DE20007714U1

DE20007714U1 - Vorrichtung zum Schutz der Lage einer dynamoelektrischen Maschine

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Publication number: DE20007714U1
Application number: DE20007714U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-01
Filing date: 2000-05-01
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2010-05-02

Description

BONSMANN & BONSMANN"""' '··'···" '"'Kaltienkirchener Straße 35

D-41063 Mönchengladbach PATENTANWÄLTE _Te| Q2161/12114 Fa

Akte: 00 159

Jürgen Rasch

Büdericher Str. 97, 41877 Willich

Vorrichtung zum Schutz der Lager einer dynamoelektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei dynamoelektrischen Maschinen - d.h. Elektromotoren oder Generatoren oder kombiniert als Elektromotor oder Generator genutzten elektrischen Maschinen - ist es bekannt, dass durch unvermeidliche Unsymmetrien in den Magnetfeldern sog. Wellenspannungen in die elektrisch leitfähigen Teile der Maschine induziert werden. Diese induzierten Spannungen können zu einem Stromfluss in einer aus der Rotorwellen, den Rotorlagern und dem Gehäuse gebildeten Schleife führen, dem sog. Wellenstrom. Weitere Ursachen für die Entstehung von Wellenströmen können kapazitive Einkopplungen sein, die insbesondere bei den heutzutage verstärkt verwendeten umrichtergesteuerten Antrieben mit hohen Änderungsgeschwindigkeiten der Spannung verstärkt auftreten. Die auftretenden Wellenströme stellen insbesondere im Bereich der Rotorlager - üblicherweise Kugellager - ein großes Problem dar. Bestimmungsgemäß bildet sich nämlich zumindest während der Rotation in den Lagern ein Schmierfilm aus, der den Übergangswiederstand zwischen dem rotorseitigen und dem gehäuseseitigen Teil des Lagers stark erhöht. Die induzierten Wellenspannungen können sich daher

nicht mehr durch einen Wellenstrom ausgleichen; vielmehr kommt es zum Aufbau eines elektrischen Feldes. Die sich aufbauenden Spannungen entladen sich dann lokal an bestimmten Punkten des Lagers, was zu einer Beschädigung desselben und längerfristig zum Lagerausfall führen kann.

Um das Fließen von Wellenströmen zu verhindern, ist es bekannt, den gehäuseseitigen Teil wenigstens eines Lagers gegenüber dem Erdpotential, auf dem die sonstigen Teile des Gehäuses üblicherweise liegen, zu isolieren. Dadurch wird der Wellenstromfluss in der eingangs genannten Schleife unterbrochen. Diese Vorgehensweise bedeutet jedoch einen erheblichen Aufwand, da tragende Teile der Maschine isoliert werden müssen. Außerdem kann sich eine derartige Isolierung mit der Zeit unmerklich verschlechtern, so dass es zu einer schleichenden Lagerzerstörung kommen kann. Weiterhin ist die fehlende Erdung eines Teils des Motors sicherheitstechnisch bedenklich .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den durch die Wellenströme bedingten Probleme mit möglichst einfachen und zuverlässigen Mitteln zu begegnen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß gemäß den Merkmalen des Anspruches 1.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, nicht wie bei den bekannten Ansätzen durch Isolationsmaßnahmen das Fließen der Wellenströme zu verhindern. Vielmehr wird erfindungsgemäß ein kontrollierter Fluss der Wellenströme an den

Rotorlagern vorbei ermöglicht, so dass Beschädigungen an denselben vermieden werden. Sind - was den überwiegend anzutreffenden Fall darstellt - zwei stirnseitige Maschinenlager vorhanden, die über eine elektrisch leitfähige Welle miteinander verbunden sind, so sind im Rahmen der Erfindung wenigstens zwei Einrichtungen zur permanenten elektrischen Verbindung rotorseitigen Teile des Lagers mit dem gehauseseitigen Potential erforderlich. Würde nur eine Einrichtung an einer Stirnseite vorgesehen, so käme es zu einer noch stärkeren Belastung des "ungeschützten" Lagers auf der gegenüberliegenden Stirnseite, da die Wellenspannung durch die aus Rotorwellen, den Rotorlagern und dem Gehäuse gebildeten Schleife in diesem Falle beinahe vollständig an dem ungeschützten Rotorlager abfällt.

Zu permanenten elektrischen Verbindung werden erfindungsgemäß verschiedene Ausführungsformen vorgeschlagen. In einer ersten Ausfuhrungsform erfolgt die Ableitung der Wellenströme durch wenigstens einen auf· der Rotorwelle aufliegenden Schleifkontakt, der z.B. als Schleifbürste oder Kohlebürste ausgebildet sein kann. Bei Maschinen mit zwei stirnseitigen, elektrisch leitfähig verbundenen Lagern ist es in diesem Zusammenhang wichtig, dass ein Schleifkontakt auf der Stirnseite der Maschine vorgesehen ist, in deren Bereich sich das zu schützende Lager befindet. D.h., ein Schleifkontakt muss sich immer auf der Seite des zu schützenden Lagers oder einer entsprechenden Verlängerung der Welle auf dieser Seite der Maschine befinden, weil andernfalls die Probleme wie vorstehend erläutert eher verstärkt würden. Baulich besonders günstig ist es, den Schleifkontakt innerhalb eines auf einer Verlängerung der Rotorwelle angeordneten Tachogenerators vorzusehen, wobei sich - wie vorstehend ausgeführt - der Tachogenerator auf der Seite des zu schützenden Lagers befinden muss.

In einer zweiten Ausführungsform ist die Einrichtung zur permanenten elektrischen Verbindung der rotorseitigen Teile des Lagers mit dem gehäuseseitigen Potential durch einen elektrisch leitfähigen Dicht- bzw. Simerring realisiert. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da keine zusätzlichen Teile gegenüber konventionellen Maschinen erforderlich sind. Die leitende Ausgestaltung des Dicht- bzw. Simerringes kann z.B. durch einen Graphitzusatz erreicht werden. Der elektrische Widerstand des verwendeten Dicht- bzw. Simerringes ist so einzustellen, dass eine Beschädigung der Lager durch Durchschläge vermieden wird. Selbstverständlich müssen weiterhin die Dicht- bzw. Simerringe so ausgelegt sein, dass sie den durch die Wellenströme verursachten Stromdichten standhalten. Wie vorstehend bereits erläutert, sind die Ableitmaßnahmen bei durchgehend leitfähiger Rotorwelle im Bereich beider Lager vorzusehen, um eine Beschädigung beider Lager zu verhindern. Der Dicht- bzw. Simerring kann flexibel und damit einstellbar für verschiedene Wellendurchmesser gestaltet werden.

In einer weiter Ausführungsform der Erfindung kann die Einrichtung zur permanenten elektrischen Verbindung eine elektrisch leitfähige Dichtungskordel und/oder einen elektrisch leitfähigen Dichtungsfilz aufweisen, welche bzw. welcher im vorderen oder hinteren Lagerdeckel der Maschine angeordnet ist. Auch diese Elemente sind zum Schutz der Lager vor Verschmutzung standardmäßig bei dynamoelektrischen Maschinen vorgesehen, so dass für die Ableitung der Wellenströme keine zusätzlichen Teile erforderlich sind.

Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Ableitungswirkung auch durch eine Kombination der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erzielt werden

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Motors mit Schutzeinrichtungen gemäß bestimmten Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Motors mit Schutzeinrichtungen gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 3 Detaildarstellungen von elektrisch leitfähigen Dichtringen zum Einsatz bei der vorliegenden Erfindung.

Gemäß Fig. 1 weist ein schematisch dargestellter Elektromotor mit einer Rotoranordnung 10 und einer Statoranordnung 12 in einem Gehäuse 14 eine Motorwelle 16 auf, die über Kugellager 18 und 20 an den Stirnseiten des Motors gelagert ist. Wie schematisch bei 22 angedeutet, kommt es bei einem Betrieb des Motors zu induktiv und/oder kapazitiv eingekoppelten Wellenspannungen, die u.a. in die elektrisch leitende Motorwelle induziert bzw. eingekoppelt werden . Ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen entstehen Wellenströme zwischen den rotor- und den gehäuseseitigen Teilen der Lager 18, 20. Da die Lager während der Drehung durch den Schmierfilm einen erhöhten Ü-bergangswiderstand aufweisen, kommt es zu entladungsähnlichen Vorgängen, die auf Dauer zur Beschädigung der Lager führen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden diese Wellenströme jedoch an den Lagern vorbeigeleitet. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die das Lager 20 gefährdenden Wellenströme durch einen Kohlekontakt 19, der in

elektrischer Verbindung mit dem Gehäuse steht, abgeleitet. Bei dem gegenüberliegenden Lager 18 ist ein Simerring 24 vorgesehen, der aus einem leitfähigen Material hergestellt ist und in permanentem elektrischen Kontakt sowohl mit der Motorwelle als auch mit dem Gehäuse steht. Der Simerring ist aus üblichen Werkstoffen hergestellt, die mit leitfähigen Zusätzen (z.B. durch Graphitzusatz oder leitfähige Faserzusätze) mit einem ausreichend geringen elektrischen Widerstand versehen sind. Als weiteres Dichtungselement ist ein Dichtungsfilz 26 in einem hinteren Lagerdeckel des Motors ebenfalls leitfähig ausgebildet.

In Fig. 2 sind weitere Verbindungseinrichtungen schematisch dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei dem Lager 18' sind Lagerdichtscheiben 28, die zum Zwecke des Spitzwasserschutzes eingesetzt sind, aus leitfähigem Material hergestellt. Die Lagerdichtscheiben liegen ebenfalls permanent an Gehäuse und Welle 16 an, wodurch entstehende Wellenströme abgeleitet werden können. Bei dem anderen Lager 20' erfolgt die Ableitung nicht direkt im Bereich des Lagers, sondern durch eine Kohlebürste 32, die in einen in der Verlängerung der Welle 16 angeordneten Tachogenerator 3 0 integriert ist, wobei die Welle des Tachogenerators 3 0 und die Motorwelle 16 leitfähig miteinander verbunden sind.

In Fig. 3 sind verschiedene Dichtringe (Gammaringe, Wellendichtungen) dargestellt, wobei mit den Ziffern 1 bis 6 diejenigen Teile der Ringe bezeichnet sind, die erfindungsgemäß aus leitfähigem Material hergestellt sein können.

Claims

1. Vorrichtung zum Schutz der Lager einer dynamoelektrischen Maschine vor Wellenströmen, wobei die Maschine ein Gehäuse (14) und einen beweglichen Rotor (10) sowie wenigstens ein Rotorlager (18, 20) aufweist, welches einen feststehenden gehäuseseitigen Teil und einen rotorseitigen Teil aufweist, wobei in den rotorseitigen Teil während der Rotation Wellenspannungen induziert bzw. eingekoppelt werden und wobei wenigstens während des Rotation der rotor- und der gehäuseseitige Teil des Lagers (18, 20) gegeneinander einen erhöhten Übergangswiderstand aufweisen, gekennzeichnet durch wenigstens eine Einrichtung zur permanenten elektrischen Verbindung der rotorseitigen Teile des Lagers mit dem gehäuseseitigen Potential derart, dass zwischen dem rotor- und dem gehäuseseitigen Teil des Lagers ein Potentialausgleich hergestellt wird, ohne das wenigstens eine Lager (18, 20) zu beschädigen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur permanenten elektrischen Verbindung einen mit dem Gehäuse (14) elektrisch und mechanisch verbundenen, gegen eine Rotorwelle (16) anliegenden Schleifkontakt (19, 32) aufweist, wobei die Rotorwelle (16) mit dem rotorseitigen Teil des Lagers elektrisch in Verbindung steht und wobei der Schleifkontakt im Bereich der Stirnseite der Maschine vorgesehen ist, in deren Bereich sich das zu schützende Lager befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifkontakt (32) in einem außerhalb des Maschinengehäuses (14) mit der Rotorwelle (16) verbundenen Tachogenerator (30) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleikontakt als Schleifbürste ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifkontakt als Kohlebürste (19, 32) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur permanenten elektrischen Verbindung einen elektrisch leitfähigen Simerring (24) aufweist, der gegen die Rotorwelle (16) anliegt und mit dem Gehäuse (14) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Simerring (24) aus Gummi oder Kunststoff hergestellt ist, der durch einen Zusatz leitfähig gemacht ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur permanenten elektrischen Verbindung eine elektrisch leitfähige Dichtungskordel und/oder einen elektrisch leitfähigen Dichtungsfilz (26) aufweist, welche bzw. welcher im vorderen oder hinteren Lagerdeckel der Maschine angeordnet ist.