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Gleichstrommaschine Inhaltsangabe der erfinderischen Offenbarung
Ein Raum, in dem sich die Bürsten einer Gleichstrommaschine befinden, ist in zwei
Teilräume unterteilt; im ersten befinden sich die Gleitenden der Bürsten und im
anderen die -"Köpfe" dieser Bürsten; die beiden Teilräume stehen miteinander über
Spalte in Verbindung, von denen jeder an einer Seite einer Bürste vorgesehen ist.
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Durch diese Anordnung fließen Kühlluftströme unmittelbar an den Bürsten
vorbei, und die Wirkung, mit der die Bürsten gekühlt werden, läßt sich steigern.
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Stand der Technik Die Erfindung bezieht sich auf Gleichstrommaschinen;
insbesondere betrifft sie eine Gleichstrommaschine, bei der Kühlluftströme genötigt
werden, an den Bürsten vorbeizufließen, um so die Kühlung der Bürsten, der Bürstenhalter
und des Kommutators zu verbessern.
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Im allgemeinen rührt ein Ansteigen der Temperatur in einer Gleichstrommaschine
von der Wärmeerzeugung her, die durch Verluste in den Feldspulen, der Ankerwicklung
und dem Kommutator sowie in deren Nachbarschaft angeordneten Teilen bedingt sind.
Insbesondere die Bürsten und der Kommutator zeigen einen Temperaturanstieg, der
wesentlich höher ist als der Temperaturanstieg in anderen Maschinenteilen, so daß
die zulässige Betriebstemperatur der Gleichstrommaschine von den Temperaturen der
Bürsten und des Kommutators abhängt. Ein starkes Ansteigen der Temperatur der Bürsten
und des Kommutators würde eine erhebliche Verschlechterung in den Gleiteigenschaften
auslösen, mit dem Ergebnis, daß an den Bürsten eine abnormale Abnutzung auftritt
oder die einwandfreie Arbeitsweise des Kommutators gestört wird. In der letzten
Zeit nehmen Gleichstrommaschinen in ihrer Größe zu, und der Strom der Gleichstrommaschine
wird im Laufe der letzten Jahre zunehmend größer. Dadurch wurde die Stromdichte
in den Bürsten unvermeidbar größer. Zum Beispiel benötigt ein elektrischer Motor
für ein Motorfahrzeug beim Anlassen einen Strom, der drei- bis viermal so groß ist
wie der normale Wert (oder 30 - 35 A/cm2 in der Stromdichte der Bürsten). Unter
diesen Verhältnissen besteht die Gefahr, daß die Temperatur der Bürsten und der
Bürstenhalter über 200°C ansteigt.
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Die Kühlung der Bürsten und der Teile in ihrer Nähe hat infolgedessen
bei einer Gleichstrommaschine an Bedeutung zugenommen. Eine Gleichstrommaschine
der bekannten Technik, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, hat den Nachteil, daß
man nicht in der Lage ist, das Kühlen dieser wichtigen Teile mit einer hohen Wirksamkeit
durchzuführen.
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Die Gleichstrommaschine nach Fig. 1 wird nunmehr beschrieben, um
den Stand der Technik in der Kühlung von Gleichstrommaschinen zu erläutern.
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Wie dargestellt, hat die Gleichstrommaschine an ihren beiden Enden
bzw. am rechten und linken Ende Lagerschilde 1 und 2, in denen Lager 4 und 5 sitzen,
die zur Lagerung der umlaufenden Welle 3 der Gleichstrommaschine dienen. An der
inneren Fläche des Lagerschildes 1 ist ein Bürstenhalter 6 befestigt, der Bürsten
8 trägt, die mit einem Kollektorring oder Kommutator 7 der Gleichstrommaschine in
Druckberührung gebracht werden, der radial innerhalb der Bürsten liegt, die ihrerseits
in Richtung auf diesen Kommutator 7 bewegt werden können. Ein Spalt 9 ist zwischen
dem inneren Umfang des Bürstenhalters 6 und einer Seitenfläche jeder Bürste 8 vorgesehen,
er erstreckt sich von dem "Kopf" jeder Bürste bis etwa zu deren innerem Ende.
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Eine Abdeckung 10, die einen Abstand von den äußeren Begrenzungen
der Bürsten 8 hat und diese Bürsten einschließt, enthält eine Lüftungsöffnung 11,
die in der Nähe der Köpfe der Bürsten 8 vorgesehen ist. Über die Lüftungsöffnung
11 besteht eine Verbindung zwischen
einem inneren Raum 12, in dem
der Bürstenhalter 6, die Bürsten 8 und der Kommutator 7 angeordnet sind, und der
Umgebung.
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Der innere Raum 12 wird mit einem inneren Raum 17 im Bereich der Innenseite
des Lagerschildes 2 in Verbindung gehalten durch einen Luftspalt 16 zwischen einer
Feldspule 13, einem Feldpol 14 und der äußeren Oberfläche des Rotors 15; dieser
innere Raum 17 steht mit der Umgebung über eine Ventilationsöffnung 18 in Verbindung.
Ein Kühllüfter 19, der drehfest, gegebenenfalls sogar einstückig mit der Motorwelle
3 ausgebildet ist, um einen Strom von Kühlluft zu liefern, wenn die Welle umläuft,
ist in dem inneren Raum 17 angeordnet.
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Wenn die Gleichstrommaschine läuft, wird durch den Lüfter 19 ein
Kühlluftstrom A erzeugt, der durch die Lüftungsöffnung 11, den inneren Raum 12,
den Luftspalt 16, den inneren Raum 17 und durch die Lüftungsöffnung 18 in der angegebenen
Reihenfolge fließt. Die Kühlung der unterschiedlichen Teile des Gleichstrommotors
erfolgt durch den Kühlluftstrom A.
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Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Kühlluftstrom stets den
Weg des geringsten Luftströmungswiderstandes benutzt. Infolgedessen können zwar
die Ankerwicklung und die Feldspulen 13 in befriedigender Weise gekühlt werden,
es war bisher jedoch unmöglich, auch wirksam die Bürsten 8 und den Kommutator 7
zu kühlen, weil man nicht in der Lage war, eine laminare Luftströmung an der umlaufenden
Oberfläche des Kommutators und Ströme von Kühlluft unmittelbar zur Kühlung der Bürsten
8 zu erzeugen. Der Kühlluftstrom wurde nicht zwangsläufig in jedem der Spalte 9
zwischen den Bürsten 8
und den Bürstenhalter 6 hineingeführt. Unterschiedliche
Lösungen sind denkbar. Eine dieser Lösungen bestünde darin, unmittelbar einen Luftstrom
auf die Überfläche des Kommutators zu lenken; nach einer anderen Lösung kann man
Maßnahmen zum Einführen eines Luftstromes auf die Oberfläche des Kommutators vorsehen
und diesen Luftstrom dann ableiten. Wenn irgendeine dieser Lösungen gewählt würde,
muß eine besondere Luftführung zum Aufblasen eines Luftstrom es vorgesehen werden,
in die die Luft eingeführt und über die sie wieder abgeführt wird.
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Schilderung der Erfindung Die vorliegende Erfindung vermeidet den
oben erwähnten Nachteil des bekannten Standes der Technik. Dementsprechend ist die
Aufgabe der Erfindung: Ausbildung einer Gleichstrommaschine, die mit einer LüftervWorrichtung
einfacher Konstruktion versehen ist, um in befriedigender Weise das Kühlen der Bürsten,
der Bürstenhalter und des Kommutators zu erzielen.
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Das wesentlichste Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Gleichstrommaschine
eine Trennwand enthält, welche einen in bezug auf den Bürstenhalter äußeren Raum
und einen inneren Raum unterteilt, wobei der äußere Raum in Verbindung mit der äußeren
Atmosphäre bleibt, wobei Spalte zwischen den Bürsten und dem Bürstenhalter die inneren
und äußeren Räume in Verbindung miteinander halten und eine Lüftungsöffnung den
inneren Raum in Verbindung mit der äußeren Atmosphäre hält. Die Trennwand dient
gleichzeitig als Bürstenhalterung
und bildet Wege für Luftströme,
die unmittelbar die Bürsten, die Bürstenhalterung und den Kommutator kühlen.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden nunmehr Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäß ausgebildeten Gleichstrommaschine beschrieben, die in der
Zeichnung veranschaulicht ist. Zum Vergleich zeigt die Fig. 1 einen Längsschnitt
durch eine Gleichstrommaschine gemäß dem Stand der Technik; es zeigen weiterhin:
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Gleichstrommaschine in einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 3 eine Schaubilddarstellung der Beziehung zwischen der Temperatur
der Bürsten und dem Ventilations-Luftvolumen der Gleichstrommaschine des bekannten
Standes der Technik nach Fig. 1 und der erfindungsgemäßen Ausbildung einer Maschine
gemäß Fig. 2, Fig. 4 einen Teilaxialschnitt in etwas vergrößertem Maßstab durch
die wesentlichen Teile einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5 einen
Teilaxialschnitt in etwas vergrößertem Maßstab durch wesentliche Teile einer dritten
Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 6 einen Teilaxialschnitt in etwas vergrößertem
Maßstab durch die wesentlichen Teile einer vierten Ausführungsform der Er-Erfindung
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In der nun folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung
nach Fig. 2 bis Fig. 6 werden einander gleiche oder ähnliche Teile mit gleichen
Bezugszahlen bezeichnet.
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In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist ein Raum 12 an der Seite
des Lagerschildes 1 der Gleichstrommaschine, in dem die Bürsten 8 angeordnet sind,
in einen äußeren Raum 12 A an der Seite der "Köpfe" der Bürsten 8 und einen inneren
Raüm 12 B, der nach der Kommutatorseite 7 liegt, unter Benutzung einer Trennwand
30 unterteilt, die gleichzeitig als Bürstenhalterung 6 dient. Die zwei Räume 12
A und 12 B werden miteinander lediglich durch die Spalte 9 in Verbindung gehalten.
Ein Endteil der Trennwand 30, der an der Seite der Feldspule 13 liegt, ist mit einem
Ende des Motorgehäuses 20 verbunden. Eine Abdeckung 10 ist vorgesehen, um die Trennwand
30 abzuschließen und so den äußeren Raum 12 A von der Feldspule 13 zu trennen.
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Der Lagerschild 1 enthält eine Lüftungsöffnung 21, die den äußere
ren Raum 12 A mit der umgebenden Atmosphäre unmittelbar in Verbindung bringt, und
eine Lüftungsöffnung 22, die den inneren Raum 12 B in Verbindung mit der umgebenden
Atmosphäre hält. Das Bezugszeichen 23 bezieht sich auf Strom zuleitungen zu den
Bürsten. In der Abdeckung 10 ist keine Lüftungsöffnung angeordnet.
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Es sei nun der Betrieb der Gleichstrommaschine beschrieben, wie sie
soeben erläutert wurde: Das Umlaufen des Lüfters 19 zieht Luft aus der Umgebung
in die Gleichstrommaschine hinein. Ein Kühlluft strom B wird durch die Lüftungsöffnung
21 in den äußeren Raum 12 A
eingesaugt, wo dieser Strom durch die
Abdeckung 10 abgeschirmt ist; Luftströmungsfäden fließen durch die Spalte 9 und
werden gegen Teile der Bürsten 8 und des Kommutators 7 gerichtet, die miteinander
in Gleitberührung sind.
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So werden die seitlichen Flächen der Bürsten 8, die Teile der Bürsten
8 und des Kommutators, die in Gleitberührung miteinander sind und andere Teile in
ihrer Umgebung durch den Luftstrom B gekühlt.
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Ein Kühlluftstrom C wird durch die Lüftungsöffnung 22 in den inneren
Raum 12 B eingesaugt, er fließt längs der äußeren Oberflächen der Bürsten, die von
der Bürstenhalterung 6 gehalten werden, und des äußeren Umfangs des Kommutators
7. In der Zwischenzeit stagniert der auf den Kommutator 7 auftreffende Luftstrom
B und wird aufgeheizt. Der Luftstrom C bewirkt, daß der Luftstrom B seine Wärme
an ihn abgibt und mit ihm zu einem Luftstrom D wird, der durch den Luftspalt 16
und die Abluftöffnung 18 abströmt, und schließlich in die äußere Umgebung fließt.
Vorzugsweise ist die Lüftungsöffnung 22 in ihren Außen-Abmessungen etwas größer
als der äußere Durchmesser des Kommutators, um so die Wirksamkeit, mit der der Luftstrom
C an dem äußeren Umfang des Kommutators 7 vorbeiströmt, zu erhöhen.
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Aus der vorangegangenen Beschreibung ergibt sich, daß die Wirkung
für das Kühlen der Bürsten 8 verdoppelt wird, weil diese Bürsten nicht nur längs
ihres inneren Umfangs bzw. ihrer inneren Oberflächen durch den Luftstrom B gekühlt
werden, sondern auch längs
ihrer äußeren Oberflächen durch den
Kühlluftstrom C. Die Wirksamkeit, mit der der Kommutator 7 gekühlt wird, ist ebenfalls
vergrößert, weil er sowohl durch den Kühlluftstrom B als auch den Kühlluftstrom
C gekühlt wird.
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Weiterhin werden die Feldspule 13 der Feldpole 14 und die Ankerwicklung
15 durch den Luftstrom D gekühlt, wie dies auch -bereits bei der Maschine des bekannten
Standes der Technik gemäß Fig. 1 der Fall ist. So können sämtliche Luftströme ohne
irgendeine Verschwendung ausgenutzt werden.
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Die Erfindung wurde so beschrieben, daß Luftströme durch die Lüftungsöffnungen
21 und 22 eingeführt und diese gleichen Luftströme durch die Lüftungsöffnung 18
abgeführt werden. Es sei jedoch gesagt, daß die gleiche Kühlwirkung gemäß der Erfindung
erreicht werden kann, wenn man einen Luftstrom durch die Lüftungsöffnung 18 einführt
und diesen Luftstrom durch die Lüftungsöffnungen 21 und 22 in Form zweier Luftströme
abführt. Wenn dies der Fall ist, bewegt sich ein Luftstrom E, der durch die Lüftungsöffnung
18 in die Maschine eingesaugt wird, auf dem gleichen Wege wie der Luftstrom D, aber
in entgegengesetzter Richtung; er teilt sich auf in einen Luftstrom F, der in einer
Richtung entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung des Luftstrom es Abfließt, und
einen Luftstrom G, der in einer entgegengesetzten Richtung zu der Bewegungsrichtung
des Luftstrom es C fließt.
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Da die Spalte 9 einen großen Widerstand für den Luftstrom bilden,
neigt der Luftstrom F dazu, hinsichtlich seines Durchsatzes relativ klein zu sein.
Um diesen Nachteil z u beheben, kann der Durchlaß-Querschnitt der Lüftungsöffnung
22 verringert werden, um ihren Widerstand
gegenüber einem Luftstrom
zu vergrößern. Auf diese Weise wird sich der Durchsatz im Luftstrom F erhöhen. Es
dürfte klar sein, daß selbst, wenn die Luftstrom B und C in die Maschine über die
Lüftungsöffnungen 21 und 22 eingeführt werden, das Volumen der Luft, die durch die
Spalte 9 fließt, durch geeignetes Bemessen der Größe der Öffnungen 21 und 22 eingestellt
werden kann.
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Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß mit der Lüftungsausbildung des Ausführungsbeispiels
gemäß Fig. 2 die Temperatur der Bürsten um ungefähr 20 % verringert werden kann
im Vergleich zu der Temperatur der Bürsten der üblichen Gleichstrommaschine, wenn
die anderen Bedingungen gleich bleiben. Die Temperaturen in unterschiedlichen Teilen
einer Bürste können ebenfalls verringert werden, wenn die Lüftungsanordnung gemäß
der Erfindung in der Gleichstrommaschine angewendet wird. Wenn beispielsweise die
Bürstenstromdichte 15 A/cm2 und das Luftdurchsatzvolumen 5,75 m3/min betrug, waren
die Temperaturen des Kopfes der Bürste, des unteren Teiles der Bürste auf der Kommutatorseite,
und der Stromzuleitungen zu den Bürsten bei einer bekannten Gleichstrommaschine
100 OC, 140 OC und 90 OC. Die entsprechenden Werte waren unter den gleichen Betriebsbedingungen
bei der Gleichstrommaschine gemäß der Erfindung 80 OC, 110 C und 60 OC.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Abdeckung 10 für die
Köpfe der Bürsten 8 an einer Seite an dem Lagerschild 1 befestigt, um den Kühlluftstrom
B zu steuern. Die Anwendung der Abdeckung 10 erhöht den äußeren Durchmesser desjenigen
Abschnitts der Maschine an der Außenseite der Bürsten bei der Gleichstrommaschine
und macht es unmöglich, Forderungen zu genügen, nach denen eine gedrängte allgemeine
Bauart
einer Gleichst rommaschine erzielt werden soll.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 vermeidet diesen Nachteil.
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Bei dieser Ausführungsform bildet eine Kappe 10 A lediglich eine Abdeckung
für die Köpfe der Bürsten 8 sie ist mit einer Lüftungsöffnung 24 versehen, um den
Innenraum der Kappe 10 A in Verbindung mit der umgebenden Atmosphäre zu halten.
Ein Filter 25 ist in die Lüftungsöffnung 24 eingesetzt. Da keine große Abdeckung
10 verwendet wird, ist es hier möglich, den äußeren Durchmesser desjenigen Abschnitts
der Maschine zu verkleinern, in dem die Bürsten 8 angeordnet sind.
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In der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird der Kühlluft strom
B in die Maschine durch die Lüftungsöffnung 24 eingeführt, die in der Kappe 10A
vorgesehen ist, und nach dem Hindurchströmen durch die Spalte 9 auf den Kommutator
7 geblasen. In der zweiten Ausführungsform kann derselbe Kühleffekt erreicht werden
wie in der ersten Ausführungsform.
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Vorzugsweise ist die Kappe 10 A aus Kunstharz, Gummi oder anderem
isolierendem Material hergestellt, um elektrische Schläge zu vermeiden.
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Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Gleichstrommaschine, hier einer Maschine der offenen Bauart. Diese hat keine Abdeckung
10 oder Kappe 10 A. Bei dieser Maschine werden Kühlluftströme direkt durch die Spalte
9 zwischen der Bürstenhalterung 6 und den Bürsten 8 hindurch eingeführt.
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Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der eine
vertikale Trennwandplatte 29, die den außerhalb der Bürstenhalterung 6 liegenden
äußeren Raum 12 A von der Feldspule 13 trennt, an einer Abdeckung 28 befestigt ist
(in der ersten Ausführungsform in Fig. 2 dargestellt, ist der Endteil oder vertikale
Teil der von der Bürstenhalterung 6 gebildeten Trennwand an dem Gehäuse 20 befestigt).
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Die Abdeckung 28 ist mit einer Lüftungsöffnung 27 versehen, in die
ein Filter 26 eingebaut ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 erfolgt das Kühlen der Bürsten
und des Kommutators mit der gleichen guten Wirkung wie bei den vorher erwähnten
Ausführungsformen. Ein zusätzlicher Vorteil, den diese Ausführungsform bietet, liegt
in der Leichtigkeit, mit der Wartungsarbeiten durchgeführt werden können, weil die
Bürstenhalterung 6 unabhängig von dem Gehäuse 20 ist.
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Aus der bisherigen Beschreibung wird ersichtlich, daß die Gleichstrom
maschine gemäß der Erfindung eine Trennwand odg Trennplatte aufweist, die gleichzeitig
als eine Bürstenhalterung dient bzw. als Bürstenhalter benutzt wird, und die in
der Lage ist, den Raum innerhalb der Maschine in einen äußeren Raum aufzuteilen,
der außerhalb der Bürstenhalterung liegt, und einen inneren Raum, der innerhalb
dieser Halterung liegt. Der äußere Raum und der innere Raum werden miteinander in
Verbindung gehalten durch Spalte, die jeweils zwischen dem Bürstenhalter und einer
Seite einer der Bürsten begrenzt sind, so daß die in die Maschine eingeführte Kühlluft
aus der äußeren Umgebung unmittelbar oder indirekt über die seitliche Oberfläche
der Bürsten zu
den gleitenden Abschnitten der Bürsten und auf den
Kommutator strömt.
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Eine weitere Lüftungsöffnung zum unmitte-lbaren Einführen von Luft
in den inneren Raum unterhalb des Bürstenhalters erhöht die Wirkung der Kühlung
der Bürsten und der Teile in deren Nachbarschaft.