DE102006007437B4

DE102006007437B4 - Elektrische Maschine mit einer Vorrichtung zur Vermeidung von schädlichen Lagerströmen und entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102006007437B4
Application number: DE102006007437A
Authority: DE
Inventors: Prof. Binder Andreas; Armin Schrepfer; Jürgen Wolf
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2026-02-18
Also published as: DE102006007437A1; US20090015112A1; JP2009527211A; US8004129B2; WO2007093465A1

Abstract

Elektrische Maschine mit – einem ersten Aktivteil (ST), – einem zweiten Aktivteil (RO), das mit dem ersten Aktivteil (ST) magnetisch zusammenwirkt, – einer Lagereinrichtung (WL), mit der die Aktivteile (ST, RO) aneinander gelagert sind, wobei das erste Aktivteil (ST) mit einer ersten Lagerkomponente verbunden ist, das zweite Aktivteil (RO) mit einer zweiten Lagerkomponente verbunden ist und ein Schmierfilm beide Lagerkomponenten voneinander trennt, und – einer Stromquelle (IQ), die an die Lagereinrichtung (WL) direkt oder indirekt derart angeschlossen ist, dass von einer Lagerkomponente zur anderen über den Schmierfilm ein gezielter Strom leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom für die Lagereinrichtung (WL) unschädlich ist, aber den Schmierfilm durchbricht und einen Kurzschluss des Schmierfilms bewirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung von schädlichen Lagerströmen in einer elektrischen Maschine sowie eine elektrische Maschine, die mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattet ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Vermeiden von schädlichen Lagerströmen.
Ziel ist es, Schmierfilm-Entladungen in Lagern soweit wie möglich zu vermeiden, wie sie beispielsweise bei gelagerten Dampf- oder Gasturbinenläufern auftreten können. Bei diesen Läufern erfolgt nämlich durch die Reibung des Fluidstrahls an den Schaufeln eine elektrostatische Aufladung. Darüber hinaus sollen auch die Lager von Getrieben, Kolbenmaschinen oder anderen mechanischen, rotierenden Maschinen geschützt werden. Des Weiteren sollen bei drehzahlveränderbaren Maschinen schädliche Lagerströme prinzipiell vermieden werden.
Drehzahlveränderbare Motoren werden heute überwiegend von Spannungszwischenkreisumrichtern gespeist. Die Speisung durch den Spannungszwischenkreisumrichter führt zu Lagerströmen in den Lagern des Motors. Diese Lagerströme können je nach Ausführung des Motors zu einem vorzeitigen Ausfall der Lager führen. Der Ausfall ist auf eine Riffelbildung an den Laufflächen des Lagers (Vibrationen, Geräusche) bzw. eine Zersetzung des Lagerfetts zurückzuführen.
Um Lagerströme, so genannte Zirkularströme, zu unterbinden, werden vielfach stromisolierte Lager, z. B. Lager mit Keramikisolierung am Außenring oder Innenring, verwendet. Alternativ werden Hybridlager mit Stahlringen und Keramik-Walzkörpern zur Vermeidung von Zirkular- und EDM-Strömen eingesetzt. Diese Lager sind jedoch sehr teuer und werden daher soweit wie möglich vermieden. Darüber hinaus sind zur Vermeidung von Lagerströmen Lösungen bekannt, bei denen der Rotor mit Erdungsbürsten geerdet wird. Die Erdungsbürste unterliegt jedoch Verschleiß und die Kontaktsicherheit ist nicht gegeben, speziell unter schwierigen Umgebungsbedingungen. Weiterhin wird von der Firma Rockwell in einem „Industry White Paper” mit dem Titel „Inverter-Driven Induction Motors Shaft and Bearing Current Solutions” (3.11.2002) vorgeschlagen, zwischen Rotor und Stator eine spezielle Schirmung vorzunehmen. Des Weiteren sind in diesem Zusammenhang auch Umrichter mit speziellem Pulsmuster zur Reduzierung der Lagerströme bekannt. All diesen Lösungen ist gemeinsam, dass sie verhältnismäßig teuer bzw. aufwändig sind.
Aus der Druckschrift EP 1 445 850 A1 ist eine Vorrichtung zum Schutz eines Lagers einer Elektromaschine vor einem schädigenden Stromdurchgang als nächstliegender Stand der Technik bekannt. Die Elektromaschine weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei der Rotor mittels wenigstens eines Lagers relativ zum Stator drehbar gelagert ist. Die Vorrichtung umfasst eine Kompensationsschaltung zur Erzeugung eines Kompensationsstroms für die Kompensation eines beim Betrieb der Elektromaschine entstehenden Störstroms durch die Lager und ein Koppelelement zum direkten oder indirekten Einkoppeln des Kompensationsstroms in das Lager.
Dokument DE 200 07 714 U1 offenbart eine Vorrichtung zum Schutz der Lager einer dynamoelektrischen Maschine vor Wellenströmen. In den Rotor werden Wellenspannungen induziert bzw. eingekoppelt. Ein Potentialausgleich wird durch eine Einrichtung zur permanenten elektrischen Verbindung der rotorseitigen Teile des Lagers mit dem gehäuseseitigen Potential erreicht.
Ferner zeigt die Druckschrift DE 10 2004 016 738 B3 eine Kompensationsvorrichtung zur Vermeidung von schädlichen Lagerströmen in einer elektrischen Maschine. Die Lagerströme werden reduziert, indem mithilfe einer Kompensationseinrichtung an den Rotor eine entsprechende Gegenspannung angelegt wird.
Ferner beschreibt der Artikel Lienesch, F.: ”Umrichrichtergespeiste elektrische Antriebe”, Ex-Zeitschrift 2003, R. Stahl Schaltgeräte GmbH, Waldenburg, Seiten 31 bis 37 Lagerströme und -spannungen bei einer umrichtergespeisten Asynchronmaschine. Demnach können zwischen Motor- und Umrichtergehäuse Spannungen > 100 V in einem Frequenzspektrum von 50 kHz bis 1 MHz auftreten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine elektrische Maschine vorzuschlagen, bei der die Problematik der Lagerströme auf vereinfachte Weise gelöst ist. Darüber hinaus soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9. Unter dem Wort „Aktivteil” wird in dem vorliegenden Dokument ein Ständer oder Rotor einer sich drehenden elektrischen Maschine, aber auch das Primärteil oder Sekundärteil eines Linearmotors verstanden.
Durch die erfindungsgemäße Bestromung des Schmierfilms lassen sich in der elektrischen Maschine handelsübliche Lager einsetzen, wo bislang teure Hybridlager erforderlich waren. Ohne den schädlichen Lagerstrom erhöht sich die Lebensdauer des Lagers deutlich.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die elektrische Maschine ein Gehäuse, mit dem eines der beiden Aktivteile elektrisch verbunden ist, wobei die Stromquelle zur Einleitung des Stroms in die Lagereinrichtung mit dem Gehäuse verbunden ist. Damit ist es beispielsweise möglich, eine elektrische Maschine mit einer erfindungsgemäßen Stromquelle nachzurüsten, ohne die elektrische Maschine in ihrem Inneren zu verändern.
Vorzugsweise prägt die Stromquelle einen Wechselstrom in die Lagereinrichtung ein. Dessen Frequenz sollte aus Wirksamkeitsgründen über 9 kHz liegen. Damit lassen sich die elektrischen Eigenschaften des Schmierfilms wirkungsvoll so beeinflussen, dass eine gewisse Leitfähigkeit gewährleistet ist, die eine Entladung ermöglicht.
Vorzugsweise besitzt die elektrische Maschine eine Reglereinrichtung, mit der die Stromquelle so regelbar ist, dass die elektrische Spannung zwischen beiden Lagerkomponenten im Wesentlichen Null ist. Somit kann erreicht werden, dass der durch den Schmierfilm geleitete Strom ausreichend hoch, er aber dennoch nicht so hoch ist, dass der Schmierfilm zersetzt wird.
Die Stromquelle kann mit der Lagereinrichtung kontaktlos elektrisch verbunden sein. Dies hat den Vorteil, dass das bewegte Aktivteil nicht mit einer speziellen Kontakteinrichtung, z. B. Kontaktbürsten, kontaktiert werden muss. Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Stromquelle innerhalb des Gehäuses mit der Lagereinrichtung verbunden. Auf diese Weise lässt sich auch die Stromquelle bzw. deren Kontakteinrichtungen vor Umwelteinflüssen schützen.
Die Stromquelle bezieht vorteilhafterweise ihre Energie von der Klemmenspannung des Motors. Somit ist keine spezielle Stromversorgung für die Bestromung des Lagers notwendig.
Die erfindungsgemäße Stromquelle kann ferner in einen Motorgeber integriert sein. Auf diese Weise lässt sich die gesamte Ansteuerelektronik der elektrischen Maschine kompakt zusammenfassen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 ein Schaltbild eines mit einem Spannungszwischenkreisumrichter in Zweipunkt-Schaltung versorgten Motors;
2 eine Schnittzeichnung durch einen Motor;
3 ein einphasiges Ersatzschaltbild des Motors von 2;
4 den Motor von 2 mit elektrischer Beschaltung;
5 das der Beschaltung von 4 entsprechende Ersatzschaltbild mit Lagerstromsignalformen;
6 eine erfindungsgemäße Beschaltung eines Motors mit einer Stromquelle zwischen Welle und Gehäuse und
7 den Motor von 6 mit geregelter Stromquelle.
Die nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Grundsätzlich ist die vorliegende Erfindung auf jede Art von elektrischen Maschinen anwendbar, bei denen sich Aktivteile gegeneinander bewegen und die Aktivteile aneinander gelagert sind. Insbesondere ergeben sich Vorteile bei rotierenden elektrischen Maschinen, ob läufer- oder ständergespeist, unabhängig von der Speisung mit Wechsel- oder Gleichstrom.
Die Ursache für umrichterbedingte Lagerströme ist die so genannte „Gleichtaktspannung” oder „Common Mode Spannung” im Pulsmuster des Spannungszwischenkreisumrichters UR, der in 1 dargestellt ist. Die am Motor DM anliegende Gleichtaktspannung U_o kann man z. B. bei einer Sternschaltung der Motorwicklungen zwischen Sternpunkt und Motorgehäuse unmittelbar messen. Die elektronischen Schaltelemente SE des Spannungszwischenkreisumrichters UR schalten die Spannung U_d des Zwischenkreises ZK nach einem Steuerverfahren auf die Motorwicklungen MW. Man unterscheidet zwischen so genannten Online- und Offline-Steuerverfahren. Unabhängig vom eingesetzten Steuerverfahren ergibt sich ein prinzipieller Spannungsverlauf U_o am Sternpunkt SP gemäß 1. Dieser Spannungsverlauf resultiert aus den ebenfalls in 1 eingezeichneten Spannungen U_LL zwischen den Phasen.
Das Ein- und Ausschalten der elektronischen Schaltelemente SE führt zu einer Spannungsänderung an den parasitären Kapazitäten im Motor und damit zu einem Stromfluss. 2 zeigt diese parasitären Kapazitäten in einem ständergespeisten Drehstrommotor DM, der einen Stator ST und einen Rotor RO umfasst. Die Welle WE des Rotors RO ist z. B. über Wälzlager WL am Stator ST gelagert. An den Wicklungen WI des Stators ST liegt die Spannung U an.
Dieser Motoraufbau (vgl. auch 3) führt zu einer Kapazität C_wh zwischen Motorwicklung und Motorgehäuse, eine Kapazität C_wr zwischen Motorwicklung und Rotor, einer Kapazität C_rh zwischen Rotor und Motorgehäuse, einer wirksamen Kapazität C_b zwischen Wälzkörpern und Lagerringen, einem nichtlinearen Widerstand Z_n des Schmierfilms und einem wirksamen Widerstand R_b des Lagers, bestehend aus Lagerringen und Wälzkörper.
Aus diesen elektrischen Größen resultiert das in 3 wiedergegebene einphasige Ersatzschaltbild eines Drehstrommotors einschließlich des elektrischen Ersatzschaltbilds für die Impedanz Z_b des Wälzlagers WL. Demnach liegt die Kapazität C_wh zwischen der Phase U und der Erde PE. Parallel zu dieser Kapazität C_wh ist eine Serienschaltung der Kapazitäten C_wr und C_rh angeordnet. Wiederum parallel zu der Kapazität C_rh befindet sich die Lagerimpedanz Z_b. Diese Lagerimpedanz Z_b besteht aus einer Parallelschaltung der Kapazität C_b und des Schmierfilmwiderstands Z_n, die mit dem Lagerwiderstand R_b in Serie geschaltet ist.
Schädliche Lagerströme können durch Entladungseffekte entstehen. Dabei wird (vgl. 4 und 5) die Kapazität des Wälzlagers C_b über den kapazitiven Spannungsteiler bestehend aus C_wr, C_rh und C_b aufgeladen, solange der Schmierfilm diese Spannung isolieren kann. Beim Erreichen der Durchbruchspannung wird die Kapazität C_b lagerintern kurzgeschlossen und die Kapazität C_rh entlädt sich in diesen Kurzschluss. Solange der Schmierfilm isoliert, ist die Spannung über dem Lager ein Abbild der Gleichtaktspannung entsprechend dem durch die Motorkonstruktion vorgegebenen Übersetzungsverhältnis BVR (bearing voltage ratio).
Das Übersetzungsverhältnis BVR ist gegeben durch das Verhältnis der Spannung U_Zb an der Lagerimpedanz Z_b und der Spannung U_Cwh an der Kapazität C_wh. Dieses Verhältnis liegt typischerweise zwischen 0,02 und 0,2. In 5 ist die Spannung U_Zb für einen kleinen Wert von BVR und einen großen Wert von BVR in ihrem Verlauf angedeutet. Dabei wird die Schaltung bzw. die Motorwicklung über eine Impedanz Z mit der halben Zwischenkreisspannung 0,5 U_d versorgt, die den gleichen Signalverlauf hat wie die Spannung U_Zb.
Mit einer erfindungsgemäßen, in 6 dargestellten Schaltung IQ wird ein für das Lager WL unschädlicher Strom I_b eingekoppelt, der den Schmierfilm des Lagers WL durchbricht. Dabei bildet der Schmierfilm die im Zusammenhang mit den 3 und 5 erwähnte Kapazität C_b. Der von der Stromquelle IQ produzierte Strom I_hf fließt also als Lagerstrom I_b über das Lager WL, d. h. die Kapazität C_b, aber auch zu einem Anteil über die Kapazität C_rh zwischen Maschinenläufer RO und Gehäuse bzw. Stator ST.
Der Strom I_b bewirkt einen Kurzschluss des Schmierfilms und verhindert das Aufladen der Kapazität C_b. Damit sind lagerinterne Schmierfilm-Entladeströme ausgeschlossen, und das Übersetzungsverhältnis BVR wird praktisch zu Null. Der eingekoppelte Strom I_hf ist bevorzugt ein HF-Strom mit einer Frequenz > 9 kHz. Diese bevorzugte Frequenz kann sich jedoch mit der Zusammensetzung des Schmierfilms ändern.
Die Stromquelle IQ speist nicht nur den Strom durch den Schmierfilm des Lagers WL, sondern nimmt auch die Energie auf, die durch die Schaltvorgänge des Frequenzumrichters (nicht dargestellt) über die Kapazität C_wr eingekoppelt wird. Ergänzend sei hier hinzugefügt, dass die Stromquelle auch als Spannungsquelle mit Innenwiderstand ausgeführt sein kann.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt gemäß 7 ein Regler RE den Strom der in diesem Fall gesteuerten Quelle IQ so ein, dass die Lagerspannung U_zb trotz eingekoppelter Energie über die Kapazität C_wr zu Null geregelt wird. Der Istwert des Reglers RE wird zum Beispiel über einen Tiefpass TP vom Ausgang der Quelle oder direkt am Läufer RO abgegriffen und die Ausgangsspannung U_a des Reglers RE steuert die Größe des Stroms I_hf. Hierdurch ergibt sich eine geregelte Stromquelle GI zur Vermeidung von schädlichen Lagerströmen.
Die Quelle IQ wird kontaktbehaftet, z. B. über Schleifringe oder kontaktlos über eine geeignete Koppeleinrichtung, z. B. eine Antenne, an den Läufer RO angekoppelt. Die Ankopplung der HF-Stromquelle kann an beliebiger Stelle des Läufers RO erfolgen, entweder innerhalb des Motors, um eine Abstrahlung der HF-Signale zu minimieren, oder von außen auf die Motorwelle WE.
Die Energie für den Betrieb der HF-Stromwelle IQ kann aus der Klemmenspannung des Motors gewonnen werden. Alternativ kann die HF-Stromquelle auch eine eigene Stromversorgung, z. B. DC 24 V, erhalten. Die gesamte Bestromungsschaltung, hier die geregelte Stromquelle GI oder die einfache Stromquelle IQ, kann auch Bestandteil eines Motorgebers sein oder wie ein solcher ausgeführt sein.

Claims

Elektrische Maschine mit – einem ersten Aktivteil (ST), – einem zweiten Aktivteil (RO), das mit dem ersten Aktivteil (ST) magnetisch zusammenwirkt, – einer Lagereinrichtung (WL), mit der die Aktivteile (ST, RO) aneinander gelagert sind, wobei das erste Aktivteil (ST) mit einer ersten Lagerkomponente verbunden ist, das zweite Aktivteil (RO) mit einer zweiten Lagerkomponente verbunden ist und ein Schmierfilm beide Lagerkomponenten voneinander trennt, und – einer Stromquelle (IQ), die an die Lagereinrichtung (WL) direkt oder indirekt derart angeschlossen ist, dass von einer Lagerkomponente zur anderen über den Schmierfilm ein gezielter Strom leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom für die Lagereinrichtung (WL) unschädlich ist, aber den Schmierfilm durchbricht und einen Kurzschluss des Schmierfilms bewirkt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, die ein Gehäuse aufweist, mit dem eines der beiden Aktivteile (ST, RO) elektrisch verbunden ist, wobei die Stromquelle (IQ) zur Einleitung des Stroms in die Lagereinrichtung (WL) mit dem Gehäuse verbunden ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromquelle (IQ) einen Wechselstrom in die Lagereinrichtung einprägt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei die Frequenz des Wechselstroms über 9 kHz liegt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromquelle (IQ) mit der Lagereinrichtung (WL) kontaktlos elektrisch verbunden ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Stromquelle (IQ) innerhalb des Gehäuses mit der Lagereinrichtung (WL) verbunden ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromquelle (IQ) ihre Energie von der Klemmenspannung der elektrischen Maschine bezieht.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromquelle (IQ) in einen Motorgeber integriert ist.
Verfahren zum Vermeiden von schädlichen Lagerströmen in einem Lager (WL) einer elektrischen Maschine, dessen zwei zueinander bewegliche Lagerkomponenten durch einen Schmierfilm voneinander getrennt sind, wobei ein gezielter Strom, der von einer der beiden Lagerkomponenten über den Schmierfilm zu der anderen Lagerkomponente fließt, eingeprägt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom für das Lager (WL) unschädlich ist, aber den Schmierfilm durchbricht und einen Kurzschluss des Schmierfilms bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei ein Wechselstrom in die beiden Lagerkomponenten eingeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Frequenz des Wechselstroms über 9 kHz liegt.