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Kollektor für umlaufende elektrische Maschinen Die Erfindung betrifft
einen Kollektor für umlaufende elektrische Maschinen - genauer gesagt einen Kollektor
mit Einrichtung zum Kühlen der elektrischen Biirsten, die gleitend auf der Oberfläche
des umlaufenden Kollektors aufliegen.
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Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kollektor
für eine um laufende elektrische Maschine, Fig. 2 ein vergrößertes Schnittbild einer
Seite des Kollektors der Fig. 1,
Fig. 3 eine Abwicklung, die die
Luftströmung zur Kühlung der Bürsten am herkömmlichen Kollektor zeigt, Fig. 4 eine
Abwicklung, die die Anordnung der Bürsten gemäß der Erfindung zeigt, Fig. 5 ein
vergrößertes Bild des in Fig. 4 gezeigten Kühlluft stromes, Fig. 6 ein Diagramm,
das die Beziehung zwischen den Stellungen der Bürsten und ihren Temperaturen zeigt,
Fig. 7 bis 9 Abwicklungen, welche verschiedene Anordnungen der Bürsten gemäß der
Erfindung zeigen, Fig. 10 eine Abwicklung für den Fall, daß im Kühlluftstrom Hindernisse
angeordnet sind.
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Um elektrische Verbindung zwischen Ständer und Läufer einer elektrischen
Maschine zu bilden, erhält der Läufer einen Kollektor, der je nach der Art der umlaufenden
Maschine entweder einen Ring oder einen Kommutator (Stromwender) enthält, und der
Ständer Bürsten, die auf den Kollektor schleifen. Die Berührungsflächen der Bürsten
und des Kollektors werden beträchtlich warm, und zwar sowohl durch die vom elektrischen
Widerstand als auch die von der Reibung erzeugte Wärme.
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In einer umlaufenden Maschine großer Leistung wird z. B. ein Kühlliifter
vorgesehen, der die Erwärmung der Berührungsflächen der Bürsten
und
des Kollektors beherrschen soll und einen Zwangs-Luftstrom liefert, der Kühlluft
sowohl an die Bürsten als auch an den Kollektor rings um dessen Umfang bringt.
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Wenn es sich um umlaufende elektrische Maschinen größerer Leistung
handelt, nießt im Kollektor ein sehr starker Strom; der die Kühlung mittels Zwangsbelüftung
wie im herkömmlichen Verfahren erschwert, was ein ernsthaftes Hindernis für den
Betrieb der Maschine bildet. Selbst wenn, um die Belüftung zu verbessern, die Fördermenge
des Kühllüfters vergrößert wird, fließt doch zwischen den Bürsten? weil der Platz
zwischen ihnen beschränkt ist, nur ein beschränkter Teil der Luft hindurch. Vielmehr
behindert die bloße Vergrößerung der Kühlluftmenge oder der Kühlluftgeschwindigkeit
oft das einwandfreie Schleifen der Bürsten, und der Wirkungsgrad der Kühlung läßt
sich durch die Mengenvergrößerung schon gar nicht verbessern.
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Die herkömmliche Einrichtung zur Kollektor-Kühlung von Turbogeneratoren
sei nun anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert: In Fig. 1, die den Aufbau der den Kollektor
umgebenden Teile des Turbogenerators zeigt, bezeichnen die Bezugsziffern 1 die Läuferwelle,
2 je eine Isolierbuchse, 3 je einen Kollektorring, der auf der Läuferwelle 1 mittels
einer Isolierbuchse 2 befestigt ist, 4 die Bürsten und 5 die Bürstenhalter, in denen
die Bürsten verschiebbar gehalten werden; die Bürsten 4 sind mit dem Kollektorring
3 elektrisch verbunden. Die Kühlung dieses Bereiches geschieht dadurch, daß Kühlluft
vom Kühllüfter 6, der mit der Läuferwelle 1 umläuft und die Kühlluftquelle bildet,
sowohl
durch achsparallele Bohrungen 7 des Kollektorringes 3 von dessen einer Stirnseite
her als auch durch Spalte 8 zwischen der Umfangsfläche der Kollektorringe 3 und
den Bürsten geführt wird, wie durch Pfeile in der Zeichnung dargestellt. Damit genug
Kühlluft zu den Teilen des Generators, in denen durch das Schleifen der Bürsten
an den Kollektorringen 3 Wärme entsteht, und zu deren Umgebung gelangt, ist ein
Lüftungs-Leitgehäuse 9 mit Öffnungen 10 nahe dem Strom schienen-Anschluß angeordnet.
Übrigens sind eine Vielzahl von Bürsten in vorbestimmtem Abstand voneinander längs
des Umfanges des Kollektorringes 3 in Achsrichtung aneinandergereiht, um eine große
Strommenge leiten zu können. Die Bezugsziffer 12 bezeichnet ein Schutzgehäuse für
die Kollektoreinrichtung.
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Es wird nun der Kühlluft-Strömungsweg anhand der Fig. 2 näher erläutert.
Es sind zwei Kühlluft-Stromwege vorhanden, nämlich einer, der mit dem Bezugszeichen
H angedeutet ist und durch die am oberen Ende der Bürsten 4 befindlichen Zwischenräume
zur Oberfläche der Kollektorringe 3 hin führt, und ein zweiter, der mit dem Buchstaben
K versehen ist und längs der Oberfläche des Kollektorringes 3 achsparallel läuft.
Diese zwei Kühlluft-Strömungswege vereinigen sich zu einem einzigen Strom L1, der
in Drehrichtung der Kollektorringe 3 in die Öffnungen 10 fließt. Obwohl ein zusätzlicher
Kühlluftstrom M vorhanden ist, der durch die Bohrungen des Kollektorringes 3 fließt,
ist es doch der Kühlluftstrom L1, der wesentlich, nämlich unmittelbar zur Kühlung
der Bürsten 4 beiträgt.
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Nun wird der Kühlluftstrom L1 anhand der Fig. 3 erläutert. Diese
ist eine auf Fig. 1 beruhende Abwicklung der Lage der Bürsten 4; diese
sind
in wesentlich gleichen Abständen auf den Umfang des Kollektorringes 3 angeordnet.
Der Kühlluftstrom L1 fließt in Drehrichtung T der Kollektorringe 3, wie durch einen
Pfeil angezeigt, in die Öffnungen 10 al-s eine im wesentlichen laminare Strömung
längs der Oberflächen 4 a parallel zur Achse des Kollektors. Auf die Seiten 4 b
und 4 a der in den Endlagen A und E angeordneten Bürsten 4 wird parallel zur Achse
des Kollektorringes 3 eine ausreichende Menge Kühlluft geblasen; aber die Bürsten
der inneren Lagen B, C und D werden nicht genügend gekühlt.
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Das Ergebnis ist eine Kurve X, welche (s. Fig. 6) die Lagen A bis
E der in Achsrichtung der Kollektorringe aneinandergereihten Bürsten 4 und die Temperatur
dieser Bürsten aufzeigt. Wie aus diesem Diagramm ersichtlich, ist das Temperaturgefälle
so groß, daß, wenn die höchste Bürsten-Temperatur erreicht ist, - die Temperatur
der in den Endlagen A und E befindlichen Bürsten nur etwa 40 bis 60 , davon beträgt.
Wenn der Erregerstrom und die zulässige Grenze für die Stromdichte in den Bürsten
erhöht werden, neigt der Temperaturunterschied zwischen den Bürsten nur noch größer
zu werden. Die außergewöhnliche Erwärmung der Bürsten bewirkt, daß die Schmierfähigkeit
der Bürsten verlorengeht und daß der Reibungskoeffizient der Bürsten zunimmt und
daher die Bürsten rattern, so daß sie vorzeitig verschlissen werden, rissig werden
oder gar brechen und die Kollektorringe vorzeitig rauh werden. Es trifft im allgemeinen
zu, daß, wenn einige Bürsten solche Mängel haben, dann die anderen Bürsten, die
sonst auf demselben Kollektorring in normaler Weise gleiten, ähnliche Mängel bekommen.
Es ist daher verständlich, daß durch geeignete Maßnahmen, welche ungewöhnliche Erwärmung
einiger der Bürsten und Abflachung der den Zusammenhang
zwischen
Bürsten-Temperatur und Bürsten-Stellung darstellenden Kurve verhindern, normales
Gleiten aller Bürsten und größere Stromdichte in den Bürsten ermöglicht wird.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Erwärmung der Teile
von Bürsten zu beherrschen, und zu diesem Zweck sieht die Erfindung vor, daß, wenn
mehrere Bürsten vorhanden sind, ein turbulenter Külilgasstrom zwischen die Bürsten
geführt und dadurch gleichmäßige Kühlung aller Bürsten und besserer Kühlungs-Wirkungsgrad
erreicht wird.
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Die Erfindung gibt also einen Kollektor für umlaufende elektrische
Maschinen an, bei dem zwecks Kühlung der Bürsten, die auf der Oberflache des umlaufenden
Kollektors schleifen, ein turbulenter Kiihlgasstrom zwischen die auf der Oberfläche
des Kollektors angeordneten Dürsten geblasen und dadurch der Wärmeaustausch an der
Oberfläche der Bürsten und somit die Kühlwirkung verbessert wird.
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Bevor nun ein Ausführungsbeispiel der-Erfindung erläutert wird, soll
die grundsätzliche Arbeitsweise der Erfindung erklärt werden.
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Vom thermodynamischen Standpunkt aus läßt sich Kühlung mittels Gas-
oder Luftstromes besser durch turbulenten als durch laminaren Strom erreichen. Wenn
der Kühlgasstrom in der Nähe eines zu kiihlenden Gegenstandes laminar ist, geschieht
der Wärmeübergang von der Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes an das quer zur
Oberfläche des Gegenstandes auftreffende Kühlmittel durch Wärmeleitung. Wenn aber
statt des laminaren Stromes turbulenter Strom vorhanden ist, geschieht
der
Wärmeübergang statt dessen durch Konvektion, d. i. Strömung kleiner Wirbel, die
eine zur allgemeinen Richtung des turbulenten Stromes senkrechte Geschwindigkeitskomponente
haben. Es ist bekannt, daß durch Konvektion eine größere Wärmemenge über größere
Länge in einer Zeiteinheit übertragen wird als durch Wärmeleitung. Deshalb wird,
wenn es sich um einen turbulenten Strom handelt, derjenige Teil des Kühlmittels,
der von dem zu kühlenden Gegenstand verhältnismäßig weit entfernt ist, wirksamer,
als wenn ein laminarer Strom benutzt wird, gekühlt und dadurch ein bedeutend besserer
Kühlungswirkungsgrad pro Einheit der Kühistrommenge erreicht.
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Beim herkömmlichen Kollektor sind die Bürsten in zur Achse des Kollektors
paralleler Richtung in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet, und daher
sucht der in achsparalleler Richtung fließende Kühlluftstrom laminare Strömungsform
anzunehmen; und das hat den Nachteil, daß nur die zur Kollektorachse parallelen
Seiten der Bürsten gekühlt werden. Dieser Nachteil kann überwunden und alle Bürsten
können wirksam gekühlt werden, wenn der Kühlluftstrom turbulent gemacht wird, so
daß die Kühlluft ihren Weg in die zwischen den Bürsten befindlichen Räume, also
an jeden der in Achsrichtung weisenden Teile der Bärsten findet.
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Es sind drei Mittel, einen turbulenten Strom der Kühlluft zu erzeugen,
möglich: Einer ist, die Anordnung der Bürsten zu ändern; ein zweiter besteht darin,
mindestens ein Hindernis in dem geraden Stromweg der Kühlluft zu errichten; -das
dritte ist, die Art, wie die Kühlluft zugeliefert wird, zu ändern.
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Nun sollen im folgenden tatsächliche Ausführungsbeispiele der oben
genannten drei Mittel zur Erzeugung eines turbulenten Luftstromes erläutert werden:
Zunächst sei das erste Mittel erläutert, demzufolge die Bürsten gemäß Fig. 4 anders
angeordnet sind. Die Bürsten 4, auf der Oberfläche des Kollektorringes 3 axial aneinandergereiht,
sind in Zickzackform angeordnet, so daß die Bürsten A und B, B und C, C und D sowie
D und E gegeneinander um die Strecke R in Umfangsrichtung, d. h.
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aus der Fluchtlinie heraus versetzt sind. Ferner sind sie so angeordnet,
daß jede Bürstenreihe A-E gegenüber der benachbarten Reihe A-E um die Strecke S
in Achsrichtung versetzt ist. Diese Versetzungs-Strecken R und S sind bei allen
Bürsten 4 angewendet. Infolgedessen fließt die Kühlluft im wesentlichen in Drehrichtung
des Kollektorringes 3 und tritt an den Öffnungen 10 aus. Wie genaue Betrachtung
des Kühlluftstromes L2 zeigt, fließt dieser nahe den Bürsten 4 so, wie in Fig. 5
dargestellt.
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Dieser Kühlluftstrom L2 kühlt sowohl beide zur Kollektorachse parallelen
Seiten 4 a der Bürsten als auch die an diese angrenzenden Seiten 4 b.
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Die Versetzung R in Umfangsrichtung macht den Kühlluftstrom turbulent;
die Versetzung S in Achsrichtung läßt den Luftstrom L2 auf seinem Weg zu den Öffnungen
10 an möglichst vielen Bürsten Seitenbürsten-Seiten 4 b entlangfließen.
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Der so gesteuerte Kühlluftstrom L2 trägt zu hochwirksamer Kühlung
der Bürsten bei, denn er bewirkt unmittelbare Kühlung sowohl der zur Kollektorachse
parallelen Seiten 4 a als auch der Seiten 4 b der Bürsten.
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Bei der oben beschriebenen Anordnung der Bürsten 4 auf dem Kollektorring
3 sind die Bürsten sowohl um die Strecke R in Umfangsrichtung als auch um die Strecke
S in Achsrichtung versetzt; aber die Versetzung R in Umfangs'richtung kann auch
ohne axiale Versetzung vorgenommen werden.
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Die Fig. 7 zeigt einen Fall, in welchem die Bürsten 4 auf dem Kollektorrin
g nur in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind.
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Der an der (in der Zeichnung) linkenSeite eintretende Kühlluftstrom
L2 wandelt sich, indem er auf die Seiten 4b der Bürsten auftrifft, in einen turbulenten
Strom um. Ein Teil der Luft fließt in die zwischen den Bürsten befindlichen Zwischenräume,
während der Rest in Achsrichtung weiterfließt. Auf diese Weise werden die vier Seiten
jeder Bürste wesentlich gleichmäßig gekühlt Bei dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel
sind die mittleren der Bürsten 4, da sie sonst weniger wirksam gekühlt würden, auf
dem Kollektorring aus der Fluchtlinie heraus versetzt. Auch in diesem Falle fließt
die Kühlluft um jede der Bürsten herum, wie durch Pfeile angedeutet, und bewirkt
bessere Kühlung.
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Bei dem in Fig. 9 dargestellten Fall dagegen sind einige besondere,
einander benachbarte unter den Bürsten 4 - nicht die an den Enden des Kollektorringes
3 befindlichen - in größerem Abstand voneinander als die anderen angeordnet, was
ebenfalls ermöglichen soll, daß die Kühlluft um die Bürsten herumfließt.
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Dank der oben beschriebenen anderen Anordnung der Bürsten 4 ist der
Kühlluft mit Erfolg ermöglicht, in die Zwischenräume zwischen be: nachbarten Bürsten
zu fließen, und so kann die Bürstentemperatur 10 bis 30 OC gesenkt werden. Außerdem
wird, wie in Fig. 6 durch eine gestrichelte Linie Z gezeigt, wesentlich gleichmäßige
Temperatur erreicht. Dies beseitigt die ungewöhnliche Erwärmung mancher der Bürsten
und daher jede nachteilige Wirkung auf das glatte Gleiten der Bürsten und ergibt
größere Zuverlaissigkeit der Maschine.
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Ferner werden dadurch, daß zwischen einander benachbarte Bürsten
der große Zwischenraum, d. h. mindestens die halbe Dicke t (Fig.
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4) einer Bürste, vorgesehen ist, zusätzliche Kühlluftströme in Um
£angsrichtung erzeugt und mit der in Achsrichtung strömenden Kühlluft gemischt und
somit ein turbulenter Strom geschaffen, der jede Seite jeder Bürste wirksam kühlt.
Das Ergebnis ist eine Kurve Y in Fy. 6 für verbesserte Überall-Kühlung. Übrigens,
das Bezugszeichen RT in Fig. 6 bedeutet die Raumtemperatur.
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Eine noch andere Bauart, die Kilhlung der Bürsten 4 wirksam zu verbessern,
ist in Figw dargestellt; bei ihr ist im Stromweg der Kühlluft eine Reihe von Hindernissen
angeordnet. In diesem Fall sind die Bürsten sowohl in Umfangs- wie in Achsrichtung
in Fluchtlinie angeordnet. In den Zwischenräumen K zwischen in Umfangsrichtung benachbarten
Bürsten 4 ist eine Anzahl von Hindernissen 14 angeordnet.
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Diese sind, damit ein turienter Kühlluftstrom, wie durch Pfeile angezeigt,
entsteht, ganz nahe der Oberfläche des Kollektorringes 3 angebracht und an einem
Bürstenhalter od. dgl. (nicht gezeichnet) befestigt.
Diese Hindernisse
14 sind wegen ihrer dichten Nähe zur Oberfläche des Kollektorringes 3 vorzugsweise
aus Isolierwerkstoff wie z. B. verstärktem Kunstharz hergestellt. Übrigens können
die Querschnitte der Hindernisse 14 beliebige Querschnittsform haben.
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Die Strömungsrichtung der Kühlluft wird durch die Hindernisse 14
in die Zwischenräume K der Bürsten, wie durch Pfeile gezeigt, geändert, so daß die
Kühlluft ihren Weg in die Spalten zwischen in Achsrichtung- aufeinanderfolgenden
Bürsten 4 nimmt und dadurch deren Seiten 4b kühlt.
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Ferner können die Hindernisse 14 in den Zwischenräumen K gegeneinander
versetzt, und zwar je nach der Kühlluftmenge oder sonstigen Faktoren versetzt angeordnet
sein.
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Anstatt der Hindernisse 14 in den Spalten K können Vorsprünge und
Nuten im Bürstenhalter angebracht werden, die dieselbe Wirkung wie jene Hindernisse
14 ergeben.
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Zum Schluß sei noch erläutert, wie Turbulenz des Kühlluftstromes
dadurch geschaffen werden kann, daß die Art der Kühlluftzufuhr geändert wird. Der
einfachste Weg zu solchem Ziel ist, einen Luftstrom senkrecht zur Oberfläche des
Kollektorringes 3 gegen die in Achsrichtung fließende Kühlluft zu blasen. Turbulenz-Strom
entsteht an einem Punkt, wo die Kühlluft sich mit diesem Blasluftstrom mischt; dieser
turbulente Strom erreicht - und kühlt daher - jede Seite jeder Bürste.
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Wenn, wie oben erwähnt, an den mittleren der Bürsten eine wesentliche
Erwärmung
beobachtet wird, kann man mittels eines Luftzufuhrrohres solchen zusätzlichen Luftstrom
vor allem gegen sie richten.
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Ferner wird, wenn der Kollektor so gebaut wird, daß eine größere
Anzahl von Luftzufuhrrohren vorhanden sind und deren Auslässe die Kühlluft gegen
die Oberfläche des Kollektorringes blasen, die Richtung des Kühlluftstromes zwangsweise
geändert, sobald dieser auf die Oberfläche des Kollektorringes auftrifft. Infolgedessen
wird ein turbulenter Strom der Kühlluft teils durch den plötzlichen Richtungswechsei
des Luftstroms und teils durch die Mischung der Kühlluft in sich selbst erzeugt
und so eine wirksame Kühlung der Bürsten ermöglicht.
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Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich, können gemäß
der Erfindung alle Bürsten durch Schaffung von Turbulenz des KLihlluftstromes wirksam
und gleichmäßig gekühlt werden.
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Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf Kühlung von Bürsten,
die an den Kollektorringen eines Turbogenerators schleifen, und ihre Umgebung; aber
die Erfindung ist nicht auf ihre Anwendung an diesen Turbogenerator beschränt, sondern
mit gleicher Wirkung auch auf andere umlaufende elektrische Maschinen großer Leistung
anwendbar.
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Ferner kann die Erfindung leicht auf die herkömmliche Kollektor-Bauart
angewendet werden.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, ist die Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Gruppe elektrischer
Bürsten,
die auf der Oberfläche eines umlaufenden Kollektorringes schleifen, eine Einrichtung
angeordnet, die innerhalb dieser Bürstengruppe einen turbulenten Sühlluftstmm erzeugt,
so daß die Kühlluft jede der Bürsten rings umströmt. So können alle Bürsten unter
gleichen Bedingungen gekühlt werden; so wird die Kennlinie, welche die Temperatur
jeder der Bürsten anzeigt, abgeflacht. So wird abnorme Erwärmung von Teilen der
Bürsten verhindert und dadurch Abfall der Schmierfähigkeit der Bürsten verhindert.
Daher wird das Gleiten der Bürsten stabil und der bei Flattern der- Bürsten drohende
abnormale Verschleiß, Schaden oder Bruch der Bürsten sowie Aufrauhen und Verschleiß
des Kollektors vermieden.
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Außerdem gestattet diese wirksame Kühlung der Bürsten, die Dichte
des elektrischen Stromes in den Bürsten weiter zu erhöhen -nach den Versuchen des
Erfinders um etwa 10 bis 30 %. Aus diesem Grunde wird die relative Anzahl der für
eine bestimmte Menge elektrischen Stromes nötigen Bürsten kleiner und somit ein
gedrängter Kollektor möglich.
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Ferner wird durch den turbulenten Kühlluftstrom der Staub, der sich
sonst am Bürstenhalter oder zwischen diesem und den Bürsten absetzen könnte, weggeblasen
und daher jede Gefahr von Kurzschluß oder vom Festklemmen der Bürsten im Bürstenhalter
verhindert.