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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Schleifringläufer, der Läuferwicklungen und einen Schleifring zum Kontaktieren der Läuferwicklungen aufweist, mindestens einer Bürste, mit der elektrischer Strom auf den Schleifring leitbar ist, einer Bürstenabhebevorrichtung, mit der die mindestens eine Bürste von dem Schleifring abhebbar ist, und einer Kurzschlussvorrichtung, mit der die Läuferwicklungen bedarfsweise kurzschließbar sind.
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Schleifring-Läufermotoren sind Asynchronmotoren, denen über externe Läuferwiderstände eine besondere Anfahrcharakteristik gegeben werden kann. Über diese externen Läuferwiderstände können sie an die besonderen Anfahrbedingungen angepasst werden. Hierzu zählen beispielsweise ein hohes Gegenmoment während des Hochlaufs (z. B. Mühlenantriebe, Brecherantriebe), ein definiertes Beschleunigungsmoment während des Hochlaufs z. B. Förderbandantriebe), ein begrenzter Anfahrstrom (z. B. Anlassen leistungsstarker Motoren in schwachen Netzen) und lange Anlaufzeiten z. B. großer Lüfter mit hohem Massenträgheitsmoment.
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Die externen Läuferwiderstände werden über Kohlebürsten und rotierende Schleifringe mit den Läuferwicklungen des Schleifringmotors elektrisch verbunden. Der dabei entstehende Kohleabrieb bedeutet einen erhöhten Wartungsaufwand und bei ungenügender Wartung ein permanentes technisches Risiko. Da bei diesen Anwendungen die Läuferwiderstände nur während des Anfahrens zur Einstellung einer bestimmten Hochlaufcharakteristik benötigt werden, werden sie häufig nach erfolgtem Hochlauf läuferseitig abgeschaltet, um so den anfallenden, elektrisch leitfähigen Bürstenstaub sowie Wartungs- und Ersatzteilkosten auf ein Minimum zu begrenzen. Hierzu wurden von den Motorherstellern Läuferkurzschluss-Bürstenabhebevorrichtungen (KBAV) entwickelt. Bei vielen Großantrieben mit Konstantdrehzahl ist so der Schleifringläufermotor immer noch die vorherrschende Technologie. Kurzschlussläuferantriebe mit Konstantdrehzahl und Anfahrumrichter konnten sich im Mittelspannungsbereich bisher aus wirtschaftlichen Gründen nicht durchsetzen. Kurzschlussläuferantriebe mit Konstantdrehzahl mit Mittelspannungssanftstarter können den oben genannten Anfahrbedingungen größtenteils technologisch nicht gerecht werden.
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Eine KBAV besteht typischerweise aus einer auf dem Läufer rotierenden Kurzschlussvorrichtung und aus einer Bürstenabhebevorrichtung. Nach erfolgtem Hochlauf werden die drei Läuferphasen eines Drei-Phasen-Motors durch einen rotierenden Kurzschlussring der über eine Hebel-Rollen-Anordnung betätigt und durch Federkraft gegen zugehörige Kontaktstücke gepresst wird, kurzgeschlossen. Durch diesen Kurzschlussvorgang wird der Schleifringläufer nach erfolgtem Hochlauf zu einem Käfigläufer geschaltet, wie er bei Asynchronmaschinen üblich ist. Nach erfolgtem Kurzschlussvorgang sind die Schleifkontakte des Läuferkreises stromlos und die Bürsten können durch eine entsprechende Vorrichtung ohne störenden Induktionslichtbogen von den rotierenden Schleifringen abgehoben werden. Da bei KBAV-Schleifringläufermaschinen die Bürsten nur für wenige Sekunden während des Hochlaufs auf den Schleifringen aufliegen, wird allgemein davon ausgegangen, dass die Standzeit der Bürstenbestückung bei Auslieferung der gesamten Motorlebensdauer entspricht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine mit vereinfachter Läuferkurzschluss-Bürstenabhebevorrichtung bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit
- – einem Schleifringläufer, der Läuferwicklungen und einen Schleifring zum Kontaktieren der Läuferwicklungen aufweist,
- – mindestens einer Bürste, mit der elektrischer Strom auf den Schleifring leitbar ist,
- – einer Bürstenabhebevorrichtung, mit der die mindestens eine Bürste von dem Schleifring abhebbar ist, und
- – einer Kurzschlussvorrichtung, mit der die Läuferwicklungen bedarfsweise kurzschließbar sind, wobei
- – die Kurzschlussvorrichtung eine Magneteinrichtung umfasst, mit der die Läuferwicklungen mechanisch unabhängig von der Bürstenabhebevorrichtung kurzschließbar sind.
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In vorteilhafter Weise ergibt sich so eine vereinfachte Kurzschluss-Bürstenabhebevorrichtung, denn die Kurzschlussvorrichtung wird unabhängig von der Bürstenabhebevorrichtung betätigt. Damit lässt sich die Mechanik der Gesamtvorrichtung mit den Funktionen Kurzschluss gewährleisten und Bürsten abheben deutlich vereinfachen. Insbesondere kann durch die magnetische Betätigung eine einfache elektrische Steuerung der Kurzschlussvorrichtung realisiert werden.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Bürste (pro Schleifring) in einem Schacht oder mit einem Schenkel geführt. Damit lässt sich eine zuverlässige Bürstenvorrichtung bereitstellen.
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Die mindestens eine Bürste (pro Schleifring) kann durch die Bürstenabhebevorrichtung rein mechanisch von dem Schleifring abhebbar sein.
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Die Magneteinrichtung der Kurzschlussvorrichtung kann einen Elektromagneten aufweisen. Dadurch lässt sich für das Erzeugen eines Kurzschlusses eine entsprechende Kraft aufbringen.
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Bei einer Ausführungsform ist ein Kurzschlussring der Kurzschlussvorrichtung mit der Magneteinrichtung bewegbar. Hierdurch lässt sich mit elektrischer Ansteuerung der Läufer in einen Käfigläufer wandeln.
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In bevorzugter Ausführungsform ruft die Kurzschlussvorrichtung bei Bestromung der Magneteinrichtung mit einem Stromimpuls einen Kurzschluss der Läuferwicklungen hervor. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kurzschlussvorrichtung einen Rastmechanismus aufweist, mit dem der Kurzschluss der Läuferwicklungen auch im unbestromten Zustand der Magneteinrichtung gehalten wird. Damit bedarf es keiner ständigen Bestromung der Kurzschlussvorrichtung während des normalen Betriebs der elektrischen Maschine nach dem Anlauf.
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Der Rastmechanismus kann eine Vorschubkulisse nach Art des Kugelschreiberprinzips aufweisen, sodass ein Kurzschlussring der Kurzschlussvorrichtung nach einer ersten axialen Verschiebung eine erste vorgegebene Rastposition einnimmt und nach einer anschließenden gleichartigen zweiten axialen Verschiebung eine andere zweite vorgegebene Position einnimmt. Damit lässt sich in einfacher Weise durch gepulste Bestromung der Magnetfeldeinrichtung abwechselnd eine Kurzschlussposition und eine Nicht-Kurzschlussposition der Kurzschlussvorrichtung erzielen.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer herkömmlichen KBAV gemäß dem Stand der Technik;
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2 die KBAV von 1 in einer Frontansicht;
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3 eine KBAV mit getrennten Systemen für Läuferkurzschluss- und Bürstenabhebung in Seitenansicht gemäß der vorliegenden Erfindung und
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4 die KBAV gemäß 3 in der Frontansicht.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Zunächst wird jedoch anhand der 1 und 2 der Stand der Technik nochmals detailliert beschrieben, um die Erfindung besser verstehen zu können.
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In 1 ist eine herkömmliche Läuferkurzschluss-Bürstenabhebevorrichtung (KBAV) dargestellt, mit der es möglich ist, die Schleifringe 1 eines nicht weiter dargestellten Läufers mit Hilfe von Kohlebürsten 3 zu kontaktieren. Die Bürsten werden hier durch Schenkelbürstenhalter 2 gehalten bzw. geführt. In dem vorliegenden Beispiel wird jeder Schleifring von jeweils drei Bürsten kontaktiert: Zwei auf der Vorderseite bezogen auf 1 und eine auf der Rückseite oder umgekehrt.
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Eine Zugfeder 4 (vergleiche 2, die die KBAV von 1 in Stirnseiten- bzw. Frontansicht zeigt) ist für jeden Schenkelbürstenhalter 2 vorgesehen, sodass die jeweilige Bürste 3 im Betrieb auf den zugehörigen Schleifring 1 gedrückt wird. Zwei Schaltwellen 5, an denen die Schenkelbürstenhalter 2 befestigt sind, werden durch einen entsprechenden Antrieb gedreht, wenn der Anlauf der Maschine beendet ist. Dadurch heben die Schenkelbürstenhalter 2 mit samt den Kohlebürsten 3 von den Schleifringen 1 ab.
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Darüber hinaus besitzt die KBAV eine Kurzschlussvorrichtung mit einem Schalthebel 6, der schwenkbar an einer Schaltwelle 12 gelagert ist. Am freien Ende des Schalthebels 6 befindet sich drehbar gelagert eine Schaltrolle 7. Ihre Achse steht senkrecht zur Läuferachse 14 und sie wird auf einen Randbereich eines Kurzschlussrings 8 gedrückt. Dieser Kurzschlussring 8 ist an den Läufer montiert und dreht sich mit dessen Drehzahl mit. Da die Schaltrolle 7 wesentlich kleiner als der Kurzschlussring 8 ist, besitzt die Schaltrolle 7 eine entsprechend hohe Drehzahl, solange sie den Kurzschlussring 8 kontaktiert.
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An dem Kurzschlussring 8, der axial bezogen auf die Läuferachse 14 verschiebbar ist, einerseits und an einer Verbindung 11, die eine elektrische Verbindung zu einer der Läuferwicklungen herstellt, andererseits, befindet sich jeweils ein Kontaktstück 9. Für den Kurzschluss bewegt sich Schalthebel 6 in axialer Richtung, sodass die Läuferwicklungen über Kontaktstücke 9 und den Kurzschlussring 8 in bekannter Weise kurzgeschlossen sind. Hierzu wird der Kurzschlussring 8 durch eine Druckfeder 10 in Kurzschlussposition gehalten. Während des Anlaufs sorgt der Schalthebel 6 mit der Schaltrolle 7 dafür, dass die Kontakte 9 getrennt werden, sodass kein Kurzschluss zwischen den Läuferwicklungen vorliegt. Eine Mechanik mit einer Antriebswelle 13 sorgt dafür, dass zum einen die Schaltwelle 5 der Bürstenabhebevorrichtung und zum anderen die Schaltwelle 12 der Kurzschlussvorrichtung in gewünschter Weise gedreht werden. Die Antriebswelle 13 selbst ist über Kettentrieb oder Zahnräder mit einem motorischen Antrieb verbunden. Die Drehbewegung der Antriebswelle 13 wird über Nockenscheiben und Kulissen so umgelenkt, dass die beiden Schaltwellen 5 und 12 zeitlich exakt aufeinander abgestimmt die entsprechenden Verstellbewegungen ausführen.
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Zu Beginn des Anlassvorgangs müssen die Bürsten 3 auf den Schleifringen 1 aufliegen und die Kontakte 9 der Kurzschlussvorrichtung geöffnet sein. Nach erfolgtem Hochlauf des Antriebs erhält die KBAV aus dem Anlassgerät einen entsprechenden Startbefehl. Über die Nockenscheiben und Kulissen der KBAV wird zuerst die Schaltwelle 12 der Läuferkurzschlussvorrichtung bewegt, bis die Kontaktstücke 9 den Läuferkreis in allen drei Phasen kurzschließen. Erst danach darf die Schaltwelle 5 der Bürstenabhebevorrichtung bewegt werden, um die Bürsten von den Schleifringen 1 abzuheben. Durch diese zeitliche Abfolge ist sichergestellt, dass die Bürsten 3 stromlos und somit ohne schädlichen Schaltlichtbogen vom Schleifring 1 abheben. Die jeweiligen Endstellungen der KBAV sind über induktive Näherungsschalter entsprechend überwacht und verriegelt.
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Solche KBAVs erfordern in der Fertigung der einzelnen Komponenten eine hohe Präzision und in Montage, Justage und Reparatur sehr viel Erfahrung und Know-How. Schleifringläufermotoren großer Leistung sind u. a. in der Rohstoffindustrie und in der Wasserwirtschaft weltweit verteilt und für Reparatur und Justage steht häufig Vorort nicht das nötige Know-How zur Verfügung. Vor allem dadurch, dass beim Kurzschließen des Läuferkreises eine stationäre Verstellvorrichtung auf den mit Nenndrehzahl rotierenden Kurzschlussring 8 einwirken muss, wird u. a. die Schaltrolle 7 einer enormen Belastung ausgesetzt. Es sind KBAVs bekannt, bei denen nach nur 50 Schalthandlungen die Schaltrolle erneuert werden muss. Über die Schaltrolle 7 und den Schalthebel 6 muss während des gesamten Anlassvorgangs der Kurzschlussring 8 gegen eine Federkraft der Druckfeder 10 in Endstellung gehalten werden. Dabei wird die Schaltrolle 7 entsprechend dem Durchmesserverhältnis auf Drehzahlen weit über 15.000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt und ist dabei erhöhtem Verschleiß ausgesetzt. Auch in der Laufspur der Schaltrollen 7 auf dem Kurzschlussring 8 wird das Material hoch belastet und häufig einem verstärkten Verschleiß unterworfen.
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Erfindungsgemäß wird daher eine elektrische Maschine mit einer KBAV gemäß den 3 und 4 bereitgestellt. Dabei ist die Läufer-Kurzschlussvorrichtung ähnlich einer Magnetkupplung aufgebaut. Es muss also nicht mehr über eine Hebel-Schaltrollenanordnung von außen auf den rotierenden Kurzschlussring 8 eingewirkt werden. Die Bürstenabhebevorrichtung kann davon getrennt über Schenkelbürstenhalter 2 oder Schachtbürstenhalter realisiert werden.
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Der prinzipielle Abschnitt des Läufers gemäß dem Beispiel der 3 und 4 mit den Schleifringen 1 ist wie in den 1 und 2 realisiert. Die Schleifringe 1 sind also auf einer Motorwelle 16 angeordnet. Die Bürsten 3 werden auch hier durch Schenkelbürstenhalter 2 gehalten bzw. geführt. Die Schenkelbürstenhalter 2 ihrerseits sind wie in dem Beispiel vom Stand der Technik an der drehbaren Schaltwelle 5 befestigt. Der Druck der Bürsten 3 auf die Schleifringe 1 während des Betriebs wird auch hier durch Zugfedern 4 realisiert. Zum Abheben der Bürsten nach dem Anlauf werden die Schenkelbürstenhalter 2 mit einer einfachen Mechanik betätigt. Diese Mechanik ist unabhängig von der nachfolgend geschilderten Kurzschlussvorrichtung. Sie kann ebenfalls wie in dem vorhergehenden Beispiel eine Antriebswelle aufweisen, die über Kettentrieb oder Zahnräder mit einem motorischen Antrieb verbunden sind. Ebenso kann die Drehbewegung der Antriebswelle auch hier über Nockenscheiben und Kulissen umgelenkt werden, um die gewünschten Verstellbewegungen der Schaltwelle 5 zu erreichen.
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Die Kurzschlussvorrichtung besitzt auch hier als wesentliche elektrische Leiter das Verbindungsstück 11 und den Kurzschlussring 8, wie dies aus 3 ersichtlich ist. Aus zeichnerischen Gründen sind jedoch in 3 nicht sämtliche Verbindungen 11 zu den Läuferwicklungen dargestellt. Insgesamt sind nämlich in dem vorliegenden Beispiel drei derartige Verbindungen vorgesehen, die sich parallel zur Läuferachse 14 durch den Schleifringabschnitt des Läufers erstrecken. Die Verbindungen 11 sind um 120° versetzt am Umfang angeordnet. Das Gleiche gilt für die Kontaktstücke 9 am Kurzschlussring 8. Dieser ist bekanntlich drehfest mit der Motorwelle 16 bzw. dem Läufer verbunden, und ist axial verschiebbar. Das Verschieben kann entgegen der Federkraft einer Druckfeder 19 erfolgen, die zwischen dem äußersten Schleifring 1 und dem Kurzschlussring 8 angeordnet ist. Die Kraft für die Bewegung des Kurzschlussrings 8 wird mit einer Magneteinrichtung erzeugt, welche mit einer Spule 17 ausgestattet ist. Bei Bestromung der Spule 17 wird der Kurzschlussring 8 axial in Richtung auf die Verbindungen 11 gedrückt. Hierzu sind am Umfang verteilt entsprechende axiale Lager 22 vorgesehen, die ihrerseits mit Druckfedern 15 ausgestattet sind, um eine gewisse Rückstellkraft entgegen der Magnetkraft zu gewährleisten.
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Damit das Magnetsystem bzw. die Spule 17 während des üblichen Betriebs der elektrischen Maschine nicht ständig bestromt werden muss, ist ein Rastmechanismus 20, 21 vorgesehen, mit dem erreicht werden kann, dass die Kurzschlussvorrichtung in einer Kurzschlussposition verrastet. Dieser Rastmechanismus kann gemäß dem bekannten Kugelschreiberprinzip umgesetzt sein. Dies bedeutet, dass bei einer ersten axialen Bewegung ein Einrasten in eine erste Rastposition erfolgt und bei einer anschließenden zweiten axialen Bewegung des Kurzschlussrings oder eines anderen Elements der Kurzschlussvorrichtung eine zweite stabile Rastposition erreicht wird, die sich von der ersten Rastposition unterscheidet. Für diesen Rastmechanismus sind hier eine Vorschubkulisse 20, die auf die Motorwelle 16 montiert ist, und ein Kulissenstein 21, der direkt oder indirekt mit dem Anker 18 in Umfangsrichtung verschiebbar verbunden ist, vorgesehen. Aus zeichnerischen Gründen ist der Rastmechanismus 20, 21 in 3 gegenüber 4 um 60° versetzt gezeichnet, um ihn in beiden Querschnitten darstellen zu können. Wegen des Läuferrundlaufs ist der Läufer auch mit zwei Rastmechanismen, d. h. zwei Kulissen, welche um 180° versetzt am Umfang angeordnet sind, ausgestattet.
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Den Anker des Magnetsystems bildet entweder der Kurzschlussring 8 selbst, oder aber gegebenenfalls zusätzlich ein separater Anker 18, der axial verschieblich auf der Motorwelle 16 angeordnet ist. Er wird durch die Druckfeder 19 in die Nicht-Kurzschlussposition der Kurzschlussvorrichtung gedrückt, in der die Kontaktstücke der Verbindungen 11 und des Kurzschlussrings 8 in axialer Richtung voneinander getrennt sind.
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Der zeitliche Ablauf von Läuferkurzschluss und Bürstenabhebung und deren Endlagenüberwachung erfolgt nun nicht mehr über komplexe, schwer zugängliche Nockentriebe und Kulissen, deren Montage, Justage und Reparatur Spezial-Know-How erfordert. Vielmehr kann die Ablaufsteuerung nun von einer herkömmlichen, elektrischen Steuerung übernommen werden, deren Betreuung jedem versierten Anlagentechniker anvertraut werden kann.
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Bei laufendem Motor wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel zu jedem Zeitpunkt sichergestellt, dass bei Ausfall der Hilfsspannung für das Magnetsystem der Läuferkurzschluss nicht aufgerissen wird. Die dabei entstehenden Schaltlichtbögen würden nicht nur die Schaltstücke verbrennen, sondern könnten auch großen Schaden im gesamten Schleifringraum anrichten. Das bedeutet, dass der Magnetanker der Läuferkurzschlusseinrichtung in seinen beiden Endstellungen mechanisch sicher eingerastet werden muss. Solche mechanischen Rastpunkte in den beiden Endlagen des Magnetankers haben ferner den Vorteil, dass die Spule des Elektromagneten bei jeder Schalthandlung nur für wenige Sekunden bestromt werden muss, und dadurch bei relativ kleiner Spule hohe Kurzzeitströme und damit hohe Impulse der magnetischen Anziehungskraft verwirklicht werden können. Zur praktischen Umsetzung bieten sich hier Vorschubkulissen an, wie sie am Beispiel des Kugelschreibers hinreichend bekannt sind. Dann wäre, wie oben bereits angedeutet wurde, bei einem ersten Impuls der Läuferkreis geschlossen (analog: Kugelschreibermiene ausgefahren), während bei einem anschließenden zweiten Impuls der Läuferkreis geöffnet wäre (analog: Kugelschreibermiene eingefahren).
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Durch die erfindungsgemäße KBAV, bei der die beiden Funktionen ”Läufer kurzschließen” und ”Bürsten abheben” durch getrennte Systeme realisiert, und die Funktion ”Läufer kurzschließen” durch ein Magnetsystem betätigt wird, werden hoch belastete Bauteile eliminiert und Montage, Justage sowie Reparatur der KPAV soweit vereinfacht, dass dafür kein ausgesprochenes Spezial-Know-How mehr erforderlich ist. Durch die Einführung geeigneter Vorschubkulissen sind des Weiteren die Schaltstellungen der Läuferkurzschlusseinrichtung unempfindlich gegen den Ausfall von Hilfsspannungen, und das Magnetsystem kann wegen der dann möglichen Kurzschlussbestromung (Impulse) mit Überstrom in minimaler Größe ausgeführt werden.
