Chapter 11

Abb. 115. Motor von oben gesehen (rechts Schnitt).

Abb. 116. Gestalt eines Polschuhes.

Jetzt richten wir uns ein starkes Grundbrett (a) aus hartem Holze her, ferner zwei starke rechteckige Holzsäulen (g), die ihrer ganzen Länge nach zu durchbohren sind. Die Höhe der beiden Säulen muß folgender Summegenaugleich sein: der Entfernung der unteren Seite vonbbis zur oberen Fläche voneplus 1mmplus der Dicke des bewickelten Ankers plus 1mmplus der Entfernung der unteren Fläche vone¹bis zur unteren Seite vonb¹. Durch die Längsbohrung vongund durch entsprechend einzubohrende Löcher inb,b¹undawird eine an ihren Endenmit Gewinden verseheneMessingstange(h) gesteckt, und durch Aufschrauben der Mutterniundi¹werden die einzelnen Teile fest zusammen gezogen. Es ist vorteilhaft, für die Mutteriin dem Grundbrett eine Versenkung einzubohren. Auf der Unterseite vongist ein Einschnitt einzusägen, in den der Bandeisenstreifenbgenau hineinpaßt, so daß die Säule nicht aufbsondern aufaaufsteht; natürlich darf der Einschnitt nur so groß sein, daß auchbnoch genügend fest gehalten wird.

Für die Achse (k) des Ankers wählen wir eine je nach der Größe der Maschine 5 bis 10mmstarke Messingstange. Nach ihrer Dicke muß sich die Weite der Bohrung durch den Holzkern (l) des Ankers richten. Letzterer wird dadurch an der Achse befestigt, daß wir ihn an einem an dieser angelöteten Messingblechscheibchen (m) anschrauben. Das untere Ende der Achse ist ein wenig abzurunden und zuerst mit gröberer, dann mit feinerer und schließlich mit allerfeinster Schmirgelleinwand abzureiben. Unter der mittleren Bohrung vonbist ein starkes Glasplättchen (n) inaeinzulassen; es dient der Achse als Auflager. Die beiden Lager (o) inbwie inb¹werden auf die bekannte Weise mit Kupferdraht hergestellt und in den betreffenden Bohrungen eingelötet (sieheSeite 22 u. f.). Die Lager sindsoforteinzuölen.

Sind nun die einzelnen Teile in der angegebenen Weise montiert, so muß sich der Anker ohne zu streifen zwischen den Polschuhen, von denen erhöchstens1mmAbstand haben darf, drehen lassen.

Es wären nun noch die Schleiffedern anzubringen. Sie sollen so den Kollektor berühren, daß die Magnetpole an den Punkten α und β (Abb. 115) entstehen. Wie aus dem SchemaAbb. 108erhellt, entstehen die Pole da, wo der Strom ein- und austritt. Die Verbindungslinie der Berührungspunkte müßte also senkrecht stehen zu der Verbindungslinie der Mitten der Magnetkerne. In Wirklichkeit aber ist die günstige Lage der Berührungspunkte etwas im Sinne der Ankerdrehung verschoben. Da wir diese Lage nur durch Probieren herausfinden können, müssen wir die Schleiffedern an einem drehbaren Gestelle anbringen.Die günstige Stellung können wir daran erkennen, daß beim Gang der Maschine die auf dem Kollektor auftretenden Funken kleiner sind, als bei jeder anderen Lage. Eine Platte aus dünnem Holz (Ahorn) oder besser aus Vulkanfiber oder Hartgummi, deren Form ausAbb. 115p—pzeigt nur die eine Hälfte — hervorgeht, ist in der Mitte durchbohrt und wird so aufbaufgelegt, daß die Achse durch diese Bohrung hindurchgeht. In jeder Ecke dieser Platte wird ein inAbb. 114mitqbezeichneter 2 bis 3mmstarker Kupferdraht befestigt. An je zweien auf der gleichen Seite sich befindenden Drähten wird ein federnder Kupferstreifenrangelötet.rist so zu biegen und die zweimal rechtwinkelig umgebogenen Drähteqsind so zu stellen, daß die Schleiffeder unter gelindem Druck auf dem Kollektor aufliegt. Hart nebenpist ein Loch inb¹einzubohren und mit einem Gewinde zu versehen, in das die Metallschraubes(mit breitem Kopf) hineinpaßt. Indem wir nunpwährend des Ganges der Maschine um die Achse drehen, können wir, wie bereits erwähnt, die günstigste Berührungsstelle für die Schleiffedern ausfindig machen und sie in dieser Lage durch Anziehen der Schraubesfixieren.

Abb. 117. Bewickelungsschema.

Wie die Spulen zu bewickeln und untereinander zu verbinden sind, geht aus dem SchemaAbb. 117hervor.

Bestimmung der Drahtstärken.

Jetzt wollen wir noch sehen, wie wir die Stärken und Längen der Drähte für unsere Bewickelungen bestimmen können. Man beachte folgende Punkte:

1. Der Widerstand der Bewickelung des Feldmagneten soll stets etwas größer sein als der der Ankerwickelung(Feldmagnet =35, Anker =25). Der Widerstand eines Drahtes ist proportional seiner Länge und umgekehrt proportional seinem Querschnitte. Der Querschnittqberechnet sich aus dem Durchmesser des Drahtes nach der Formel:q= π ·(d2)², worin π = 3,14 ist. (Man benutze auch die Tabellen am Schlusse des Buches.)

2. Der Widerstand in einem Ringanker ist gleich ¼ des Widerstandes im ganzen Ankerdraht, da dem Strom zwei Wege, die nur halb so lang sind als die genannte Ankerwickelung, offenstehen.

3. Bauen wir einen Motor mit Rücksichtnahme auf eine bestimmte Stromquelle, so kann er um so größer ausgeführt werden, je mehr elektrische Energie uns zur Verfügung steht. Die Energie eines Stromes wird in Watt gemessen und ist gleich dem Produkt aus Spannung und Stromstärke. 1 Watt gleich 1 Volt mal 1 Ampere (siehe auch zweiter VortragS. 84 u. f.). Haben wir bei gegebener Energie verhältnismäßig hohe Spannung und geringe Stromstärke, so ist es nach dem Ohmschen Gesetze (S. 86 u. f.) vorteilhafter, längere und dünnere Drähte für die Bewickelung zu verwenden, als wenn wir eine geringe Spannung und eine große Stromstärke haben. Um einen Anhaltspunkt für die absoluten Maße zu geben, sei folgendes gesagt. Ist der Feldmagnet eines Motors an Größe dem Magnet einer mittelgroßen elektrischen Klingel gleich und steht uns eine Batterie von etwa 3 bis 6 Leclanché-Elementen zur Verfügung, so mag die Bewickelung des Feldmagneten gleich der der betreffenden elektrischen Klingel sein, also für jede Spule etwa 20meines 0,5mmstarken Kupferdrahtes.

4. Schalten wir die Magnet- und Ankerwickelung hintereinander(Hauptstrommaschine), das heißt so, daß der Strom zuerst die Magnetschenkel umkreist, dann durch den Ankerdraht fließt und schließlich wieder zur Stromquelle zurückkehrt (siehe auchAbb. 125), so ist der Gesamtwiderstand der Maschine größer, als wenn wir die beiden Wickelungen nebeneinander (Nebenschlußmaschine) schalten, also so, daß sich der Strom beim Eintritt in den Motor teilt und einerseits um den Feldmagnet, anderseits um den Anker fließt, um beim Austritt aus der Maschine sich wieder zu vereinigen und zur Stromquelle zurückzukehren (Abb. 126). Wollen wir einen Motor von vornherein als Nebenschlußmaschine bauen, so ist der Widerstand der Ankerdrähte eben so groß oder etwas kleiner zu wählen, als der der Drähte des Feldmagneten. Näheres über die Unterschiede dieser Schaltungsweisen ist bei der Beschreibung der Dynamomaschine ausgeführt (S. 148).

5. Um aus den hier gegebenen Anhaltspunkten die Drahtmaße für eine der hier beschriebenen Maschinen berechnen zu können, vergleichen wir zuerst den für den Motor zur Verfügung stehenden Strom mit dem, den die unter 3. erwähnten 3 bis 6 Leclanché-Elemente liefern. Den inneren Widerstand des oben erwähnten Motors berechnen wir mit Hilfe der Widerstandstabelle (im Anhang) und erhalten für die Bewickelung des Ankers 3,2 Ohm, dies sind2⁄5des gesamten Widerstandes: es kommen auf den Feldmagneten3⁄5, also 4,8 Ohm, so daß wir im ganzen einen Widerstand von 8 Ohm erhalten. Haben wir einen Strom, der die doppelte Anzahl von Watt liefert wie die 3 bis 6 Elemente, so sind die Dimensionen des Motors etwa 1,5mal so groß auszuführen; der gesamte Widerstand (8 Ohm) hat aber gleich zu bleiben für den Fall, daß auch das Verhältnis von Spannung zu Stromstärke gleichgeblieben ist. Wollen wir dagegen den Motor für einen Strom bauen, der zwar dieselbe Energie besitzt wie die Leclanchébatterie, aber bei geringerer Stromstärke eine höhere Spannung hat, so ist der Gesamtwiderstand der Maschine dadurch größer zu machen, daß man mehr Windungen macht, also längeren und dünneren Draht verwendet.

6. Sind wir nun über die Dimensionen und die Drahtwiderstände der herzustellenden Maschine im klaren, soschätzen wir mit Hilfe der Widerstandstabelle Länge und Stärke des Drahtes, der auf eine Spule kommen soll, ungefähr ab. Um erkennen zu können, ob der Draht die gegebene Spule auch ausfüllt oder auf ihr hinreichend Platz findet, müssen wir den inneren Spulendurchmesser (also die Kerndicke) zu dem äußeren Spulendurchmesser addieren — die Maße sind immer in Millimetern auszudrücken — die Summe mit 2 dividieren und das Resultat mit π(π = 317)multiplizieren. Wir erhalten dadurch die mittlere Länge einer Windung. Um die Zahl der Windungen festzustellen, müssen wir die Dicke des Drahtes mit der Isolierung kennen.

Nehmen wir zum Beispiel an, der Kerndurchmesser sei 1cm, der äußere Spulendurchmesser 3cm, die Spulenlänge 5cm, der Widerstand des Drahtes 1 bis 1,5 Ohm und die Drahtdicke hätten wir auf 0,5mm, mit der Isolierung also auf 0,7mm, geschätzt. Wir wollen nun die erforderliche Länge und den Widerstand berechnen.

Spulendurchmesser = 30mm,Kerndurchmesser = 10mm,

somit mittlere Länge einer Windung

10 + 302· π = 20 ·227= 62,9mm, rund 6,3cm.

Wieviel Windungen haben auf der 50mmlangen Spule eines mit der Isolierung 0,7mmstarken Drahtes Platz?

50 : 0,7 =71,4Windungen.

Wieviel Lagen gehen auf die Spule, wenn ihr Halbmesser 15mm, der Halbmesser des Kernes 5mmbeträgt?

15 − 5 = 10mm; 10 : 0,7 =14,3Lagen.

Somit ergeben sich 71,4 · 14,3 =1021,02Windungen. Jede Windung hat eine durchschnittliche Länge von 6,3cm, also ergibt sich für die Gesamtlänge

rund 1021 · 6,3cm=64,32m.

Da die Dicke des Drahtes ohne die Umspinnung 0,5mmbeträgt, so ergibt sich nach der Tabelle ein Widerstand von

64,32 · 0,08 =5,1Ohm.

Wir haben also nicht sehr gut geschätzt; der Widerstand ist etwa 4mal zu groß. Wir müssen deshalb die gleiche Rechnung nochmals für einen etwas stärkeren Draht durchführen. Nehmen wir zum Beispiel für den nackten Draht 0,7, für den umsponnenen 1mman, so brauchen wir davon 31,5m, deren Widerstand sich auf etwa 1,25 Ohm beläuft.

7. Die hier angegebenen Verhältnisse brauchen nur dann berücksichtigt zu werden, wenn wir von dem Motor unter größtmöglicher Ausnützung der vorhandenen elektrischen Energie Arbeit verlangen. Soll die Maschine nur ein Spielzeug sein, das sich dreht, wenn man einen Strom hineinleitet, so sind wir daran nicht gebunden und können die Maße für die Bewickelungsdrähte ganz willkürlich wählen.

Induktionsströme.

Nachdem Rudi seine verschiedenen Motoren vorgeführt und erklärt hatte, ging er dazu über, soviel über Induktionsströme zu sprechen, als unbedingt zum Verständnisse der magnetelektrischen Maschine und der Dynamomaschine nötig war. An einigen kurzen Experimenten zeigte er zuerst die Haupterscheinungen der Magnetinduktion und dann die der Elektroinduktion.

Magnetinduktion.

Zur Demonstration der Entstehung von Induktionsströmen hatte sich Rudi eine große hohle Drahtspule gemacht, auf der nahezu 80meines 0,5mmstarken Drahtes aufgewickelt waren. (Es genügen für diesen Versuch aber auch kleinere Spulen.) Eine größere Anzahl von Stricknadeln hatte er einzeln magnetisiert (Magnetisieren sieheSeite 90u.140) und dann so zu einem Bündel zusammengebunden, daß alle gleichnamigen Pole auf derselben Seite waren. Dadurch war ein starker Stabmagnet entstanden. Die Drahtenden der Spule verband Rudi mit seinem Vertikalgalvanoskop. Sobald er dann den Stabmagnet in die Spule hineinschob, schlug die Nadel des Instruments einen Augenblick nach der einen Seite aus; als er ihn herauszog, geschah der Ausschlag nach der anderen Seite. Das gleiche Experiment wiederholte er, indem er den Magnet viel rascher hineinsteckte und herauszog; dabei wurden die Ausschläge des Galvanoskopes größer als vorher.

Nach diesem Versuche schob Rudi eine kurze Betrachtung über die Kraftlinien ein, über die er ja schon imzweiten Vortrag eingehend gesprochen hatte. Er erklärte fernerhin, daß, wenn ein Leiter der Elektrizität von Kraftlinien durchschnitten wird, in ihm elektrische Ströme auftreten. In einem beliebig geformten Leiter sind die Ströme ungeordnet und kommen nicht zur Geltung. Geben wir aber dem Leiter die Form eines langen, zur Spule aufgewickelten Drahtes, so summieren sich die kleinsten Stromimpulse zu einem durch seine Wirkungen erkennbaren elektrischen Strome. Ein Strom wird nur so lange erzeugt, als die Kraftlinien in Bewegung sind. Je rascher sie sich bewegen, desto stärker ist der Strom. Der Strom, der beim Eintritte von Kraftlinien in einem Leiter entsteht, ist in seiner Richtung dem Strom, der durch die austretenden Kraftlinien hervorgerufen wird, entgegengesetzt.

Elektroinduktion.

Ähnlich wie ein Stahlmagnet wirkt eine von einem Strome durchflossene Spule. Um auch das zu zeigen, hatte sich Rudi eine kleinere Spule gemacht, die in die größere eingesteckt werden konnte. Auch die kleinere Spule war hohl, so daß es möglich war, einen Eisenkern in sie hineinzuschieben. Rudi führte den Versuch zuerst ohne, dann mit dem Eisenkern aus. In letzterem Falle war die Wirkung bedeutend stärker, da durch die Gegenwart des Eisens die Zahl der Kraftlinien sehr vergrößert wurde.

Der dritte Versuch bestand darin, daß Rudi die kleine Spule mit dem Eisenkern in der großen stehen ließ und den Strom zur kleinen plötzlich ein- und ausschaltete. Beim Einschalten des Stromes erhielt er den Ausschlag des Galvanoskopes nach derselben Seite wie beim Eintauchen des Magneten; das Ausschalten entsprach in dieser Beziehung seinem Herausnehmen.

Nach diesen einleitenden Versuchen ging Rudi zur Erklärung der Wirkungsweise der magnetelektrischen Maschine über. Er hatte sich selbst eine solche gefertigt, und wir wollen nun sehen, wie man dabei zu Wege gehen muß, um zu einem sicheren und guten Ergebnisse zu gelangen.

Die magnetelektrische Maschine.

Um eine gutgehende magnetelektrische Maschine herstellen zu können, bedürfen wir vor allem einesstarken Stahlmagneten, dessen Form von der des Ankers abhängt. Von den drei uns schon bekannten Ankerformen kommen nur die beiden inAbb. 118dargestellten in Betracht.

Abb. 118. Ankerformen für magnetelektrische Maschinen.

Für die Stahlmagnete eignet sich der dänische Stahl am besten; für unsere Zwecke jedoch genügt gewöhnlicher Werkzeugstahl, der in 50 bis 70cmlangen Stäben als Rund- und Bandstahl von den verschiedensten Querschnittdimensionen in den Handel kommt. Es können auch Sägeblätter verwendet werden.

Die Doppel-T-Anker sind für solche Maschinen geeigneter als die sogenannten Hufeisenanker, haben aber den Nachteil, daß wir sie nicht selbst herstellen können. Man kann sie dagegen bei jedem Mechaniker kaufen.

Der Werkzeugstahl kommt meist in weichem, geglühtem Zustand in den Handel; trotzdem ist es vorteilhaft, ihn vor der Bearbeitung nochmals durchzuglühen. Da es sich hier um ziemlich starke Stücke handelt, wird allerdings in den meisten Fällen selbst ein guter Bunsenbrenner nicht mehr genügen, die Eisenstäbe richtig zum Glühen zu bringen.

Abb. 119. Die improvisierte Schmiedeesse (Schnitt).

Die Schmiedeesse.

Wir müssen uns deshalb rasch eine kleineSchmiedeesseanfertigen. An das eine Ende eines Gummischlauches stecken wir einen alten Trichter aus Eisenblech, an das andere einen Blasebalg. Der Trichter wird mit der Öffnung nach oben in einemit Sand gefüllte Kiste gesteckt und der Schlauch zu einem in die Seite eingebohrten Loche hinausgeleitet. Die Trichteröffnung wird etwa zur Hälfte mit etwas mehr als nußgroßen Kieselsteinen angefüllt. Den Schnitt durch diese Einrichtung zeigtAbb. 119.

Nehmen wir nun an, unser Anker habe einen Durchmesser von 25mmund eine Länge von 30mm, so brauchen wir ein 60cmlanges, 12mmbreites und 3mmdickes, ferner ein 18cmlanges, 15mmbreites und 3mmdickes Stück Bandstahl. Ersteres wird in zehn, je 6cmlange, letzteres in vier, je 4,5cmlange Stäbe zerlegt. Wie diese später zu einem Magnetstock angeordnet werden, geht ausAbb. 120hervor. Um den Anker an einer möglichst großen Fläche nahe zu umschließen, müssen in den einander gegenüberstehenden Magnetschenkeln der Ankerkrümmung entsprechende Aushöhlungen angebracht werden (sieheAbb. 120A). Um die einzelnen Stäbe zu einem festen Ganzen zusammenzuhalten, müssen die längeren an dem dem Ankerausschnitt entgegenliegenden Ende, die kürzeren an beiden Enden durchbohrt werden. Es erübrigt nun noch, alle Kanten, mit Ausnahme derer der Ankerausschnitte, mit Feile und Schmirgelpapier wohl abzurunden.

Je dünner die einzelnen Stäbe sind, desto besser lassen sie sich magnetisieren, weshalb sich Sägeblätter sehr gut eignen. Auch können wir dann das Magnetisieren in Ermangelung eines starken Stromes durch Streichen mit einem Stahlmagneten bewerkstelligen (sieheunten). Zum Ausfeilen der Rundung für den Anker klemmen wir dann eine größere Anzahl solcher Blätter zusammen in den Schraubstock und befeilen sie mit der halbrunden Eisenfeile.

Härten und Magnetisieren von Stahlstäben.

Jetzt müssen die Stahlstäbe gehärtet werden. In einem Holzkohlenfeuer, das wir auf unserer Schmiedeesse entfachen, werden sie einzeln bis auf helle Rotglut erhitzt und dann direkt aus dem Feuer heraus in kaltes Wasser geworfen. Nachdem so alle Stäbe gehärtet sind, werden sie mit Schmirgelleinwand von der durch das Glühen entstandenen Oxydschicht etwas befreit und müssen dann magnetisiert werden. Zu diesem Zweck stellen wir unseine Drahtspule her, in die die Stahlstäbe gerade hineinpassen. Die Bewickelung muß so gewählt werden, daß mit der uns zur Verfügung stehenden Stromquelle ein möglichststarkerGleichstrom durch möglichstviele Windungenfließt. Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes (Seite86 u. f.) ist es nicht schwer, das festzustellen. Ist unsere Stromquelle überhaupt schwach, so müssen wir den Strom entsprechend länger wirken lassen, was jedoch den Mangel an Intensität bei weitem nicht ersetzen kann. Es ist weit vorteilhafter, 12 Ampere 2½ Minuten wirken zu lassen, als z. B. 1 Ampere 30 Minuten. Nach einem andern Verfahren, das aber auch einen starken Strom erfordert, verfährt man folgendermaßen: Man windet sich aus 2 bis 2,5mmstarkem, isoliertem Kupferdraht eine Spule, die aber für die kürzeren Magnetstäbe nicht länger als 2cm, für die längeren nicht länger als 2,5 bis 3cmsein darf. In diese Spule bringen wir den zu magnetisierenden Stab so, daß die Spule genau über seiner Mitte liegt; erst jetzt wird ein möglichst starker Strom durch die Windungen geschickt und der Stab so in der Spule etwa 15 bis 20 mal hin und her geschoben, daß das Stabende der einen Seite immer nur bis zum Spulenende der gleichen Seite geführt wird. Man hört wieder in der Mitte auf und zwar so, daß jede Stabhälfte gleich oft durch die Spule gegangen ist; dann wird der Strom abgestellt. Steht uns kein starker Strom zur Verfügung, so tun wir gut daran, das Magnetisieren von einem zuverlässigen Mechaniker besorgen zu lassen.Stehen uns gute, starke Stahlmagnete zur Verfügung, so können wir unsere Stäbe auch durch Streichen magnetisch machen. Das einfachste Verfahren, wozu wir auch nureinenMagneten brauchen, besteht darin, daß man erst den einen, z. B. den Nordpol des Strichmagneten, in der Mitte auf den zu magnetisierenden Stab aufsetzt, ihn unter starkem Aufdrücken nach dem Ende zu führt, da hochhebt, in der Luft im Bogen zurückgeht, wieder in der Mitte aufsetzt u. s. f. 10 bis 20 mal; dann wiederholt man das gleiche Verfahren mit dem anderen Pol nach der anderen Seite des Stabes. Bessere Resultate gibt folgendes Verfahren: Wir legen zwischen 2 Stabmagnete ein Holz, das so dickwie die Magnete und 1 bis 2cmkürzer als die zu magnetisierenden Stäbe ist; rechts liegt der Nordpol, links der Südpol am Holz an. Darauf wird der Stahlstab so gelegt, daß seine Enden auf den Magnetpolen aufliegen. Zwei weitere Stabmagnete werden, durch ein 5mmdickes Hölzchen getrennt, so in der Mitte des Stabes aufgesetzt, daß sie mit diesem Winkel von 45° bilden und daß rechts der Nord-, links der Südpol aufliegt. Nun fährt man erst an das eine Ende (nicht darüber hinaus!), dann über die Mitte weg nach dem anderen u. s. f. 10 bis 20 mal und hört so in der Mitte auf, daß man gleich oft über jede Hälfte gefahren ist.

Es ist besonders darauf zu achten, daß die eine Hälfte, also fünf Stück, der längeren Stahlstäbe an dem mit dem Ausschnitt versehenen Ende + (nord-) magnetisch, die andere Hälfte der Stäbe an dem ausgeschnittenen Ende − (süd-) magnetisch werden. Mit einer freischwebenden Magnetnadel stellen wir die Nord- und Südpole der einzelnen Magnete genau fest und bezeichnen sie deutlich mittels Tinte mit den Zeichen + und −. Nun werden diese Magnete in der ausAbb. 120hervorgehenden Anordnung zusammengestellt. Zwei Eisenstäbe, die an beiden Enden mit Gewinden versehen sind, werden durch die Löcher geschoben, und mit je zwei Muttern werden die Magnete fest zusammengepreßt. Sollten an den Berührungsflächen der einzelnen Magnete infolge des Glühens oder eines anderen Umstandes Unebenheiten aufgetreten sein, so müssen diese durch Schleifen, was aber vor dem Magnetisieren auszuführen ist, mit Schmirgel beseitigt werden, feilen läßt sich gehärteter Stahl nicht mehr!

Den so gewonnenen Magnetstock können wir dadurch verstärken, daß wir uns noch Magnete von passender Größe herstellen, mit denen wir die Zwischenräume zwischen den einzelnen Stäben ausfüllen, natürlich unter richtiger Berücksichtigung der Pole.

Abb. 120. Der aus einzelnen Stäben zusammengesetzte Magnetstock.

Abb. 121. Gleich- und Wechselstromabnehmer auf einer Achse.

Wir kommen nun zur Bewickelung des Ankers. Je länger und dünner der Draht ist, den wir verwenden, desto höher ist die Spannung und desto geringer die Stromstärke. Für eine Maschine in den hier angegebenen Dimensionen dürfte ein 0,3 bis 0,5mmstarker Draht die besten Resultate ergeben. Die Drahtenden werden zu einem Kollektor geführt, wie er schon aufSeite 123beschrieben worden ist. Die Stellung der Schleiffedern ist hier genau dieselbe wie dort. Außer diesem Kollektor, der den in den Spulen induzierten Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, können wir auch einen solchen zur Abnahme von Wechselstrom auf der Achse anbringen. Er besteht einfach aus zwei nebeneinander liegenden, abervoneinander isolierten Metallringen.Abb. 121zeigt beide Kollektoren nebeneinander auf einer Achse. Die Drahtenden der Spule, die zu dem äußeren der beiden Kollektoren führen, müssen natürlichunterdem inneren hindurchgehen.

Abb. 122. Verschiedene Formen für Feldmagnete.

Verwenden wir statt des Doppel-T-Ankers den inAbbildung 118Babgebildeten, so ist der dazu nötige Stahlmagnet etwas einfacher herzustellen.Abb. 122zeigt drei verschiedene Formen. Für die Verwendung von Sägeblättern dürfte die FormCam geeignetesten sein; natürlich müssen dann mehr als drei Streifen zusammengelegt werden. Die Stirnfläche des Feldmagneten soll mindestens 1qcmgroß sein.

Abb. 123zeigt den Anker mit den Spulen (d) und deren Stellung zum Feldmagnet (a) im Schnitt;cist die Achse,bder Ankerkern,eder Kollektor. Diese Teile sind den entsprechenden des aufSeite 123beschriebenen Elektromotors in jedem Punkte gleich. Für die Bewickelung gilt das nämliche wie beim Doppel-T-Anker.

Der Anker der magnetelektrischen Maschine muß, um einen elektrischen Strom zu liefern, ziemlich rasch gedreht werden. Wir befestigen deshalb auf der Achse eine aus Hartholz gedrechselte Welle, über die wir einen Riemen oder eine Schnur zu einem Schwungrade leiten. Wir können dazu das Schwungrad einer Nähmaschine mit Fußbetriebverwenden, wenn wir die Nähmaschine von dem Tischchen abheben. Wir können uns aber auch ein Schwungrad folgendermaßen selbst herstellen: Wir sägen uns aus einem breiten Brett, das wir eventuell aus anderen zusammenleimen, eine runde Scheibe. Auf ihre beiden Seiten kleben wir je einen Ring aus starkem Pappendeckel, der so groß ist, daß er den Rand der Scheibe um etwa 0,5cmüberragt. Dadurch wird eine Rinne gebildet, in der eine Schnur laufen kann, ohne abzugleiten. Es ist nun noch eine Kurbel anzubringen und die Scheibe auf einer Achse an einem Gestelle zu befestigen. Dessen Konstruktion ausfindig zu machen, überlassen wir der Phantasie des jungen Bastlers.

Abb. 123. Schnitt durch die magnetelektrische Maschine mit Hufeisenanker.

Wirkungsweise der magnetelektrischen Maschine.

Die Wirkungsweise der magnetelektrischen Maschine erklärte Rudi im Anschluß an die Experimente über Magneto- und Elektroinduktion. Dort haben wir gesehen, daß in einem Leiter elektrische Ströme entstehen, sobald Kraftlinien sich in ihm bewegen. Dabei konnten wir beobachten, daß dasEin- oderAustreten der Kraftlinien für die Stromrichtung bedingend war. Maxwell hatte eine Regel aufgestellt, die uns gestattet, die Richtung des Induktionsstromes sicher festzustellen. Betrachten wir dieAbb. 124, die die Kraftlinien eines MagnetstabesNSdarstellt; wir sehen an den eingezeichneten Pfeilen, daß diese Linien, vom Nordpol nach allen Seiten ausstrahlend, sich nach dem Südpol hin bewegen.Die MaxwellscheRegel heißt:Betrachtet man eine Drahtspule, die sich in einem magnetischen Felde[5]bewegt, in der Richtung der Kraftlinien, so bringen eintretende Kraftlinien einen Strom hervor, der der Uhrzeigerbewegung entgegengesetzt ist, austretende dagegen einen solchen, der dieselbe Drehungsrichtung hat wie der Uhrzeiger.

Abb. 124. Drahtringe, die sich in einem magnetischen Feld bewegen.

InAbb. 124sind fünf Drahtringe eingezeichnet. Nehmen wir an, daß sich I und II von links nach rechts bewegen und III, IV und V von rechts nach links, so werden die induzierten Ströme in der eingezeichneten Richtung fließen.

Betrachten wir nun die Verhältnisse bei unserer magnetelektrischen Maschine mit dem Hufeisenanker in der inAbb. 123dargestellten Lage, so gehen die Kraftlinien im Bogen vom +-Pol des Stahlmagneten durch den Anker hindurch zum −-Pol. Dabei treten sie in die linke Drahtrolle von vorn, in die rechte von hinten ein, da sie in einem Bogen von einem Pol zum anderen gehen. Wirdder Anker so gedreht, daß die linke Spule gewissermaßen nach oben aus der Bildfläche heraustritt und die rechte sich abwärts bewegt, so treten aus beiden Spulen Kraftlinien so langeaus, bis der Anker eine Drehung von 90° gemacht hat. Wird er dann weiter gedreht, so dringen Kraftlinienein, aber von der anderen, der hinteren Seite her, bis die Pole des Ankers, nachdem er sich um 180° gedreht hat, vor denen des Magneten stehen. Wir wollen die Richtung der während der halben Umdrehung in den beiden Spulen induzierten Ströme feststellen. Dabei soll „von vorn gesehen“jedesmaldie Richtung vom Anker zum Feldmagneten, „von hinten gesehen“ die umgekehrte Richtung angeben. Zuerst, während sich die linke Spule nach oben bewegt, treten von hinten kommende Kraftlinien aus ihr heraus, oder, wie man sich auch ausdrücken kann, die Zahl der vonhintenin die Spule eindringenden Kraftlinien wird ständiggeringer; der Strom wird also vonhintengesehen im Sinne der Uhrzeigerbewegung durch die Spule fließen. Beginnt die Spule nach einer Drehung von 90° sich wieder abwärts zu bewegen, so wird die Zahl der vonvorneindringenden Kraftlinien beständiggrößer. Betrachten wir nun wie vorhin die Spule vonhinten, so fließt der induzierte Strom immer noch im Sinne der Uhrzeigerbewegung. Jetzt wollen wir sehen, was unterdessen in der anderen Drahtrolle — die ursprünglich rechts stand — vor sich gegangen ist. Hier sind zuerst die vonvornkommenden Kraftlinien aus der Spuleausgetreten, dann — nach einer Viertelumdrehung — die vonhintenkommendeneingetreten, also gerade umgekehrt wie bei der zuerst betrachteten Drahtrolle. Hier fließt demnach der Induktionsstrom von hinten gesehenentgegendem Sinne der Uhrzeigerbewegung. Daraus folgt, daß der Strom in den Spulen, die sich oberhalb der Bildebene bewegen, in der einen, in denen, die sich unterhalb der Ebene bewegen, in der anderen Richtung fließt. Verbinden wir die Drahtenden der Spulen so wie bei einem gewöhnlichen Elektromagnet, bei welchem der Draht um den einen Magnetschenkelrechts, um den anderenlinksherum aufgewickelt ist, so werden sich die inden beiden Drahtrollen induzierten Ströme nicht entgegenfließen, sondern addieren; dagegen werden sie die Drähte während der ersten halben Umdrehung in der einen, während der zweiten in der anderen Richtung durchfließen, da ja in beiden Spulen in dem Augenblick, in dem sie die Pole des Feldmagneten passieren, der Induktionsstrom seine Richtung ändert.

Führen wir die Drahtenden der Ankerspulen zu zwei ganzen, voneinander isolierten Ringen auf der Achse und leiten mittels zweier Schleiffedern den Strom in einen Draht, so durchfließt er diesen unter fortwährender Änderung seiner Richtung. Davon können wir uns überzeugen, wenn wir das Vertikalgalvanoskop mit den Schleiffedern verbinden und die Maschine ganz langsam in Gang setzen: nach je einer halben Ankerumdrehung wird die Nadel des Instrumentes zuerst nach der einen, dann nach der anderen Seite ausschlagen. Drehen wir aber den Anker sehr rasch, so bekommen wir überhaupt keinen Ausschlag, weil die einzelnen Impulse, die ständig ihre Angriffsrichtungen auf die Nadel ändern, so rasch nacheinander eintreffen, daß die Trägheit der Nadel und des Magneten diesen nicht erlauben, den Impulsen zu folgen. Wir können dagegen mit einer kleinen Glühlampe das Vorhandensein eines Stromes nachweisen, denn der Kohlenfaden wird in der gleichen Weise erhitzt, ob der Strom in der einen oder anderen Richtung ihn durchfließt.

Um von der magnetelektrischen Maschine Gleichstrom abnehmen zu können, haben wir auch den zweihälftigen Kollektor auf der Achse montiert. Daß dieser als Kommutator, als Stromwender wirkt, haben wir schon aufSeite 123gesehen.

Die Dynamomaschine.

Sich selbst eine Dynamomaschine, die wirklich als Generator zu gebrauchen ist, anfertigen zu wollen, ist ein Unternehmen, das meistens daran scheitert, daß eben eine solche Maschine in allen ihren Teilen ganz genau berechnet sein will. Wer sich nach den Berechnungsangaben aufSeite 134 u. f.einen größeren Motor gebaut hat, kann unter Umständen das Glück haben — es wäre ein Zufall —, daß derselbe auch als Generator zu verwenden ist. Unter den beschriebenenMotoren kann in dieser Beziehung am meisten von den vierpoligen mit Hufeisenanker oder von solchen mit Doppel-T-Anker erwartet werden. Wie wir die Maschinen auf ihre Fähigkeiten dieser Art hin zu prüfen haben, wird am Ende des Abschnittes erwähnt. Jetzt wollen wir zuerst hören, was Rudi in seinem Vortrag über das Prinzip der Dynamomaschine ausführte.

Abb. 125. Schema einer Hauptstrommaschine.

Wir haben gesehen, daß, wenn sich ein Drahtkreis in einem magnetischen Felde bewegt, in diesem — dem Drahtkreis — ein elektrischer Strom erzeugt wird. Der Strom ist umso stärker, je stärker das magnetische Feld ist. Nun ist es eine bekannte Tatsache, daß wir ein Stück weiches Eisen mit Hilfe eines elektrischen Stromes zu einem viel stärkeren Magnet machen können als ein gleich großes Stück Stahl. Es lag deshalb der Gedanke nahe, für magnetelektrische Maschinen statt Stahlmagnete Elektromagnete zu verwenden und den Strom für diese entweder einer Batterie, oder einer kleineren magnetelektrischen Maschine zu entnehmen. Werner v. Siemens kam zuerst (i. J. 1867) auf den Gedanken, den Ankerstrom selbst zur Erregung der Feldmagnete zu verwenden. Auch das weichste Eisen, wenn es einmal magnetisch gemacht war, behält eine Spur von Magnetismus, die genügt, einen wenn auch sehr kleinen Strom im Anker zu erzeugen. Dieser kleine Strom wird um den Feldmagnet geleitet und macht ihn ein wenig stärker, wodurch auch der induzierte Strom wieder stärker wird und den Feldmagnet noch stärker macht u. s. f., bis die Grenze der Magnetisierungsfähigkeit des Eisens erreicht ist. Zur besseren Veranschaulichung dieses Vorganges stellte Rudi eine Tafel mit der inAbb. 125dargestellten Figur auf.

Diese Tafel zeigt die sogenannteHauptstrom-oderSerienschaltung, weil der Hauptstrom, das ist der ganze im Anker erzeugt werdende Strom, durch die Windungen des Feldmagneten fließt. Anders verhält sich das bei der inAbb. 126dargestellten Schaltungsweise, der sogenanntenNebenschlußschaltung. Hier liegen die Feldmagnete im Nebenschluß zu dem im Anker erzeugten und durch das Leitungsnetz (X) fließenden Strom. Diese Schaltungsweise ist die gebräuchlichere, da durch einen beiR(Abb. 126) eingeschalteten Rheostaten (sieheAnhang) die Spannung bequem reguliert werden kann. Mache ich den Widerstand inRgrößer, so sinkt die Spannung, mache ich ihn kleiner, so steigt sie.

Abb. 126. Schema einer Nebenschlußmaschine.Abb. 127. Schema einer Maschine mit Fremderregung.

Abb. 126. Schema einer Nebenschlußmaschine.

Abb. 127. Schema einer Maschine mit Fremderregung.

Es können auch beide Schaltungsweisen kombiniert werden (Verbund- oder Compoundmaschine), doch ist hier nicht der Platz, auf all diese Einzelheiten einzugehen; wir wollen uns lieber nur mit solchen Experimenten beschäftigen,die den Verhältnissen unseres einfachen Laboratoriums angepaßt sind.

So wollen wir z. B. sehen, wie wir einen Elektromotor zur magnetelektrischen Maschine machen können: Wir verbinden die Drahtenden der Feldmagnetwickelung mit einer Batterie und können dann, wenn der Anker gedreht wird, von den Schleiffedern Strom abnehmen. Diese Schaltungsweise zeigtAbb. 127.

Abb. 128. Einschaltung eines Hilfsstromes in den Stromkreis der Dynamo.

Wollen wir mit einem unserer Motoren unser Glück probieren, ob er auch als Generator zu verwenden ist, so müssen wir folgendermaßen verfahren: Wir schalten Anker und Feldmagnet hintereinander (Serienschaltung), in den Stromkreis des Feldmagneten eine Stromquelle und in den äußeren Stromkreis ein AmperemeterXein, wie ausAbb. 128ersichtlich ist. (Die Elemente können natürlich auch an einer anderen Stelle des Stromkreises eingeschaltet werden.) Dieser Hilfsstrom braucht nicht stärker zu sein, als daß er den Motor gerade noch in langsame Rotation versetzt. Drehen wir nun den Anker gewaltsam in entgegengesetzter Richtung, als er durch den Batteriestrom gedreht wurde, so wird er einen Strom erzeugen, der gleichgerichtet mit dem der Elemente ist. Während die Maschine im Gang ist, verbinden wir zuerst die beiden Punkteaundb(Abb. 128) durch einen kurzen Kupferdraht und schalten dann die Batterie aus. An dem angeschlossenen Amperemeter können wir jetzt sehen, ob das Glück uns hold war und unseren Motor auch als Generator arbeiten läßt.

Nachdem Rudi die wichtigsten theoretischen Dinge über Motoren und Generatoren besprochen hatte, ging er dazuüber, seinen aufmerksamen Zuhörern die praktische Anwendung dieser Maschinen im Großbetriebe zu erklären.

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