Sulzer Technical Review Issue 1 / 2016

Runderneuerte Kommutatoren

16. März 2016 | John Bird

Kommutatoren und Kohlebürsten spielen eine bedeutende Rolle in vielen Industriezweigen, in denen grosse Elektromotoren oder Generatoren zum Einsatz kommen. Ohne gewissenhafte Instandhaltung können diese wichtigen Komponenten zu Leistungsverlusten führen und schliesslich ausfallen. Ein kürzlich von Sulzer für ein Stahlwerk durchgeführtes Projekt veranschaulicht die anspruchsvolle Überholung eines Kommutators.

Das Grundprinzip von Kommutatoren ist stets das gleiche, doch es gibt verschiedene Ausführungen und Grössen, die von der jeweiligen Anwendung und der Umgebung bestimmt werden. Folglich ist die Vielfalt an Kommutatoren gross und reicht von kundenspezifischen Einzelanfertigungen bis hin zu Massenprodukten, wie sie z. B. in Traktionsanwendungen zum Einsatz kommen. Für jede Anwendung gelten bestimmte Vorgaben, die bei Instandhaltungsarbeiten genau beachtet werden müssen.

 

Einer der Motoren in dem besagten Stahlwerk war mit einem Pollock-Kommutator mit einem Durchmesser von 1,9 m ausgerüstet. Diese Art von Kommutator besitzt einen besonderen mechanischen Aufbau, dessen Überholung spezielle Design- und Bearbeitungsfähigkeiten verlangt. Das Sulzer-Servicecenter in Birmingham verfügt über das notwendige Know-how und die Werkzeuge zum Bau neuer Pollock-Kommutatoren und ist in der Lage, nahezu jede Kommutator- oder Schleifringanordnung zu überholen. Je nach Betriebshistorie des Kommutators und Verschleissanzeichen umfasst die Reparatur verschiedene Prozesse:

 

  • Polieren 
  • Überdrehen      
  • Neu Isolieren  
  • Erneuern  
Kommutator

Kommutatoren

In einem Gleichstrommotor fliesst elektrischer Strom durch eine in einem Magnetfeld befindliche Spule. Die Magnetkraft erzeugt ein Drehmoment, das den Motor antreibt. Der Kommutator kehrt die Stromrichtung um, damit das Drehmoment die Spule immer in die gleiche Richtung dreht.

 

Die elektrischen Kontakte zum rotierenden Ring werden Bürsten genannt, weil in frühen Motoren dazu Kupferbürsten verwendet wurden. In modernen Motoren kommen meist federbelastete Kohlekontakte zum Einsatz. Beim Pollock-Kommutator wird die Stromrichtung mithilfe von Kupferlamellen umgekehrt.

Begutachtung

Der erste Schritt zu einer ordnungsgemässen Überholung eines Kommutators besteht darin, den Umfang der erforderlichen Arbeiten zu bestimmen. Dies kann durch sorgfältige Untersuchung und genaue Messung der Komponenten erfolgen. Die Betriebsdauer allein ist kein zuverlässiger Indikator für die erforderlichen Arbeiten. So haben Kommutatoren in Traktionsanwendungen im Dauerbetrieb nur eine Lebensdauer von drei bis vier Jahren, bevor sie komplett überholt werden müssen. Einige Generatoren und grosse Motoren hingegen kommen über 30 Jahre ohne Überholung aus, weil sie weniger häufig betrieben werden.

 

Idealerweise sollte die Kommutatoroberfläche eine einheitliche Farbe aufweisen und frei von Rillen oder Hitzespuren sein. Die offensichtlichsten Anzeichen für Verschleiss treten dort auf, wo die Bürsten den Kommutator berühren, wobei die Schwere der Beschädigung von vielen Faktoren abhängt. Mögliche Ursachen für Beschädigungen sind falsches Bürstenmaterial, übermässiger Bürstendruck, geringe Belastung des Motors/Generators und die örtlichen Umgebungsbedingungen.

 

Nach vielen Jahren des Betriebs können ältere Isolierungen der Klasse B besonders nach Überlastungen oder bei einer hohen Umgebungsfeuchtigkeit versagen, was Kriechströme zum Tragkörper zur Folge haben kann. Dies trägt zum weiteren Versagen der Isolierung bei und kann bei ausbleibender Überprüfung zu einem Erdschluss der Wicklungen führen.

 

Das deutlichste Anzeichen für ein Kommutatorproblem ist eine übermässige Funkenbildung an der Kontaktstelle zwischen den Bürsten und dem Kommutator. Das Einfachste ist es, den Kommutator abzudrehen, um die Oberfläche zu erneuern und eine gleichmässige Kontaktfläche herzustellen. Dies ist jedoch nur möglich, wenn genügend Material vorhanden ist, um die Bürstenbahn zu bearbeiten, ohne den Kommutator übermässig zu schwächen.

 

Neu isolieren oder nicht?

Ist der Kommutator ausser Betrieb, kann überprüft werden, ob die Isolierung zwischen den einzelnen Lamellen und zwischen den Lamellen und dem Tragkörper intakt ist. Ergeben sich dabei Unregelmässigkeiten, muss die Isolierung ersetzt werden, bevor der Kommutator wieder in Betrieb genommen werden kann.

 

Sulzer empfiehlt, Kommutatoren nur einmal neu zu isolieren und bei der nächsten Überholung das gesamte Kupfer zu erneuern. Um eine neue Isolierung installieren zu können, muss eine gewisse Menge Kupfer von den Segmenten abgetragen werden. Geschieht dies mehr als einmal, kann dies die Lamellen schwächen und zur Bildung von Rissen führen. In jedem Fall sollten genaue Messungen im Vergleich mit den ursprünglichen Designspezifikationen vorgenommen werden, um sicherzustellen, dass nur Bauteile mit ausreichender Festigkeit und Langlebigkeit verbaut werden.

 

Bauteile, die zuvor bereits neu isoliert wurden oder nicht genügend Material für eine Bearbeitung aufweisen, müssen komplett erneuert werden. Dies erfordert die Fertigung neuer Kupferlamellen, die häufig auf ein bestimmtes Kommutatordesign zugeschnitten sind.

 

Als der Kommutator aus dem Stahlwerk in der Werkstatt von Sulzer eintraf, entdeckten die Ingenieure darauf eine Sulzer-Auftragsnummer und stellten anhand der Aufzeichnungen fest, dass dieser bereits einmal neu isoliert worden war. Ausgehend von den verfügbaren Informationen riet Sulzer dem Kunden zu einer vollständigen Überarbeitung einschliesslich der Fertigung neuer Lamellen. Der Kunde war einverstanden, und das Projekt wurde in Angriff genommen.

 

Zunächst wurden sämtliche Abmessungen erfasst und mit den Originalzeichnungen sowie den eigenen Zeichnungen von der vorherigen Überholung verglichen. Der Kommutator wog fast vier Tonnen und besass insgesamt 816 Kupferlamellen und 816 Zwischenlagen aus Mikanit (Glimmer).

 

Für jeden Auftrag dieser Art ist eine Montagevorrichtung erforderlich, mit der die Kupferlamellen und Glimmersegmente in der richtigen Form angeordnet werden. Da der betreffende Kommutator bereits von Sulzer repariert worden war, war die entsprechende Vorrichtung vorhanden. Im Extremfall muss eine neue Vorrichtung angefertigt werden. Dies war bei Sulzer auch schon einmal bei einem Kommutator mit einem Durchmesser von 3,5 m und 2400 Kupferlamellen der Fall.

Die Kupferlamellen werden bei Sulzer gefertigt. Wenn alle Segmente montiert sind, bilden sie einen perfekten Kreis.

Überholung

Die Überholung beginnt mit der Erfassung von Daten, darunter eine Vielzahl von Präzisionsmessungen, sowie – wenn möglich – der Beschaffung der Originalzeichnungen. Anschliessend wird das vorhandene Kupfer entfernt und der Tragkörper aus Stahl gereinigt und für die neuen Kupferlamellen vorbereitet. Diese werden normalerweise von Sulzer selbst gefertigt.

 

Ausgangpunkt für die Fertigung ist ein flaches, rechteckiges Stück Kupfer. Dieses wird auf einer Seite winklig abgefräst, sodass es eine leichte Keilform bekommt. Der Winkel ist sorgfältig berechnet, damit die Lamellen nach der Montage einen perfekten Kreis bilden. Je grösser der Durchmesser des Kommutators ist, desto kleiner muss der Winkel sein.

 

Anschliessend werden die Kupferlamellen jeweils mit einer Mikanit-Lage in der Montagevorrichtung zusammengesetzt. Letztere besteht aus mehreren Teilen, die zusammengeschraubt werden. Eine strenge Qualitätssicherung sorgt dafür, dass die richtige Anzahl von Lamellen montiert wird.

 

Formieren

Beim sogenannten statischen Formieren werden die Schrauben der Montagevorrichtung angezogen. Dadurch werden die einzelnen Teile zusammengezogen und die Kupferlamellen und die Mikanitplatten zusammengedrückt. Dies geschieht mit einem bestimmten Drehmoment, bevor die komplette Einheit in einem Ofen erwärmt wird, um den Glimmer zu erweichen und zu formieren. Anschliessend wird die Einheit aus dem Ofen entnommen, und die Schrauben werden nachgezogen. Dieser Prozess wird wiederholt, bis das geforderte Anzugsmoment erreicht ist.

 

Ist das Mikanit formiert, wird die gesamte Einheit zur abschliessenden Bearbeitung auf einem Bohrwerk montiert. Hier erhalten die rechteckigen Lamellen ihre genaue Form und ihre genauen Abmessungen laut Zeichnung. Im Wesentlichen werden an beiden Enden V-Profile ausgebildet, damit sie auf dem vorbereiteten Tragkörper montiert werden können.

 

Während der Bearbeitung wird der Tragkörper mit Form-Mikanit neu isoliert. Anschliessend wird der neue Kommutator auf dem unteren Teil platziert, bevor der obere Teil aufgesetzt und verschraubt wird. Daraufhin wird der Rundlauf gemessen, um sicherzustellen, dass der Kommutator nach seiner Installation nicht schlägt. Die maximale Rundlaufabweichung wird von den Spezifikationen der rotierenden Maschine vorgegeben und beträgt bei einem Durchmesser von 2 m typischerweise 0,76 mm.

 

Anschliessend werden die Schrauben weiter angezogen, und die gesamte Einheit wird erneut im Ofen erwärmt, bevor das Anzugsdrehmoment noch einmal erhöht wird. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das Kupfer fest auf dem Tragkörper sitzt und die Montagevorrichtung gelöst werden kann.

 

Testen

Nach der Montage und anschliessenden Überprüfung kommt der Kommutator auf den Prüfstand, wo Hochspannungsprüfungen und Messungen des Isolationswiderstands und des Widerstands zwischen den Lamellen durchgeführt werden. Sind die Ergebnisse einwandfrei, wird der Kommutator auf seinen endgültigen Aussendurchmesser bearbeitet. Anschliessend werden sämtliche elektrischen Prüfungen wiederholt, um die Unversehrtheit der Isolierung sicherzustellen, bevor der Kommutator verpackt und an den Kunden versandt wird.

 

Der überarbeitete Kommutator wurde wieder im Stahlwerk installiert und in Betrieb genommen. Das erfolgreiche Projekt zeigt, dass Sulzer über die notwendige Erfahrung, das Wissen und die Einrichtungen verfügt, um umfassende und professionelle Reparatur- und Instandhaltungsarbeiten an rotierenden Maschinen durchzuführen.

Sulzer Technical Review

Nadia Qaud

Editor-in-Chief


Sulzer Management AG

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