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WO2018196925A1 - Kapazitiver bypass zur reduzierung elektrischer wellenspannungen bzw. lagerspannungen - Google Patents

Kapazitiver bypass zur reduzierung elektrischer wellenspannungen bzw. lagerspannungen Download PDF

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Publication number
WO2018196925A1
WO2018196925A1 PCT/DE2018/100405 DE2018100405W WO2018196925A1 WO 2018196925 A1 WO2018196925 A1 WO 2018196925A1 DE 2018100405 W DE2018100405 W DE 2018100405W WO 2018196925 A1 WO2018196925 A1 WO 2018196925A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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shaft
voltage
bearing
housing
bypass
Prior art date
Application number
PCT/DE2018/100405
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Goss
Michael Malzer
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of WO2018196925A1 publication Critical patent/WO2018196925A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/40—Structural association with grounding devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F16C41/002—Conductive elements, e.g. to prevent static electricity
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/16—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields
    • H02K5/173—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings
    • H02K5/1732—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/083—Structural association with bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor

Definitions

  • Capacitive bypass for reducing electrical shaft voltages or bearing voltages
  • a bearing voltage, d. H. the tension between the two bearing shells is usually correlated with a shaft tension, d. H. the tension between the shaft and mass.
  • Axially interspersed magnetic fields can have a voltage difference (unipolar voltage) between the beginning and end of the bearing shells.
  • a common countermeasure is the grounding of the shaft or a constructive measures to short the bearing halves, such.
  • conductive brushes to reduce the shaft voltage.
  • conductive seals or slip rings can be used, but have the disadvantage that may deteriorate over the life of the contact properties.
  • Conductive bearing grease or oils are based on conductive additives in which the functionality depends on their distribution in the lubricating medium and thus is not always constant.
  • the bearing halves can be sufficiently isolated from each other, so that a current flow is suppressed.
  • a compensation circuit generates a compensation of the unwanted storage current.
  • a reference signal for the compensation is provided via an artificial star point, in which the voltages of the three phases of an electric motor or converter are switched together by means of capacitors.
  • An opposing voltage is generated from these currents via a Umpol transformer, which results in the end in a compensation current, which is fed via a coupling capacitor to the shaft.
  • a disadvantage of this method is that only the voltages of the 3 phases serve as input parameters to provide the compensation current. This means that stray capacitances or bearing currents that do not arise directly in connection with motor or converter operation are not taken into account and therefore no compensation takes place for them.
  • the object of the invention is to realize a technical solution that does not require a compensation circuit and error-prone components. At the same time influences of other stray capacities should be reduced.
  • This object is achieved by a device and a method for reducing a shaft voltage (Uw) on a shaft or a bearing voltage (UWL) between a shaft and a housing.
  • a roller bearing supports the shaft relative to the housing and has a capacity of the rolling bearing (CWL). Electrically parallel to this, there is a further capacitance between the shaft and the housing (Cw-G) due to the arrangement of shaft and housing.
  • An additional bypass capacitance (Cypass) is also arranged electrically parallel thereto.
  • unwanted effects which emanate from a too small total capacity, can be reduced or avoided.
  • a shaft voltage or bearing voltage and possibly resulting destructive bearing current can thereby be reduced.
  • the cause is advantageously irrelevant.
  • the shaft voltage (Uw) usually corresponds to the voltage which the shaft has with respect to the housing or ground.
  • the bearing voltage (UWL) is the voltage that drops between the two bearing shells or rings.
  • the total capacity results from the sum of the capacity of the rolling bearing (CWL), the capacity between shaft and housing (CW-G) and the possibly existing bypass capacity (CBypass). These capacities are connected in parallel in the equivalent circuit diagram.
  • a motor winding is connected to the shaft mechanically, but electrically isolated. Between motor winding and shaft, the capacitance between a motor winding and shaft (Cw-w) is formed.
  • the capacitance between a motor winding and shaft forms a capacitive voltage divider with the total capacitance connected in series.
  • the motor winding may be the electrical winding (coil) of a stator or rotor. Also, the winding may be that of a generator instead of a motor.
  • rolling bearing can also be another component that can take damage by the shaft voltage. In addition to rolling bearings this applies z.
  • gears which may be mounted on the shaft and in engagement with another housing-mounted gear similar transition properties (lubricating film with electrical resistance) and thus may have problems such as a rolling bearing.
  • the capacity of the rolling bearing (CWL), the capacity between shaft and housing (Cw-G) and a capacity between the motor winding and shaft (Cw-w) are considered here as undesirable stray capacitances.
  • the bypass capacitance (Cßypass) is dimensioned such that the shaft voltage (Uw) or bearing voltage (UWL) does not exceed a threshold value.
  • the bypass capacitance (Cbypass) must not be unnecessarily chosen beyond a necessary level, which would result in an unnecessary effort.
  • the maximum permissible bearing voltage usually results in such that there are no destructive, ie abrasive, discharges. The voltage peaks are to be considered, the z. B. by the Common mode current of a frequency converter can be generated. The same applies to a shaft voltage (Uw).
  • bypass capacity is generated by a structurally independent measure.
  • this allows the bypass capacity to be provided willfully rather than randomly. This means that a constructive action is carried out without the
  • the bypass capacitance is provided by an independent component or group of components.
  • the provision of the capacitive bypass as an independent component simpler installation, retrofitting or maintainability can be effected.
  • Stand-alone in this case means that the independent component serves primarily or exclusively for the purpose of providing the bypass capacity.
  • the independent component therefore z.
  • a plate capacitor for example, can be considered as one component or as a component group with both plates as components.
  • a part of the independent component or component group has an electrically conductive connection with the shaft and another part with the housing.
  • the electrically conductive connection of a separate component with a bypass capacitance forms a possibility for a parallel connection to the capacity of the rolling bearing (CWL) and the capacity between the shaft and the housing (CW).
  • bypass capacitance is provided by an array of coaxial tubes.
  • such a bypass capacity can be generated by a concrete structural measure, namely the arrangement of two tubes.
  • bypass capacitance is provided by an array of radially aligned disks 6.
  • a bypass capacity can be generated by a concrete structural measure, namely the arrangement of two radially aligned discs.
  • the component or component group is connected to the rolling bearing 4.
  • this provides a module (integrated rolling bearing) which can be sold separately as such and / or makes simplified assembly possible. Furthermore, no extra mounting step for mounting the capacitive bypass must be performed, but this happens automatically during assembly of the integrated bearing.
  • the capacitive bypass or parts thereof is integrated as a seal of the rolling bearing or as a seal in the rolling bearing.
  • the capacitive bypass is mechanically separated from the rolling bearing, i. H. not connected.
  • the component or the module of the capacitive bypass is then z. B. mechanically connected directly to the shaft and the housing and not with the rolling bearing.
  • the maintainability can be increased. Replacement of only the capacitive bypass or only the (eg worn) rolling bearing is thus made possible, without having to exchange the other component with. Also, the capacitive bypass can be offered as an additional module for retrofitting.
  • shaft is not to be understood as meaning that it is a rotating machine element which transmits only torsional forces.
  • a shaft in the sense of the invention can be just as good an axle, rod, bolt or other component.
  • the decisive factor is that it is an arrangement in which an undesired voltage (interference voltage), referred to here as shaft voltage, occurs.
  • Fig. 1 a is a capacitive equivalent circuit diagram without bypass
  • Fig. 1b a capacitive equivalent circuit with bypass
  • Fig. 2a an axially integrated bypass
  • Fig. 2b is an axial separate bypass
  • Fig. 3a is a radially integrated bypass
  • Fig. 3b is a radial separate bypass
  • FIG. 1a shows a capacitive equivalent circuit diagram for a device without a bypass according to the invention.
  • the following (stray) capacitances are present: Between the motor winding 1 and the shaft 2, a capacitance is formed between the motor winding and the shaft Cw-w. Between the shaft and the housing, a capacitance between shaft and housing CW-G is formed. Between the two bearing shells of a rolling bearing 4 (not shown here), a capacity of the rolling bearing CWL is formed. Since the bearing shells are electrically conductive and conductively connected to the shaft on one side and the housing on the other side, the capacitance between shaft and housing CW-G is parallel to the capacity of the rolling bearing
  • FIGS. 2 a, 2 b, 3 a and 3 b show a shaft 2, which rotates in its own rotation about the axis of symmetry SYM.
  • a rolling bearing 4 - representative of other rotatable components, such.
  • gears, shown - mounted preferably the shaft pierces the roller bearing axially through the inner ring, with which it is mechanically and / or electrically connected.
  • the other side of the rolling bearing 4, in particular its outer ring is connected to a housing 3, which is grounded or has a connection to ground.
  • the capacitive bypass is arranged in the illustration in the gap between shaft 2 and housing 3. It forms a capacitance according to the principle of a plate capacitor.
  • the thereby effective plates or surfaces should have a substantially constant distance and area size during the rotational movement of the shaft 2, so that the rotation has no influence on the electrical, in particular the capacitive properties.
  • the two plates are realized in the various figures either by a tube 5 and a counter tube 5b or a disc 6 and a counter-disc 6b.
  • the tube 5 or the disc 6, which faces away from the shaft 2 must be electrically connected to the housing 3 or the mass.
  • the counter tube 5b or the counter disk 6b must be electrically connected to the shaft.
  • the capacitive bypass is formed by coaxial tubes.
  • This has two such tubes or tubular pieces with a conductive surface, which assume the functionality of both plates of the plate capacitor, in particular a tube 5 and a counter tube 5b.
  • the plates are not flat, but shaped according to the tube round.
  • Tube 5 and counter tube 5b engage each other here, to one of the two consequently has a smaller diameter, so that between the opposite surfaces (plates), push through one another, an air gap is formed, which separates the two plates from each other.
  • the two tubes or plates are aligned in the illustration parallel to the shaft.
  • one of the plates can also be formed by the shaft 2 itself, so that the counter tube 5b can be saved, since the shaft, if it is conductive and has a corresponding shape, can take over this function.
  • the air gap is then formed between the tube 5 and the shaft 2.
  • the capacitive bypass is formed by disks which extend in the radial direction to the shaft 2.
  • This has two such discs or annular pieces with a conductive surface, which take over the functionality of both plates of the plate capacitor, in particular a disc 6 and a counter-disc 6b.
  • the surfaces should be flat in this case, since they would otherwise have a variable distance when rotated against each other, which affects the capacity.
  • the disk 6 and the counter disk 6b rotate with each other at an axial distance by the rotation of the shaft. The axial distance creates an air gap, which separates the two plates (surfaces) from each other.
  • the two disks or surfaces are oriented orthogonally or radially to the shaft 2 in the illustration.
  • FIGS. 2 a and 3 a show an integrated roller bearing 4 b, i. H. the rolling bearing forms a structural unit or module with the capacitive bypass.
  • the parts of the capacitive bypass are mounted directly on the rolling bearing 4, so that an integrated rolling bearing 4b can be provided and delivered as a module.
  • FIGS. 2b and 3b show a separate (or stand-alone) capacitive bypass which is not mechanically connected directly to the roller bearing 4.
  • the tubes 5 or discs 6 have no direct mechanical connection with the roller bearing 4. Instead, they are electrically connected to the housing 3. prevented.
  • the optional counter tube 5b or counter disk 6b is electrically conductively connected to the shaft 2.

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Reduktion einer Wellenspannung (UW) an einer Welle bzw. einer Lagerspannung (UWL) zwischen einer Welle und einem Gehäuse. Dabei lagert ein Wälzlager die Welle gegenüber dem Gehäuse und weist dabei eine Kapazität des Wälzlagers (CWL) auf. Elektrisch parallel dazu liegt eine weitere Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (CW-G) durch die Anordnung von Welle und Gehäuse vor. Erfindungsgemäß wird eine zusätzliche Bypass-Kapazität (CBypass) ebenfalls elektrisch parallel dazu angeordnet.

Description

Kapazitiver Bypass zur Reduzierung elektrischer Wellenspannungen bzw. Lagerspannungen
Für die Lager eines Elektromotors sind neben der mechanischen Abnutzung durch Wellenrotation, elektrische Ströme, die über die Lager von der Motorwelle gegen Masse fließen ein weiterer Grund für Verschleiß. Spannungen einer gewissen Größenordnung können die Isolierungseigenschaften der Lagerschmierung überwinden, wobei Funken entstehen, die zu Lochfraß, geriffelter Oberfläche, Fusionskratern und schließlich zum vorzeitigen Versagen der Lager und des Motors führen können. Eine Lagerspannung, d. h. die Spannung zwischen beiden Lagerschalen korreliert dabei meist mit einer Wellenspannung, d. h. der Spannung zwischen der Welle und Masse.
Gleiches gilt neben den Lagern für andere Komponenten, wie Zahnräder, bei denen elektrische Entladungen Schäden hervorrufen können.
Bei der Lagerung eines Elektromotors können verschiedene Effekte auftreten, welche eine Spannung an einer Welle des Motors erzeugen können. Gemäß den Ausführungen aus„Antriebstechnik 37" (1998) Nr. 7, beschreibt der Artikel„Drehgeberschutz durch Einbau isolierter Kugellager" möglichen Ursachen dafür:
Asymmetrien im magnetischen Kreis zwischen Rotor und Stator während der Drehbewegung können unerwünschte magnetische Flüsse nach sich ziehen, die in der von Welle, Lager und Gehäuse gebildeten Schleife einen Strom induzieren.
Zwischen dem Stator und dem Rotor eines Elektromotors existiert eine kapazitive Kopplung. Die führt zu kapazitiv auf den Rotor übertragenen Strömen, die über die Lager nach Masse abfließen wollen. Dabei weisen Motoren, die mit sinusförmiger Wechselspannung versorgt werden, eine geringere Spannung zwischen Welle bzw. Lager und Motorgehäuse auf als Motoren, die von schnell schaltenden Antrieben mit variabler Frequenz (Frequenzumrichter) versorgt werden. Bei letzteren können diese Spannungen im Vergleich ein Vielfaches betragen. Fremdspannungen von unzureichend isolierten Maschinen können eine Potenzialdifferenz auf die Welle übertragen, deren resultierender Strom wieder gegen Masse abfließen will. Keil-, Zahnriemen und Schmierstoffe, die nicht antistatisch ausgestattet sind, können zu einer elektrostatischen Aufladung der Maschinenteile führen.
Axial durchsetzte Magnetfelder, insbesondere bei Maschinen mit Gleitlagern und mit Asymmetrien in der Wicklung, können zwischen Anfang und Ende der Lagerschalen einen Spannungsunterschied (Unipolar-Spannung) aufweisen.
Diese Auflistung wird nicht als abschließend erachtet.
Eine übliche Gegenmaßnahme ist die Erdung der Welle oder eine konstruktive Maß- nähme zum Kurzschluss der Lagerhälften, wie z. B. der Einsatz von leitenden Bürsten, um die Wellenspannung abzubauen. Weiterhin können leitfähige Dichtungen oder Schleifringe eingesetzt werden, die aber den Nachteil haben, dass sich über die Lebensdauer die Kontakteigenschaften verschlechtern können. Leitfähige Lagerfette o- der Öle basieren auf leitfähigen Zusatzstoffen, bei denen die Funktionsfähigkeit von deren Verteilung im Schmiermedium abhängt und somit nicht immer konstant gegeben ist.
Alternativ können auch, wie beschrieben, die Lagerhälften ausreichend stark voneinander isoliert werden, so dass ein Stromfluss unterdrückt wird.
Eine ganz andere Maßnahme sieht die EP1445850A1 vor. Hier erzeugt eine Kompensationsschaltung eine Kompensation des unerwünschten Lagerstroms. Dabei wird über einen künstlichen Sternpunkt, in dem die Spannungen der 3 Phasen eines Elektromotors bzw. Umrichters mittels Kondensatoren zusammen geschaltet werden, ein Referenzsignal für die Kompensation bereitgestellt. Eine entgegengerichtete Spannung wird dabei aus diesen Strömen über einen Umpol-Transformator erzeugt, die am Ende in einem Kompensationsstrom resultiert, der über einen Koppelkondensator auf die Welle eingespeist wird. Nachteilig an dieser Methode ist, dass lediglich die Spannungen der 3 Phasen als Eingangsparameter dienen, um den Kompensationsstrom bereit zu stellen. Das bedeutet, dass Streukapazitäten oder Lagerströme, die nicht im direkten Zusammen- hang mit dem Motor- oder Umrichterbetrieb entstehen, nicht berücksichtigt werden und damit für diese keine Kompensation stattfindet.
Außerdem ist ein gewisser Aufwand für die Kompensationsschaltung notwendig, welche weiterhin aus fehleranfälligen Bauteilen besteht
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine technische Lösung zu realisieren, die ohne eine Kompensationsschaltung und fehleranfällige Bauteile auskommt. Dabei sollen auch Einflüsse anderer Streukapazitäten vermindert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reduktion einer Wellenspannung (Uw) an einer Welle bzw. einer Lagerspannung (UWL) zwischen einer Welle und einem Gehäuse. Dabei lagert ein Wälzlager die Welle gegenüber dem Gehäuse und weist dabei eine Kapazität des Wälzlagers (CWL) auf. Elektrisch parallel dazu liegt eine weitere Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (Cw- G) durch die Anordnung von Welle und Gehäuse vor. Eine zusätzliche Bypass- Kapazität (Cßypass) ist ebenfalls elektrisch parallel dazu angeordnet.
Vorteilhafterweise können dabei unerwünschte Effekte, die von einer zu kleinen Gesamtkapazität ausgehen, verringert oder vermieden werden. Insbesondere eine Wel- lenspannung bzw. Lagerspannung und ein daraus möglicherweise resultierender zerstörerischer Lagerstrom kann dadurch reduziert werden. Dabei ist die Ursache vorteilhafterweise unerheblich.
Während herkömmliche Verfahren zum Kurzschließen der Welle mit dem Gehäuse zu einer mechanischen Widerstandserhöhung, z. B. durch die Reibung der Bürsten, führen, so ist dies bei dem vorgeschlagenen kapazitiven Bypass nicht der Fall. Dies wird durch eine zusätzliche Kapazität, die durch einen kapazitiven Bypass konstruktiv realisiert wird, umgesetzt. Diese zusätzliche Kapazität ist die Bypass-Kapazität
(CBypass). Auch eine aufwändige und fehleranfällige Kompensationsschaltung mit mehreren Bauteilen kann so entfallen.
Die Wellenspannung (Uw) entspricht üblicherweise der Spannung, die die Welle gegenüber dem Gehäuse oder Masse aufweist. Die Lagerspannung (UWL) ist die Span- nung, die zwischen den beiden Lagerschalen bzw. -ringen abfällt. Wenn der innere Ring elektrisch leitend mit der Welle und der äußere mit dem Gehäuse (bzw. deren Potenzialen) verbunden ist, so sind Wellenspannung und Lagerspannung identisch.
Die Gesamtkapazität ergibt sich hierbei aus der Summe der Kapazität des Wälzlagers (CWL), der Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (CW-G) und der ggf. vorhandenen Bypass-Kapazität (CBypass). Diese Kapazitäten sind im Ersatzschaltbild parallel geschaltet.
In einer erweiterten Ausführungsform ist eine Motorwicklung mit der Welle mecha- nisch, jedoch elektrisch isoliert verbunden. Zwischen Motorwicklung und Welle bildet sich die Kapazität zwischen einer Motorwicklung und Welle (Cw-w) aus.
Die Kapazität zwischen einer Motorwicklung und Welle (Cw-w) bildet mit der in Reihe geschalteten Gesamtkapazität einen kapazitiven Spannungsteiler. Die Motorwicklung kann die elektrische Wicklung (Spule) eines Stators oder Rotors sein. Auch kann die Wicklung anstelle der eines Motors die eines Generators sein.
Anstatt dem Wälzlager kann auch eine andere Komponente, die Schaden durch die Wellenspannung nehmen kann, vorliegen. Neben Wälzlagern gilt dies z. B. auch für Zahnräder, welche auf der Welle montiert sein können und im Eingreifen mit einem anderen mit dem Gehäuse montierten Zahnrad ähnliche Übergangseigenschaften (Schmierfilm mit elektrischem Widerstand) und damit Problematiken wie ein Wälzlager aufweisen können. Die Kapazität des Wälzlagers (CWL), die Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (Cw- G) und eine Kapazität zwischen Motorwicklung und Welle (Cw-w) werden hierbei als unerwünschte Streukapazitäten angesehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bypass-Kapazität (Cßypass) so dimensioniert, dass die Wellenspannung (Uw) bzw. Lagerspannung (UWL) einen Schwellwert nicht überschreitet. Vorteilhafterweise kann durch Beachten dieses Schwellwerts eine Schädigung des Wälzlagers bzw. an der Welle montierter Komponenten vermieden werden. Weiterhin muss dadurch die Größe der Bypass-Kapazität (Cbypass) nicht unnötigerweise über ein notwendiges Maß hinaus gewählt werden, was einen unnötigen Aufwand zur Folge hätte.
Dadurch, dass die Kapazität des Wälzlagers (CWL), die Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (CW-G) und die Kapazität zwischen Motorwicklung und Welle (Cw-w) bekannt sind bzw. vorab einmalig gemessen werden können, lässt sich die notwendige Bypass-Kapazität berechnen, wenn der Spannungsabfall zwischen Motorwicklung und Welle (Uw-w), sowie die maximal zulässige Wellenspannung (Uw) bzw. Lagerspannung (UWL) bekannt sind.
Dies erfolgt gemäß einer Formel, die sich aus dem kapazitiven Spannungsteilerverhältnis herleiten lässt:
Kapazitiver Spannungsteiler: UWL / Uw-w = Cw-w / (CwL+Cw-G+Cßypass) aufgelöst nach der Lagerspannung: UWL = Cw-w / (CwL+Cw-G+Cßypass) * Uw-w Die maximal zulässige Lagerspannung (und damit der Schwellwert) ergibt sich meist so, dass bei dieser noch keine zerstörerischen, d. h. abrasiven Entladungen stattfinden. Dabei sind die Spannungsspitzen zu berücksichtigen, die z. B. durch den Gleichtaktstrom eines Frequenzumrichters erzeugt werden. Gleiches gilt für eine Wellenspannung (Uw).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bypass-Kapazität (Cßypass) durch eine konstruktiv eigenständige Maßnahme erzeugt.
Vorteilhafterweise kann dadurch die Bypass-Kapazität willentlich und nicht nur zufällig bereitgestellt werden. Das bedeutet, dass eine konstruktive Maßnahme durchgeführt wird, die ohne den
Wunsch der Erhöhung der Bypass-Kapazität (Cßypass) keinen Sinn machen würde oder keinen anderen (primären) Zweck hat.
Beispiele solcher konstruktiver Maßnahmen:
Die Ausgestaltung der Form der Welle und/oder des Gehäuses oder die Lage zueinander, so dass die Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (CW-G) erhöht wird, wobei der Anteil der Erhöhung der Bypass-Kapazität (Cßypass) entspricht. Die Welle kann z. B. eine Verdickung aufweisen, so dass der Abstand zum Gehäuse verringert wird und der dazwischen befindliche Luftspalt verkleinert wird, was gemäß dem Prinzip eines Plattenkondensators zu einer Kapazitätserhöhung führt.
Verwendung eines breiteren Lagers ohne dass dafür eine mechanische Notwendigkeit besteht, so dass die Flächen der Lagerschalen gegeneinander vergrößert werden, was gemäß dem Prinzip eines Plattenkondensators zu einer Kapazitätserhöhung führt.
Einbau eines eigenständigen kapazitiven Bauteils, wie im Folgenden beschrieben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bypass-Kapazität (Cßypass) durch ein eigenständiges Bauteil bzw. Bauteilgruppe bereitgestellt. Vorteilhafterweise kann durch die Bereitstellung des kapazitiven Bypass als eigenständiges Bauteil eine einfachere Montage, Nachrüstbarkeit oder Wartbarkeit bewirkt werden. Eigenständig bedeutet vorliegend, dass das eigenständige Bauteil primär oder ausschließlich dem Zweck der Bereitstellung der Bypass-Kapazität dient. Als solches Bauteil scheiden daher z. B. das Gehäuse 3, die Welle 2 und das Wälzlager 4 selbst aus. Je nach Verwendung der Begrifflichkeit kann von einem Bauteil oder einer Bauteilgruppe die Rede sein. Ein Plattenkondensator beispielsweise kann als ein Bauteil aufgefasst werden oder als Bauteilgruppe mit beiden Platten als Bauteile.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Teil des eigenständigen Bauteils bzw. Bauteilgruppe eine elektrisch leitende Verbindung mit der Welle und ein anderer Teil mit dem Gehäuse auf.
Vorteilhafterweise bildet die elektrisch leitende Verbindung eines separaten Bauteils mit einer Bypass-Kapazität (Cßypass) eine Möglichkeit für eine Parallelschaltung zur Kapazität des Wälzlagers (CWL) und der Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (Cw-
G).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bypass-Kapazität (Cßypass) durch eine Anordnung koaxialer Rohre bereitgestellt.
Vorteilhafterweise kann so eine Bypass-Kapazität durch eine konkrete konstruktive Maßnahme, nämlich der Anordnung zweier Rohre, erzeugt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bypass-Kapazität (Cßypass) durch eine Anordnung radial ausgerichteter Scheiben 6 bereitgestellt. Vorteilhafterweise kann so eine Bypass-Kapazität durch eine konkrete konstruktive Maßnahme, nämlich der Anordnung zweier radial ausgerichteter Scheiben, erzeugt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Bauteil bzw. die Bauteilgruppe mit dem Wälzlager 4 verbunden.
Vorteilhafterweise wird damit ein Modul (integriertes Wälzlager) bereitgestellt, das als solches separat vertrieben werden kann und/oder eine vereinfachte Montage ermög- licht. Weiterhin muss kein extra Montageschritt für das Montieren des kapazitiven Bypass ausgeführt werden, sondern dies geschieht bei der Montage des integrierten Wälzlagers automatisch.
In einer erweiterten Ausführungsform ist der kapazitive Bypass oder Teile davon als Dichtung des Wälzlagers oder als Dichtung im Wälzlager integriert.
In einer alternativen Ausführungsform ist der kapazitive Bypass vom Wälzlager mechanisch getrennt, d. h. nicht verbunden. Das Bauteil bzw. die Baugruppe des kapazitiven Bypass wird dann z. B. direkt mit der Welle und dem Gehäuse und nicht mit dem Wälzlager mechanisch verbunden.
Vorteilhafterweise kann durch die separate, d. h. vom Wälzlager unabhängige Anbringung des kapazitiven Bypass die Wartbarkeit erhöht werden. Ein Austauschen lediglich des kapazitiven Bypass oder nur des (z. B. abgenutzten) Wälzlagers wird somit ermöglicht, ohne die jeweils andere Komponente mit austauschen zu müssen. Auch kann der kapazitive Bypass als Zusatzmodul zur Nachrüstung angeboten werden.
Der Begriff Welle ist nicht exakt dahin gehend zu verstehen, dass es sich um ein rotierendes Maschinenelement handelt, welches nur Torsionskräfte überträgt. Eine Welle im erfindungsgemäßen Sinne kann genau so gut eine Achse, Stange, Bolzen oder ein anderes Bauteil sein. Entscheidend ist, dass es eine Anordnung ist, in der eine unerwünschte Spannung (Störspannung), hier als Wellenspannung bezeichnet, auftritt. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 a ein kapazitives Ersatzschaltbild ohne Bypass
Fig. 1 b ein kapazitives Ersatzschaltbild mit Bypass
Fig. 2a einen axial integrierten Bypass
Fig. 2b einen axialer separaten Bypass
Fig. 3a einen radial integrierten Bypass
Fig. 3b einen radialen separaten Bypass
Figur 1 a zeigt ein kapazitives Ersatzschaltbild für eine Vorrichtung ohne einen erfindungsgemäßen Bypass. Dabei sind folgende (Streu-)kapazitäten vorhanden: Zwischen der Motorwicklung 1 und der Welle 2 bildet sich eine Kapazität zwischen Motorwicklung und Welle Cw-w aus. Zwischen der Welle und dem Gehäuse bildet sich eine Kapazität zwischen Welle und Gehäuse CW-G aus. Zwischen den beiden Lagerschalen eines Wälzlagers 4 (hier nicht dargestellt), bildet sich eine Kapazität des Wälzlagers CWL aus. Da die Lagerschalen elektrisch leitend und mit der Welle auf der einen und dem Gehäuse auf der anderen Seite leitend verbunden sind, existiert die Kapazität zwischen Welle und Gehäuse CW-G parallel zur Kapazität des Wälzlagers
In dieser Anordnung beschreibt sich die Formel des kapazitiven Spannungsteilers wie folgt: UWL / Uw-w = Cw-w / (CWL + CW-G). Aufgelöst nach UWL ergibt sich UWL = (Cw-w /
Figure imgf000011_0001
Beispielhaft können daraus z. B. folgende Spannungen resultieren: Aus einer Gleichtaktspannung UCM des Motors bzw. Frequenzumrichters von 400 V, einem Span- nungsabfall zwischen Motorwicklung und Welle Uw-w von 360 V resultiert durch Differenzbildung eine Wellenspannug Uw von 40 V. ln Figur 1 b wird das kapazitive Ersatzschaltbild der Figur 1 a durch die erfindungsgemäße Schaltung mit Bypass wie folgt erweitert: Eine zusätzliche Kapazität, nämlich die Bypass-Kapazität Cßypass wird konstruktiv so in das System eingebracht, dass sie elektrisch parallel zu den vorhandenen Kapazitäten gemäß der Darstellung im Ersatz- Schaltbild wirkt. Aus dem bereits beschriebenen kapazitiven Spannungsteilerverhältnis ergibt sich die neue, geringere Wellenspannung Uw bzw. Lagerspannung UWL, die durch Hinzufügen der Bypass-Kapazität Cßypass entsteht. Die Bypass-Kapazität Cßypass ist in der Darstellung zwischen der Welle 2 und dem Gehäuse 3 bzw. Masse wirksam. Die Figuren 2a, 2b, 3a und 3b zeigen eine Welle 2, die sich bei Eigenrotation um die Symmetrieachse SYM dreht. An die Welle 2 ist ein Wälzlager 4 - stellvertretend für andere drehbare Komponenten, wie z. B. Zahnräder, dargestellt - montiert, bevorzugt durchstößt die Welle dabei das Wälzlager axial durch dessen inneren Ring, mit dem es mechanisch und/oder elektrisch verbunden ist. Die andere Seite des Wälzlagers 4, insbesondere dessen äußerer Ring ist mit einem Gehäuse 3 verbunden, welches geerdet ist oder eine Verbindung zu Masse hat.
Der kapazitive Bypass ist in der Darstellung im Spalt zwischen Welle 2 und Gehäuse 3 angeordnet. Er bildet dabei eine Kapazität gemäß dem Prinzip eines Plattenkonden- sators aus. Die dabei wirksamen Platten bzw. Flächen sollten bei der Drehbewegung der Welle 2 einen im Wesentlichen konstanten Abstand und Flächengröße aufweisen, damit die Drehung keinen Einfluss auf die elektrischen, insbesondere die kapazitiven Eigenschaften hat. Die beiden Platten werden in den verschiedenen Figuren entweder durch ein Rohr 5 und ein Gegenrohr 5b oder eine Scheibe 6 und eine Gegenscheibe 6b realisiert.
Für den erfindungsgemäßen Zweck muss das Rohr 5 bzw. die Scheibe 6, die der Welle 2 abgewandt ist, mit dem Gehäuse 3 bzw. der Masse elektrisch verbunden sein. Das Gegenrohr 5b bzw. die Gegenscheibe 6b muss mit der Welle elektrisch verbunden sein. Dadurch wird die Parallelschaltung der Bypass-Kapazität Cßypass umgesetzt.
In Figur 2a und 2b ist der kapazitive Bypass durch koaxiale Rohre ausgebildet. Dieser weist zwei solcher Rohre bzw. rohrförmiger Stücke mit leitender Fläche auf, welche die Funktionalität beider Platten des Plattenkondensators übernehmen, im Speziellen ein Rohr 5 und ein Gegenrohr 5b. Die Platten sind hierbei nicht eben, sondern entsprechend dem Rohr rund geformt. Rohr 5 und Gegenrohr 5b greifen hierbei ineinander, dazu weist eines der beiden folglich einen kleineren Durchmesser auf, so dass zwischen den gegenüberliegenden Flächen (Platten), durch das ineinander schieben, ein Luftspalt entsteht, der die beiden Platten voneinander trennt. Die beiden Rohre bzw. Platten sind in der Darstellung parallel zur Welle ausgerichtet sein.
Alternativ kann die Funktionalität einer der Platten auch durch die Welle 2 selbst ge- bildet werden, so dass das Gegenrohr 5b eingespart werden kann, da die Welle, sofern sie leitend ist und eine entsprechende Form aufweist, diese Funktion übernehmen kann. Der Luftspalt wird dann zwischen dem Rohr 5 und der Welle 2 ausgebildet.
In den Figuren 3a und 3b ist der kapazitive Bypass durch Scheiben ausgebildet, die sich in radialer Richtung zur Welle 2 erstrecken. Dieser weist zwei solcher Scheiben bzw. ringförmiger Stücke mit leitender Fläche auf, welche die Funktionalität beider Platten des Plattenkondensators übernehmen, im Speziellen eine Scheibe 6 und eine Gegenscheibe 6b. Die Flächen sollten hierbei eben sein, da sie bei Drehung gegeneinander ansonsten einen variablen Abstand aufweisen würden, der die Kapazität be- einflusst. Die Scheibe 6 und Gegenscheibe 6b drehen sich hierbei mit axialem Abstand durch die Drehung der Welle gegeneinander. Durch den axialen Abstand entsteht ein Luftspalt, der die beiden Platten (Flächen) voneinander trennt. Die beiden Scheiben bzw. Flächen sind in der Darstellung orthogonal bzw. radial zur Welle 2 ausgerichtet.
In den Figuren 2a und 3a ist ein integriertes Wälzlager 4b dargestellt, d. h. das Wälzlager bildet dabei mit dem kapazitiven Bypass eine bauliche Einheit bzw. Modul. Dabei sind die Teile des kapazitiven Bypass direkt am Wälzlager 4 montiert, so dass ein integriertes Wälzlager 4b als Modul bereitgestellt und geliefert werden kann.
In den Figuren 2b und 3b ist im Gegensatz dazu ein separater (bzw. stand-alone) kapazitiver Bypass dargestellt, der nicht mit dem Wälzlager 4 direkt mechanisch verbunden ist. Dabei haben die Rohre 5 bzw. Scheiben 6 keine direkte mechanische Verbindung mit dem Wälzlager 4. Stattdessen sind sie, elektrisch mit dem Gehäuse 3 ver- bunden. Das optionale Gegenrohr 5b bzw. Gegenscheibe 6b ist mit der Welle 2 elektrisch leitend verbunden.
Bezugszeichenliste
1 Motorwicklung
2 Welle
3 Gehäuse
4 Wälzlager
4b integriertes Wälzlager
5 koaxiales Rohr
5b Gegenrohr
6 radiale Scheibe
6b Gegenscheibe
Cw-w Kapazität zwischen Motorwicklung und Welle CWL Kapazität des Wälzlagers
CW-G Kapazität zwischen Welle und Gehäuse CBypassBypass-Kapazität
SYM Symmetrieachse

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Reduktion einer Wellenspannung (Uw) an einer Welle (2) bzw. einer Lagerspannung (UWL) zwischen einer Welle (2) und einem Gehäuse (3), wobei ein Wälzlager (4) die Welle (2) gegenüber dem Gehäuse (3) lagert und dabei eine Kapazität des Wälzlagers (CWL) aufweist,
während elektrisch parallel dazu eine weitere Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (CW-G) durch die Anordnung von Welle (2) und Gehäuse (3) vorliegt,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine zusätzliche Bypass-Kapazität (Cßypass) ebenfalls elektrisch parallel dazu angeordnet ist.
2. Vorrichtung zur Reduktion einer Wellenspannung (Uw), bzw. einer Lagerspannung (UWL), nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Kapazität (Cßypass) so dimensioniert ist, dass die Wellenspannung (Uw), bzw. Lagerspannung (UWL) einen Schwellwert nicht überschreitet.
3. Vorrichtung zur Reduktion einer Wellenspannung (Uw), bzw. einer Lagerspannung (UWL), nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Kapazität (Cßypass) durch eine konstruktiv eigenständige Maßnahme erzeugt wird.
4. Vorrichtung zur Reduktion einer Wellenspannung (Uw), bzw. einer Lagerspannung (UWL), nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Kapazität (Cßypass) durch ein eigenständiges Bauteil bzw. Bauteilgruppe bereitgestellt wird.
5. Vorrichtung zur Reduktion einer Wellenspannung (Uw), bzw. einer Lagerspannung (UWL), nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Teil des eigenständigen Bauteils bzw. Bauteilgruppe eine elektrisch leitende Verbindung mit der Welle (2) und ein anderer Teil m it dem Gehäuse (3) aufweist.
6. Vorrichtung zur Reduktion einer Wellenspannung (Uw), bzw. einer Lagerspannung (UWL), nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Kapazität (Cßypass) durch eine Anordnung koaxialer Rohre (5) bereitgestellt wird.
7. Vorrichtung zur Reduktion einer Wellenspannung (Uw), bzw. einer Lagerspannung (UWL), nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Kapazität (Cßypass) durch eine Anordnung radial ausgerichteter Scheiben (6) bereitgestellt wird.
8. Vorrichtung zur Reduktion einer Wellenspannung (Uw), bzw. einer Lagerspannung (UWL), nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bzw. die Bauteilgruppe mit dem Wälzlager (4) verbunden ist.
9. Verfahren zur Reduktion einer Wellenspannung (Uw) an einer Welle (2), bzw. einer Lagerspannung (UWL) zwischen einer Welle (2) und einem Gehäuse (3), wobei ein Wälzlager (4) die Welle (2) gegenüber dem Gehäuse (3) lagert und dabei eine Kapazität des Wälzlagers (CWL) aufweist,
während elektrisch parallel dazu eine weitere Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (CW-G) durch die Anordnung von Welle (2) und Gehäuse (3) vorliegt,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine zusätzliche Bypass-Kapazität (Cßypass) ebenfalls elektrisch parallel dazu erzeugt wird.
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