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Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem bis zu einer Grenztemperatur
temperaturbeständigen
Klemmenkasten mit einem Klemmenbrett zum Anschluss von Motorleitungen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines solchen Motors
in einer explosionsgefährdeten
Umgebung.
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Derartige
Elektromotoren dienen beispielsweise zum Antrieb von Entrauchungsventilatoren.
Im Brandfall bewirken solche Ventilatoren einen Rauch- und Wärmeabzug
in besonders brandgefährdeten Umgebungen,
wie z.B. in Tunneln, Tiefgaragen oder Büroräumen. Die technische Auslegung
solcher Entrauchungsventilatoren ist unter anderem in nationalen
sowie in internationalen Normen und Vorschriften festgelegt. In
der europäischen
Norm EN 12101-3 sind Entrauchungsventilatoren in verschiedene Temperatur/Zeitkategorien
klassifiziert. Die Temperatur/Zeitkategorie F200 umfasst z.B. Entrauchungsventilatoren,
die bei einer Grenztemperatur von 200°C einen sicheren Betrieb des
Entrauchungsventilators für
eine Mindestzeit von 120 Minuten gewährleisten. Die Temperatur/Zeitkategorie
F400 bzw. F600 umfasst darüber
hinaus auch Entrauchungsventilatoren, die für einen Zeitraum von 120 Minuten Grenztemperaturen
von 400°C
bzw. 600°C
widerstehen können.
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Die
zum Antrieb der Ventilatoren verwendeten Brandgasmotoren weisen üblicherweise
einen Klemmenkasten auf, der an der Außenseite des Motors angebracht
ist. Der Klemmenkasten ist entsprechend seiner Temperatur/Zeitkategorie
temperaturbeständig
ausgelegt. Aus sicherheitstechnischen Gründen dürfen solche Elektromotoren
aber nicht in explosionsgefährdeten
Umgebungen eingesetzt werden.
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Weiterhin
sind elektrische Maschinen, wie z.B. Elektromotoren, bekannt, die
für den
Betrieb in explosionsgefährdeten Umgebungen
ausgelegt sind. Explosionsgefährdete
Umgebungen können
z.B. Tankstellen, Kohleminen, chemische Anlagen oder Raffinerien
sein. Wesentlich für
die Zulässigkeit
geeigneter elektrischer Betriebsmittel in solchen Umgebungen ist
die Vermeidung der Entstehung von Funken, welche explosive Gase,
Stäube
oder Dämpfe zum
Entzünden
und zum Explodieren bringen können.
Funken entstehen z.B. bei Elektromotoren, die einen Kommutator zur
Stromwendung aufweisen. Funken können
auch aufgrund elektrostatischer Entladungen oder aufgrund einer
Unterschreitung von Mindestluftstrecken zwischen spannungsführenden Teilen
entstehen. Zur Vermeidung der Entstehung möglicher Funken in solchen Betriebsmitteln
wird unter anderem die Höhe
der elektrischen Betriebsspannungen sowie Betriebsströme begrenzt.
In der europäischen
Norm EN 60079-15 ist diesbezüglich
die elektrotechnische Auslegung von elektrischen Betriebsmitteln
in explosionsgefährdeten
Umgebungen spezifiziert. Elektrische Betriebsmittel, welche diese Norm
erfüllen,
weisen im Fachjargon eine sogenannte „EX-Abnahme" auf.
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Um
Elektromotoren in brand- und zugleich explosionsgefährdeten
Umgebungen, wie z.B. in Raffinerien, betreiben zu können, wurden
bisher Brandgasmotoren mit einem direkt aus dem Motor herausgeführten Motorkabel
einsetzt. Das Motorkabel musste eine entsprechende Länge aufweisen,
so dass dieses in einen nicht brandgefährdeten Raum auf ein handelsübliches
Klemmenbrett mit „EX-Abnahme" angeschlossen werden
konnte. Das Klemmenbrett ist vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt. Die
Länge des
Motorkabels kann eine Länge
von 100 Metern und mehr aufweisen, wobei auch das Motorkabel zumindest
die gleiche Temperatur/Zeitkategorie wie der Brandgasmotor erfüllen muss.
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Die
benötigte
Länge der
Motorkabel ist je nach Montageort des Brandgasmotors unterschiedlich
lang. Dies führt
nachteilig entweder zu einer Anzahl von Elektromotoren mit einer
jeweils unterschiedlichen Motorkabellänge oder zu einem hohen Verschnitt,
wenn für
die Brandgasmotoren eine einheitliche (= die maximale) Motorkabellänge vorgesehen
ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor anzugeben, welcher
die zuvor genannten Nachteile nicht mehr aufweist.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Verwendung
für einen
solchen Elektromotor anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
2 bis 8 angegeben. Im Anspruch 9 ist eine geeignete Verwendung eines
solchen Elektromotors angegeben.
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Erfindungsgemäß weist
das Klemmenbrett des Elektromotors Anschlusskomponenten auf, die bezüglich ihrer
elektrischen und mechanischen Eigenschaften zumindest bis zur Grenztemperatur temperaturbeständig sind
und die so ausgestaltet sind, dass die jeweiligen Enden der anzuschließenden Leitungen
gegen eine Verdrehung gesichert sind. Die Anschlusskomponenten können entsprechend
der jeweils für
eine brandgefährdete
Umgebung geforderten Höchsttemperaturen
z.B. für
eine Maximaltemperatur von 400°C
ausgelegt sein. Die materialtechnischen Anforderungen an die Anschlusskomponenten
sind in diesem Fall geringer als bei 600°C. Die mechanischen Eigenschaften
der Anschlusskomponenten sind im Wesentlichen die Festigkeit und
die Formbeständigkeit
der Komponenten. Die elektrischen Eigenschaften der Anschlusskomponenten
sind insbesondere der ohmsche Widerstand bzw. die elektrische Leitfähigkeit
der Anschlusskomponenten. Bezüglich
ihrer Funktion sind die Anschlusskomponenten entweder besonders
gut elektrisch isolierend oder in Hinblick auf die elektrischen Kontaktierung
der Motorleitungsenden besonders gut elektrisch leitend. In diesem
Sinne bedeutet temperaturbeständig,
dass sich die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Anschlusskomponenten
bis zu der genannten Temperatur von 600° innerhalb der betrieblich zulässigen Toleranzen
bewegen.
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor
ist sowohl in einer brandgefährdeten
als auch in einer explosionsgefährdeten
Umgebung einsetzbar. Der erfindungsgemäße Klemmenkasten erlaubt in
besonders vorteilhafter Weise den nachträglichen Anschluss des Motorkabels
erst vor Ort. Der Motorkabelverschnitt wird minimiert. Der Klemmenkasten
gewährleistet
durch die Verdrehsicherung eine Einhaltung der Mindestluftstrecken
bis zur angegebenen Temperatur von 600°C. Eine mögliche Entstehung von Funken
wird vermieden. Zugleich ist eine sichere elektrische Kontaktierung
des Motorkabels mit seinen Motorleitungen sichergestellt.
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In
einer Ausführungsform
weist das Klemmenbrett einen Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden
Werkstoff auf. Im Grundkörper
sind die metallischen elektrischen Anschlüsse als Anschlusskomponenten
aufgenommen. Die metallischen Anschlüsse können z.B. aus Stahl, Kupfer,
Messing oder aus einer metallischen Legierung bestehen.
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Im
Besonderen ist der Grundkörper
des Klemmenbretts aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Keramische
Werkstoffe, wie z.B. Steatit, Porzellan oder Glas, erlauben eine
hohe elektrisch Isolationsfähigkeit
bis zu Temperaturen von 1000°C und
mehr.
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Steatit
ist ein keramischer Werkstoff auf der Basis natürlicher Rohstoffe und besteht
aus der Hauptkomponente Speckstein (Mg3Si4O10(OH)2),
einem natürlichen
Magnesiumsilikat, und aus Zusätzen von
Ton und Feldspat oder Bariumcarbonat. Üblicherweise wird Steatit dicht
gesintert. Auf diese Weise erhält
dieser Werkstoff seine hohe mechanische Festigkeit. Steatit ist
sehr gut verarbeitbar und bleibt auch bei sehr hohen Temperaturen
weitgehend frei von mechanischen Spannungen.
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In
einer Ausführungsform
weist das Klemmenbrett einen Grundkörper auf, in welchem Gewindebolzen
form- und/oder kraftschlüssig
eingelassen, eingeschraubt oder eingegossen sind. Je ein Gewindebolzen
dient als Stützpunkt
zur elektrischen Kontaktierung eines Leitungsendes. Besonders vorteilhaft
ist es, wenn eine herkömmliche
Schraube mit einem 6-Kant-Schraubenkopf verwendet wird. Der Schraubenkopf
bildet mit dem Grundkörper
eine besonders gute form- und/oder kraftschlüssige Verbindung.
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Der
Gewindebolzen nimmt in einer weiteren Ausführungsform zumindest ein Klemmstück, einen Klemmbügel sowie
eine Mutter zur Schraubverklemmung eines Leitungsendes zwischen
dem jeweiligen Klemmstück
und dem Klemmbügel
auf. Anstelle des blanken Leiters bzw. der blanken Litze des Leitungsendes
kann auch ein Kabelschuh oder eine Kabelhülse als Verbindungselement
zur Verklemmung verwendet werden. Das Verbindungselement wird dazu auf
das jeweilige Leitungsende aufgecrimpt. Unter Crimpen versteht man
die Erstellung einer homogenen, nicht lösbaren Verbindung zwischen
Leiter und Verbindungselement, die eine größere elektrische und mechanische
Sicherheit gewährleistet
als herkömmliche
Verbindungen wie Löten
oder Schweißen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das Klemmstück einen
polygonen, insbesondere einen vierkantigen Querschnitt, auf. Der
Klemmbügel
ist passend zum Klemmstück
ausgeformt, so dass dieser das ihm zugewandte (plane) Ende des Klemmstücks formschlüssig umgreifen kann.
Im einfachsten Falle ist der Klemmbügel U-förmig ausgebildet. Das Klemmstück sowie
der Klemmbügel
bilden eine Verdrehsicherung für
ein zur Kontaktierung dazwischen geklemmtes Leitungsende. Dadurch
bleibt das Leitungsende in seiner Montageposition fixiert. Mechanische
Vibrationen, welche vom Elektromotor oder z.B. vom angetriebenen
Ventilator stammen, oder auch mechanische Spannungen in den Motorleitungen
aufgrund von hohen Temperaturen im Brandfall bleiben ohne Auswirkungen.
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Alternativ
können
die Gewindebolzen einen durch die Längsachse des Gewindebolzens
axial verlaufenden Schlitz aufweisen. In diesen Schlitz kann ein
Leitungsende eingelegt werden, welches anschließend zwischen dem Klemmstück und der Mutter verklemmt
wird. Zwischen der Mutter und dem Leitungsende kann zusätzlich noch
eine Klemmscheibe vorgesehen sein.
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Auf
dem Leitungsende kann auch ein speziell ausgestalteter Kabelschuh
angebracht sein, wobei der Kabelschuh eine auf den Durchmesser des Gewindebolzens
abgestimmte Öffnung
mit einem die Öffnung
mittig durchlaufenden Verbindungssteg aufweist. Im Kabelschuh sind
folglich zwei halbkreisförmige
und sich gegenüberliegende
Segmente eingebracht. Zum elektrischen Anschluss wird der Kabelschuh
auf den geschlitzten Kabelschuh gesteckt, wobei der Verbindungssteg
des Kabelschuhs im Schlitz des Gewindebolzens verdrehsicher geführt ist.
Auch in diesem Fall bleibt das Leitungsende in seiner Montageposition
fixiert.
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Vorzugsweise
ist der Elektromotor ein Brandgasmotor zum Betrieb in einer brandgefährdeten
Umgebung. Ein solcher Brandgasmotor kann insbesondere so ausgelegt
sein, dass er die technischen Anforderungen der europäischen Norm
EN 12101-3 oder anderer vergleichbarer nationaler sowie internationaler
Normen oder Richtlinien erfüllt.
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Ein
Elektromotor gemäß der Erfindung
ist vorteilhaft in einer explosionsgefährdeten Umgebung einsetzbar.
Ein solcher Elektromotor kann insbesondere so ausgelegt sein, dass
er die technischen Anforderungen der europäischen Norm EN 60079-15 oder
anderer vergleichbarer nationaler sowie internationaler Normen oder
Richtlinien erfüllt.
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren
beispielhafter Erläuterung
anhand der Figuren. Es zeigt
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1 ein
Beispiel für
einen Elektromotor gemäß der Erfindung
mit einem außenliegenden
Klemmenkasten zum Anschluss eines Motorkabel,
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2 eine
Draufsicht auf einen beispielhaften Klemmenkasten mit einem innenliegenden
Klemmenbrett gemäß der Erfindung
im Aufriss,
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3 einen
Querschnitt durch den beispielhaften Klemmenkasten gemäß 2 entlang
der Schnittlinie III-III,
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4 ein
perspektivisch dargestelltes Klemmenbrett gemäß 2 mit teilweise
angeschlossenen Leitungsenden,
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5 eine
Draufsicht auf das Klemmenbrett gemäß 2 im Detail,
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6 einen
Querschnitt durch das Klemmenbrett gemäß 5 entlang
der Schnittlinie VI-VI und
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7 einen
Querschnitt durch das Klemmenbrett gemäß 5 entlang
der Schnittlinie VII-VII.
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1 zeigt
ein Beispiel für
einen Elektromotor 1 gemäß der Erfindung mit einem außenliegenden Klemmenkasten 4 zum
Anschluss eines Motorkabels 8. Mit dem Bezugszeichen 2 ist
das Motorgehäuse und
mit dem Bezugszeichen 3 die Antriebswelle bezeichnet. Im
Beispiel der 1 ist der Klemmenkasten 4 seitlich
am Motorgehäuse 2 angebracht.
Der Klemmenkasten 4 setzt sich vorzugsweise aus einem motorseitigen
Teil 41, einem Klemmenkastenrahmen 42 und einem
Deckel 43 zum Verschließen des Klemmenkastens 4 zusammen.
Der Klemmenkasten 4 weist weiterhin eine Anschlussverschraubung 7 für das im
Klemmenkasten 4 anzuschließende Motorkabel 8 auf.
Die Anschlussverschraubung 7 dient zum einen als Zugentlastung
und zum anderen zur Abdichtung des Klemmenkastens 4.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf einen beispielhaften Klemmenkasten 4 mit
einem innenliegenden Klemmenbrett 10 gemäß der Erfindung
im Aufriss. Im unteren Teil der 2 ist die
Anschlussverschraubung 7 gezeigt, durch welches das Motorkabel 8 in
den Innenraum des Klemmenkastens 4 geführt werden kann. Das Motorkabel 8 mit
seinen mehreren an das Klemmenbrett 10 anzuschließenden Motorleitungen
selbst ist in 2 nicht dargestellt. Die Motorleitungen
dienen hauptsächlich
zur Energieeinspeisung für
den Elektromotor 1. Ein Teil der Mo torleitungen kann auch
mit Motorsensoren, wie z.B. einem Drehzahlgeber oder einem Temperatursensor,
verbunden sein.
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Im
Beispiel der 2 sind beispielhaft sechs Wicklungsenden
von Motorleitungen 9 dargestellt, welche an je einem elektrischen
Anschluss des Klemmenbretts 10 angeschlossen sind. Die
Wicklungsenden sind üblicherweise
die Kupferleitungsenden eines zwei- oder mehrpoligen 3-phasigen
Wicklungssystems, welches in Ständernuten
des Ständers
und/oder des Läufers
verlegt ist. Zur elektrischen Einspeisung werden zudem die jeweiligen
Enden der Motorleitungen des Motorkabels 8 mit je einem
elektrischen Anschluss auf dem Klemmenbrett 10 verbunden.
Die elektrischen Anschlüsse
können, wie
beispielhaft in 2 gezeigt, mittels metallischer Verbindungsschienen 16 untereinander
verschaltet sein. Auf diese Weise können verschiedene Betriebsarten
des Elektromotors 1, wie Stern- oder Dreieckschaltung,
eingestellt werden.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch den beispielhaften Klemmenkasten 4 gemäß 2 entlang der
Schnittlinie III-III. In dieser Darstellung ist insbesondere der
konstruktive Aufbau des Klemmenkastens 4 mit dem motorseitigen
Teil 41 des Klemmenkastens 4, dem Klemmenkastenrahmen 42 und
dem Deckel 43 zu sehen. Die jeweiligen Teile 41-43 des Klemmenkastens 4 sind
mittels nicht näher
bezeichneter Schrauben fest und dicht miteinander verbunden.
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4 zeigt
das perspektivisch dargestellte Klemmenbrett 10 gemäß 2 mit
teilweise angeschlossenen Leitungsenden 18 der Motorleitungen und/oder
der Wicklungsenden des Elektromotors 1. Das gezeigte Klemmenbrett 10 weist
erfindungsgemäß die Anschlusskomponenten 11-16 auf,
die bezüglich
ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften bis zu einer Grenztemperatur
von z.B. 200, 400 oder 600°C
temperaturbeständig
sind. Die gezeigten Komponenten 11-16 sind so
ausgestaltet, dass die jeweiligen Enden 18 der anzuschließenden Leitungen
gegen eine Verdrehung gesichert sind. Im Beispiel der 4 sind
die Enden 18 der Leitungen als Kabelschuhe 18 zum
vereinfachten und zuverlässigeren
Anschluss ausgebildet. Das Klemmenbrett 10 weist entsprechend
einer Ausführungsform
der Erfindung einen Grundkörper 11 aus
einem elektrisch isolierenden Werkstoff als Träger der elektrischen Anschlusskomponenten 12-15 auf.
Der Werkstoff ist vorzugsweise eine Keramik, wie z.B. Steatit, Porzellan
oder Glas, welche für
Temperaturen von 1000°C und
mehr formstabil, mechanisch fest und elektrisch isolierend bleibt.
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Im
oder auf dem Grundkörper 11 sind
die metallischen Komponenten 12-15 der elektrischen Anschlüsse gemäß einer
weiteren Ausführungsform aufgenommen.
Mit dem Bezugszeichen 12 ist ein Gewindebolzen bezeichnet,
der form- und/oder kraftschlüssig
im Grundkörper 11 eingelassen,
eingeschraubt oder eingegossen ist. Die jeweiligen Gewindebolzen 12 zeigen
von der Oberfläche
des Grundkörpers 11 weg.
Dadurch können
diese gemäß einer weiteren
Ausführungsform
zumindest ein Klemmstück 13,
einen Klemmbügel 14 und
eine Mutter 15 zur Verklemmung eines Motorleitungsendes 18 und/oder
eines Leitungsendes der Motorwicklung zwischen dem jeweiligen Klemmstück 13 und Klemmbügel 14 aufnehmen.
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Das
in der 4 gezeigte Klemmstück 13 weist entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform einen polygonen,
insbesondere einen vierkantigen, Querschnitt auf. Der Klemmbügel 14 ist
derart ausgeformt, dass dieser das ihm zugewandte (plane) Ende des
Klemmstücks 13 formschlüssig umgreifen
kann. Im Besonderen ist der Klemmbügel 14 U-förmig ausgeformt.
Dies ist im Detail in der nachfolgenden 6 dargestellt.
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In
der Mitte des Klemmenbretts 10 sind zwei Befestigungsöffnungen 19 zu
sehen, welche der Aufnahme von Schrauben oder Muttern zur Befestigung des
Klemmenbretts 10 im Klemmenkasten 4 dienen.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf das Klemmenbrett 4 gemäß 2 im
Detail. Die elektrischen Anschlüsse 12-15 sind
in einem Raster mit einem jeweils gleichen Abstand C angeordnet.
Dadurch können
in vorteilhafter Weise jeweils benachbarte elektrische Anschlüsse 12-15 mittels
metallischer Verbindungsschienen 16 untereinander verschaltet
werden. Mit dem Bezugszeichen B ist die Breite des gezeigten Klemmstücks 13 mit
einem quadratischen Querschnitt bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen
A ist der Mindestabstand zwischen je zwei Klemmstücken 13 auf
dem Grundkörper 11 bezeichnet.
Dieser Abstand entspricht in etwa der Luftstrecke zwischen jeweils angeschlossenen
benachbarten Leitungsenden. Eine Unterschreitung des Abstands A
wird durch die erfindungsgemäße Verdrehsicherung
aus Gewindebolzen 12, Klemmstück 13 und Mutter 15 zuverlässig verhindert.
Typischerweise ist der Abstand A so bemessen, dass unter Berücksichtigung
von Sicherheitszuschlägen
eine Mindestluftstrecke eingehalten wird. Die Einhaltung dieser
Mindestluftstrecke verhindert eine mögliche elektrische Funkenbildung
zwischen elektrischen Anschlüssen.
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6 zeigt
einen Querschnitt durch das Klemmenbrett gemäß 5 entlang
der Schnittlinie VI-VI. Im Beispiel der 6 ist zusätzlich der
mechanische Aufbau der erfindungsgemäßen Verdrehsicherung gezeigt.
Zwischen Klemmstück 13 und Klemmbügel 14 ist
der eingeklemmte Kabelschuh 18 im Schnitt dargestellt.
Wie die 6 deutlich zeigt, wird auf Grund
des Klemmbügels 14,
der das Klemmstück 13 formschlüssig umgreift,
der Kabelschuh 18 verdrehsicher gehalten.
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7 zeigt
einen Querschnitt durch das Klemmenbrett 10 gemäß 5 entlang
der Schnittlinie VII-VII. In dieser Darstellung befindet sich eine Mutter 17 in
einer Vertiefung des Grundkörpers 11.
In der Mutter 17 ist ein Ende des Gewindebolzens 12 im Grundkörper 11 zur
Befestigung verschraubt. Nach der Verschraubung wird die Vertiefung
im Grundkörper 11 mit
der Mutter 17 mit einer temperaturbeständigen Vergussmasse vergossen.
Nach Aushärtung ist
der Gewindebolzen 12 fest mit dem Grundkörper 11 verbunden.
Die Vertiefung kann zudem auf die geometrische Form der Mutter 17 abgestimmt
sein. Handelt es sich z.B. bei der Mutter 17 um eine Sechskant-Mutter,
so weist die Vertiefung gleichfalls einen sechskantförmigen Querschnitt
auf, in welche die Mutter 17 formschlüssig eingesetzt werden kann.
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Anstelle
des Gewindebolzens 12 mit Mutter 17 kann auch
eine Schraube mit Schraubenkopf verwendet werden, welche durch die
Vertiefung geschoben wird.
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor 1 ist insbesondere
ein Brandgasmotor zum Betrieb in einer brandgefährdeten Umgebung gemäß der europäischen Norm
EN 12101-3 oder gemäß national oder
international vergleichbarer Normen und Richtlinien.
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor
kann in einer explosionsgefährdeten
Umgebung gemäß der europäischen Norm
EN 60079-15 oder gemäß national
oder international vergleichbarer Normen und Richtlinien verwendet
werden.