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Kollektor für Gleichstrom- oder Wechselstrommaschinen Beim Bau von
Kohlekollektoren treten folgende Nachteile auf: i. Die Steifigkeit des Kollektors
ist mangelhaft; 2. die Übergänge von den Kollektorlamellen zum Ankerkupfer sind
schwierig herzustellen. Beide Nachteile werden in der folgenden Konstruktion vermieden.
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Zu diesem Zwecke wird der Kollektor erfindungsgemäß so gebaut, daß
die Kohle zu der Steifigkeit des Kollektors nicht herangezogen wird. Es wird also
nur der für die Abnutzung vorgesehene Teil des Kollektors aus Kohle hergestellt,
der eigentliche Teil aber in bisheriger Weise aus Kupfer, gegebenenfalls aus Bronze
oder galvanisiertem unmagnetischem Eisen, wenn hierdurch eine Preisreduktion ohne
Verminderung der Steifigkeit möglich ist. Der der Abnutzung zur Verfügung gestellte
Teil der Lamellen wird nun mit dem Kupferteil mechanisch verbunden und verlötet.
r11s Beispiel ist in Abb. i eine Befestigung durch kleine Schwalbenschwanznuten
gezeigt; doch lassen sich auch rechteckige Nuten mit kleinen durch das Lot auszufüllenden
Löchern benutzen, wie in Abb. 2 angedeutet. In der Längsrichtung wird der Kohleteil
erfindungsgemäß unterteilt, um erstens schädliche Einflüsse der verschiedenen Ausdehnung
von Kohle und Kupfer zu vermeiden, und um auch bei der Herstellung des Kollektors
in der Mitte desselben einen sehr starken Schrumpfdruck auszuüben, ohne die Struktur
der Kohleteile zu gefährden. Durch eine entsprechende Dimensionierung wird dafür
Sorge getragen, daß der durch Schrumpfen auf den Kohleteil ausgeübte Druck innerhalb
zulässiger Grenzen bleibt. Der zu einer jeden Kupferlamelle gehörende Kohleteil
ist in peripherer Richtung unterteilt, aber durch isolierend wirkende Klebstoffe
wieder untereinander verbunden. Jede Kohleteillamelle wird auf diese Weise sehr
dünn, etwa i bis 2 mm dick. Dies ermöglicht
eine Verringerung der
Bürstenbreite gegenüber den normalen Lamellen von 4 bis 5 mm Breite, und da die
an den Enden der Bürste auftretende Spannung nicht von der Transformatorspannung
einer einzigen Lamelle, sondern aller Lamellen, die von einer Bürste kurzgeschlossen
werden, abhängt, so ist eine beträchtliche Verbesserung zu erzielen, die sich in
einer Erhöhung der zulässigen Transformatorspannung pro Lamelle auswirkt.
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Für das Zusammenpressen des Kupferteils während der Fabrikation werden
an den Aussparstellen zunächst Segmente eingelegt, die den Durchmesser über den
Kohleteilen erhöhen, und dann Schrumpfringe darübergezogen, die vorher auf eine
hohe Temperatur gebracht worden sind. Beim Erkalten erhält man den gewünschten Druck
auf den Kupferteil. Um die Schrumpfringe bequem entfernen zu können, sind sie vorteilhafterweise
elektrisch durch eingebaute Widerstände beheizbar gemacht. Man kann auch den Kupferteil
an den Aussparstellen mit vergrößertem Durchmesser anfertigen und diese Stellen
mit Schrumpfringen versehen, die im Betriebe an Ort und Stelle verbleiben. In Abb.
i ist dies durch punktierte Linien angedeutet. 3 soll ein Teil der Kupferlamelle,
4 eine aus Asbest oder Glimmer bestehende Isolation und 5 ein Schrumpfring sein.
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Der geschichtete Kohlekollektor gestattet auch, die mittlere Segmentspannung
bei Gleichstrommaschinen höher zu wählen, wodurch die Grenzen der Gleichstrommaschinen
erweitert wenden sowohl in Richtung einer vergrößerten Spannung als auch in Richtung
einer vergrößerten Länge bei gegebenem Durchmesser, was besonders bei Motoren, die
ein kleines GDE besitzen sollen (Reversiermotoren), von großer Bedeutung ist.
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Da die Abnutzung, also die Lebensdauer eines geschichteten Kohlekollektors,
einen ausschlaggebenden Einfluß auf die Anwendung desselben ausüben wird, mögen
noch einige Überlegungen angestellt werden, in welcher Weise bei der Konstruktion
einer Maschine, im besonderen eines 50-Hz-Einphasenkollektormotors eine Rücksichtnahme
auf diesen wichtigen Faktor ausgeübt .werden kann.
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Wenn die Höhe der zulässigen Abnutzung h mm, die Abnutzung einer auf
einem Kupferkollektor schleifenden Kohlebürste a mm pro iooo Lokomotivkilometer
und das Verhältnis der Kollektoroberfläche zur Bürstenoberfläche b beträgt, so wird
die Lebensdauer des Kohlekollektors in Lokomotivkilometer:
Lokomotivkilometer sein. Der Faktor b erklärt sich ohne weiteres durch den Umstand,
daß in jedem Augenblick nur der
Teil der Kollektorfläche der Abnutzung unterworfen ist. h wird zwischen 15 und 2o
mm gewählt werden können, d kann gewissermaßen in zwei Komponenten zerlegt werden,
wovon die eine das reine mechanische Abscheuern darstellt und bei gut ausgewuchteten
zentrisch laufenden Kollektoren kleiner als etwa o, i mm ist, während die andere
Komponente ein von der Belastung abhängiges Abbrennen darstellt und im allgemeinen
zwischen o, i und 0,3 mm liegt, aber bei Strecken mit starker Beanspruchung
bis zu o,5 mm und noch höher ansteigt. Dieses Abbrennen erklärt sich daraus, daß
die Temperatur an der Auflagefläche der Bürste wesentlich größer sein muß als die
des Kollektors, weil ja die erzeugte Wärme von da aus nach den Stellen fließen muß,
wo sie an die umgebende Luft abgegeben wird, das ist aber die Kollektorfläche, und
hierzu ist offenbar ein Temperatursprung notwendig. Wenn also der Motor eine nach
den VDE-Vorschriften zulässige Kollektortemperatur hat, so wird die Auflagefläche
der Bürste eine wesentlich größere Temperatur haben, die sich nun in den Steigungen
usw. noch stark erhöhen kann und damit den Abbrand begünstigt. Ganz anders liegen
die Verhältnisse beim Kohlekollektor. Hier tritt bei einer starken Beanspruchung
der Bürsten keine lokale Vergrößerung der Temperatur in irgendeiner gerade unter
den Bürsten liegenden Kohlelamelle ein, weil sie sich ja nur einen Bruchteil einer
Millisekunde darunter befindet und in dieser kurzen Zeit keine meßbar größere Temperatur
als die anderen Lamellen annehmen kann. Wenn nun der 5o-Hz-Einphasenkollektor von
vornherein für niedrige Temperaturerhöhung entworfen wird, so kann eine Abnutzung
durch Abbrand überhaupt nicht eintreten. Der Wert a dürfte also zu o,i mm oder noch
niedriger geschätzt werden können, wobei natürlich Ausnahmefälle auftreten können,
verursacht durch Unrundlaufen des Kollektors, schlechtes Auswuch-' ten, Verschieben
einer Lamelle relativ zu den benachbarten usw. Um einen großen Wert b zu erhalten,
wird man schon beim Entwurf des Motors darauf zu achten haben, daß die Kollektoroberfläche
reichlich, der Bürstenquerschnitt dagegen klein gewertet wird. Das erstere ist bei
Einphasenmotoren für 5o Hz möglich, weil ja immer zwei Motoren pro. Achse gewählt
werden können und weil die Ankerlänge schon mit Rücksicht auf die zulässige Transformatorspannung
klein gewählt werden muß. Der Bürstenquerschnitt kann aber durch Benutzung von Bürsten
von großer Leitfähigkeit, die eine große Stromdichte zulassen, heruntergesetzt werden.
b läßt sich auf diese Weise oberhalb 25 bringen, wodurch die wahrscheinliche Lebensdauer
des Kohlekollektors zu
= 3,7 # ioB Lokomotivkilometer geschätzt werden könnte.
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Die obigen Überlegungen gelten für die laufende Lokomotive. Wenn die
Lokomotive von dem Ruhestand anläuft, werden die Lamellen vorher einige Sekunden
unter den Bürsten liegen und sich dann wesentlich stärker erwärmen als die anderen
Lamellen, so daß sich bei ungünstiger Belastung ein Abbrand ergeben kann. Bei der
Bürstenabnutzung in Verbindung mit Kupferkollektor ist diese Erscheinung sehr gut
bekannt und gefürchtet. Man muß deshalb bei der Anfahrt von Zügen
auf
Steigungen sehr vorsichtig sein. Ein Abbrennen der Bürste in mehr oder wenig starkem
Maße tritt dann immer auf, besonders dann, wenn der Kollektor von der vorhergehenden
Fahrt noch seine hohe Temperatur nahezu beibehalten hat. Beim Kohlekollektor ist
es insofern günstiger, als der Kollektor eine mit der Zugkraft wachsende elastische
Verdrehung ausführt und sich mithin die Erwärmung auf mehrere Lamellen verteilt.
Auch hier wirkt es sich günstig aus, wenn die Temperaturerhöhung des Kollektors
schon beim Entwurf niedrig gehalten wird, und wenn beim Anlaufen der Kraftlinienfluß
künstlich verkleinert wird.