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Anordnung zur Reinigung der Kühlluft einer mit einem Radiallüfter
ausgerüsteten elektrischen Maschine, insbesondere eines Bahnmotors Die Erfindung
befaßt sich mit einer Anordnung zur Reinigung der Kühlluft einer mit einem Radiallüfter
ausgerüsteten elektrischen Maschine, insbesondere einer im Bahnbetrieb eingesetzten
elektrischen Maschine, die unterhalb eines Eisenbahnwagens untergebracht ist und
damit stark verunreinigte Luft als Kühlluft ansaugt.
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Bisher sind bei Schienenfahrzeugen sowohl Fahrmotoren als auch Motorgeneratoren
unterhalb des Wagenbodens montiert worden, wobei die hier im allgemeinen vorhandene
stark verunreinigte Luft die Führung und Art der Lüftung solcher Maschinen vorschrieb.
Es ist bekannt, einen unterhalb des Wagenbodens montierten Motorgenerator als vollständig
gekapselte Maschine mit innerer und äußerer Belüftung auszuführen; hierbei wird
die angesaugte, Verunreinigungen enthaltende Luft über das Äußere des vollständig
geschlossenen Maschinengehäuses geblasen, während für die Kühlluft im Innern der
Maschine ein in sich geschlossener Kühlkreislauf vorgesehen ist.
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Für Fahrmotoren, die in Drehgestellen von elektrischen Triebfahrzeugen,
also an Stellen mit recht beträchtlichen Luftverunreinigungen, angeordnet sind,
ist es bekannt, Fremdbelüftung vorzusehen. Die Kühlluft wird dann an einer beträchtlich
oberhalb der Gleisbettung liegenden Stelle angesaugt und mittels eines von einem
gesonderten Motor angetriebenen Gebläses in ein Kanalsystem gedrückt, das zur Kühlung
der Fährmotoren mit sauberer Kühlluft unterhalb des Wagenbodens vorgesehen ist.
Notwendigerweise muß dieses Kanalsystem biegsame Verbindungsstellen zwischen dem
Motor und den feststehenden Luftkanälen unterhalb des Wagens aufweisen, damit die
freie Beweglichkeit der Drehgestelle in Kurven nicht beeinträchtigt wird. Eine solche
Fremdbelüftung ist außerordentlich aufwendig und erfordert überdies eine besondere
Wartung.
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In den Drehgestellen von elektrischen Triebfahrzeugen angeordnete
Fahrmotoren sind fast ausschließlich. Reihenschlußkommutatormotoren, da diese Motoren
hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinien anderen Antriebsmotoren
weitaus überlegen sind. Bei solchen bekannten Kommutatorfahrmotoren mit Eigenbelüftung
ist der Lüfter an dem dem Kommutator abgekehrten Ende des Motors angeordnet, damit
der freie Zugang zum Kommutator nicht behindert wird. Da Fahrmotoren in beiden Richtungen
betrieben werden müssen, sind die Lüfter üblicherweise als Radiallüfter ausgebildet,
weil lediglich Radiallüfter bei beiden Drehrichtungen die Luft in die gleiche Richtung
fördern; und zwär ist es üblich, daß die Radiallüfter die Luft aus den Motoren heraussaügen
und die erwärmte Luft ins Freie drücken. Diese bekannte Eigenbelüftung hat den Nachteil,.
daß für die Kühlluft innerhalb des Motors ein negativer Druck bzw. ein Teilvakuum
entsteht, so daß in der äußeren Luft vorhandene Feuchtigkeit, Schmutz oder andere
Verunreinigungen durch die Einlaßöffnungen in den Motor eingesaugt werden. Man hat
versucht, dieser Gefahr durch die Verwendung von Filtern zu begegnen, dies ist aber
insofern nachteilig, als Filter häufig ersetzt werden müssen.
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Es ist bekannt, den Lüfter eines saugbelüfteten Bahnmotors mit einem
schneckenförmig ausgebildeten Gehäuse zu umgeben, in das die Luft von außen eintritt.
Der Eintritt der Kühlluft in das Motorinnere erfolgt durch entgegen der Richtung
des Kühlluftstromes gerichtete Schlitze, so daß zwar Verunreinigungen durch die
schneckenförmige Form des Gehäuses tangential abgeschleudert werden, gleichzeitig
für die angesaugte Kühlluft aber eine äußerst scharfe Umlenkung erforderlich ist,
so daß diese Art der Belüftung einen schlechten Wirkungsgrad aufweist. Außerdem
hat das schneckenförmig ausgebildete Gehäuse auch einen beachtlichen Platzbedarf,
der bei Bahnmotoren, vor allem wenn die Motoren in Drehgestellen untergebracht werden
sollen, meist nicht vorhanden ist.
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Weiterhin ist-. eine Anordnung bekannt, bei der die vom Radiallüfter
angesaugte Kühlluft in. einen sich -konisch verjüngenden, in Richtung der' Motorachse
liegenden Räum gedrängt wird, dessen kegelföxmige
Begrenzungsflächen
mit Austrittsöffnungen für die Verunreinigungen versehen sind. Die Verunreinigungen
werden hierbei infolge der Rotation der Kühlluft in dem kegelförmigen Raum aus den
Öffnungen herausgeschleudert. Der kegelförmige Räum hat jedoch ebenfalls einen beachtlichen
Raumbedarf, so daß die Anordnung eines solchen Raumes bei Bahnmotoren im allgemeinen
nicht möglich ist.
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Schließlich ist eine Anordnung bekanntgeworden, bei der die Kühlluft
von einem Radiallüfter durch das Innere der Maschine hindurchgesaugt wird und zum
Abschleudern der angesaugten Verunreinigungen auf der dem Radiallüfter abgewandten
Seite ein Schleuderrad vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung muß die vom Radiallüfter
angesaugte Kühlluft entgegen der Wirkung des Schleuderrades durch das Schleuderrad
hindurchtreten, so daß eine erhebliche Verminderung der Lüfterleistung eintritt.
Man hat diesen Nachteil dadurch zu umgehen versucht, daß man das Schleuderrad in
axialer Richtung von der Gehäusewand der' zu belüftenden Maschine abrückt und die
vorn Radiallüfter angesaugte Kühlluft zwischen der Abschlußwand des Schleuderrades
und der Gehäusewand durch in der Nähe der Welle befindliche Lufteintrittsöffnungen
in das Innere der Maschine führt. Hierbei unterstützt zwar die Ventilationswirkung
der Schaufeln des Schleuderrades die Saugwirkung des Radiallüfters, nachteilig ist
aber, daß die vom Radiallüfter angesaugte Kühlluft nach dem Hindurchtreten durch
die Schaufeln des Schleuderrades äußerst scharf, nämlich um 180°, umgelenkt und
zwischen der rotierenden Abschlußwand des Schleuderrades und der Gehäusewand hindurchgepreßt
wird. Da die Abschlußwand des Schleuderrades rotiert, wird ebenfalls eine radial
nach außen gerichtete Ventilationswirkung hervorgerufen, so daß starke Verwirbelungen
und Drosselungen eintreten, die die Saugleistung des Radiallüfters stark herabsetzen.
In gewissem Umfang kann man dies zwar dadurch vermeiden, daß der axiale Abstand
zwischen der Abschlußwand des Schleuderrades und der Gehäusewand, vergrößert wird,
dies bedeutet aber gleichzeitig eine Vergrößerung der axialen Baulänge der Maschine,
die insbesondere bei Bahnmotoren infolge des beengten Raumes meist nicht durchführbar
ist.
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Die Erfindung vermeidet diese Schwierigkeiten. Sie sieht vor, mit
Hilfe eines Radiallüfters die Kühlluft in das Maschineninnere hineinzudrücken. Wesentlich
für die Erfindung ist, daß dieser Radiallüfter von einem die Lüfterschaufeln zu
beiden Seiten abschirmenden Gehäuse umgeben ist, das in Richtung des Luftstromes
unmittelbar gegenüber den in radialer Richtung äußeren Kanten der Lüfterschaufeln
mit Ausstoßöffnungen verhältnismäßig kleinen Querschnittes versehen ist, die hinsichtlich
ihrer Form den auf Grund der Betriebsverhältnisse zu erwartenden Verunreinigungen
angepaßt sind, während hierzu seitlich im Lagerschild des Maschinengehäuses die
Kühlluft in das Innere der Maschine führende Öffnungen angeordnet sind, deren Begrenzungsränder
oberhalb der in radialer Richtung äußeren Kanten der Lüfterschaufeln liegen. Durch
die gemäß der Erfindung vorgesehene Konstruktion wird bei ausreichender Reinigung
der zugeführten Kühlluft durch zentrifugales Abschleudern der Verunreinigungen eine
Erhöhung des Wirkungsgrades der Belüftung gegenüber bekannten Anordnungen erreicht.
Dies hat zur Folge, daß die Ankerleistung einer elektrischen Maschine, deren Kühlluft
gemäß der Erfindung -gereinigt wird, beachtlich erhöht werden kann. In Weiterbildung
der Erfindung empfiehlt es sich, eine oder mehrere Ablenkwände vorzusehen, die die
durch den Lüfter in radialer Richtung geförderte Kühlluft beim Eintritt in das Innere
der Maschine zur Welle hin umlenken. Vorteilhafterweise wird eine solche Ablenkwand
mit einer Bohrung versehen, deren Durchmesser kleiner als der Läuferdurchmesser
ist, so daß die Rotation des Läufers die Lüfterwirkung unterstützt, da dann die
Wickelköpfe der Läuferwicklung ebenfalls wie ein Radiallüfter wirken. Gerade diese
Eigenschaft des rotierenden Läufers erwies sich bei bekannten Konstruktionen, bei
denen die Lüfter die Kühlluft durch das Maschineninnere hindurchsaugen, als Nachteil,
da bei diesen bekannten Maschinen der die Kühlluft durch das Maschineninnere saugende
Lüfter die Lüfterwirkung des Läufers überwinden muß.
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Bei einer Druckbelüftung hingegen, wie sie die Erfindung vorsieht,
unterstützt der rotierende Läufer die Lüfterwirkung des Lüfters, so daß sich gewissermaßen
ein Zweistufengebläse ergibt. Hierdurch wird der für den Lüfter erforderliche Leistungsbedarf
verringert. Dies ist beispielsweise für die Fahrmotoren von elektrischen Triebfahrzeugen
von besonderer Bedeutung, da diese Fahrmotoren mit stark veränderlichen Geschwindigkeiten
laufen. Da der Leistungsbedarf eines Lüfters mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit
steigt, ist bei den bekannten Konstruktionen die Lüfterleistung, die durch die rotierenden
Läuferwickelköpfe verlorengeht, recht beträchtlich. Jedoch muß gerade bei hohen
Geschwindigkeiten der Lüfter seine größte Leistung aufbringen.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 4 Ausführungsbeispiele
von gemäß der Erfindung ausgebildeten Maschinen dargestellt.
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Fig. 1 A und 1 B zeigen die linke bzw. rechte Hälfte eines Schnittes
durch den oberen Teil eines Motorgenerators; Fig. 2 zeigt einen Teilquerschnitt
längs der Linie II-II der Fig. 1 B, der einen Teilquerschnitt des Lüfters wiedergibt;
Fig. 3 und 4 zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel in verschiedenen Ansichten
das eine Ende eines Bahnmotors; Fig. 3 zeigt den Schnitt längs der Linie III-III,
während Fig. 4 den Schnitt der Linie IV-IV der Fig. 3 zeigt.
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Der in den Fig. 1 A und 1 B als Ausführungsbeispiel dargestellte Motorgenerator
ist unterhalb des nicht dargestellten Wagenbodens eines Eisenbahnfahrzeuges montiert.
Der Generator 5 (Fig. 1 A) und der Motor 6 (Fig. 1 B) sind als Gleichstromreihenschlußmaschinen
ausgeführt, die unmittelbar aneinander montiert sind und deren Läufer von der gemeinsamen
Welle 7 getragen werden. Ihre Kommutatoren 8 und Bürstenhaltevorrichtungen 9 sind
an den einander abgekehrten Seiten des Generators 5 und des Motors 6 angeordnet.
Der Motorgenerator wird von dem geschlossenen Gehäuse 10 umgeben, das aus der zylinderförmigen
Wand 11 und den beiden Stirnwänden 12 und 13 besteht. Die beiden Stirnwände 12 und
13 trägen die Lager 14, in denen die Welle 7 gelagert ist. Zum Zuführen der Kühlluft
besitzt das feststehende Gehäuse 10 die Lufteinlaßöffnung 15, die sich in dem äußeren
Teil der Stirnwand 13 befindet, sowie die Luftaustrittsöffnung 16, die sich an dem
der Lufteintrittsöffnung 15 .abgekehrten Ende des Gehäuses 10 in der Stirnwand
12 (linkes Ende der Fig. 1 A) befindet. Die Lufteintrittsöffnung 15 und die
Luftaustrittsöffnung 16 können auch in mehrere Öffnungen unterteilt sein, beispielsweise
können die
Lufteintrittsöffnungen 15 längs des Umfanges der Stirnwand
13 angeordnet werden.
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Das in der Fig. 1 B dargestellte rechte Wellenende 17 der Welle 7
ragt aus dem Gehäuse 10 hinaus und trägt die rotierende Wand 18 mit dem Radiallüfter
19. Der Radiallüfter 19 besteht aus einer Vielzahl von radialen Schaufeln 21, deren
linker Rand 22 mit verhältnismäßig geringem Abstand von dem unterhalb der Lufteinlaßöffnungen
15 befindlichen Teil der Stirnwand 13 rotiert.
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Das feststehende Gehäuse 10 weist an seinem rechten Ende die Kammer
23 auf, die als feststehender Gehäuseteil die Schaufeln 21 des Radiallüfters 19
umfaßt, und zwar befindet sich das in axialer Richtung äußere Abdeckblech 24 der
Kammer 23 in verhältnismäßig geringem Abstand von den in axialer Richtung äußeren
Enden der Schaufeln 21. Entsprechend dem eingezeichneten Pfeil wird also durch die
Schaufeln 21 Luft unterhalb des Abdeckbleches 24 angesaugt.
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Der die Mantelfläche des Gehäuses 10 fortsetzende Teil der Kammer
23, der in radialer Richtung den peripheren Kanten der Schaufeln 21 gegenüberliegt,
ist mit den verhältnismäßig kleinen Luftausstoßöffnungen 25 (Fig. 2) versehen, die
so angebracht und in ihrer Größe und Anzahl so begrenzt sind, daß sie nur einen
kleinen Teil der von den Schaufeln 21 des Radiallüfters 19 geförderten Luftmenge
abschöpfen, so daß die vom Radiallüfter 19 angesaugten Verunreinigungen der Kühlluft
zentrifugal abgeschleudert werden können.
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Im Eisenbahnbetrieb haben die mit der Kühlluft angesaugten Verunreinigungen
meistens eine längliche Form, so daß es sich empfiehlt, die Luftausstoßöffnungen
25 länglich zu gestalten, also ihnen beispielsweise die Form von Schlitzen zu geben,
so daß die angesaugten Verunreinigungen auch dann durch diese Schlitze hinausgeschleudert
werden, ohne sich hier festzuklemmen, wenn sie eine längliche Form haben. Die Schlitze
können in Umfangsrichtung entweder axial oder tangential angebracht werden. So haben
die Luftausstoßöffnungen 25 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Form von
sich axial erstreckenden Schlitzen.
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Dreht sich der Lüfter immer in der gleichen Richtung, wie es beim
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 A und 1 B angenommen ist, so kann die Wirkung der
die Verunreinigungen absaugenden Luftausstoßöffnungen 25 durch eine Vielzahl von
in geeigneter Weise angeordneten Leitblechen 26 verstärkt werden. Wie in Fig. 2
gesondert dargestellt, bilden die Leitbleche 26 zwischen ihren Enden die Schlitze
25. Hierdurch ergibt sich ein wirbelungsfreies Abströmen der vom Radiallüfter 19
angesaugten und infolge ihres größeren Gewichtes zentrifugal abgeschleuderten Verunreinigungen,
die von einem verhältnismäßig kleinen Teil der angesaugten und durch die Luftausstoßöffnungen
25 ausgestoßenen Kühlluft mitgerissen werden.
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Der ringförmige Raum zwischen dem mit den Öffnungen 25 versehenen
Teil der Kammer 23 und den peripheren Enden der radialen Schaufeln 21 sowie dem
diese Schaufeln tragenden Teil 18 ist so gestaltet, daß sich die in das Innere des
Motors eintretende Kühlluft in radialer Richtung ein wenig nach innen bewegen muß,
so daß die in der angesaugten Kühlluft enthaltenen schwereren Verunreinigungen durch
den Radiallüfter 19 radial nach außen geschleudert werden und infolge ihrer zentrifugalen
Kraft durch die Schlitze 25 austreten. Der Radiallüfter 19 wirkt damit luftreinigend
und drückt einen gereinigten Kühlluftstrom in das Innere der Maschine, der durch
die Luftaustrittsöffnungen 16 (Fig. 1 A) austritt: Es empfiehlt sich, den Radiallüfter
19 so zu konstruieren, daß eine Ansammlung von Verunreinigungen auf irgendwelchen
scharfen Kanten, die in den Luftstrom hineinragen, verhindert wird. Sind die in
der angesaugten Kühlluft enthaltenen Verunreinigungen klein, so läßt sich dies leicht
erreichen. Schwieriger wird es, wenn ein solches Aggregat beispielsweise bei Untergrundbahnen
verwendet wird, da dann die angesaugten Verunreinigungen neben dem Bremsstaub aus
einer recht beträchtlichen Menge von Faserteilchen bestehen, die aus Mänteln oder
anderen Kleidungsstücken stammen und mitunter eine beträchtliche Länge, bis zu 1
cm oder mehr, haben können. Diese Teilchen können sich dann an scharfen Kanten von
in den Kühlluftstrom hineinragenden Konstruktionsteilchen festhaken, von wo sie
nur schwer wieder entfernt werden können.
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Diese Schwierigkeiten können bei einer gemäß der Erfindung ausgebildeten
Konstruktion leicht behoben werden, da es hierbei möglich ist, den inneren Kanten
der Leitschaufeln 26 sowie ganz allgemein den die Verunreinigungen ausstoßenden
Luftausstoßöffnungen 25 und auch den inneren Kanten der radialen Schaufeln 21 des
Radiallüfters 19 einen Krümmungsradius zu geben, der den längsten Faserteilchen
entspricht, die auf Grund der zu erwartenden Betriebsverhältnisse mit der Kühlluft
angesaugt werden können. So beträgt beispielsweise der Krümmungsradius der gekrümmten
Kanten 26' und 21' der Leitbleche 26 bzw. der Schaufeln 21, wie in Fig. 2 dargestellt,
etwa 0,6 cm. Bei einer solchen Krümmung können auftreffende Fasern ohne weiteres
von den gekrümmten Flächen abgleiten und bleiben nicht hängen.
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Der in den Fig. 3 und 4 dargestellte Bahnmotor unterscheidet sich
hinsichtlich der Wirkungsweise seines Lüfters vor allem dadurch von dem in Fig.
1 A und 1 B dargestellten Motorgenerator, daß er mit verschiedenen Drehrichtungen
läuft. Daher muß auch der Radiallüfter für beide Drehrichtungen ausgebildet sein,
so daß die Schaufeln 21 A des Radiallüfters des in den Fig. 3 und 4 dargestellten
Bahnmotors nicht in gleicher Weise wie die Schaufeln 21 des Radiallüfters des Motorgenerators
der Fig. 1 und 2 geneigt sein können. Auch die zur besseren Führung der ausgestoßenen
Verunreinigungen dienenden Leitbleche 26 können dann nicht verwendet werden. Damit
ein ausreichender Krümmungsradius an den Luftausstoßöffnungen 25 erhalten wird,
müssen daher die Kanten der schlitzförmig ausgebildeten Luftausstoßöffnungen 25
stark abgerundet werden, wie es an der Stelle 25 A der Fig. 4 angedeutet ist.
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Bei dem dargestellten Bahnmotor sitzt der Radiallüfter auf dem dem
Kommutator des Motors abgekehrten Wellenende 17A nahe dem Stirnradkupplungsteil
30. Diese Anordnung des Radiallüfters bringt es mit sich, daß die feststehende Stirnwand
13A, die mit den LufteintrittsöfEnungen 15 versehen ist, verhältnismäßig nahe an
die Wickelköpfe 31 der umlaufenden Läuferwicklung zu liegen kommt, so daß die Gefahr
von verhältnismäßig starken Luftverwirbelungen besteht.
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Um dieser Gefahr zu begegnen, ist die Ablenkwand 32 vorgesehen, die
sich im Raum zwischen der Stirnwand 13 A und den Läuferwickelköpfen 31 in radialer
Richtung von der Wand 11 des Gehäuses nach innen erstreckt. Die Ablenkwand 32 ist
mit der Bohrung 33 versehen, deren Durchmesser geringer als der Läuferdurchmesser
ist.
Hierdurch wird erreicht, daß die Gebläsewirkung des umlaufenden Läufers die Lüfterwirkung
der Lüfterschaufeln 21A unterstützt, so daß der Leistungsbedarf des Lüfters verringert
werden kann.