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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schleifringvorrichtung für eine elektrische Maschine mit einem Schleifring, der an dem Läufer der elektrischen Maschine anbringbar ist und eine Rotationsachse aufweist, sowie einer Bürste, die mit dem Schleifring zur Stromübertragung in Kontakt steht.
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Schleifringläufermotoren für die industrielle Anwendung sind Asynchronmotoren, denen über externe Läuferwiderstände eine besondere Anfahrcharakteristik gegeben werden kann. Über diese externen Läuferwiderstände können sie an besondere Anfahrbedingungen angepasst werden. Solche Anfahrbedingungen sind beispielsweise ein hohes Gegenmoment während des Hochlaufs (z. B. Mühlenantriebe, Brecherantriebe), ein definiertes Beschleunigungsmoment während des Hochlaufs (z. B. Förderantriebe), ein begrenzter Anfahrstrom (z. B. Anlassen leistungsstarker Motoren in schwachen Netzen) oder lange Anlaufzeiten (z. B. große Lüfter mit hohem Massenträgheitsmoment).
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Die externen Läuferwiderstände werden über Kohlebürsten und rotierende Schleifringe mit den Läuferwicklungen des Schleifringmotors elektrisch verbunden und während des Anlaufvorgangs stufenweise oder kontinuierlich reduziert. Der dabei entstehende leitfähige Kohleabrieb bedeutet einen erhöhten Wartungsaufwand und bei ungenügender Wartung ein permanentes technisches Risiko. Vielerorts wird heute der Schleifringläufermotor aufgrund dieser Risiken und Wartungskosten durch Umrichterantriebe verdrängt. Aber vor allem bei drehzahlkonstanten Antrieben mit großer Leistung ist die weltweite Nachfrage nach solchen Motoren nach wie vor groß und eine kostengünstige Alternative zum Umrichterantrieb.
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Die Schleifringtechnologie wird auch bei läuferspeisenden Windkraftgeneratoren eingesetzt. Im Leistungsbereich von Windkraftanlagen (WKA) größer 1 MW ist der läuferspeisende Asynchrongenerator die vorherrschende Technologie. Über einen in den Läuferkreis geschalteten Umrichter können sich diese Generatoren in einem weiten Drehzahlbereich der Windsituation selbsttätig anpassen und so die Energieausbeute optimieren. Im Gegensatz zu anderen Technologien muss dieser Umrichter nicht auf Nennleistung der WKA, sondern nur auf die wesentlich geringere Teilleistung des Läuferkreises angepasst werden. Die elektrische Verbindung zwischen dem rotierenden Läuferkreis des Generators und dem stationären Umrichter wird über Schleifringe hergestellt. Gerade durch den exponierten Betrieb der Generatoren auf Windkraftanlagen stellt der leitfähige Bürstenabrieb einen erheblichen wirtschaftlichen Kostenfaktor in der Betriebsunterhaltung dar.
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Bei Schleifringläufermotoren gibt es Standardlösungen für die Problematik des Kohleabriebs. Da bei Schleifringläufermotoren die Läuferwiderstände nur während des Anfahrens zur Einstellung einer bestimmten Hochlaufcharakteristik benötigt werden, werden diese nach erfolgtem Hochlauf läuferseitig abgeschaltet, um so den abfallenden, elektrisch leitfähigen Bürstenstaub und die Kosten für Ersatzbürsten auf ein Minimum zu begrenzen. Hierzu wurden von den Motorherstellern Läuferkurzschluss-Bürstenabhebevorrichtungen (KBAV) entwickelt. Bei keinem der Motorhersteller erreichten diese KBAV den erforderlichen technischen Reifegrad, sodass heute viele Anwender auf die Option einer KBAV verzichten und den erhöhten Wartungsaufwand, der durch dauernd aufliegende Bürsten verursacht wird, akzeptieren.
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Bei den läuferspeisenden Windkraftgeneratoren muss der Läuferkreis ständig mit dem stationären Umrichter verbunden sein. Eine KBAV kann deshalb hier nicht eingesetzt werden, und der anfallende, leitfähige Bürstenabrieb und damit verbundenen Risiken und Kosten müssen dauerhaft akzeptiert werden.
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Bei den beiden obigen Anwendungen teilt sich der Bürstenabrieb in eine mechanische und eine elektrische Komponente auf.
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Zur Minimierung des Bürstenverschleißes wurden in der Vergangenheit Überlegungen angestellt, eine optimale Werkstoffpaarung zwischen Schleifring und Kohlebürste mit geringstem Reibbeiwert und Strom-Übertragungsverlusten zu finden. Bei herkömmlichen Schleifringanwendungen mit hohem Bürstenverschleiß sind die Schleifringe aus einem bestimmten Edelstahl und die Kohlebürsten ein Sinterprodukt aus Elektrographit und Kupfer, wobei der Kupfergehalt je nach Anwendung zwischen 20% und 85% liegen kann. Zur Minimierung des mechanischen Verschleißes wurden Laborversuche an Kohle-Kohle-Schleifringpaarungen durchgeführt, bei denen sowohl die Bürste als auch die Schleifringe aus Graphitwerkstoff gefertigt waren und hervorragende Verschleißergebnisse zeigten. Der Erfolg bei den Laborversuchen konnte jedoch in der praktischen Anwendung nicht wiederholt werden und alle Maschinen mussten in den Folgejahren auf herkömmliche Stahl-Kohle-Schleifringsysteme rückgebaut werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Schleifringvorrichtung für eine elektrische Maschine vorzuschlagen, bei der weniger Bürstenabrieb auftritt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schleifringvorrichtung für eine elektrische Maschine mit einem Schleifring, der an dem Läufer der elektrischen Maschine anbringbar ist und eine Rotationsachse aufweist, sowie einer Bürste, die mit dem Schleifring zur Stromübertragung in Kontakt steht, wobei der Schleifring und/oder die Bürste aus einem Graphitwerkstoff hergestellt sind, wobei herstellungsbedingte Schichtstrukturen des Graphitwerkstoffs Ebenen bilden, die einen gemeinsamen Normalenvektor besitzen, und der Normalenvektor nicht parallel zu der Rotationsachse verläuft.
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In vorteilhafter Weise wird somit die Schichtstruktur von Graphit genutzt, um den Verschleiß zu reduzieren. Insbesondere kann so ein Kohle-Kohle-Schleifringsystem mit geringem Reibbeiwert und geringen Strom-Übergangsverlusten bei gleichzeitig minimalem Bürstenverschleiß realisiert werden.
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Vorzugsweise wird als Graphitwerkstoff für den Schleifring und/oder die Bürste Elektrographit eingesetzt. Alternativ kann der Schleifring und/oder die Bürste auch aus Metallgraphit gefertigt sein.
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Die erfindungsgemäße Schleifringvorrichtung lässt sich vorteilhaft für den Läufer einer elektrischen Maschine einsetzen. In einer bevorzugten Anwendung ist die elektrische Maschine als Asynchronmotor oder läuferspeisender Windkraftgenerator ausgebildet.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 einen Kontaktspiegel einer Bürste aus einem Kohle-Kohle-Schleifringsystem gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Ansicht einer Kohlebürste auf einem Schleifring gemäß dem Stand der Technik; und
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3 eine schematische Ansicht einer Kohlebürste auf einem Schleifring gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird jedoch zunächst ein bekanntes Kohle-Kohle-Schleifringsystem näher anhand der 1 und 2 erläutert.
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Bürsten eines Schleifringsystems werden häufig unsymmetrisch an der Oberseite, d. h. der von dem Schleifring abgewandten Seite, kontaktiert. Bei solchen Bürsten erfolgt also eine einseitige Stromeinspeisung. Nach einer gewissen Betriebsdauer ergibt sich ein charakteristischer Kontaktspiegel an der Unterseite einer Bürste, d. h. der dem Schleifring zugewandten Seite einer Bürste. So ist beispielsweise etwa die eine Hälfte des Kontaktspiegels in Umfangsrichtung blank poliert, denn es findet dort reine mechanische Reibung ohne Stromdurchgang statt. Die andere Hälfte des Kontaktspiegels in Umfangsrichtung im Bereich der Stromeinspeisung ist häufig mit feiner mikroskopischer Kraterstruktur aufgrund partiell hoher Stromdichten ausgebildet.
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Solche Kontaktspiegel mit unsymmetrischer Strombelastung werden zuallererst durch den negativen Widerstand-Temperaturkoeffizienten von Graphitwerkstoffen begünstigt.
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Die Bürsten in der eingangs erwähnten Serie von elektrischen Maschinen mit Kohle-Kohle-Schleifringsystem zeigten jedoch, obwohl einseitige Kontaktierung gegeben ist, eine Kontaktspiegelstruktur gemäß 1. Der Kontaktspiegel besitzt Riefen 1 in Umfangsrichtung durch partiell erhöhte Stromdichten. Daneben ergeben sich blank polierte Streifen 2 aufgrund mechanischer Reibung ohne Stromübergang.
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Der in 1 gezeigte Kontaktspiegel steht im Widerspruch zu den langjährigen Beobachtungen im Industriebereich mit Schleifringen (z. B. Zementindustrie), denn dort ergaben sich die oben geschilderten, in Umfangsrichtung zweigeteilten Kontaktspiegel, wovon ein Kontaktbereich blank poliert und der andere riefig ist. Der Grund für diese unterschiedliche Kontaktspiegelausprägung ist offensichtlich im Werkstoff des mit der Bürste gepaarten Schleifrings zu suchen.
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Der im Feldversuch beobachtete, unerwartet hohe Verschleiß an den Graphitwerkstoffen ist u. a. auf erhöhten elektrischen Verschleiß in den Riefen mit partiell erhöhten Stromdichten und erhöhten mechanischen Verschleiß in den blank polierten Streifen mit rein mechanischer Reibung ohne der so genannten ”Stromschmiere” zurückzuführen. Im Idealfall schwimmt die Bürste auf einem, durch den Stromübergang generierten Gaspolster (”Stromschmiere”) und die Punkte des Stromübergangs im Kontaktspiegel wechseln sich aufgrund des kontinuierlichen Bürstenverschleißes in schneller Folge gegenseitig ab, sodass es an keiner Stelle des Kontaktspiegels zu einer partiellen elektrischen/thermischen Überlastung kommen kann. In einem Kontaktspiegel entsprechend 1 kommt es jedoch im Bereich der blank polierten Streifen 2 zu einer ”harten” Reibung mit direktem Materialkontakt zwischen Bürste und Schleifring. Diese ”harte” Reibung ohne ”Stromschmiere” bedeutet jedoch erhöhten mechanischen Bürstenverschleiß in diesem Bereich.
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Dagegen erfahren die ”riefigen” Bereiche 1 durch elektrische/thermische Überlastung einen noch weitaus höheren elektrischen Materialverschleiß. Durch diesen verstärkten elektrischen/thermischen Verschleiß sind die ”riefigen” Bereiche im Kontaktspiegel gegenüber den blank polierten Bereichen geringfügig rückversetzt. Dadurch muss der Stromübergang in den ”riefigen” Bereichen 1 mit partiell erhöhter Leitfähigkeit teilweise über Mikrolichtbögen erfolgen. Durch den damit verbundenen Materialverschleiß (Kraterstruktur in den Riefen) wird die scharfe Abgrenzung zwischen ”riefigen”, elektrisch überlasteten und blank polierten, stromlosen Bereichen weiter stabilisiert. Der daraus resultierende Bürstenverschleiß liegt deutlich über dem herkömmlicher Schleifkontaktanwendungen mit metallischen Schleifringen, die sich durch flächig ausgeprägte ”Stromschmiere” und schnell wechselnde Kontaktpunkte im gesamten Kontaktspiegel der Kohlebürsten auszeichnen.
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Zur Erklärung des in 1 dargestellten Phänomens ist es notwendig, auf die Struktur von Graphit näher einzugehen. Graphit ist ein anisotroper Werkstoff. Der reine Kohlenstoff kommt in zwei sehr unterschiedlichen Modifikationen vor: Graphit und Diamant. Im kristallinen Graphit ist der Kohlenstoff mit jeweils drei Nachbaratomen in einer zwei-dimensionalen Schichtstruktur gebunden. Innerhalb dieser Ebenen liegen hohe Bindungsenergien vor, zwischen den Ebenen bestehen jedoch nur geringe Anziehungskräfte. Aus dieser extremen Richtungsabhängigkeit der Bindungskräfte resultiert eine deutliche Anisotropie der mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Graphits:
- – leichte Spaltbarkeit des reinen Graphits entlang der Schichtebene, hohe Festigkeit senkrecht zur Schichtebene
- – fast metallische Leitfähigkeit entlang der Schichtebene, nahezu elektrische Isolation senkrecht zur Schichtebene.
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Im Diamant hingegen sind die Kohlenstoffatome tetraedrisch gebunden. Das bedeutet, jedes Atom hat vier symmetrisch ausgerichtete Bindungen zu seinem nächsten Nachbarn. Die große Härte von Diamant resultiert aus der sehr hohen Bindungsenergie der vorliegenden chemischen Bindungen.
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Graphit besitzt gegenüber metallischen Gleitwerkstoffen für Schleifringsysteme deutliche Vorteile. Zum einen ergibt sich geringe Reibung aufgrund der schichtartigen Anordnung der Kristallebenen. Zum anderen erfolgt auch bei höheren Temperaturen kein Schmelzen, weshalb es auch zu keinem Verschweißen mit dem Gegenlaufmaterial kommt. Darüber hinaus besitzt Graphit eine geringe Dichte, ist umweltfreundlich und weist eine hohe chemische Beständigkeit auf.
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Die Anisotropie des Graphits macht man sich bereits in Kohlebürsten für DC-Motoren zunutze. Dort benutzt man Elektrographitbürsten mit Graphitschichtung quer zur Drehrichtung. Dies ergibt eine gute Leitfähigkeit in Längsrichtung und einen hohen Querwiderstand zur Verbesserung der Kommutierungsfähigkeit. Darüber hinaus wird die Schichtstruktur von Graphit auch in Kohlebürsten für Schleifringläufermotoren genutzt. Die dort häufig eingesetzten Metall-Graphit-Bürsten besitzen eine Graphitschichtung längs zur Drehrichtung. Hierdurch ergibt sich eine sehr gute Leitfähigkeit in Längsrichtung und eine hohe mechanische Festigkeit bei großen Umfangsgeschwindigkeiten. Die Werkstoff-Anisotropie von Graphit wird also optimal für das jeweilige Einsatzgebiet genutzt.
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Mit dem Wissen der Anisotropie des Graphits lässt sich nun eine Schadenshypothese bezüglich des in 1 dargestellten Kontaktspiegels formulieren. Bei der oben beschriebenen Serie von Windkraftgeneratoren verlief die Graphitschichtung in den Schleifringen des Kohle-Kohle-Systems senkrecht zur Rotationsachse 3 des Läufers bzw. des Schleifrings 4, wie in 2 dargestellt ist. Radial über dem Schleifring 4 befindet sich in Kontakt mit diesem eine Kohlebürste 5. Die Kohlebürste 5 besitzt zahlreiche Graphitschichten 6, die sich in Ebenen erstrecken, deren Normalenvektor bzw. Normale parallel zur Rotationsachse 3 verläuft. Ebenso besitzt der Graphitschleifring 4 eine Graphitschichtung 7, die senkrecht zur Rotationsachse 3 verläuft. In dem Schleifring 4 sind also auch Graphitschichten 6 ausgebildet, deren Normalenvektoren parallel zur Rotationsachse 3 verlaufen.
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Im axialen Querschnitt des Graphitschleifrings 4 konnten sich so die Bereiche erhöhter Leitfähigkeit aufgrund des negativen Widerstands-Temperaturkoeffizienten des Graphitwerkstoffs gegenüber den Bereichen geringerer Leitfähigkeit scharf abgrenzen. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit von Graphit wurden diese engen Bereiche partiell erhöhter Stromdichten weiter stabilisiert. Die Strom- und Wärmeverteilung wurde der Bürste durch den Schleifring weitgehend aufgeprägt, sodass es zu dem ”riefigen” Kontaktspiegel wie in 1 und dem damit einhergehenden Werkstoffverschleiß kam.
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Wird nun erfindungsgemäß, wie in 3 dargestellt ist, die Schichtung im Graphitschleifring 4 zur Rotationsachse 3 in einem Winkel (90° + α) ausgerichtet, bestreichen die eng begrenzten Bereiche hoher Leitfähigkeit im Schleifring 4 einen größeren Bereich im Kontaktspiegel der Kohlebürste 5. Die Schichten in dem Graphitschleifring 4 erstrecken sich also in Ebenen, die einen gemeinsamen Normalenvektor besitzen.
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Damit werden der Bürste 5 zwangsläufig weitere Bereiche der Stromführung aufgezwungen. Auch die Wärmeverteilung im Kontaktspiegel der Bürste 5 wird dadurch weniger eng begrenzt. Diese gleichmäßigere Wärmeverteilung in der Bürste 5 hat über den gasförmigen Übergangswiderstand (Plasmapolster) zwischen Bürste 5 und Schleifring 4 wiederum positive Rückwirkungen auf die Wärmeverteilung im Schleifring 4, sodass auch dort die partiell erhöhte Strombelastung gemildert wird.
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Bei den bisherigen Kohle-Kohle-Schleifringsystemen waren die Schleifringe aus Elektrographit und die Kohlebürsten aus kupferhaltigem Metallgraphit gefertigt. Metallgraphit ist ein Sinterprodukt aus fein gemahlenem Graphit und feinkörnigem Metallpulver. Metallgraphit weist nicht die ausgeprägte kristalline Lamellenstruktur von Elektrographit auf. Da aber Temperatur und Druck während des Sinterprozesses als gerichtete Größen auf den Materialrohling aufgebracht werden, können sich auch hier anisotrope Materialeigenschaften ausprägen. Kommen nun Lamellenstruktur des Schleifrings und längsgerichtete Bereiche erhöhter Leitfähigkeit der Kohlebürste zufällig in der Schleifringkontaktanordnung zur Deckung, kann dies eine besonders deutlich ausgeprägte Riefenstruktur im Kontaktspiegel der Bürste zur Folge haben. Somit kann auch eine Ausrichtung der Graphitstrukturen in den Kohlebürsten um einen Winkel von (90° – β) gegenüber der Rotationsachse eine Verbesserung der internen Stromverteilung zur Folge haben. Mit anderen Worten, auch in der Kohlebürste sollte ein Normalenvektor der Schichtebenen um einen Winkel β von der Rotationsachse 3 abweichen.
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Eine Steigerung des Winkels α über den Wert tanαmax = α/t (α = Axialmaß der Bürste, t = Tangentialmaß der Bürste) hinaus ergibt keinen Sinn, denn ab diesem Wert wird von einer Lamellengrenzfläche im Schleifring der gesamte Kontaktspiegel der Bürste bestrichen. Das Optimum der Lamellenausrichtung in Bürste und Graphitschleifring ist erreicht, wenn es im Kontaktspiegel der Bürste keine blank polierten (stromlose) Bereiche mehr gibt. Der Winkel für dieses Optimum liegt in aller Regel deutlich unter dem Wert αmax. Welcher Winkel α in welchem Drehzahlbereich aus mechanischen Gründen (Fliehkräfte) für die einzelnen Graphitwerkstoffe maximal zulässig ist, ist durch Versuche zu klären.
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Eine Verbesserung der Stromverteilung könnte auch durch einen Schleifring aus Metallgraphit erreicht werden, da in diesem Werkstoff die anisotropen Werkstoffeigenschaften weniger deutlich ausgeprägt sind und durch die verbesserte Wärmeleitfähigkeit eine gleichmäßigere Erwärmung der Schleifringe sichergestellt ist. Allerdings ist durch entsprechende Versuchsreihen die notwendige Festigkeit solcher Werkstoffe gegen Fliehkräfte nachzuweisen. Bei Bedarf können solche Werkstoffe gegen Fliehkräfte durch konstruktive Gegenmaßnahmen armiert werden.
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Durch die oben beschriebenen Maßnahmen
- – Ausrichtung der Graphit-Lamellenstruktur in den Schleifringen
- – Ausrichtung der Graphit-Lamellenstruktur in Schleifringen und Kohlebürsten
- – Graphitschleifringe aus Metallgraphit
- – Graphitschleifringe aus Metallgraphit mit Fliehkraftarmierung
wird die Stromverteilung in Bürste und Graphitschleifring soweit vergleichmäßigt, dass es keine Bereiche mit übermäßig elektrischem und keine Bereiche mit übermäßig mechanischem Verschleiß gibt. Erst durch eine erzwungene homogene Stromverteilung in Bürsten- und Schleifringquerschnitt können die elektrischen und mechanischen Vorteile eines Kohle-Kohle-Schleifringsystems zur Geltung kommen.
