen a, b sich vor einem Polkern befinden. Dabei werden die unter a, b liegenden Pole stromlos und wechseln dann bei weiterer Drehung der Scheibe ihre Polarität. Durch die Rotation der Scheibe A verschiebt sich demnach das wechselnde Feld sprungweise, so daß eine kontinuierliche Bewegung in der angegebenen Richtung entsteht. Die Leistung des Motors kann jedoch keine große sein, ebenso werden Wirkungsgrad und Leistungsfaktor klein ausfallen. Textabbildung Bd. 322, S. 676 Fig. 25. Zur Erzielung eines guten Anlaufsmoments ordnet W. Stanley jr. (68) ein zum Hauptfeld senkrechtes an, welches zwar vom Hauptstrom erregt wird, jedoch nicht in derselben Ebene wie das Hauptfeld liegt. Jedes Feld wirkt daher unabhängig voneinander induzierend auf den aus einzelnen achsialen Stäben mit seitlichen Kurzschlußringen bestehenden Käfiganker. Durch das Zusammenwirken der von dem einen System hervorgerufenen Ströme mit dem anderen Feld sollte ein Drehmoment entstehen, was jedoch nicht der Fall ist. Aehnlich gebaut ist der Motor von R. Kennedy (69). Er besitzt trotzdem kein Anlaufmoment, und stellt nur eine Verdoppelung eines einachsig gewickelten Motors dar. Textabbildung Bd. 322, S. 676 Fig. 26. C. Billberg und P. Winand (72, 76) erregen nach Fig. 26 die beiden U-förmig ausgebildeten Magnetsysteme F, welche den als Scheibe ausgeführten Anker umschließen, durch die primär gespeisten Spulen I. Dadurch werden in den Sekundärspulen (II) E M K' e induziert, die über die Bürsten B durch die Scheibe Ströme in der Richtung vom Umfang zur Mitte treiben. Nach dem Prinzip der Faraday sehen Scheibe wird dann der Anker in Rotation geraten. Infolge der vielen Nachteile dieser Anordnung besitzt sie jedoch keine praktische Bedeutung. (Fortsetzung folgt.)