Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 04/2018, 13.02.2018

Kugelgewindetrieb ontrolliert Lichtbogen

Ohne Strom geht in unserer modernen Gesellschaft und Wirtschaft gar nichts mehr. Für den sicheren Betrieb unseres Stromnetzes sind Leistungsschalter von entscheidender Bedeutung. Sie schalten die gesamte Leistung eines Kraftwerks – selbst im Gigawattbereich – ein und aus und lenken Spannungen bis 1500 kV. Eine überaus verantwortungsvolle Schlüsselfunktion dabei besitzt der kaltgerollte Kugelgewindetrieb «Carry» aus Burg im Aargau.

Das gesamte europäische Stromnetz hat eine Länge von etwa 1,8 Mio. Kilometern. Um darin die elektrische Energie mit möglichst geringen Verlusten und damit Kosten vom Stromerzeuger, also vom Kraftwerk, zum Stromnutzer zu transportieren, wählt man möglichst geringe Stromstärken. Um trotzdem hohe Leistung übertragen zu können, wird mit hohen Spannungen gearbeitet. Deshalb kommen Hoch- und Höchstspannungen bis zu 1150 kV zum Einsatz.

Unabhängig von seiner Position im Netz hat ein Leistungsschalter zwei Aufgaben: Das tägliche Schalten von Leitungen im normalen Betrieb und die Unterbrechung der Stromversorgung im Falle einer Überlastung oder eines Kurzschlusses. Ein Leistungsschalter ist ein mechanisches Schaltgerät, das in der Lage sein muss, innerhalb von Sekundenbruchteilen Leistungen von mehreren GVA zu bändigen. Das Unterbrechen des Stromflusses führt bei jedem Schalter mindestens kurzzeitig zu einem Spannungsüberschlag zwischen den beiden Kontakten. Dabei bildet sich eine sich selbsterhaltende Gasentladung, ein Lichtbogen. Lichtbögen haben eine enorme Energie. Bei Temperaturen von über 50 000 °C und einem Volumen von weniger als einem Liter, können Drücke von bis zu 100 MPa auftreten.

Das ionisierte Gas, das Plasma, leitet nicht nur weiterhin Strom, sondern reduziert die Lebensdauer des Bauteils. Bei starken Strömen kann es den Schalter sogar zerstören. Leistungsschalter sind so konstruiert, dass der beim Öffnen der Schaltkontakte entstehende Lichtbogen schnell und ohne Beschädigung des Schalters gelöscht und damit der Stromfluss unterbrochen wird.

Ein global führendes Technologieunternehmen suchte eine absolut zuverlässige Antriebslösung, um die schweren Metallkontakte in seinen Leistungsschaltern blitzschnell voneinander zu trennen. Die kundenspezifischen Anforderungen an den Kugelgewindetrieb mit eingebautem Kunden- interface in der Mutter präsentierten sich dabei als «gehaltvoll und vielfältig». In Bezug auf Axialkraft und Geometrie wurden höchste Ansprüche gestellt. Die tribologischen Aspekte wie Reibung, Verschleiss und Schmierung wurden als wichtige Voraussetzungen aufgeführt, die es zu erfüllen galt. Dann galt es noch die besonders anspruchsvolle Aufgabe zu meistern, das Äussere des Mutternkörpers den speziellen Schnittstellenanforderungen und den kinematischen Bedingungen anzupassen.

Bei der Eichenberger Gewinde AG wurde der Energietechnikkonzern fündig. Aufgrund der Gesamtheit der Forderungen wurden dort für den weltweiten Einsatz verschiedenste Dimensionen des Kugelgewindetriebs Carry bestehend aus der kaltgerollten Gewindespindel und der spezifischen Mitnehmermutter entwickelt. Dabei konnte der Gewindespezialist auf seinen umfassenden Erfahrungsschatz zurückgreifen. Schliesslich liefert er seit Jahrzehnten Spindellösungen, die sich nicht nur hinsichtlich Performance, Qualität und Zuverlässigkeit auszeichnen, sondern aufgrund des betriebseigenen Entwicklungs- und Fertigungspotentials immer wieder einen entscheidenden Innovationsvorsprung versprechen.

Selten gefordert – aber dann in Nullkommanichts

Ein Hochspannungskurzschluss hat bereits nach 5 ms seinen maximalen Wert erreicht. Eine Unterbrechung der Stromversorgung im Falle eines Kurzschlusses wird zwar zum Glück selten gefordert, aber wenn, dann ist die absolute Zuverlässigkeit der mechanischen Antriebselemente unabdingbar.

Der Kugelgewindetrieb vom Typ Carry gewährleistet nun in den neuen Leistungsschaltern höchste Funktionssicherheit mit enormer Leistungskraft (Wirkungsgrad > 0,9) und Robustheit, indem er den mechanischen Ein- und Ausschaltvorgang beim Leistungsschalter mit Hilfe von Schraubenfedern vorbereitet. Zwei massive Schubstangen sind beidseitig fest mit der massgefertigten Mutter, auch als Mitnehmer bezeichnet, verbunden. Diese beiden Hebel setzen die riesigen, unter Federdruck stehenden Schlaganker in Bewegung, die den Metallkontakt extrem schnell trennen. Selbst bei widrigsten Wetterbedingungen und starken Temperaturunterschieden erfüllt der gewählte Spindeltrieb absolut zuverlässig seinen Auftrag – und dies wartungsfrei.

Das gelingt, weil Entwicklung, Fertigung, Qualitätssicherung und eine agile Prototypenerstellung, inklusive Gewinderollwerkzeuge und Endenbearbeitung, gleichzeitig angeboten werden können. Dank einem sehr hohen Qualitätsbewusstsein der Mitarbeiter gekoppelt mit fortschrittlichen Produktionsverfahren und dem entsprechend modernen Maschinenpark, lässt sich besonders am Standort Schweiz sehr viel bewegen, davon ist man bei Eichenberger überzeugt.

Gewinderollen bietet entscheidende Pluspunkte

Das Potential in dieser Tatkraft erkannt, setzte besagter Energietechnikhersteller für seine Leistungsschalter vollends auf die robusten kalt gewalzten Kugelgewindetriebe aus Burg, die im kostengünstigen Gewinderollverfahren in grossen Serien hergestellt werden.

Beim Gewinderollen werden – eigentlich wie beim Schmieden – die Längsfasern des Materials, anders als beim Schleifen, Fräsen oder Drehen, nicht zerschnitten, sondern umgelenkt. Es entsteht eine komprimierte, glatt rollierte, äus- serst belastbare Oberfläche, die für eine lange Lebensdauer der Spindel zwingend ist.

Die Rauheitswerte um Rz = 1,0 µm auf den Gewindeflanken und im Grundradius sowie eine deutlich verminderte Kerbempfindlichkeit bringen ebenfalls einen grossen Vorteil. Der Rollreibungskoeffizient beträgt bei Stahlkugeln 0,003 bis 0,001 gegenüber von Gleitreibung Stahl auf Stahl (geschmiert) 0,1 bis 0,05. Die guten Gleiteigenschaften des kaltgerollten Kugelgewindetriebs sorgen für minimalen Abrieb und bieten wenig Angriffsfläche für Verschmutzung. Ausserdem gewährleistet er ein geräuscharmes Abrollen der Kugeln, was in anderen Anwendungen unter Umständen entscheidend ist.

Für Eichenberger hat sich damit einmal mehr bestätigt, dass die Kunst darin besteht, aussergewöhnliche Kundenlösungen zu entwickeln und fortschrittliche Produktionsverfahren sicher zu stellen. (msc)

Eichenberger Gewinde AG
5736 Burg, Tel. 062 765 10 10
info.eag@festo.com

Hannover Messe Halle 16 Stand F04



Hochspannungsleistungsschalter sind oft so gross wie ein Haus. (Bild: Fotolia)


Kugelgewindetrieb vom Typ Carry, Durchmesser 14 mm, Steigung 4 mm, mit Kundeninterface im Mutternkörper. (Bilder: Eichenberger)


Das Gewinderollen im Einstechverfahren.

Im Profil

Dienstleister in der Entwicklung

Der Schweizer Gewindespezialist Eichenberger Gewinde AG, ein Tochterunternehmen der Festo AG, hat sich mit seinen massgeschneiderten gerollten, also kaltverformen Gewindetrieben (Spindel und Mutter) erfolgreich in der Nische Antriebstechnik etabliert. Unter Einsatz modernster Produktionsmethoden und mit der Entwicklung neuer Dimensionen unterstützt Eichenberger seine Kunden in ihren Innovationsbestrebungen.

Die Herausforderung für den Konstrukteur im Hochpreisland Schweiz besteht darin, sehr hohen technischen Wert in einem marktgerechten, wettbewerbsfähigen Produkt zu entwickeln. Dies bedingt neben technologischem Wissen, Forschung und Entwicklung zusätzlich das Beherrschen effizienter Fertigungsverfahren. Erst diese Kombination bringt den entscheidenden Wettbewerbsvorteil. Wenn der Erfinder des Produkts zugleich dessen wirtschaftlichster Hersteller ist, kann insbesondere am Standort Schweiz wirklich etwas bewegt werden.

In Kürze die Baureihen von Eichenberger:

«Carry»: der verschleissfreie Kugelgewindetriebe für Anwendungen mit grosse Lasten bei geringem Energieverbrauch.

«Speedy»: eine Steilgewindespindel, die mit hoher Verfahrgeschwindigkeit Linear- in Drehbewegungen umsetzt; ist neu zum Teil in Aluminium erhältlich.

«Easy»: eine hartanodisierte Leichtgewindespindel aus Aluminium mit einem Wirkungsgrad über 0,8 für höhere Lasten als bei normalen Gleitspindeln.

«Rondo»: eine Rundgewindespindel mit sehr ruhigen Laufeigenschaften.gewinde.ch