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Dokumentenidentifikation DE202007009915U1 25.10.2007
Titel Textilmaschine mit einer Antriebsanordnung
Anmelder Maschinenfabrik Rieter AG, Winterthur, CH
Vertreter Dr. Weiss, Brecht, Arat, 78234 Engen
DE-Aktenzeichen 202007009915
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 25.10.2007
Registration date 20.09.2007
Application date from patent application 13.07.2007
IPC-Hauptklasse D01H 1/20(2006.01)A, F, I, 20070713, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01F 1/14(2006.01)A, L, I, 20070713, B, H, DE   H02M 1/12(2006.01)A, L, I, 20070713, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Textilmaschine mit einer Antriebsanordnung, enthaltend einen Elektromotor, der über eine Stromleitung mit einem Frequenzumrichter (FU) verbunden ist, wobei die Stromleitung zwischen dem Ausgang des Frequenzumrichters und dem Elektromotor durch eine Entstörungsdrossel geführt wird.

Elektromotoren in Textilmaschinen zum Antreiben von langen Walzen oder Wellen werden zumeist mit Frequenzumrichtern (FU) betrieben. Durch die hohen Taktfrequenzen können dabei die Motorstandzeiten reduziert werden. Eine wesentliche Ursache für solche reduzierten Motorstandzeiten sind in den Motorlagern induzierte Spannungen.

Überschreiten diese Spannungen einen gewissen Wert, so entstehen hohe pulsartige Ströme, die zu Funkenerosion an Lagerschalen und Lagerkugeln führen, welche mit der Zeit die Lager und damit den Motor zerstören. Hierdurch können hohe Kosten verursacht werden. Auch bei Gleichstrommotoren zerstören Funken an den Bürsten der Schleifer die Lagerflächen.

Zur Reduzierung des genannten Lagerverschleisses aufgrund der hohen Taktfrequenzen ist es bekannt, Lagerstromdrosseln oder Sinus-Filter einzusetzen. Der Einsatz derartiger Drosseln ist z. B. aus der WO 2004/066492 A1 bekannt, in der auch die Mechanismen näher beschrieben sind, die zu der Schädigung der Motorlager führen. Ferner wird auch empfohlen isolierte Lager einzusetzen.

Als Drosseln werden nach dem Stand der Technik solche mit Magnetkernen aus Silizium-Eisen- oder Nickel-Eisen-Blechen eingesetzt. Derartige Drosseln haben den Nachteil, dass sie sehr gross, schwer und teuer sind. Weiterhin verursachen diese Drosseln auch hohe Verlustleistungen. Zudem ist die Störspannungsunterdrückung für den Frequenzbereich um 1 MHz meist unbefriedigend.

Der Sinus-Filter ist ebenfalls eine platzraubende und teure Lösung mit grosser Verlustleistung in Abhängigkeit von der Taktfrequenz.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Motoranordnung mit einer effizienten aber trotzdem kostengünstigen Entstörungsdrossel für Textilmaschinen vorzuschlagen, bei welcher Motorlagerschäden verhindert bzw. weitgehend verringert werden. Weiterhin soll die Drossel kleine Abmessungen sowie eine geringe Masse aufweisen, kostengünstig sein und geringe Verluste aufweisen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Entstörungsdrossel wenigstens zwei Ringkerne von geeigneter Geometrie enthält, durch welche die Stromleitung geführt ist, wobei wenigstens ein erster Ringkern einen weichmagnetischen, nanokristallinen metallischen Werkstoff umfasst und wenigstens ein zweiter Ringkern aus einem weichmagnetischen Ferrit besteht.

Die Stromleitung zwischen FU und Elektromotor ist bevorzugt für einen Dreiphasenstrom ausgelegt und enthält drei Phasen, welche jeweils einem Motorkabel entsprechen. Die drei Motorkabel sind gemeinsam durch die Ringkerne geführt. Ein Motorkabel weist beispielsweise einen Leitungsdurchmesser von rund 5 bis 7 mm bei einer Leistung von 40 kW und rund 8 bis 10 mm bei einer Leistung von 80 kW auf. Das Motorkabel mit Isolation weist demzufolge einen Gesamtdurchmesser von 1 bis 2 cm auf.

Die Erfindung schlägt vor, für die Drossel eine spezielle Kombination von wenigstens zwei Magnetkernmaterialien zu verwenden und von der geblechten Ausführung auf einen Ringkern zu wechseln. Es wurde erkannt, dass nanokristalline Eisenbasislegierungen mit ihrer erzielbaren hohen Permeabilität, einer hohen Sättigungsinduktion, einem weiten Temperatureinsatzbereich, einer hohen mechanischen Festigkeit und einem sehr guten Frequenzverhalten der Permeabilität bei geringen Kernverlusten für den genannten Zweck hervorragend geeignet sind.

Da jedoch nanokristalline Ringkerne verhältnismässig teuer in ihrer Anschaffung sind, wurden diese als Entstördrosseln in Elektromotoren bisher nicht in Betracht gezogen. Es hat sich nun überraschend gezeigt, dass die erfindungsgemässe Kombination verschiedener Ringkernen nicht nur eine optimale Entstörung bewirkt, sondern auch eine insgesamt kostengünstige Lösung darstellt.

Nanokristalline Eisenbasislegierungen sind als solche seit längerer Zeit bekannt, beispielsweise aus der EP 0 271 657 B1, wurden bisher jedoch aus oben genannten Gründen zu anderen Zwecken eingesetzt. Die besagten nanokristallinen Eisenbasislegierungen weisen vorzugsweise neben Eisen Anteile von Kupfer, Niob, Silizium und Bor auf.

Die nanokristallinen Ringkerne sind in der Regel als Ringbandkerne ausgebildet und enthalten bevorzugt isolierte Bandlagen. Die Isolationsschicht zwischen den nanokristallinen, metallischen Bändern verhindert den flächigen elektrischen Kontakt zwischen den Bändern, so dass sich keine Wirbelströme zwischen den Bandlagen ausbilden können.

Weichmagnetische nano- bzw. feinkristalline Werkstoffe bestehen bis zu 80% aus Fe.

Die EP 0 271 657 B1 und die DE 10 2005 021 060 A1 beschreiben solche weichmagnetischen nanokrostallinen Werkstoffe bzw. die dazugehörigen Legierungen auf Eisenbasis sowie deren Herstellungsverfahren und Verwendung.

Mit Ringbandkernen in Kombination mit Ferriten, insbesondere mit MnZn-Ferriten, werden jedoch mit Abstand die besten Ergebnisse erzielt. Diese werden daher bevorzugt verwendet.

Da die erfindungsgemässe Entstördrossel eine einfache Durchsteckdrossel ist, können die Motorlagerströme auf einfachste Weise reduziert werden. Die Ringkerne werden nämlich lediglich über die entsprechende Stromleitung, insbesondere die drei Motorkabel, geschoben. Der Innendurchmesser der Ringkerne ist dabei dem Durchmesser der durch diese hindurch zu führenden Stromleitung angepasst.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Frequenzumrichter einen über eine Netzzuleitung mit einem Versorgungsnetz verbundenen Gleichrichter und einen über einen DC-Bus mit dem Gleichrichter verbundenen Wechselrichter auf, wobei die vom Elektromotor kommende Stromleitung mit dem Wechselrichter verbunden ist. Der DC-Bus weist bevorzugt auch eine Drossel auf.

Bei dem Elektromotor der Motoranordnung handelt es sich vorzugsweise um einen, von einem Mehrphasennetz versorgten Hochleistungsmotor, insbesondere Asynchronmotor, z. B mit einer Leistung von mehr als 40kW, insbesondere mehr als 50 kW. Bei derartigen Hochleistungsmotoren in Textilmaschinen sind die erzielbaren Kostenvorteile durch den reduzierten Motorlagerverschleiss besonders hoch, insbesondere im Vergleich zu den Aufwendungen durch den erfindungsgemässen Einsatz einer Entstördrossel.

Erfindungsgemäss finden die Ringkerne Einsatz beim zentralen Spindelmotor von Ringspinnmaschinen, welcher eine Tambourwelle und über diese mittels Bandantrieb eine Vielzahl von Spindeln antreibt. Der besagte Motor kann sämtliche Spindeln einer Spinnmaschine oder eine Gruppe von Spindeln einer Spinnmaschine antreiben. Die Ringkerne können auch verwendet werden bei Streckwerksmotoren, Ringrahmenmotoren oder Doffermotoren von Spinnmaschinen.

Der Aussendurchmesser der Ringkerne beträgt z. B. 110–160 mm. Der Innendurchmesser der Ringkerne beträgt z. B. 80–130 mm. Die Höhe der Ringkerne beträgt z. B. 30 bis 150 mm.

Der Lagerstrom kann mit der erfindungsgemässen Anordnung abhängig von der Motorfrequenz im Mittel um 50% reduziert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der 1 näher erläutert. 1 zeigt eine Antriebsanordnung 1, bei der ein Elektromotor 2, insbesondere ein Asynchronmotor, über einen Frequenzumrichter 3 betrieben wird. Der Frequenzumrichter 3 beinhaltet einen Gleichrichter 6 und einem Wechselrichter 8. Der Gleichrichter 6 wird über Netzzuleitungen 5 aus einem Mehrphasennetz 4 mit einer Wechselspannung versorgt. Im Gleichrichter 6 wird die Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt und über die DC-Leitungen 7 dem Wechselrichter 8 zugeführt. Die von dem Wechselrichter 8 erzeugte Spannung, inklusive variabler Motorfrequenz, wird über eine dreiphasige 9a, 9b, 9c Stromleitung 9 dem Elektromotor 2 zugeführt.

Moderne Wechselrichter 3 können mit hohen Taktfrequenzen betrieben werden. Hierbei können relativ hohe Spannungsgradienten erreicht werden. Gelangen hierdurch erzeugte Spannungsspitzen bis zum Elektromotor 1, so können kapazitive Motorlagerströme auftreten, die zu einer frühzeitigen Schädigung der Motorlager 12 führen. Zwar weisen die Motorlager 12 einen Ölfilm auf, der auch isolierend wirkt. Dieser Ölfilm ist jedoch sehr dünn und beträgt, abhängig von der Ölviskosität meist nur wenige Moleküllagen. Der Ölfilm schlägt daher bereits bei kleinen Feldstärken durch.

Zur Vermeidung oder zumindest Verringerung der Lagerströme wird die Stromleitung 9 erfindungsgemäss durch einen ersten Ringkern 10 aus einem weichmagnetischen MnZn-Ferrit und durch einen nachfolgenden zweiten Ringkern 11 aus einem weichmagnetischen, nanokristallinen metallischen Werkstoff geführt. D.h. die Ringkerne sind über die zu einem Strang zusammengefassten Motorkabel 9a, 9b, 9c geschoben.

Um bereits vom Gleichrichter 2 erzeugte Spannungsspitzen zu eliminieren, können auch die DC-Leitungen 6 mit einer Drossel versehen sein (nicht gezeigt).

Durch Einbringung einer erfindungsgemässen Entstördrossel in eine Motoranordnung wie sie in 1 gezeigt ist, lässt sich die auftretende Motorlagerspannung soweit reduzieren, dass schädliche Motorlagerströme weitgehend vermieden oder zumindest stark reduziert werden. Die vorhandene Ölschicht des Lagers wird nicht mehr durchschlagen.

Somit wird die Lebensdauer der Motorlager und somit des gesamten Motors deutlich erhöht. Als Folge davon werden Ausfallzeiten durch den Austausch eines Motorlagers deutlich reduziert.

Die geometrische Anpassung der Ringkerne an die Gegebenheiten der Motoranordnung kann der Fachmann mit seinem Fachwissen ohne weiteres durchführen.

Die Erfindung wurde in Zusammenhang mit einem Frequenzumrichter und einem Asynchronmotor beschrieben. Jedoch können auch bei DC-Motoren in Textilmaschinen durch Spannungsspitzen auftretende Motorlagerströme durch die erfindungsgemässe Verwendung von Ringkernen entstört werden.


Anspruch[de]
Textilmaschine mit einer Antriebsanordnung (1), enthaltend einen Elektromotor (2), der über eine Stromleitung (9) mit einem Frequenzumrichter (3) verbunden ist, wobei die Stromleitung (9) zwischen dem Ausgang des Frequenzumrichters (3) und dem Elektromotor (2) durch eine Entstörungsdrossel (10, 11) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Entstörungsdrossel wenigstens zwei Ringkerne (10, 11) von geeigneter Geometrie enthält, durch welche die Stromleitung (9) geführt ist, wobei wenigstens ein erster Ringkern (10) einen weichmagnetischen, nanokristallinen metallischen Werkstoff umfasst und wenigstens ein zweiter Ringkern (11) aus einem weichmagnetischen Ferrit besteht. Textilmaschine mit einer Antriebsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Ringkerne unmittelbar nebeneinander, vorzugsweise zu einer Packungseinheit zusammengefasst, oder in Abstand zueinander angeordnet sind. Textilmaschine mit einer Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ausgehend vom Elektromotor (2) in Richtung Frequenzumrichter (3) ein oder mehrere erste Ringkerne (10), und ein oder mehrere mittelbar oder unmittelbar an den oder die ersten Ringkerne (10) anschliessenden zweite Ringkerne (11) angeordnet sind. Textilmaschine mit einer Antriebsanordnung nach Anspruch 1, wobei der nanokristalline Werkstoff der ersten Ringkerne (10) eine nanokristallinen Eisenbasislegierung, vorzugsweise mit Anteilen von Eisen, Kupfer, Niob, Silizium und/oder Bor enthält. Textilmaschine mit einer Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ferrit-Werkstoff der zweiten Ringkerne (11) ein MnZn-Ferrit ist. Textilmaschine mit einer Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die ersten Ringkerne (10) isolierte Bandlagen enthalten. Textilmaschine mit einer Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Frequenzumrichter (3) einen über eine Netzzuleitung (5) mit einem Versorgungsnetz (4) verbundenen Gleichrichter (6) und einen über einen Gleichstromzwischenkreis (7) mit dem Gleichrichter (6) verbundenen Wechselrichter (8) aufweist, wobei der Elektromotor mittels Stromleitung (9) mit dem Wechselrichter (8) verbunden sind. Textilmaschine mit einer Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Elektromotor (2) ein von einem Mehrphasennetz versorgter Hochleistungsmotor ist. Textilmaschine mit einer Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Textilmaschine eine Ringspinnmaschine ist und der Elektromotor (2) ein Spindelmotor ist, welcher sämtliche oder eine Gruppe von Spindeln über einen Bandantrieb antreibt. Textilmaschine mit einer Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Leistung des Elektromotors (2) mehr als 40 kW, insbesondere mehr als 50 kW, beträgt. Verwendung einer Ringkern-Kombination nach den Ansprüchen 1 bis 10 zur Motorlagerspannungsreduzierung in einer Motoranordnung (1) einer Textilmaschine, insbesondere einer Spinnmaschine, mit einem eine Mehrphasen-Stromleitung (9) mit Spannung versorgten Elektromotor (2). Verwendung nach Anspruch 11, wobei die Motoranordnung (1) einen Frequenzumrichter (3) aufweist, insbesondere einen Frequenzumrichter (3), der einen über eine Netzzuleitung (5) mit einem Versorgungsnetz (4) verbundenen Gleichrichter (6) und einen über einen Gleichstromzwischenkreis (7) mit dem Gleichrichter (6) und über die Motorkabel (9) mit dem Elektromotor (2) verbundenen Wechselrichter (8) aufweist. Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 12 zur Störspannungsunterdrückung im Frequenzbereich von 1 kHz bis 10 MHz, vorzugsweise von 5 kHz bis 5 MHz, insbesondere von 10 kHz bis 1 MHz.






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