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Aus einzelnen Kohleschichten zusammengesetzte Bürste für elektrische
Maschinen Den Stromwendern neuzeitlicher elektrischer Maschinen wird der Arbeitsstrom
über Kohlebürsten zugeführt. Unter der Bürste ist die Stromverteilung unregelmäßig,
und im allgemeinen drängt sich der Strom an bestimmten Stellen stark zusammen. An
den Kanten der Bürsten tritt Ionisierung und unerwünschtes Bürstenfeuer auf, was
starken Abbrand zur Folge haben kann. Außerdem bildet sich infolge der abgestuften
Spannungen der Stromwendersegmente ein Quer-und Kurzschlußstrom über die Kohlebürste
aus. Dieser hat einen entscheidenden Einfluß auf den Kohlen- und Stromwenderverschleiß,
auf die Maschinenerwärmung, auf die Überschlagssicherheit, auf den Wirkungsgrad
und auf den Leistungsfaktor. Der Quer- und Kurzschlußstrom schwächt ferner infolge
des Gegenfeldes bei Motoren das Anzugsmoment und setzt der räumlichen sowie der
elektrischen Bemessung der Maschine unerwünschte Grenzen. Bei Wechselstromkommutatormaschinen
sind diese Einflüsse infolge der transformatorischen Spannung der kommutierenden
Windungen besonders ausgeprägt. Die Rücksicht hierauf zwingt dazu, bei Wechselstrombahnen
eine möglichst niedrige Frequenz, im allgemeinen i62/3 Hertz, anzuwenden.
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Um die genannten Wirkungen der Längs-und Querströme zu mildern, sind
Kohlebürsten bekanntgeworden, bei denen in die Lauffläche Nuten eingefräst sind.
Derartige Kohlebürsten neigen aber stark zu Kantenbrüchen und bieten auch aus anderen
Gründen nur beschränkte Vorteile.
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Ferner sind auch Kohlebürsten bekanntgeworden, welche aus einzelnen
Kohleschichten bestehen, die durch Zwischenlagen aus Metall zusammengeschweißt oder
durch Klebemittel zusammengehalten sind.
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In dem erstgenannten Fall kann zwar eine genügende Festigkeit der
Kohlebürste erzielt werden, aber die Kurzschluß- und Querströme können sich ungehindert
entwickeln.
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In dem zweiten Fall wird zwar zwischen den Schichten der Kohlebürste
zur Verbesserung der Isolierung dünnes Seidenpapier verwendet. Zur Verbindung der
Kohleschichten wird aber ein Bindemittel, wie Fischleim oder Hausenblase, benutzt,
das weder allein noch zusammen mit dem Seidenpapier hitzebeständig ist, noch der
Kohlebürste die für den Dauerbetrieb erforderliche Festigkeit verleiht.
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Bei einer weiteren bekannten, aus Schichten bestehenden Kohlebürste
ist zwar ein hitzebeständiges, die genügende Festigkeit der Bürste gewährleistendes
Bindemittel, nämlich Kunstharz, vorhanden und darauf hingewiesen, daß durch die
aus elektrisch isolierendem Bindemittel, wie Kunstharz, bestehende
Zwischenschicht
der elektrische nuerwiderstand erhöht wird. Die Erhöhung des elektrischen Querwiderstandes
ist aber, wie Versuche ergeben haben, nicht ausreichend, um die Bürstenschichten
in erforderlichem Ausmaß voneinander zu isolieren..
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Im übrigen ist bei sämtlichen bisher bekanntgewordenen geschichteten
Kohlebürsten eine einwandfreie Isolierung der Bürstenschichten voneinander schon
dadurch nicht vorhanden, weil sie von der metallischen Bürstentasche nicht allseitig
isoliert sind, sondern im Gegenteil die Zuführung des Stromes meist über die metallische
Bürstentasche ganz oder teilweise erfolgt.
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Bei sämtlichen bekannten geschichteten Bürsten können sich daher immer
noch derart starke Quer- und Kurzschlußströme entwickeln, daß die eingangs erwähnten
Nachteile nicht hinreichend beseitigt sind. Insbesondere ist infolgedessen auch
mit den bekannten geschichteten Bürsten ein einwandfreier Dauerbetrieb von mit 5operiodigein
Strom gespeisten Einphasenwechselstromkommutatormotoren nicht möglich.
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Die Erfindung beseitigt sämtliche eingangs angeführten Nachteile durch
eine aus einzelnen voneinander und von der Bürstentasche isolierten Schichten zusammengesetzte
Kohlebürste, welche eine festhaftende temperaturbeständige Zwischenisolierung besitzt,
die den Kurzschlußstrom unter der Bürste auf einen Bruchteil des bei Vollkohle auftretenden
Wertes herabsetzt, oder bei gleichem Kurzschlußstrom, wie bei Vollkohle, die Lainellenspannung
am Stromwender auf ein Mehrfaches ihres bisherigen Wertes heraufzusetzen gestattet.
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Für die Erfindung sind also folgende Merkmale kennzeichnend: mechanische
Festigkeit der zusammengekitteten Kohlebürste, Temperaturbeständigkeit, ausreichendes
Isoliervermögen, Verwendung einer isolierten Bürstentasche.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
veranschaulicht.
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In sämtlichen Abbildungen sind die Kohleschichten mit a.,
b, c und d bezeichnet. Die Kohleschichten sind mittels eines hitzebeständigen,
isolierenden Klebstoffes, beispielsweise Kunstharz, fest zusammengekittet. Da die
Isolationsfestigkeit des hitzebeständigen Klebstoffes an sich noch nicht ausreichen
würde, um die Kohleschichten elektrisch voneinander zu isolieren, ist in die Klebstoffschicht
über der ganzen Länge der Bürstenschichten noch eine Papierzwischenlage eingefügt.
Das Papier ist zwar an sich kein hitzebeständiger Stoff. Bei der Klebung der Bürstenschichten
werden aber die Papierschichten mit dem Kunstharz durchtränkt. Hierdurch wird die
Papierzwischenlage ebenfalls hitzebeständig. Die Kohleschichten a, b, c und
d sind ferner von der metallischen Bürstentasche durch die Isolationseinlage
S völlig isoliert.
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Hierdurch wird verhindert, daß die metallische Bürstentasche bei der
Beriihrung der Kohleschichten als Nebenschluß wirkt. Die isolierende Schicht S kann
in bei Vollkohlen bekannter Weise aus einem festen Isolierstoff bestehen. Hierbei
müssen aber die Schleifeigenschaften berücksichtigt wer= den, damit durch den festen
Isolierstoff der Stromwender nicht in unzulässiger Weise abgeschliffen wird. Man
kann für den Isolierstoff auch eine Lack- oder OZydschicht verwenden. Hierbei läßt
sich die isolierende Schicht S entweder mit der Bürstentasche I1 oder mit der Kohlebürste
fest verbinden.
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Da ferner die Breite der einzelnen Bürstenschichten a, b, G
und d geringer ist als die doppelte Breite eines Stromwender segmentes, wird durch
die Erfindung erreicht, claß eine Kohleschicht beim Überschalten keine unzulässig
hohen Kurzschlußströme zwischen benachbarten Stroinwendersegmenten einleitet. Im
übrigen ist die Unterteilung der Gesamtkohlebürste von zwei Schichten aufwärts beliebig.
Bei der erfindungsgemäßen Kohlebürste ist auch der Kurzschlußstroni z3vischen den
äußeren Stromwendersegmenten 1 und q. mit der hohen Spannungsdifferenz erheblich
niedriger als bei Vollkohlen oder den bekannten geschichteten Kohlebürsten, da dieser
Kurzschlußstrom bei einer Bürste nach Abb. i in der gezeichneten Ankerstellung seinen
Weg über die schmalen Kohleschichten a und d, ferner über den Druckfinger D nehmen
muß.
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Da derZuführungskontakt für denArbeitsstrom, beispielsweise der Druckfinger
D, bei einer Kohlebürste nach Abb. i so breit ist, daß er alle Kohleschichten überbrückt,
verteilt sich der Arbeitsstrom auf die voneinander isolierten Einzelkohleschichten
a bis d. Der sonst bei Vollkohlen und auch in gewissem Umfange bei geschichteten
Kohlen mit ungenügender Isolierung der Einzelschichten an einer Stelle zusammengedrängte
Lichtbogen zwischen Kohlelauffläche und Stromwender K wird dadurch bei der erfindungsgemäßen
Kohlebürste in Einzellichtbögen aufgeteilt oder unterdrückt, wodurch sich geringere
Gefügezerstörungen ergeben.
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Die Kohleschichten a. und d haben mitunter infolge höherer Kurzschlußströme
einen stärkeren Abbrand an der Lauffläche als die Kohleschichten b und c. Zur Erreichung
einer gleichmäßigen Abnutzung ist es daher
zweckmäßig, die Schichten
a und d mit höherem Widerstand auszuführen, so daß der größere Anteil des
Arbeitsstromes über die Kohleschichten b und c fließt. Auch die mechanischen Eigenschaften
der äußeren Kohleschichten a und d können, beispielsweise zur Vermeidung
von Kantenbrüchen, anders gewählt -werden als die der inneren Kohleschichten.
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Die Abb. z zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die
isoliert angekitteten Außenschichten a und d vom Druckfinger D nicht
berührt werden. Die Schichten a. und cd führen daher keinen Arbeitsstrom und dienen
nur zur mechanischen Verstärkung der Innenschichten und zugleich zur Verbesserung
der Laufeigenschaften der Bürste und tragen damit zur Verbesserung der Stromwendung
bei. Der vom Arbeitsstrom durchflossene Kohlekern läßt sich jetzt schmaler bemessen.
Die äußeren Schichten a und d können mit Rücksicht auf gleichen Verschleiß und aus
Festigkeitsgründen aus anderem, insbesondere weicherem Kohlematerial als die inneren
Schichten bestehen. Im übrigen entspricht der Aufbau der Kohlebürsten der Abb.2
völlig dem Aufbau der Kohlebürsten der Abb. i, d. h. die Kohleschichten sind voneinander
auf ihrer ganzen Länge und von der Bürstentasche isoliert.
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Die Höhe des Kurzschlußstromes zwischen den Stromwendersegmenten ist
auch von den CTbergangswiderständen zwischen Kohle und Metall stark abhängig. Bei
einer Ausführung der Kohlebürste nach Abb. i befinden sich in dem Kurzschlußkreis
zwischen den Stromwendersegmenten i und q. vier Kupferkohlekontakte, und zwar die
Stellen: Stromwendersegment i und Kohleschicht a, Kohleschicht a und Druckfinger
D, Druckfinger D
und Kohleschicht d und endlich Kohleschicht d und
Stromwendersegment q. Die Zahl dieser Kontakte, an denen bekanntlich erhebliche
Spannungsabfälle entstehen, ist also gegenüber Vollkohlen verdoppelt. Ähnlich verhält
sich eine Kohlebürste nach Abb. 2.
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Bei der in der Abb. 3 dargestellten Kohlebürste sind die Kohleschichten
b und d zur weiteren Vermehrung der Kontaktstellen und der damit verbundenen Herabsetzung
der Kurzschlußströme unterbrochen. Zwischen den Teilen b1 und b., ferner zwischen
den Teilen d, und d. befinden sich Metalleinlagen, welche bezwecken, daß an den
Kontaktstellen zwischen Kohle und Metall Spannungsabfälle auftreten. Anstatt eine
feste Metallz@vischenlage zu verwenden, kann man einen der beiden sich berührenden
Kohleteile an der Kontaktstelle metallisieren, beispielsweise verkupfern. Die Kohlebürsten
nach Abb. ; besitzen zwei solcher zusätzlichen Kontaktstellen, deren Anzahl sich
aber nach Bedarf vermehren läßt. Die mittlere Kohleschicht c erhält aus Festigkeitsgründen
und zur Erreichung gleichmäßiger Abnutzungen an der Lauffläche zweckmäßig keine
Kontaktstellen.
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Wie Versuche erwiesen haben, gestattet die Erfindung die im Vollbahnbetrieb
üblichen Einphasenreihenschlußmotoren mit Wechselstrom von 5o Hertz zu betreiben,
so daß die Energie, welche bisher mit einer Frequenz von 15 bis 25 Hertz
für Zugförderungszwecke besonders erzeugt werden mußte, numnehr aus den Netzen der
allgemeinen Landesversorgung ohne Umformung entnommen werden kann. Wechselstromkommutatormaschinen
niedriger Frequenz und Gleichstrommaschinen lassen sich finit Hilfe der Erfindung
mit geringerer Polzahl und mit höherer Spannung, also billiger und leichter bauen.
Dies ist beispielsweise besonders vorteilhaft für Gleichstrommaschinen, welche durch
Gleichrichter gespeist werden. Im übrigen sind bei Verwendung der erfindungsgemäßen
Kohlebürste auch der Wirkungsgrad und der Leistungsfaktor höher.