Der heutige Stand der Unipolarmaschine. Von C. Trettin, Berlin. (Schluß von S. 132 d. Bd.) TRETTIN: Der heutige Stand der Unipolarmaschine. Textabbildung Bd. 328, S. 148 Abb. 7. Textabbildung Bd. 328, S. 148 Abb. 8. Bei normalen Maschinen für Gleich- und Wechselstrom wird unter Rückwirkung in erster Linie der entmagnetisierende Einfluß des belasteten Ankers verstanden. Ein solcher tritt auch bei der Unipolarmaschine auf, doch ist diese Form der Rückwirkung nicht das eigentliche Hindernis. Wie Noeggerath schon in der ersten Veröffentlichung (Proceedings 1905) nachgewiesen hat, üben alle Bürstenverbindungen, die nicht genau radial verlaufen, einen magnetisierenden oder entmagnetisierenden Einfluß (Abb. 7 und 8) auf das Feld aus, was aus den Abbildungen ohne weiteres hervorgeht. Jede zur Peripherie parallele Komponente stellt ein Stück Amperewindung dar, die ebenso wie die Erregerspule auf den magnetischen Kreis wirkt. Ferner bilden die Stäbe der Ankerwicklung mit den Rückleitungen zusammen ein System von Amperewindungen, die einen zum Hauptfluß senkrechten „Querfluß“ durch den mittleren Polring treiben. Die in dem Ring entstehende Induktion in Richtung der Peripherie ist durchaus nicht zu vernachlässigen, bei gut ausgenutzten Maschinen bewegt sie sich in den Grenzen von 18000 bis 22000. Es ist klar, daß der Hauptfluß nicht unbeeinflußt davon bleibt, wenn das von ihm durchsetzte Eisen auf einem beträchtlichen Wege bis zur magnetischen Grenze quergesättigt ist. Der erforderliche Mehrbetrag an Erregung bei voller Belastung gegenüber Leerlauf ist aber, wie Messungen an Siemens-Schuckert-Maschinen gezeigt haben, kleiner als der durch geometrische Zusammensetzung der AW-Komponenten errechnete Wert. Diese graphische Methode läßt sich mithin zur Bestimmung der Vollast AW nicht anwenden. Um diese Querpolarisierung zu umgehen, kann man die Rückleitungen in Nuten dicht an der inneren Bohrung verlegen (und hat es auch getan, Abb. 5 und 6). Das hat aber einen anderen, schweren Nachteil zur Folge, nämlich ein ungleichmäßiges Luftfeld und Wirbelströme im Rotor. Bei der erwähnten in dieser Art gebauten Westinghouse-Maschine, die 16 Nuten mit je einem Leiter für 4000 Amp. besaß, waren die Feldverzerrung und die daraus entspringenden Wirbelstromverluste so groß, daß das Mittelstück des Rotors nachträglich laminiert werden mußte (Abb. 9). Das ist natürlich nur als Notbehelf anzusehen, denn der Hauptvorzug der Unipolarmaschine, der massive, gegen Durchbiegung geschützte Rotor, wird damit preisgegeben. Nach Lammes Bericht halfen weder die Nutenverschlüsse aus magnetischem Material noch die Vergrößerung des Luftraumes, was begreiflich erscheint, wenn wir uns nach Art der Abb. 10 die Kraftlinienverteilung annäherungsweise konstruieren. Textabbildung Bd. 328, S. 148 Abb. 9. Textabbildung Bd. 328, S. 148 Abb. 10. Es ist nun aber nicht die eben erläuterte „stationäre“ Rückwirkung, sondern ein viel ernsterer Gegner, der die eigentliche Grenze der Strombelastung und damit der Ausnutzung bildet, nämlich die Wirbelströme in den rotierenden Teilen. Wir wollen nur die in den Schleifringen selbst entstehenden betrachten, die den weitaus größten Anteil der Verluste betragen. Die durch sekundäre Kraftflüsse im Rotor erzeugten Wirbelströme, die man durch geschickte Verteilung der Bürsten und Nebenschlüsse sehr verkleinern kann, spielen neben den Ringverlusten keine wesentliche Rolle. In Abb. 11 ist der einfachste praktisch in Frage kommende Fall dargestellt: das betrachtete Ringpaar ist durch zwei diametral versetzte Stäbe verbunden und die stromabführenden Bürsten sind, zwei für den Ring, ebenfalls diametral angeordnet. Der theoretisch noch einfachere Fall nur eines Stabes und einer Bürste für den Ring ist praktisch nicht mehr erlaubt, weil bei den hohen Stromstärken, die notgedrungen aus einem Ring herausgeholt werden müssen (1000 bis 2000 Ampere), sowohl die konzentrierte Stromabnahme durch eine Bürste wie auch die Erzeugung in einem einzigen Stab mancherlei Unbequemlichkeiten bietet. Nach den Kirchhoffschen Gesetzen ergeben sich folgende Augenblickswerte: i_1=\frac{J}{2}\,\frac{\pi-\alpha}{\pi} . . . (3) i_2=\frac{J}{2}\,\frac{\alpha}{\pi} . . . (4) J=\frac{E}{\rho\,(n+1/2+\frac{m/2\,(\pi-\alpha)\,\alpha)}{\pi^2}} . . . (5) Dabei ist          ρ = Widerstand eines Stabes, mρ = w = Widerstand eines aufgeschnittenen Ringes, nρ = R = Widerstand des äußeren Kreises gesetzt worden. Da n gewöhnlich die Größenordnung von 200 bis 400, m etwa von 1 bis 6 hat, so können wir ohne merklichen Fehler \frac{1}{2}+\frac{m}{2}\,\left(\frac{\pi-\alpha}{\pi^2}\right)\,\alpha gegenüber n vernachlässigen und J = konst. setzen. Der äußere Strom ändert sich also nicht, ebenso bleiben die Stabströme konstant, da wir die gleiche Anzahl Bürsten und Stäbe in symmetrischer Anordnung vorausgesetzt haben. Ist dies nicht der Fall, sind z.B. 6 Stäbe und 16 Bürsten vorhanden, wie bei der Westinghouse-Maschine, so variiert auch der Strom jedes Stabes und erzeugt Wirbelströme im benachbarten Rotoreisen. Wir nehmen nun an, die durch die wechselnden Ringströme i1 und i2 verursachten Verluste seien proportional dem Quadrate ihrer Aenderungsgeschwindigkeit, d.h. dem Ausdruck \left(\frac{d\,i}{d\,t}\right)^2. Diese scheinbar willkürliche Voraussetzung gründet sich auf die Ueberlegung, daß der in der Metallmasse des Ringes sich ändernde Strom Sekundärströme erzeugt, deren Verteilung und Rückwirkung außer Betracht bleiben kann, deren Spannung e aber sicher proportional \frac{d\,i}{d\,t} ist. Ihre Verluste, \frac{e^2}{w}, sind also proportional \left(\frac{d\,i}{d\,t}\right)^2. Textabbildung Bd. 328, S. 149 Abb. 11. Es ist nun nach Gleichung 3: 3\,:\,\frac{d\,i_1}{d\,t}=-\frac{J}{2\,\pi}\,\frac{d\,\alpha}{d\,t}, ferner nach Gleichung 4: \frac{d\,i_2}{d\,t}=\frac{J}{2\,\pi}\,\frac{d\,\alpha}{d\,t} und      \frac{d\,\alpha}{d\,t}=\omega=2\,\frac{\pi\,n}{60}. Im Ringsegment 1 ist demnach der Verlust V_1=k\,\left(\frac{d\,i_1}{d\,t}\right)^2\,r\,\alpha=k\,\left(\frac{J}{2\,\pi}\right)^2\,\omega^2\,r\,\alpha . . . (6) und im Ringsegment 2 ist demnach der Verlust V_2=k\,\left(\frac{d\,i_2}{d\,t}\right)^2\,r\,(\pi-\alpha)=k\,\left(\frac{J}{2\,\pi}\right)^2\,\omega^2\,r\,(\pi-\alpha), (7) im ganzen Ring also V=V_1+V_2=k\,\left(\frac{J}{2\,k}\right)^2\,\omega^2\,r\,\pi . . . (8)         =\frac{k\,J^2\,n^2\,r\,\pi}{60^2} . . . (9)         =\frac{k\,J^2\,v^2}{4\,r\,\pi} . . . (10) Die Ringverluste wachsen also mit dem Quadrat des Stromes und bei gleichem Ringdurchmesser mit dem Quadrat der Drehzahl oder der Umfangsgeschwindigkeit, sie sind aber von der Zahl der Stäbe und Bürsten für den Ring unabhängig, denn a kommt in der Formel nicht mehr vor. In der Konstanten k steckt aber auch noch die Permeabilität μ, die bei Stahl etwa 300 bis 600 für die praktisch vorkommenden Fälle beträgt, wenn für Bronze und ähnliche Materialien μ = 1 gesetzt wird. Daraus ist ersichtlich, daß Stählringe nur sehr schwach belastet werden dürfen, wenn sie nicht ganz enorme Verluste verursachen sollen. Da aber, wie wir auf S. 131 bereits erläutert haben, die moderne Maschine mit 3000 Umdrehungen unbedingt eine hohe Ringausnutzung verlangt, so ist Stahl als Ringmaterial nicht zu brauchen. Es ist nach vorstehendem wohl zu verstehen, daß die schon mehrfach erwähnte Westinghouse-Maschine mit Stahlringen auf nur einer Seite 200 KW Verluste durch Stromverdrängung ergeben hat (acht Ringe, jeder mit 8000 Amp. belastet, n = 1200 Umdr./Min., va = 67,5 m/Sek.). Ich kann noch als weiteres Beispiel eine von den Siemens-Schuckertwerken gebaute Unipolarmaschine für 630 KW, 3000 Umdr./Min. anführen, die mit den zuerst probeweise aufgezogenen 2 × 12 Stahlringen für je 1500 Amp. 50 KW Zusatzverluste hatte. Daß diese wirklich auf Stromverdrängung (Skineffekt) beruhten, wurde dadurch nachgewiesen, daß die Ringe mit gleichem Strom von außen belastet wurden, indem die unerregte, mit voller Geschwindigkeit laufende Maschine nur als Schleifringkörper diente. Hierbei änderte sich die Stromstärke in den einzelnen Ringsegmenten nicht, daher verschwanden auch die Wirbelstromverluste und die dadurch hervorgerufene Erwärmung. Die Notwendigkeit, den wegen seiner magnetischen Eigenschaften ungeeigneten Stahl durch ein unmagnetisches Material zu ersetzen, führt uns zu der wichtigen Frage der mechanischen Festigkeit. Die Anforderungen an Schleifringe, die mit Umfangsgeschwindigkeiten von 100 m/Sek und darüber laufen, sind außerordentlich streng. Sie müssen erstens eine große Zerreißfestigkeit besitzen, ferner sollen sie auch einen geringen Temperaturkoeffizienten haben, damit sie sich bei der unvermeidlichen Erwärmung auf ihrem Schrumpfsitz nicht lockern. Sie müssen schließlich einen dauernd funkenfreien Lauf der Bürsten gestatten, d.h. eine gute Politur auch bei Stromdichten von 12 bis 16 Amp./qcm an der Metallbürstenfläche bewahren und dabei, wenn möglich, die Uebergangsspannung unter 0,5 Volt für die Bürste halten. Es darf ruhig ausgesprochen werden, daß zurzeit ein solches Material noch nicht gefunden ist, doch steht es wohl außer Frage, daß es die Gießereitechnik bei steigendem Bedürfnis liefern wird. Die Anforderungen an die Festigkeit dürften wohl am leichtesten erfüllt werden können; denn im Turbobau werden seit Jahren schon Bronzen verwandt, die in dieser Beziehung dem besten Nickelstahl ebenbürtig sind. Wesentlich schwieriger sind aber die gleichzeitig zu erfüllenden Bedingungen elektrischer Natur. Ein Erfolg ist nur von langdauernden, systematischen Proben, die recht kostspielig sind, zu erwarten. Die Vorarbeiten der Amerikaner sind in dieser Beziehung wertvoll, wenn auch für den heutigen Entwicklungszustand ungenügend; ich stelle sie daher, zumal sie die Grundlage des ganzen Unipolarbaus bilden, kurz zusammen: a) Noeggerath: Stahlringe mit 100 m/Sek. und mehr, Bürsten aus Stahl- und Bronzeblättern. Das eine, gut leitende, weiche Material als Hauptträger der Stromführung, das zweite, schlecht leitende, harte als parallelgeschaltetes Reguliermittel zur Aufrechterhaltung der guten Schleiffläche. Vorteile: Große Stabspannungen, wenig Schleifringe. Nachteil: Wirbelstromverluste in den Ringen, schwache Stromleistungen. Textabbildung Bd. 328, S. 150 Abb. 12. b) Lamme: Bronzeringe mit ≦ 70 m/Sek., Bürsten aus reinen Kupferblättern. Vorteil: Hohe Stromleistungen, geringer Bürstenverlust. Nachteil: Geringe Stabspannungen, schwache Maschinenausnutzung. Beide Konstrukteure sind auf verschiedenen Wegen zu einem befriedigenden Ergebnis gelangt, der zu ihrer Zeit einen Erfolg bedeutete; denn die Unipolar-Generatoren erlaubten tatsächlich einen durchlaufenden, einwandfreien Betrieb mit Stromstärken, der mit anderen Mitteln der damaligen amerikanischen Praxis nicht zu erzielen war. Ich habe schon Seite 131 darauf hingewiesen, weshalb diese Resultate heute nicht mehr genügen. Außer der schnellen Entwicklung des kommutierenden Turbogenerators, die der Unipolarmaschine die Konkurrenz sehr sauer macht, ist es die jetzt dominierende Stellung der Dampfturbine mit 3000 Umdrehungen, die ganz neue, hochwertige Materialien verlangt. Aber auch nach Erfüllung dieser Bedingung, d.h. nach Schaffung eines Schleifringmaterials, welches sozusagen nur Vorteile und keine Nachteile besitzt, bleiben noch mancherlei Schwierigkeiten im Bau von Unipolarmaschinen bestehen. Es sind freilich keine unüberwindlichen, wie ich gleich vorweg bemerken möchte, zum größten Teil sind sie sogar bereits bewältigt, und an ihnen wird die weitere Entwicklung sicher nicht scheitern. Immerhin stellen sie den Ingenieur vor ganz neue Probleme. Als Beispiel wollen wir die Stabverbindung eines Schleifringes betrachten (Abb. 12). Textabbildung Bd. 328, S. 150 Abb. 13. Die Aufgabe, den Stab mit dem Ring in leitende Verbindung zu bringen, scheint recht einfach, man hat eben nur für die nötige Berührungsfläche zu sorgen. Nun zeigt sich zuerst, daß diese aus dem Grunde nicht leicht zu beschaffen ist, weil der Ring von bestimmter, nicht überschreitbarer Breite durch das Loch nicht zu sehr geschwächt werden darf. Das gibt die Grenze für den Stabstrom und zwingt unter Umständen zur Vermehrung der Stäbe. Ein zweites Moment ist die Dehnung des Stabes infolge Erwärmung. Diese Schwierigkeit hat Noeggerath in überraschend einfacher Weise dadurch umgangen, daß er die Stäbe ohne feste Verbindung, etwa durch Weichlot oder Verschraubung, also lose läßt, in der Erwägung, daß der ungeheure Druck der Fliehkraft, die bis zum 3000 fachen des Eigengewichtes beträgt, stets einen sicheren Kontakt gewährleistet. Die Praxis hat dies Verfahren vollkommen gerechtfertigt. Eine andere, etwas umständlichere Lösung hat Lamme gefunden; er unterteilt (Abb. 9, 13 u. 14) die mit den Ringen fest verschraubten Stäbe in der Mitte des Rotorkernes und verbindet sie durch federnde Zwischenstücke. Die Stäbe sollen nun aber gegen die anderen Ringe und gegen den Eisenkörper gut isoliert sein. Textabbildung Bd. 328, S. 150 Abb. 14. Das erfordert ein ganz besonders zuverlässiges Material, das unter allen Betriebsbedingungen, auch in feuchter Luft, einen hohen Isolationswert behält, außerdem aber auch dem Druck der Fliehkräfte, den Wärmeeinflüssen und dem zerstörenden Einfluß der Luftreibung bei der hohen Umfangsgeschwindigkeit gewachsen ist. Diese Aufgabe ist, wie man leicht sieht, nicht mehr einfach, es hat auch verhältnismäßig viel Mühe gekostet (wie z.B. Lamme anschaulich erzählt), ehe man in besonders raffiniert hergestellten Glimmerröhren das geeignete Material fand. Die Aufzählung solcher und ähnlicher Schwierigkeiten ließe sich ohne Mühe noch recht weit spinnenIch verweise nochmals auf den Aufsatz von Lamme, Proceedings, Juni 1912., doch fürchte ich den Leser mit derartigen Einzelheiten zu ermüden. Mir kam es nur darauf an, von den Aufgaben der praktischen Fabrikation ein Bild zu geben, da bisher über die Theorie der unipolaren Stromerzeugung reichlich viel geschrieben, die werkstättentechnische Seite aber meist ignoriert worden ist. Ausblicke. Was können wir nun von der Unipolarmaschine in Zukunft erwarten? Diese Frage erscheint berechtigt, nachdem wir im Vorangegangenen ihre Entstehungsgeschichte verfolgt und den augenblicklichen Stand der Entwicklung betrachtet haben. Eine bündige Antwort in bestimmten Zahlen läßt sich natürlich darauf nicht geben, denn bei Maschinensystemen, die in letzter Linie von der Entwicklung der Baustoffe abhängen, spielen so viel unberechenbare Momente mit, daß ein Prophezeien schlecht angebracht erscheint. Beispiele erfolgreicher Maschinen, die anfangs mit scheinbar unüberwindlichen Schwierigkeiten und hoffnungslosem Mißtrauen zu kämpfen hatten, sind, um nur die bekanntesten zu nennen, die Dampfturbine und der Diesel-Motor. Immerhin läßt sich mit einem gewissen Grad von Wahrscheinlichkeit folgende Tabelle der Zukunftsleistungen (die allerdings heute noch meist „Zukunftsmusik“ sind) aufstellen: Umdr./Min. LeistungKW Spannungf. d. Stab GrößteStrom-stärke Maschinen-spannung Maschinen-stromstärke 3000   750   40 18800 120   6250 2500 1500   50 30000 150 10000 2000 2000   60 33300 180 11100 1500 3500   75 46500 225 13400 1000 6000 100 54500 330 18200 Es ist natürlich nicht ganz ausgeschlossen, daß sich die Unipolarmaschine auch bei höheren Spannungen, d.h. mit Hintereinanderschaltung vieler Ringe, bewähren wird. Wahrscheinlich ist es aber nicht, denn ihr Wirkungsgrad ist unter allen Umständen niedriger als der einer gleichstarken Kommutatormaschine, auch wenn diese in mehrere Einheiten zerlegt ist. Das liegt an den unvermeidlichen Bürsten Verlusten. Ich habe deshalb in der Tabelle nur die Spannungen und Stromstärken aufgeführt, die allein und ausschließlich von einer Unipolarmaschine erzeugt werden können, für die also eine andere Erzeugungsmöglichkeit (bei Dampfturbinenantrieb) überhaupt nicht besteht. In Betrieben, die derartige Stromstärken verlangen, wird man daher die Nachteile der Unipolarmaschine wohl in Kauf nehmen, nämlich 1. das große Gewicht, 2. den geringen Wirkungsgrad (etwa 82 bis 86 v. H.), 3. die erhöhte Bedienungspflicht für den Bürstenapparat. Letzteres gilt freilich nur für die zurzeit benutzten Metallbürsten, die möglicherweise später durch Graphit oder Kohle ersetzt werden können. Einen großen Vorteil hat die Unipolarmaschine aber schon in ihrem heutigen Zustande vor allen anderen elektrischen Generatoren voraus, das ist ihre große Ueberlastungsfähigkeit. Man kann sie nicht nur ohne Gefahr für die Bürsten und Wicklung bei voller Spannung kurzschließen, sondern auch vorübergehend um 200 bis 300 v.H. überlasten. Dies ist nicht überraschend, denn wie wir auf S. 130–131 gesehen haben, besteht sie lediglich aus massiven, in mechanischer Hinsicht solide befestigten Maschinenelementen, an denen die gefürchteten elektrodynamischen Wirkungen der Kurzschlußströme vergebens rütteln. Da außerdem die Schleifringe und Bürsten nicht auf normale Stromdichte, sondern auf Abnutzung im Dauerbetrieb, also relativ reichlich, dimensioniert werden müssen, so ist das Feuer selbst bei einer vielfachen Ueberlastung nicht bedeutend.