Eichenberger: Kugelgewindetriebe

Hochspannung zuverlässig trennen

| Redakteur: Konrad Mücke

Kaltgerollte Gewindespindeln überzeugen mit glatten, verfestigten Oberflächen, ausgerundeten Profilen und daraus resultierend hoher statischer und dynamischer Festigkeit und hohem Wirkungsgrad.
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Kaltgerollte Gewindespindeln überzeugen mit glatten, verfestigten Oberflächen, ausgerundeten Profilen und daraus resultierend hoher statischer und dynamischer Festigkeit und hohem Wirkungsgrad. (Bild: Eichenberger Gewinde AG)

Im elektrischen Hochspannungsnetz schalten Leistungsschalter die Energieübertragung ein und aus. Die darin angeordneten Metallkontakte werden schnell und zuverlässig mit kaltgerollten Kugel­gewindetrieben von Eichenberger bewegt.

Beim Leiten elektrischer Energie vom Kraftwerk zum Verbraucher minimiert eine hohe elektrische Spannung den Energieverlust und erhöht somit den Gesamtwirkungsgrad. Selbst beim Übertragen grosser Leistungen fliesst nur ein kleiner elektrischer Strom. Das europäische Stromnetz, dessen Leitungen insgesamt etwa 1,8 Mio. km lang sind, arbeitet mit Spannungen bis 1500 kV.

Schnell verbinden und trennen

Um den Fluss elektrischer Energie ein- und auszuschalten, nutzt man Leistungsschalter. Diese müssen einerseits unter üblichen Bedingungen nach Bedarf elektrische Leitungen trennen und verbinden. Andererseits müssen sie in Notfällen, zum Beispiel bei Überlast oder bei einem Kurzschluss, innerhalb kürzester Zeit – wenige Millisekunden – die Kontakte des Leistungsschalters öffnen. Das muss auch bei aktuell mehreren Gigawatt übertragener Leistung gewährleistet sein.

Leistungsschalter sind als mechanisches Schaltgerät ausgeführt. In ihnen verursacht das Unterbrechen des elektrischen Stroms, speziell wenn aktuell grosse Leistungen übertragen werden, zwischen den Kontakten einen Spannungsüberschlag. Es entsteht eine sich selbst erhaltende Gasentladung, auch als Lichtbogen bezeichnet.

Diese hat eine enorme Energie. Bei Temperaturen über 50 000° C in weniger als einem Liter Volumen entstehen bis 100 MPa Druck. Das ionisierte Gas (Plasma) leitet zum einen den elektrischen Strom. Das verhindert, den Stromfluss schnell zu unterbrechen. Zum anderen reduziert der Lichtbogen die Lebensdauer der Kontakte und des gesamten Leistungsschalters. Fliessen hohe elektrische Ströme, wird mitunter der Schalter zerstört. Deshalb werden Leistungsschalter derart konstruiert, dass beim Öffnen der Schaltkontakte der entstehende Lichtbogen innerhalb kürzester Zeit und ohne Beschädigung des Schalters gelöscht und damit der Stromfluss zuverlässig komplett unterbrochen wird.

Geschichte einer Gewindetechnologie

Konstruktionselemente

Geschichte einer Gewindetechnologie

18.11.16 - Das Original der steilen Gleitgewindespindel findet ihren Ursprung in den späten 80er-Jahren in Burg (AG). Vor einem Vierteljahrhundert entstand sie, die gewalzte Steilgewindespindel «Speedy», mit einem Durchmesser von 10 Millimeter und einer Steigung von 50 Millimeter. lesen

Gerollte Gewinde hoch belastbar

Ein global führendes Technologieunternehmen suchte eine weitgehend zuverlässige Antriebstechnik für seine Leistungsschalter. Diese sollte gewährleisten, die schweren Metallkontakte in den Leistungsschaltern innerhalb kürzester Zeit voneinander zu trennen.

Dies gelingt mit robusten Kugelgewindetrieben von der Eichenberger Gewinde AG in Burg. Der Hersteller rollt kostengünstig in grossen Serien die Gewindespindeln. Bei diesem Verfahren bleiben die Längsfasern des Metalls – anders als beim Schleifen, Fräsen oder Drehen – über die gesamte Länge erhalten. Sie werden lediglich umgelenkt. Dabei entsteht eine komprimierte, glatt rollierte, äusserst belastbare Oberfläche, die zudem die Kerbempfindlichkeit minimiert. Rauheitswerte um Rz 1.0 auf den Gewindeflanken und im Grundradius minimieren die Reibung. In Verbindung mit dem niedrigen Rollreibungskoeffizient der im Kugelgewindetrieb abrollenden Stahlkugeln von 0,003 bis 0,001 (gegenüber 0,1 bis 0,05 bei geschmiert aufeinander gleitenden Spindeln und Muttern aus Stahl) trägt das zu höchstem Wirkungsgrad und somit zu maximalen Betätigungsgeschwindigkeiten der Schalter bei. Die hervorragenden Gleiteigenschaften des kaltgerollten Kugelgewindetriebs verringern den Abrieb und die Verschmutzung. Zudem laufen diese Kugelgewindetriebe sehr leise und haben eine lange Lebensdauer. Sie sind robust, wartungsfrei und haben mehr als 90 Prozent Wirkungsgrad.

Im Notfall äusserst zuverlässig

Ein Hochspannungskurzschluss hat bereits nach 5 ms seinen maximalen Wert erreicht. Er ereignet sich allerdings eher selten. Allerdings muss ein Leistungsschalter in diesen seltenen Situationen absolut zuverlässig funktionieren. Seine mechanischen Antriebselemente müssen gewährleisten, die elektrischen Kontakte sicher und schnell zu trennen.

Dies leisten Kugelgewindetriebe Typ Carry von Eichenberger. Sie dienen als Hilfsantriebe beim Trennen der elektrischen Kontakte. Zwei massive Schubstangen sind beidseitig fest mit der massgefertigten Mutter, auch als Mitnehmer bezeichnet, verbunden. Diese beiden Hebel setzen die riesigen, unter starkem Federdruck stehenden Schlaganker in Bewegung, die den Metallkontakt extrem schnell trennen. Trotz widrigsten Wetterbedingungen und erheblichen Temperaturunterschieden erfüllen die kaltgerollten Kugelgewindetriebe Typ Carry absolut zuverlässig ihre Funktion.

Mit dem in der Mutter integrierten Anschluss an die Schubstangen sind sie kundenspezifisch angepasst. Sie übertragen grosse Axialkräfte. Sie erfüllen sämtliche Forderungen hinsichtlich niedriger Reibkräfte, minimalem Verschleiss und Schmierung auf Lebensdauer. Besonders anspruchsvoll für den Hersteller erwies sich, das Äussere des Mutternkörpers entsprechend den speziell geforderten Geometrien und der Kinematik im Leistungsschalter auszuführen. Aufgrund des breiten Spektrums an Forderungen entwickelte und verwirklichte Eichenberger für den weltweiten Einsatz unterschiedlich dimensionierte Kugelgewindetriebe Typ Carry bestehend aus der kaltgerollten Gewindespindel und der spezifischen Mitnehmer-Mutter. SMM

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