Erwärmung von Motoren bei aussetzendem Betrieb. Von Dipl.-Ing. Alexander Brückmann, Frankfurt a. M. (Fortsetzung von S. 436 d. Bd.) Erwärmung von Motoren bei aussetzendem Betrieb. Experimenteller Teil I. Textabbildung Bd. 323, S. 453 Fig. 5.Schaltungsanordnung für die Versuche am Hauptstrommotor. Versuchsmaschine. Zunächst sei die Versuchsmaschine und die Schaltungsanordnung näher beschrieben. Entsprechend der fast ausschließlichen Verwendung der Hauptstrommotoren bei aussetzenden Betrieben, wie Kränen, Aufzügen, Straßenbahnen und dergl. wurde für die Untersuchungen auch ein solcher verwandt. Es ist ein Haupt, strommotor der Firma Brown, Boveri & Co. in Mannheimder sich durch seine leichte, stabile und gedrungene Bauart auszeichnet. Die Maschine besitzt eine Armatur für 220 Volt Spannung, wurde jedoch bei den Versuchen aus praktischen Rücksichten mit 110 Volt betrieben. Man erhält dadurch allerdings nur die halbe Umlaufszahl, doch hat diese Differenz auf die Untersuchung, wie wir später sehen werden, keinen Einfluß. Bezeichnet war die Maschine mit 3,5 PS dauernd und 5 PS aussetzend, welche Größen sich bei der halben Betriebsspannung auf die Hälfte, nämlich 1,75 PS dauernd und 2,5 PS aussetzend vermindern. Der Ankerstrom bei normalem Dauerbetrieb hatte die gleiche Größenordnung, wie der bei Betrieb der Maschine mit 220 Volt. Er betrug 15 bezw. 25 Amp. Textabbildung Bd. 323, S. 454 Fig. 6.Erwärmungskurven des Hauptstrommotors abhängig von der Belastung (Spulen, veränderliche Touren). Zeit in Stunden und Minuten. Schaltung. Die Meßapparate bestanden bei den anfänglichen Versuchen im wesentlichen aus einem Westonvoltmeter mit vorgeschalteten und parallelen Widerständen nebst den zugehörigen Schaltern. Die Belastung erfolgte durch eine Wirbelstrombremse der Firma Gebr. Körting. In Fig. 5 ist die Schaltungsanordnung für die Versuche am Hauptstrommotor dargestellt. Durch entsprechende Stellung der Schalter ist es möglich, den Maschinenstrom (3,3), den Erregerstrom der Bremse (1,1), die Maschinenspannung (2,2) und den Spannungsabfall an den Spulen (4,4) zu messen. Das Meßbereich des letztgenannten Kreises kann durch beliebiges Vorschalten eines gleichen Widerstandes wie der des Voltmeters (V) bei höheren Belastungsströmen auf das Doppelte vergrößert werden. Belastungskurven der Spulen. Zunächst sind in Stufen von je 2 Amp. die Erwärmungskurven der Spulen bei verschiedenen Belastungen aufgenommen. Bei der graphischen Behandlung nach der oben beschriebenen Methode (Fig. 6) stellte sich eine ziemlich genaue Uebereinstimmung der gemessenen Kurve mit der theoretischen heraus, so daß die einzelnen Schnittpunkte der Ursprungstangenten mit den Asymptoten im Abstand τe und dieser selbst sehr genau zu bestimmen waren. Die einzelnen so ermittelten Punkte, in der Figur mit Doppelkreisen bezeichnet, liegen aber, da sich mit der Belastung die Umlaufszahl und damit die Ventilation und die Wärmezufuhr durch Hysteresis und Wirbelstromverluste ändert, nicht senkrecht übereinander. Ihr Abstand von der Y-Achse stellt die Größe Ta dar, die mit abnehmender Belastung, d.h. steigender Umlaufszahl sichtlich abnimmt. Einfluß der Umlaufszahl. Um den Einfluß der Umlaufszahl zu ermitteln, die sowohl den Eisenverlust im Anker und damit die Temperaturen der dem Anker entströmenden Luft, wie auch die Geschwindigkeit derselben, und damit die Ventilationswirkung für die Spulen ändert, ist die Maschine unter gleichen Belastungsbedingungen der Spulen jedoch mit fremder Erregung und konstanter Umdrehungszahl, d.h. veränderlicher Spannung am Anker untersucht. Textabbildung Bd. 323, S. 454 Fig. 7.Schaltungsanordnung für die Versuche an der fremderregten Maschine. Fig. 7 zeigt die bei den folgenden Versuchen angewandte Schaltung. Die Umlaufszahl wurde durch eine mit der Bremse gekuppelte magnetelektrische Maschine und Spannungsmesser bestimmt. Für spätere Versuche sind zur Spannungsabnahme am Anker zwei Kontakte eingeführt. Außerdem gestattet die Schaltung die Messung des Feldstromes und, getrennt davon, die des Ankerstromes. 1,1 mißt die Spulenerwärmung (v1, Vorschaltwiderstand zur Erweiterung des Meßbereiches). 2,2 aa mißt den Ankerstrom. 2,2 bb    „    „    Spulenstrom. 3,3        „    „    Bremsstrom. 4,4        „   die  Bürstenspannung am Anker (v4 Vorschaltwiderstand zur Erweiterung des Meßbereiches). 5,5     mißt die Ankererwärmung. 6.6        „    „   Umlaufszahl. Die gleiche Schallanordnung wurde zu der als Hauptstrommotor arbeitenden Maschine unter Hinzufügen eines Umschalters, der je nach Belieben Feld und Anker trennte oder in Reihe schaltete, verwandt. Textabbildung Bd. 323, S. 455 Fig. 8.Erwärmungskuryen der fremderregten Maschine bei gleichbleibender Umdrehungszahl n = 400 i. d. Min. (Spulen). Zeit in Stunden und Minuten. Die Untersuchung ist in zwei Grenzfällen durchgeführt. Einmal für 400 Umdreh. i. d. Min., der Umdrehungszahl bei Belastung mit 25 Amp. und für 800 Umdreh. i. d. Min., der Umdrehungszahl bei Belastung mit 9 Amp. ungefähr entsprechend. Die Versuchsergebnisse sind in den Fig. 8 u. 9 abgebildet. Wir bemerken, daß sich bei niedrigen Belastungen die Belastungskonstante Ta für die niedrige Umdrehungszahl vergrößert, während sie sich für hohe Umdrehungszahl verringert, jedoch bei höheren Belastungen sich dem gleichen Werte wie bei der als Hauptstrommotor laufenden Maschine nähert. Aus den Versuchen ist demnach zu entnehmen, daß die Belastungskonstante der Spulen für Ueberlastungen praktisch als eine Konstante angesehen werden kann. Belastungskurven des Ankers. Außer den Messungen an den Spulen sind solche am Anker ausgeführt, und zwar, da diese eine Unterbrechung des Versuches erforderten, in einer besonderen Versuchsreihe, getrennt von den Versuchsreihen der Spulen, um eine ungünstige Beeinflussung der Spulenkurven zu vermeiden. Textabbildung Bd. 323, S. 455 Fig. 9.Erwärmungskurven der fremderregten Maschine bei gleichbleibender Umdrehungszahl n = 800 i. d. Min. (Spulen) Zeit in Stunden und Minuten. Die Bestimmung der Ankertemperatur bietet einige Schwierigkeiten. Eine thermometrische Messung ist wegen der ihr anhaftenden Trägheit nicht zulässig, da die Temperaturverteilung sich in Bruchteilen von Minuten ändert, so daß eine solche Messung, die allein 2 Minuten günstigsten Falles dauert, fehlerhafte Ergebnisse liefern muß. Die Messung mußte also entweder mit Thermoelementen oder mit Widerstandsbestimmung durchgeführt werden. Um die Messung der Praxis möglichst eng anzuschließen, in der die Anbringung von Thermoelementen in den meisten Fällen nicht angängig ist, wurden die Temperaturbestimmungen nur durch Widerstandsmessung durchgeführt. Die späteren Ergebnisse lassen erkennen, daß ein Schluß von der Erwärmung des Ankerkupfers auf die Temperatur des Ankereisens nicht zulässig erscheint, da durch die beträchtliche Isolationsschicht zwischen Ankereisen und Kupfer, die aus der Umspinnung der Drähte, Umwicklung der Spulen und Ausfütterung der Nut mit Preßspan besteht, ein großes Temperaturgefälle notwendig wird, um einen erheblichen Wärmestrom zwischen Eisen und Kupfer des Ankers zu ermöglichen. Eine Untersuchung des Temperaturgefälles zwischen Ankereisen und Kupfer wäre durch Einlegen von Thermoelementen in das Ankereisen möglich. Zunächst wurde der Versuch gemacht, im Betriebe mit einer bifilar gewickelten Meßspule, deren Enden zu Schleifringen führten, die Temperatur zu messen. Durch sehr veränderliche Uebergangswiderstände wurde der Versuch jedoch hinfällig. Sodann wurden die Schleifringe durch Stöpselkontakte ersetzt, die nach Stillsetzen der Maschine angeschaltet wurden. Die Meßspule, die vorher in Richtung der Ankerachse in einer Nut eingebettet war, wurde dabei spiralförmig um den Anker gelegt und mit einer Lackschicht gegen Wärmeabgabe nach außen möglichst geschützt. Auch dieser Versuch führte zu keinem entsprechenden Ergebnis, und so entschloß ich mich schließlich, die Messung direkt an den Spulen vorzunehmen. Während bei den vorbeschriebenen Versuchen eine Nullmethode mit Differential-Galvanometer angewandt wurde, ging ich bei den folgenden Versuchen von dieser Messungsmethode ab, da sie trotz ihrer an und für sich höheren Genauigkeit, eine Zeit in Anspruch nahm, während der die Temperaturverhältnisse sich schon merklich änderten. Ich ging daher zu der einfachen Messung aus Strom und Spannungsabfall, die auch bei den Spulen angewandt worden war, über. Textabbildung Bd. 323, S. 456 Fig. 10.Vorrichtung zur Messung des Ankerwiderstandes. Meßvorrichtung für den Anker. Es galt nun eine schnell wirkende, zuverlässige Spannungsabnahme an stets der gleichen Stelle des Ankers zu ermöglichen. Nach einigen ergebnislosen Versuchen fand ich die in Fig. 10 dargestellte Form als geeignetste. Der Hebel H ist drehbar um den Punkt G, der mit dem Maschinengestell vorübergehend fest verbunden ist, und wird durch künstlich verstärkte Reibung in jeder Lage festgehalten. Der Endpunkt P des Hebels H führt eine annähernd senkrechte Bewegung aus. Um den Punkt P ist der Bogen B, der ungefähr dem Kollektor entsprechend gekrümmt ist und an seinen Enden zwei radial stehende, einstellbare Spitzschrauben trägt, mit leichter Reibung drehbar angeordnet. Die Schrauben sind gegen den Bogen isoliert und besitzen eine Zuleitung durch den metallischen Teil des Muttergewindes Z. Diese Vorrichtung gestattet einmal die genaue Einstellung der Entfernung der beiden Spitzen voneinander auf die Mitte zweier Lamellen, und ferner das zuverlässige Aufliegen beider Spitzen durch Senken des Hebels H. Sollte sich der Bogen um P gedreht haben, so kommt beim Senken des Hebels erst die eine Spitze zum Aufliegen, worauf sich der Bogen soweit dreht, bis auch die andnere Spitze berührt. Gerade diese Beweglichkeit im Punkte P hat sich gegenüber der im Anfang versuchten starren Verbindung des Hebels mit dem Bogen oder der federnden Auflage der Kontaktstücke sehr gut bewährt. Der Apparat gestattet die Messung des Ankerwiderstandes einschließlich des Stillsetzens und Anlassens der Maschine in 35 bis 45 Sekunden, einer Zeit, in der die Wärmeverteilung noch nicht wesentlich geändert ist. Textabbildung Bd. 323, S. 456 Fig. 11.Erwärmungskurven der fremderregten Maschine bei gleichbleibender Umdrehungszahl n = 400 i. d. Min. (Anker). Zeit in Stunden und Minuten. Um von der Ungleichheit der Widerstände der einzelnen Spulen unabhängig zu sein, wurde der Anker jedesmal in die gleiche Stellung gedreht, die durch einen schneidenartig ausgebildeten Zeiger und eine Marke auf den Fahnen des Kollektors gekennzeichnet war, so daß die Spannung immer an den gleichen Lamellen abgenommen wurde. Bei der vorliegenden Maschine mußte die Spannungsabnahme aus konstruktiven Rücksichten an der Stelle des Kollektors stattfinden, an der auch die Fahnen eingelötet waren, und es stellte sich heraus, daß sorgfältig darauf geachtet werden mußte, daß die Spitzen stets das Kupfer der Lamellen berührten, da die Auflage auf die Lötstelle einen fehlerhaften Wert zur Folge hatte. Textabbildung Bd. 323, S. 457 Fig. 12.Erwärmungskurven der fremderregten Maschine bei gleichbleibender Umdrehungszahl n = 800 pro Min. (Anker). Zeit in Stunden und Minuten. In den Kurven der Fig. 11 u. 12 sind die auf diese Weise erhaltenen Ergebnisse für die Ankerströme und Erregungen von 9, 13, 17 und 21 Amp. und eine konstante Umlaufszahl von 400 bezw. 800 Umdreh. i. d. Min. dargestellt und nach der gleichen Methode wie früher behandelt. Zunächst ist ein auffälliges Abweichen von der theoretischen Kurve zu bemerken. Die gemessene Kurve steigt anfangs schnell an, um im späteren Verlauf sich mehr abzuflachen. Im Anfang der Kurve ist also die Kühlung geringer als gegen Ende. Die Kurve erreicht eine niedrigere Endtemperatur als sie anfangs anstrebte. Zurückzuführen ist diese Erscheinung wohl auf den veränderlichen Beitrag zur Kühlung, der vom Ankereisen geliefert wird. Während im Anfang bei geringem Temperaturgefälle zwischen Spule und Eisen kein nennenswerter Wärmestrom durch die starke Isolationsschicht hindurch geht, nimmt bei wachsender Temperatur der Spule das Temperaturgefälle zu und damit auch die kühlende Wirkung des die Spule an drei Seiten umgebenden Ankereisens. Die Kühlung wächst nach Untersuchungen von Stefan und anderen nach einer höheren (der vierten) Potenz des Temperaturgefälles (siehe Chwolson, Lehrbuch der Physik, Bd. III, S. 319). Dieselbe Erscheinung zeigte sich bei späteren Versuchen in verschiedenem Grad bei Spulen, die zum Teil in Eisen eingebettet sind. Bei Spulen, die frei liegen, waren sie nicht erkennbar, da dort die später einsetzende kühlende Wirkung des Eisens nicht vorhanden ist. Nähere Versuche über diese Vorgänge bieten einiges Interesse, jedoch erfordern sie eine größere Reihe von Messungen an einfach gestalteten Körpern, die aus dem Rahmen der vorliegenden Arbeit herausfallen würden. Es soll daher in der Folge, da die Abweichungen nicht sehr wesentlich sind, mit der mittleren theoretischen Kurve gerechnet werden. Es ergibt sich, wie vorauszusehen war, für den Anker eine andere Belastungskonstante wie für die Spulen, so daß sich aus diesem Grund eine gesonderte Behandlung beider Teile, d.h. die Trennung der bisherigen Maschinenkonstante in eine Feld- und eine Ankerkonstante empfiehlt. Die Schnittpunkte der Ursprungstangenten mit den zugehörigen Asymptoten liegen abweichend von den Ergebnissen für die Spulen annähernd senkrecht übereinander. Textabbildung Bd. 323, S. 457 Fig. 13.Abkühlungskurven bei ruhender Maschine, a = Anker, s = Spulen. Zeit in Stunden und Minuten. Abkühlungskurve. Nachdem die Erwärmungskurven eingehend untersucht sind, finden sich in Fig. 13 die nach der gleichen Art aufgenommenen Abkühlungskurven und zwar bei ruhender Maschine etwa entsprechend dem aussetzenden Betrieb bei Aufzugsmotoren. Während bei der mit gleicher Umlaufszahl unbelastet angetriebenen Maschine der Wärmeübergangsfaktor K, der sich zusammensetzt aus Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion, der gleiche bleibt wie bei der belastet laufenden Maschine, d.h. die Erwärmungskurve nach Oelschläger das Spiegelbild der Abkühlungskurve darstellt, fällt bei ruhender Maschine die Kühlung durch Konvektion fast vollständig fort. Bestehen bleibt nur der Teil der Konvektion, der der Luftbewegung entspricht, die durch den Auftrieb der erwärmten Luft hervorgerufen wird. Dieser Teil ist bei komplizierten Gebilden wie dem Anker, der noch dazu im Belastungszustand künstlich ventiliert wird, fast zu vernachlässigen. Anders verhalten sich ruhende Spulen. Bei diesen wirkt als Konvektionskühlung allein die durch den Auftrieb verursachte Luftbewegung, die proportional ist der Temperaturdifferenz. Sie kühlt also stärker mit zunehmender Temperaturerhöhung (Erwärmungskurve), die Kurve nach dem Ende zu abflachend, so daß sie sich einer niedrigeren Asymptote nähert, als im anfänglichen Verlauf zu erwarten war. Bei abnehmender Temperatur, d.h. bei der Abkühlungskurve, ist die Kühlwirkung im Anfang stark, d.h. die Kurve wird in ihrem Anfang steiler verlaufen, da die Temperaturdifferenz groß ist, während sie sich gegen Ende mehr und mehr abflacht. Die Asymptote, in diesem Fall die Abszissenachse, liegt jedoch fest, und dieser nähert sich die theoretische Kurve. Daraus erklärt es sich, daß sämtliche Abkühlungskurven gegen Ende zu über der theoretischen Kurve liegen, während sie im Anfang steiler verlaufen. Aus der Verminderung des Faktors K bei ruhender Maschine ergibt sich für den Anker eine Abkühlungskurve, die nicht das Spiegelbild der Erwärmungskurve ist, sondern eine flachere Kurve, d.h. eine solche mit größerer Abkühlungskonstante Tr. Durch die vorangegangene Untersuchung der Erwärmungs- und Abkühlungsvorgänge erhalten wir folgendes Endergebnis, das nochmals kurz zusammengestellt sei: Für Maschinen sind in der Regel vier Konstanten für aussetzenden Betrieb maßgebend, von denen je zwei paarweise zusammen gehören, nämlich die Erwärmungs- und Abkühlungskonstante des ruhenden Teiles (Feldspulen, Gehäuse und dergl.), und die des bewegten Teiles (Anker, Sekundärspulen und dergl.). Auf diesem Endergebnis baut sich die folgende Untersuchung für aussetzenden Betrieb auf. (Fortsetzung folgt.)