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Anordnung zur Kühlung von Kommutatoren elektrischer Maschinen Für
die Kühlung des Kommutators von Gleich-oder Wechselstrom-Kommutatormaschinen kann
man diesen z. B. über Düsen anblasen, oder man kann über der Kommutatorfläche Abdeckungen
vorsehen und zwischen den Abdeckungen und der Kommutatorfläche in axialer Richtung
Kühlluft hindurchleiten. Beim Anblasen des Kommutators über Düsen erhält man jedoch
keine geordneten Strömungsverhältnisse der Kühlluft, und wenn bei der üblichen Fremdbelüftung
der Fremdlüfter weiterläuft, während die Maschine stillsteht, was bei den Motoren
für elektrische Triebfahrzeuge oft der Fall ist, so tritt eine bevorzugte Abkühlung
einzelner Kommutatorabschnitte ein. Dies hat eine über den Umfang ungleichmäßige
Verformung des Kommutators zur Folge. Die Kühlluftführung in axialer Richtung zwischen
der Kommutatoroberfläche und parallel dazu angeordneten Abdeckungen benötigt, besonders
beim Betrieb mit großer Kommutatorumfangsgeschwindigkeit und bei langen Kommutatoren,
auch bei ausreichenden Durchtrittsquerschnitten einen sehr großen Überdruck der
Kühlluft. Dieser steht in keinem Verhältnis zu den übrigen Kühlluftwiderständen
der Maschine.
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So sind beispielsweise Anordnungen zur Kühlung von Kommutatoren bekannt,
bei denen ein Teil des Kommutators durch Abdeckungen nach außen abgedeckt ist. Die
radial von außen auf den Kommutator zuströmende, teilweise an den Seitenflanken
der Bürsten entlangströmende Kühlluft trifft dann auf die freien Stellen der Kommutatoroberfläche
auf und wird durch die Abdeckungen in axialer Richtung umgelenkt. Bei dieser Anordnung
bestreicht also die Kühlluft die Kommutatoroberfläche unterhalb der Abdeckungen
in axialer Richtung, was den Nachteil hat, daß bei langen Kommutatoren der Druckverlust
der Kühlluft unterhalb der Abdeckungen verhältnismäßig groß ist, so daß eine große
Ventilationsarbeit aufzuwenden ist.
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Durch die Erfindung wird die Kühlung von Kommutatoren in beachtlichem
Maße verbessert, wobei ebenfalls die Kühlluft unterhalb von Abdeckungen an der Kommutatorfläche
entlanggeführt wird. Gemäß der Erfindung wird die Kühlluft dem Kommutator zwischen
den Bürsten oberhalb der Abdeckungen in axialen Kanälen zu- und abgeführt; hierbei
strömt die an achsparallelen Seiten der Abdeckungen umgelenkte Kühlluft unterhalb
der Abdeckungen in Umfangsrichtung an der Oberfläche des Kommutators entlang. Auf
diese Weise werden für die Kühlluft geregelte Strömungsverhältnisse geschaffen,
da die Kühlluft vom Ventilator aus über vollständig geschlossene Bahnen an die Kommutatoroberfläche
gebracht wird und hier durch die Abdeckungen eine eindeutige Strömungsrichtung erhält.
Durch die Anordnung gemäß der Erfindung läßt sich der für die Kühlluft erforderliche
Überdruck wesentlich geringer halten, als es bei den bekannten Anordnungen der Fall
ist, denn in den meisten Fällen ist der Abstand zwischen zwei Bürstenbolzen in Umfangsrichtung
des Kommutators geringer als seine axiale Länge. Die Kühlluftzuführung kann dabei
so gehalten werden, daß die Kühlluft in radialer Richtung auf die Kommutatoroberfläche
bzw. auf die Abdeckungsöffnungen zuströmt und/oder in radialer Richtung vom Kommutator
bzw. von den Öffnungen der Abdeckungen abströmt.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Ausführungsbeispiele näher
erläutert, wobei die Fig. 1, 2 und 3 der Zeichnung eine Kühlanordnung zeigen, bei
der Fig. 1 eine Stirnansicht (in axialer Richtung gesehen) darstellt, während Fig.2
die Draufsicht in radialer Richtung zeigt und Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie
A-B der Fig. 1 zur Darstellung bringt. 1 ist die Kommutatoroberfläche, auf der die
Bürsten 2 und 3 schleifen. Zwischen diesen beiden Bürsten ist nun die Kühleinrichtung
für die Kommutatoroberfläche vorgesehen. Diese besteht aus einer Abdeckung 4, die
gegenüber den Bürsten 2 und 3 offen ist, so daß an diesen achsparallelen Öffnungen
die Kühlluft unter die Abdeckung treten und in der Umfangsrichtung am Kommutator
entlangströmen kann, was in Fig. 1 durch die von links nach rechts deutenden Pfeile
und in Fig. 3 durch normal zur Zeichenebene verlaufende Pfeile (Kreise mit einem
eingezeichneten Kreuz) angedeutet ist. Zur radialen Zu-und Abführung der Kühlluft
an den achsparallelen Öffnungen der Abdeckung 4 ist nun über der Abdeckung
4
noch eine zweite Abdeckung 5 vorgesehen. Die Kühlluft wird nun an den Stirnseiten
des Kommutators unter diese zweite Abdeckung geleitet und strömt von hier unter
Umlenkung ihrer Strömungsrichtung zu den achsparallelen Öffnungen der ersten Abdeckung,
wo sie auf die Kommutatorfläche zuströmt und unter die erste Abdeckung gelangt.
Fig. 2 der Zeichnung zeigt im linken Teil den Strömungsverlauf der Zuluft zwischen
der ersten und der zweiten Abdeckung. Die zweite Abdeckung dient auch zum Ableiten
der Kühlluft, da diese nach dem radialen Abströmen von der Kommutatoroberfläche
an der achsparallelen Öffnung der ersten Abdeckung 4 unter die zweite Abdeckung
5 gelangt und hier - wie aus dem rechten Teil der Fig. 2 zu ersehen ist - zu der
Austrittsöffnung der zweiten Abdeckung an der anderen Stirnseite des Kommutators
strömt. Damit die Frischluft- und die Abluftströmung unter der zweiten Abdeckung
sich nicht gegenseitig stören, ist zwischen den beiden Abdeckungen eine diagonale
Trennwand 6 vorgesehen. Für die Zuleitung der Kühlluft zu der stirnseitigen Öffnung
zwischen den Abdeckungen 4 und 5 dient gemäß Fig. 3 ein Radiallüfter 7. Ebenso wird
die Abluft an der anderen Stirnseite des Kommutators mit Hilfe des Radiallüfters
8 weiterbefördert.
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Es erweist sich als zweckmäßig, die Kühlluft an der Kommutatorfläche
entgegen der Umlaufrichtung zu führen, da dann die Relativgeschwindigkeit zwischen
Kühlluft und Kommutatorfläche entsprechend größer, die Kühlwirkung also stärker
ist. Die Anordnung kann dabei derart sein, daß die Zuführung der Kühlluft in der
Nähe der auflaufenden Kante der kommutierenden Bürsten erfolgt, während die Abführung
in der Nähe der ablaufenden Kante des nächsten Bürstenbolzens vor sich geht. Dabei
werden auch die Bürsten selber gut gekühlt. Zur Verstärkung der Kühlwirkung kann
man zwischen zwei aufeinanderfolgende Bürstensätze zwei oder mehrere in der Umfangsrichtung
aufeinanderfolgende und an ihren achsparallelen Seiten die Kühlluft zu- und ableitende
-Abdeckungen vorsehen. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Bürstenabstände
in der Umfangsrichtung oder die maximale Umfangsgeschwindigkeit sehr groß sind.
Beispielsweise zeigt Fig. 4 eine Anordnung, bei der zwischen den Bürsten 2 und 3
nebeneinander zwei unabhängig voneinander arbeitende Abdeckungen 9 und 10 vorgesehen
sind, wobei beiden Abdeckungen auf der linken Seite die Kühlluft zugeleitet wird
und sie auf der rechten Seite verläßt. In Weiterbildung dieser Anordnung sind in
den Fig. 5 bis 8 für die Zu- oder für die Ableitung der Kühlluft zwischen den beiden
Bürsten 2 und 3 mehrere (vier) achsparallele Rohre 11 vorgesehen, deren Wand gegenüber
der Kommutatorfläche zu dieser parallel verläuft, also die Funktion der Abdeckung
4 der Fig. 1 bis 3 übernimmt. Die Rohre besitzen bei 12 einen Längsschlitz. durch
den die Kühlluft gemäß den Fig. 5 bis 6 aus dem Rohrinnern unter die Abdeckung zwischen
Kommutatoroberfläche und Rohr gelangt und dann bei 33 zwischen zwei Rohren in radialer
Richtung nach außen abströmt. Bei der Anordnung der Fig. 7 und 8 ist die Richtung
der Kühlluftströmung umgekehrt, sie strömt also zwischen zwei Rohren auf die Kommutatoroberfläche
zu und verläßt die Kühleinrichtung durch das Rohrinnere. Wie aus den Fig. 6 und
8 ersichtlich,- sind die Rohre 11 von dem für die Zu- oder für die Ableitung der
Kühlluft dienenden Ende aus unter Beibehaltung ihres Abstandes von der Kommutatorfläche
in ihrem Querschnitt kontinuierlich verjüngt. Dadurch wird erstens die Rauminanspruchnahme
der Rohre 11 vermindert und zweitens eine Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeit
im Rohrinnern und am Rohrschlitz herbeigeführt. Damit die Kühlluftströmungen der
einzelnen nebeneinanderliegenden Rohre sich nicht gegenseitig behindern, ist ferner
die eine Kante der Rohrschlitze 12 bis in die Nähe der Kommutatoroberfläche herabgezogen,
während die zweite Schlitzkante den für die Umleitung der Kühlluft vom Rohrinnern
unter die Abdeckung erforderlichen Abstand von der Kommutatoroberfläche besitzt.
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Es ist vorteilhaft, in an sich bekannter Weise die Kommutatorkühlluft
von der allgemeinen Kühlluft der Maschine zu trennen, so daß zwei getrennte Kühlsysteme
vorhanden sind. Dabei kann die übrige Maschine mit Fremdbelüftung ausgeführt werden,
während die Kommutatorkühlung selbstlüftend ist; indem etwa gemäß Fig. 3 die beiden
Radiallüfter 7 und 8 vorgesehen sind. Fig. 9 der Zeichnung zeigt diese Trennung
der Kühlung von Kommutator und Maschine, wobei die Radiallüfter 7 und 8 und die
Kühleinrichtung am Kommutator 1 den Fig. 1 bis 3 entsprechen, während für die Kühlung
des Ständers 13 und des Ankers 14 einer Gleich- oder Wechselstrom-Kommutatormaschine
ein gesondertes fremdbelüftetes Kühlsystem vorgesehen ist, bei dem die Kühlluft
über den Anschlußkanal 15 zugeführt und über den Kanal 16 gemäß den eingezeichneten
Pfeilen abgeleitet wird. Auch bei der Anordnung der Fig. 10 ist diese Trennung von
Maschinen- und Kommutatorkühlung vorhanden, wobei aber die Lüfteranordnung für die
Kommutatorkühlung abgeändert ist. Für die Zuführung der Kühlluft dient hier ein
Radiallüfter 24, dessen Tragscheibe in einem Halslager 18 am Maschinenschild 19
gelagert und mit der Maschinenwelle 20 über eine Mitnehmerkupplung 21 verbunden
ist. Für den Zutritt der Außenluft zu den Abdeckungen an der Stirnseite des Kommutators
besitzt die Trag-Scheibe des Radiallüfters Speichen 17. Der Radiallüfter 24 saugt
dann durch Öffnungen 22 im Maschinenschild und durch die Speichen 17 die Kühlluft
von außen an und leitet sie dann von der einen Stirn-Seite des Kommutators aus gemäß
der Anordnung der Fig. 1 bis 3 über die Kommutatoroberfläche. An der anderen Stirnseite
des Kommutators wird dann die Kühlluft in den Ringkanal 23 umgeleitet und strömt
in diesem in axialer Richtung wieder zurück und wird schließlich durch den Radiallüfter
24 nach außen befördert. Die Kühlanordnung der Maschine selbst stimmt mit der der
Fig. 9 bis auf die Richtung der Kühlluftströmung überein. Die Anordnung der Fig.
10 hat den Vorteil, daß die Belüftung des Kommutators für beide Drehrichtungen wirksam
ist, da der Radiallüfter 24 für beide Drehrichtungen die Kühlluft ansaugt bzw. über
den Kommutator leitet.
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Fig.11 der Zeichnung zeigt eine Anordnung, bei der die Kühlung des
Kommutators und die Kühlung der elektrischen Maschine selbst insofern nicht voneinander
getrennt sind, als die Zuführung der Kühlluft für beide gemeinsam ist. Die von einer
Fremdbelüftung gelieferte Zuluft strömt durch die Öffnung 25 in einen den Kommutator
1 umgebenden Ringraum 31. Ein Teil der Kühlluft strömt von da nach links zur Kühlung
der elektrischen Maschine, der andere Teil strömt gemäß den eingezeichneten Pfeilen
in radialer Richtung auf die Kommutatoroberfläche zu: Wie aus dem Schnitt der Fig.
11a gemäß der Linie A-B der Fig. 11 hervorgeht, gelangt dabei die Kühl-
Luft
unter die zwischen zwei Bürsten 2 und 3 angeordnete Abdeckung 4, strömt unter dieser
in der Umfangsrichtung am Kommutator entlang und gelangt dann in den Zwischenraum
zwischen dieser und einer zweiten Abdeckung 5, wo sie in die axiale Richtung umgeleitet
wird und dann von der Stirnseite des Kommutators aus in radialer Richtung dem Lüfter
26 zuströmt, der sie nach außen befördert. Eine diagonale Trennwand zwischen den
Abdeckungen 4 und 5 gemäß der Fig. 2 ist nicht erforderlich, da der Raum zwischen
den Abdeckungen 4 und 5 nur für das Ableiten der Kühlluft dient.
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Die Zu- und Ableitung der Kühlluft des Kommutators mittels der in
den Fig. 1 bis 4 und 9 und 11 beschriebenen Lüfteranordnungen setzt eine gleichbleibende
Umdrehungsrichtung der elektrischen Maschine bzw. der Lüfterräder voraus. Bei den
Anordnungen nach den Fig. 5 bis 8 ist eine solche gleichbleibende Umdrehungsrichtung
des Lüfters nicht erforderlich. Der Lüfter für die Kommutatorkühlung ist hier als
Axiallüfter ausgeführt, und zwar besteht er aus zwei in radialer Richtung übereinander
angeordneten Flügelrädern 27 und 28, die auf einer gemeinsamen Tragscheibe oder
einem Tragstern 29 sitzen. Ein solcher Axiallüfter mit zwei konzentrisch übereinander
angeordneten Stufen ist an sich bereits vorgeschlagen worden. Je nach der Umdrehungsrichtung
kehrt sich die Richtung der Kühlluft am Kommutator um, wobei sich die gleiche Kühlwirkung
ergibt, wenn mit dem Lüfter auch der Kommutator seine Drehrichtung wechselt. In
den Fig. 5 und 6 leiten die inneren Lüfterflügel 28 den Rohren 11 die Frischluft
zu, die als Abluft von den äußeren Lüfterflügeln 27 wieder nach außen befördert
wird. Um dies zu ermöglichen, sind die Rohre 11 und der Lüfter von einer Abdeckhaube
30 umschlossen. Bei der umgekehrten Drehrichtung gemäß den Fig. 7 und 8 bläst der
äußere Lüfter 27 Kühlluft unter die Abdeckhaube 30, so daß diese gemäß Fig. 7 in
radialer Richtung zwischen den einzelnen Rohren 11 dem Kommutator zuströmt und nach
der Kühlung der Kommutatoroberfläche durch die Schlitze 12 der einzelnen Rohre in
das Rohrinnere gelangt und von dort durch den inneren Lüfter 28 nach außen befördert
wird. Die Lüfteranordnung nach den Fig. 5 bis 8 hat zwar den schlechteren Wirkungsgrad
eines für beide Drehrichtungen geeigneten Axiallüfters, sie ermöglicht aber den
Betrieb der Kühleinrichtung auch bei Wechsel der Drehrichtung des Kommutators.