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Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Leistungswiderstand mit natürlicher Konvektionskühlung.
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Diese Leistungswiderstände werden insbesondere beim
Bahntriebwagen als Bremswiderstand verwendet. Um die
Erhitzungen und die Abnutzungen der mechanischen Bremsen zu
begrenzen, wird ein großer Teil der kinetischen Energie der
Maschine in elektrische Energie umgewandelt, die in den
Bremswiderständen in Wärme umgesetzt wird. Diese Widerstände
müssen den strengen Betriebsbedingungen standhalten, die
beim Bahnbetrieb auftreten.
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Diese Widerstände liegen in Form von Kästen vor, die
man zusammensetzt, um den gewünschten Gesamtwiderstand zu
erhalten. Jeder Kasten besitzt ein Widerstandsband, das im
allgemeinen aus einer Chrom-Nickellegierung hergestellt ist.
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Für jede Verwendung wird der Widerstand so bemessen,
daß die beiden folgenden Hauptmerkmale optimiert werden,
nämlich der Widerstandswert und die abzuleitende
Wärmeleistung. Die Luft erwärmt sich in Kontakt mit dem Widerstand
und wird nach außen entfernt.
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Es sind sogenannte schraubenförmige Widerstände mit
natürlicher Konvektionskühlung bekannt. Die
Widerstandselemente bestehen aus einem kalibrierten Band, das hochkant
aufgerollt ist und von isolierenden Führungen aus
Keramikmaterial gehalten wird. Die Schraubenform des Bands soll eine
gute Abkühlung des Widerstands bewirken. Die Montage ist so
gestaltet, daß eine freie Ausdehnung der Heizelemente
möglich ist. Für eine Verwendung auf dem Gebiet der Eisenbahn
werden diese Widerstände in der freien Luft montiert,
entweder unter dem Wagen oder auf dem Dach.
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Der Nachteil dieser Art Widerstand ist es, daß die
Spirale eine hohe Induktivität aufweist: Eine Spirale kann
eine Induktivität von 100 µH aufweisen und ein vollständiger
Widerstand kann zehn Spiralen enthalten. Diese Widerstände
können also nicht in Zusammenwirkung mit modernen
Elektronikschaltungen arbeiten. Es wäre nötig, daß der vollständige
Widerstand eine Induktivität aufweist, die nicht über 20 µH
liegt.
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Ein weiterer Nachteil dieses Widerstands liegt in den
hohen Kosten der Schraubenform. Diese hohen Kosten entstehen
aus der Form der Spirale, ihrer Wartung und der hohen Zahl
von Teilen, die zu ihrem Halt notwendig sind.
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Weiter sind Leistungswiderstände bekannt, die durch
erzwungene Ventilation gekühlt werden. In diesem Fall
besteht das Widerstandsband aus zickzackförmig gefalteten und
endseitig aneinandergeschweißten Bändern. Die Montage des
Bands in seinem Kasten muß einen maximalen Wärmeaustausch
zwischen dem Band und dem Kühlluftstrom erlauben, den
mechanischen Halt des der Wärmeausdehnung unterworfenen Bands
gewährleisten und Kurzschlüsse zwischen einander
gegenüberliegenden Teilen des Bands verhindern. Der Kasten hat die
Form eines flachen Parallelepipeds, das an seinen vier
senkrechten Seiten durch Platten verschlossen ist, die die
Elemente für den mechanischen Halt des Bands, die
Isolierelemente und die elektrischen Anschlußklemmen tragen. Die
Ventilation erfolgt durch erzwungenen Luftströmung zwischen
der offenen Unter- und der offenen Oberseite.
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Um die Nachteile der oben beschriebenen
schraubenförmigen Widerstände zu vermeiden, schlägt die vorliegende
Erfindung einen Leistungswiderstand vor, dessen
Widerstandsband von der Art ist, die bei den durch erzwungene
Ventilation gekühlten Widerständen verwendet wird, dessen Struktur
aber so ist, daß sie eine ausgezeichnete natürliche
Belüftung des Widerstands erlaubt. Es ist dann für das gleiche
Volumen möglich, die schraubenförmigen Widerstände durch
erfindungsgemäße Widerstände zu ersetzen, die die gleiche
Wärmeleistung abgeben.
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Der erfindungsgemäße Leistungswiderstand soll auch
billig und leicht zu montieren sein und keinen besonderen
manuellen Eingriff zwischen den Falten des Widerstandsbands
erfordern.
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Die Erfindung hat also einen durch natürlich
Konvektion gekühlten Leistungswiderstand zum Gegenstand, der
mindestens ein Widerstandsband aufweist, das in einem Kasten
angeordnet ist, der es hält und der die elektrischen
Anschlüsse an das Band trägt, wobei der Halt des
Widerstandsbands über Kammträger erfolgt, die das Widerstandsband an
seinen Längsrändern halten, wobei das Band zwischen den
Zinken der isolierenden Kämme angeordnet ist, die auf den
Kammträgern montiert sind, wobei der Kasten nur aus zwei
Flanschen besteht, zwischen denen manche Kammträger
angeordnet sind, während die anderen Kammträger flottierend
zwischen den Flanschen angeordnet sind, um zu verhindern, daß
die Flansche unter der Wirkung der Wärmeausdehnungen
verformt werden, die von den Kammträgern übertragen werden.
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Der Widerstand kann zwei übereinanderliegende
Widerstandsbänder aufweisen, die durch gemeinsame Kammträger
getrennt sind.
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Ein gemeinsamer Kammträger kann einen zylindrischen
isolierenden Kamm aufweisen, der ein axiales Loch besitzt,
in das sich ein Stab einfügt, der an seinen beiden Enden von
den Flanschen des Kastens getragen wird.
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Jedes Widerstandsband kann vorteilhafterweise ein
zickzackförmig gefaltetes Band sein.
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In diesem Fall kann das Band aus Metallelementen
bestehen, die eine oder mehrere Falten bilden, wobei diese
Elemente endseitig aneinandergeschweißt werden, um das Band
zu bilden.
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Jedes Widerstandsband kann vorteilhafterweise ein
dickes Band sein. Dies verleiht dem Band eine gute
Steifheit, und man erspart sich so Prägestrukturen auf den
Bändern und isolierende Stifte, um Kurzschlüsse zwischen
einander gegenüberliegenden Bereichen zu vermeiden.
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Die Flansche können isolierende Hülsen aufweisen, die
auf der Innenseite des Kastens angeordnet sind. Dies
vermeidet einen eventuellen Kurzschluß zwischen Flanschen und
Widerstandsband.
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Die Flansche besitzen vorteilhafterweise Laschen, die
zur Befestigung des Kastens dienen.
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Die elektrischen Anschlüsse können an den Flanschen
über Isolatoren befestigt sein.
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Die Flansche besitzen vorzugsweise Luftlöcher. Diese
Löcher machen sie zudem leichter.
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Nachfolgend werden die Erfindung und weitere Vorteile
und Besonderheiten anhand eines nicht einschränkend zu
verstehenden Ausführungsbeispiels und der beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert.
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Figur 1 zeigt in Draufsicht einen erfindungsgemäßen
Leistungswiderstand.
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Figur 2 ist eine Ansicht des Leistungswiderstands in
Richtung II aus Figur 1.
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Figur 3 ist eine Ansicht des Leistungswiderstands in
Richtung III aus Figur 1.
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Die Figuren 4 bis 6 zeigen einen Kammträger, der für
den erfindungsgemäßen Widerstand verwendbar ist.
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Die Figuren 1 bis 3 zeigen einen Leistungswiderstand,
der als Leistungs-Regelwiderstand beim Eisenbahn-Zugbetrieb
verwendbar ist.
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Der Widerstand enthält zwei rechteckige parallele
Flansche 31 und 32. Die Flansche sind über Zwischenstücke in
Form von vier Kammträgern miteinander verbunden, die je eine
Ecke eines Flanschs mit der gegenüberliegenden Ecke des
anderen Flanschs verbinden. Figur 1 zeigt zwei obere
Kammträger 33 und 34, die auf die Flansche 31 und 32 geschraubt
sind. Figur 2 zeigt einen der unteren Kammträger 35, der
auch als Zwischenstück dient. Figur 3 zeigt auf dem Flansch
31 die Anordnung der Löcher 36, die zur Befestigung der
Kammträger dienen, die als Zwischenstücke wirken.
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Der Kasten enthält zwei weitere Zwischen-Kammträger
37 und 38 auf seiner Oberseite und zwischen den Kammträgern
33 und 34. Zwei weitere nicht sichtbare Zwischen-Kammträger
entsprechen den Zwischen-Kammträgern 37 und 38, aber auf der
Unterseite des Kastens. Diese Zwischen-Kammträger der
Oberseite und der Unterseite sind auf den Flansch 32 geschraubt.
Die Bezugszeichen 39 zeigen die Anordnung der Löcher, die
zum Einschrauben der Zwischen-Kammträger 37 und 38 dienen.
Diese Zwischen-Kammträger sind nicht am Flansch 31
befestigt, sondern einfach mit diesem Flansch durch gestiftete
Achsen verbunden, die durch Löcher 40 des Flanschs 31
verlaufen. Bei Umgebungstemperatur existiert ein Spiel zwischen
dem Flansch 31 und den Endplatten 41 und 32 der Zwischen-
Kammträger 37 und 38. Dieses Spiel verhindert, daß die
Flansche sich verformen, wenn die Zwischen-Kammträger 37 und
38 sich ausdehnen.
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Der in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Widerstand
enthält zwei übereinanderliegende Widerstandsbänder 43 und
44. Jedes Widerstandsband besteht aus einem zickzackförmig
gefalteten Band, das sich von einem Flansch zum anderen
erstreckt, wobei die Falten parallel zu den Flanschen
liegen. Die Kammträger 33, 34, 35, 37 und 38 sind also in Bezug
auf die Falten der Widerstandsbänder in Querrichtung
angeordnet.
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Der Kasten enthält weiter Kammträger, die sich in der
Mittelebene zwischen der Oberseite und der Unterseite des
Kastens befinden, um die Widerstandsbänder 43 und 44 in
diesem Bereich zu halten. Die Figuren 1 und 2 zeigen einen
dieser mittleren Kammträger mit dem Bezugszeichen 45. Diese
mittleren Kammträger sind flottierend in Bezug auf die
Flansche 31 und 32 angeordnet.
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Der Widerstand besitzt zwei elektrische Anschlüsse,
über die er in eine elektrische Schaltung eingefügt wird.
Figur 1 zeigt diese Anschlüsse 46 und 47, die über
Isolatoren an den Flanschen 31 und 32 befestigt sind. Jeder
Anschluß 46 oder 47 ist am entsprechenden Flansch mittels
zweier Isolatoren befestigt. Sie ermöglichen es, die
Widerstandsbänder parallel zu schalten. So besitzt der Anschluß
46 einen Zweig 50, der einerseits an eines der Enden des
oberen Widerstandsbands 43 angeschweißt und andererseits
über einen Isolator 48 am Flansch 31 befestigt ist. Der
Anschluß 46 besitzt einen weiteren Zweig 51, der einerseits
an eines der Enden des unteren Widerstandsbands 44
geschweißt und andererseits über einen Isolator 52 am Flansch
31 befestigt ist. Gleiches gilt für den Anschluß 47, von dem
Figur 1 nur den Isolator 49 zeigt, der mit seinem oberen
Zweig am Flansch 32 befestigt ist.
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Der Kasten besitzt drei Befestigungslaschen, die den
Einbau des Widerstands in eine Anlage ermöglichen. Zwei
Laschen 53 und 54 sind an den Flansch 31 und eine Lasche 55
ist an den Flansch 32 geschweißt. Die Gesamtheit dieser
Befestigungslaschen bildet ein Haltedreieck für den Kasten.
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Die Flansche 31 und 32 haben Löcher, die die
Einführung von Isolierhülsen 56 erlauben, wodurch jeder
unerwünschte Kurzschluß zwischen den Flanschen und den
Widerstandsbändern vermieden wird.
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Die Widerstandsbänder bestehen beispielsweise aus
einer Nickel-Chromlegierung. Indem man sie dick genug wählt
(z.B. eine Dicke von 1,2 mm), verleiht man ihnen eine gute
Steifheit, die allzu starke Verformungen bei
Wärmeausdehnungen verhindert. Jedes Band kann durch endseitiges
Aneinanderschweißen von Widerstandsbandelementen hergestellt
werden, wobei jedes Element die Form eines W hat, d.h. zwei
Falten aufweist. Figur 1 zeigt mit dem Bezugszeichen 57
einen Schweißbereich zwischen zwei endseitig verbundenen
Elementen.
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Die Flansche haben Löcher 58 (siehe Figur 3), die die
Belüftung verbessern und auch das Gewicht des Kastens
verringern.
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Die oberen und unteren Kammträger können von der in
den Figuren 4 bis 6 gezeigten Art sein.
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Figur 4 zeigt einen Elementarkam 1 aus isolierendem
Keramikmaterial, zum Beispiel aus Steatit oder aus
Cordierit. Er besitzt im unteren Teil zwei seitliche Nuten 2 und
3, die über seine ganze Länge verlaufen. Sein oberer Teil
ist mit Zinken 4 versehen, zwischen denen man das
Widerstandsband anordnet. Eines der Enden des Kamms, das Ende 5,
weist nur den unteren Teil auf, während das andere Ende 6
nur den oberen Teil aufweist.
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Figur 5 zeigt einen vollständigen Kammträger. Er
enthält einen metallischen Träger 10, der eine Profilschiene
aus rostfreiem Stahl mit einem U-förmigen Querschnitt und
mit nach innen umgeschlagenen Rändern 11, 12 ist. Der
metallische Träger 10 besitzt Endplatten 13, 14, die in
Querrichtung angeordnet sind. Diese Platten, die ebenfalls aus
rostfreiem Stahl sind, sind auf den Träger 10 aufgeschweißt.
Die Platte 13 schließt die Öffnung, die der Träger an diesem
Ende bildet. Die Platte 14 besitzt dagegen einen Ausschnitt
15, der es erlaubt, die Öffnung freizulassen, die der Träger
an diesem Ende bildet (siehe Figur 6).
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Die Platten 13 und 14 erlauben die Befestigung des
Trägers 10 auf den Flanschen. Die Platte 13 besitzt zwei
Gewindelöcher 16, die ihre Befestigung durch Aufschrauben
auf dem Flansch 32 erlauben. Die Platte 14 besitzt ebenfalls
Gewindelöcher für die Befestigung auf dem Flansch 31, wenn
die Kammträger diejenigen sind, die sich an den Ecken der
Flansche befinden. Wenn es sich um Zwischen-Kammträger
handelt, enthält die Platte 14 zwei Löcher 17, die eine
Verbindung mit einem gewissen Spiel in Bezug auf den Flansch
31 aufgrund einer verstifteten Achse erlauben. Aufgrund
dieses Spiels kann der Träger 10 sich unter der Wirkung der
Wärmebeanspruchungen ausdehnen, ohne die Struktur des
Widerstands oder sich selbst zu verformen.
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Die Montage der Elementarkämme auf dem Träger erfolgt
schnell und leicht, indem man die Elementarkämme in den
Träger ausgehend von seinem offenen Ende gleitend einführt,
wobei die umgeschlagenen Ränder 11, 12 des Trägers in die
Nuten 2 und 3 der Kämme eindringen. Die Endplatte 13 dient
als Anschlag für die Elementarkämme.
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Der Kammträger besitzt einander gleiche Kämme 1 sowie
Endkämme 21 und 22. Die Kämme 1 werden endseitig derart
aneinandergesetzt, daß das Ende 6 eines Kamms auf dem Ende 5
des benachbarten Kamms sitzt. Die Endkämme 21 und 22
unterscheiden sich von den Kämmen 1. Das Ende des Kamms 22 neben
der Platte 13 und das Ende des Kamms 21 nahe der Platte 14
müssen nämlich nicht mit den Enden von benachbarten Kämmen
zusammengesetzt werden. Ihre anderen Enden dagegen haben
Formen, die ein überlappen mit den benachbarten Kämmen 1
erlauben.
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Die Längen der Elementarkämme sind so vorgesehen, daß
bei jeder beliebigen Betriebstemperatur des Widerstands
immer ein überlappen von zwei benachbarten Kämmen vorliegt.
Der dielektrische Schutz gegen elektrische Leckströme
zwischen Widerstandsband und Kammträger ist also immer
gewährleistet.
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Die Elementarkämme, einschließlich der Kämme am Ende
der Träger, können verschiedene Längen aufweisen, um alle
möglichen Kombinationen zu erzielen.
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Die mittleren Kammträger sind in Bezug auf die
Flansche 31 und 32 flottierend angeordnet. Figur 2 zeigt
genauer den Aufbau eines mittleren Kammträgers 45. Dieser
enthält eine Folge von Elementarkämmen aus isolierendem
Keramikmaterial, wie z.B. rohrförmige Kämme 61 und 62. Sie
besitzen ein axiales Loch für einen Metallstab 63, der lang
genug ist, um die beiden Flansche zu durchqueren. Der zen
trale Bereich von Teilen 64 in Form eines Omega ist in einer
rechteckigen Öffnung in den Flanschen 31 und 32 angeordnet,
wodurch die Teile gegen Drehung blockiert sind. Die Stäbe 63
münden in Löchern in den zentralen Bereichen der Teile 64
und sind in Translationsrichtung durch Scheiben und Keile
blockiert.
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Die Kämme 61 und 62 besitzen eine innere Abflachung
an jeder Öffnung ihres axialen Lochs. Auf der Seite des
Flanschs 32 dringt das Teil 64 teilweise in das axiale Loch
des Kamms ein und fügt sich in eine Abflachung
komplementärer Form ein. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kämmen 61
und 62 ist ein Zwischenstück aus isolierendem
Keramikmaterial in dem Hohlraum angeordnet, der von den einander
gegenüberliegenden Abflachungen der Kämme 61 und 62 gebildet
wird, und blockiert jedes mögliche Drehen eines Kamms in
Bezug auf den anderen um den Stab 63. Der mittlere
Kammträger kann sich also nicht um sich selber drehen.