CN205081635U - 用于减小和/或避免电机中的有害的轴承电流的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于减小和/或避免电机中的有害的轴承电流的装置，例如优选三相EC电机(M)，该电机具有转子(2)和绝缘构造的定子(3)，其中在转子(2)和定子(3)之间设有至少一个轴承外环(4a)和一个轴承内环(4b)，该装置包括用于连接电机(M)的接口电子装置(10)，其中该定子(3)通过电气连接(20)在接口电子装置(10)的电位分接头(20a)上与电子装置电位(11)连接，该电子装置电位在高频相对于接地电位(U_E)不同并且相对于接地电位稳定。该装置能够保护轴承不产生不期望的轴承电流。

Description

用于减小和/或避免电机中的有害的轴承电流的装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于减少并且特别是避免电机、例如EC(电子换向)电机中的有害的轴承电流的装置，以及配备有这种装置的电机。

背景技术

能够改变转数的电机如今主要由中间电路变频器电压供电。然而，中间电路变频器电压的供电导致电机轴承中的轴承电流。

这种通过轴承的电流在具有滚动轴承和滑动轴承的电机中可能导致损坏甚至完全故障。在电源运行中可能出现所谓的轴电压，该轴电压在导体回路中感应产生，该导体回路由轴、两个轴承、轴承盖和外壳构成。

在文献中大量描述了轴电压的背景和物理原因。简单地说，由于磁路的不对称性而在电机内部产生相加不为“零”的磁流，该磁流引起所述的磁性环流。

为了生成所需的电流形式，应用逆变器电路(逆变器Inverter)，该逆变器电路借助位于中间的PWM在EC电机上施加有电压，从而调整为希望的电流形式。该逆变器在此通常以可听区域以外的开关频率(＞16kHz)工作。

当由脉冲逆变器对电机供电时形成第二种轴承电负荷，即电容耦合的轴承电压。通过逆变器的接通脉冲模式在逆变器的输出端获得相对于接地电压以逆变器的开关频率改变的共模电压(commonmodevoltage)。该共模电压通过电容的耦合电网也传递到轴承上。这种轴承电压的物理原因是逆变器输出端上的电压变化(其通过快速的开关过程而形成)以及脉冲逆变器的调节过程(该过程与共模电压commonmodevoltage直接相关)。

由此在轴承内环和轴承外环以及在绝缘油膜上移动的轴承球体之间形成电压，其中在轴承内环和轴承外环之间的油膜在电学上可以看作为电容。如果此时由于油膜的绝缘强度不够或者由于过高的轴承电压而产生绝缘体的击穿，那么油膜电容就进行放电并且在轴承内环和轴承外环之间形成轴承载体的平衡(放电加工，electricdischargemachining)。

根据电机的不同设计，这种轴承电流可能导致轴承提前发生故障，这导致在轴承工作面上形成沟槽并且导致轴承润滑脂的分解。

作为补救，过去为此采用电流绝缘的轴承，例如在外环上具有陶瓷绝缘体的轴承或者具有陶瓷滚动体的混合轴承。然而，因为这种轴承非常昂贵，所以这种解决方案不能以理想的方式适合于批量生产。

由现有技术已知其它的补救措施。文献EP1445850A1或DE102004016738B3教导了使用一种用于保护电机轴承的装置，该装置设有用于形成对通过轴承的干扰电流进行补偿的补偿电流的补偿电路或补偿装置。

一个替换的解决方案通过轴承环之间的有针对性的短路而实现。US20080088187A1例如教导了在转子和定子之间设置连接并且在转子和定子之间通过弹簧实现短路。为此还已知这样的替换方案，其中在轴承之间采用旁路部件(例如旁路电容器)。

在此的缺陷特别在于，定子和转子相互导电连接。因此必须增强线圈和定子之间所必需的绝缘。此外在滑动触点上产生磨损，并且额外的旁路部件还导致额外的费用。

另一个已知的措施在于对轴的绝缘和对定子的包封。通过在轴和定子之间额外的绝缘层而减少了绝缘层上的一部分轴承电压。这里的缺陷在于，产生的轴承电压仍然可能足够的高以至于导致不希望的轴承电流。

例如由US2011/0234026A1已知一种例如轴承盖的阻抗匹配的解决方案，该解决方案仅适合于设置有完全导电的轴承盖的实施方式。

由S.Schroth、D.Bortis、J.W.Kolar所著的公开文献“ImpactofStatorGroundinginLowPowerSingle-PhaseECMotors，Proceedingsofthe29^thAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition(APEC2014)，Texas，Houston，USA，March16-20，2014)”已知一种解决方案，其中定子构造为绝缘并且定子以电容的方式连接在接地电位上。在此的问题在于，因为同时减小了相对于接地电压的阻抗，所以定子在接地电位上的连接对EMV滤波器的滤波性能具有影响并且造成EMV性能明显变差。这导致明显增大的滤波容量。这意味着，在各情况下必须对电机分别进行调整，因而这种解决方案同样不能够广泛应用。

实用新型内容

因此本实用新型的目的在于，提供一种解决方案，通过该解决方案能够有效地减少或者完全避免不期望的轴承电流，其中不会出现前述的缺陷并且能够广泛应用。

借助一种用于避免电机中的有害轴承电流的、具有技术方案1特征的装置以及一种具有技术方案1特征的电机来实现该目的。

本实用新型的基本构思在于，通过将定子连接到在高频相对于接地电位稳定的电位、优选为电子装置电位来保护轴承不产生不期望的轴承电流，其中，或者直接作为短路连接而进行连接，或者替换性地通过电容或阻抗进行连接，由此，通过引入的阻抗同时确保了对于防接触保护所需的绝缘路线。

因此，定子通过任意的阻抗电连接到稳定的电子装置电位可以以电阻的方式、电感的方式、电容的方式或者通过结合整个电源结构的方式来实现。

为了实现电机的转数变化的运行，通过变频器以相应高的时钟频率对电机供电。具有直流电压中间电路的典型变流器(也称为U变频器)通常由整流器、具有恒定电压的中间电路和逆变器构成，其中由恒定的中间电路电压形成三相的电压系统。中间电路电压通过整流器和/或EMV滤波器而与接地电位相关联。由于脉冲而在接地电位和电机线路之间形成电压，该电压对应于中间电路电压的一半(±U_ZK/2)。该电压在所有三个线路中形成为相同相位的共模电压(commonmodevoltage)。

根据本实用新型，前述的电子装置的稳定电位(定子与该电位电连接)是不同于接地电位的、优选为U变频器的滤波后的电位。因此，可以与中间电路的中间电路电位DC+、电子装置的外壳电位或DC-、整流器电路的整流器之前或之后的电位、EMV滤波器的电位相连接，或者替换性地也与低压供电或开关电源部件的输出电位相连接。

因此，根据本实用新型提出一种用于减少和/或避免电机中的有害的轴承电流的装置，该电机具有转子和绝缘构造的定子，其中在转子和定子之间设有至少一个轴承外环和轴承内环，所述装置包括用于连接电机的接口电子装置，其中定子通过电气连接在接口电子装置的电位分接头上与电子装置电位连接，所述电子装置电位在高频相对于接地电位不同且相对于接地电位稳定的。

在本实用新型的一个优选的实施方式中设置成所述电机是三相电子换向电机。在定子和电子装置电位之间，通过连接在中间的电容或者通过连接在中间的任意的阻抗形成电连接。

替换性地可以设置成，在定子和电子装置电位之间的电连接形成为电学短路连接。因此，在电机运行过程中定子直接处于电子装置电位上。

在根据本实用新型的装置的另一个有利的实施方式中设置成，接口电子装置至少包括整流器、中间电路和逆变器，并且用于连接定子的电位分接头在接口电子装置中这样设置或布置：即，连接到定子的电子装置电位对应于下述电位中的一个：

-中间电路的电位，优选中间电路正电位(DC+)

-中间电路15的外壳电位，

-中间电路15的中间接口15’的电位或者

-中间电路负电位(DC-)。

替换性地用于使定子和电子装置电位相连接的电位分接头也可以是紧接在整流器之前或之后的接口。在这种情况下，在本实用新型的一个扩展方案中可以设置成，在轴承电压的频率范围内减小阻抗的电网与整流器的一个、多个或所有二极管并联相连接。

在本实用新型的另一个替换方案中，接口电子装置在输入侧还具有EMV滤波器，并且用于定子的电位分接头是EMV滤波器内部的接口。

另外，替换性地可以设置成，如果将接口电子装置连接在低压供电器或者开关电源部件上，那么用于定子的电位分接头设置成在低压供电器或开关电源部件的输出端上的接口。

本实用新型的另一方面涉及一种电机，优选为EC电机，该电机设置有如前所述的装置。

附图说明

本实用新型的其它有利的扩展方案在从属权利要求中标出并且接下来根据附图结合本实用新型优选设计的描述详细说明。

其中：

图1示出了当定子连接在电子装置电位上时的整个系统的视图，

图2示出了电容型电网的模型，

图3示出了寄生轴承电容的等效电路图和轴承电流的主要电流路径，

图4示出了当定子与使接地电流随之改变流向的寄生轴承电容相连时的等效电路图，

图5示出了根据图3的设计用于测定轴承电压的示意性的简化等效电路图，

图6示出了共模电压和轴承电压的测量曲线比较(不连接定子和连接有定子)，

图7示出了根据本实用新型的装置的一个替换实施方式，

图8示出了根据本实用新型的装置以第二变体的另一个替换实施方式，

图9示出了根据本实用新型的装置以第二变体的第二替换实施方式，

图10示出了根据本实用新型的装置以第二变体的第三替换实施方式，

图11示出了根据本实用新型的装置以第二变体的第四替换实施方式，

图12示出了根据本实用新型的装置以第三变体的另一替换实施方式，

图13示出了根据本实用新型的装置以第三变体的其它替换实施方式。

具体实施方式

接下来根据优选的实施例参照附图1至13描述本实用新型，其中相同的附图标记表示相同功能和/或结构的特征。

图1中示出了整个系统的一个实施例，其中示出了用于减小和/或避免三相供电EC电机M中的有害的轴承电流。在图中仅示意性示出，电机M设有转子2和绝缘构造的定子3。

装置1包括(如图1中可见)用于连接电机M的接口电子装置10，该接口电子装置具有整流器14、中间电路15和逆变器16以及输入侧具有EMV滤波器17。同样在图1中可以看出，定子3通过电气连接20与逆变器16上的电位分接头20a相连。

为了阐述根据本实用新型的装置的工作原理，接下来通过图2示出了3相逆变器16的模型以及寄生电容的电容型电网模型。

中间电路15的中间电路电压DC+、DC-连接在逆变器16的接口侧(如图1中所示)。施加在电机上的电压用u_u、u_v和u_w表示，而半桥用简化的半桥符号表示。

由逆变器16施加在电机上的电压分成共模部分(u_CM)和差模部分(u_DM)。共模部分由逆变器的半桥提供的电压的平均值构成。差模部分分别由开关上的电压和共模电压之间的差值构成。

图3中示出寄生轴承电容的等效电路图，其具有通过电机M轴承架的轴承电流的主要电流路径。转子2相对于定子3能够通过轴承外环4a(定子侧)和轴承内环4b(转子侧)旋转。

在一个简化图示的模型中，在系统中产生至少在图3中详细示出的电容。由于定子组的线圈具有较小间隔，因而在系统中产生线圈-定子-电容C_WS。此外通过电机的线圈头还分别产生线圈-转子-电容C_WR。

在转子和定子之间具有转子-定子-电容C_RS，该转子-定子-电容与圆柱形电容器的电容相当。在定子3和接地电压之间以及在转子2和接地电压之间分别产生寄生的电容。铁轭与外壳盖或电路的电容耦合导致寄生的定子-接地电容C_SE，而寄生的转子-接地电容C_RE通常由转子上的设备(例如金属翼轮)引起。在轴承外环4a和轴承内环4b之间的轴承电容用C_Lager表示。

C_WS/C_WR-星形电路的星形接点电位的变化仅能够通过共模电压的变化而生成，该共模电压由逆变器16提供。

通过线圈和转子2间的电容以及线圈和定子3间的电容(C_WS和C_WR)的对称星形电路使得仅在线圈之间的电压的差模部分不会引起星形接点电位的变化。因此不会将差模电压传输至电网的其它电容中。

为了形成电容型电网的共模电流，另外要求闭合的电流路径。通过逆变器16经Y电容、EMV滤波器或电源设备连接在接地电压的接地电位U_E上，生成该闭合的电流路径。因此，该形成的共模电流从逆变器16经电容型电网流向接地电压，并且从接地电压经滤波器构件和电源重新流回逆变器16。

在此在图3中用i_EDM表示的电流形成为最大的部分，该电流流经定子3、流经轴承外环4a和轴承内环4b到达转子2以及随后到达接地电压(在图3中作为虚线的箭头线示出)。

由于电容的不同大小(C_WS明显大于电容C_WR)，因此共模电流主要流经电容C_WS并且在这种电路结构的情况下流经轴承外环和轴承内环4a、4b。

转子2上的额外设备越大，那么相对于接地电压的转子电位越低以及轴承电压越低。然而，对于有害的轴承电压来说，只有相对于接地电位U_E的电压变化ΔU是重要的。

图4中示出了本实用新型的寄生的轴承电容的等效电路图，其中在逆变器16的电位分接头20a上通过阻抗Z连接定子3。这里在电机M的运行过程中具有中间电路正电位DC+。由此确保了：定子3的电位相对于接地电位U_E针对高频率保持恒定，并且电流i的主要部分不经过轴承(即轴承外环4a和轴承内环4b)而是直接再次流回到中间电路电位。

如果能够忽略针对高频轴承电流的阻抗Z并且在定子3和电位分接头20a之间的连接20形成短路，那么定子3的电位也可以最大程度地随电源频率而不再随逆变器16的频率变化。以这种方式形成的(简化的)等效电路图由图5示出。

由于电容的大小不同(C_WS明显大于电容C_WR)因此增大了整个线路的阻抗并且降低了轴承电压。此时并联于轴承的寄生电容C_RE进一步减小了轴承电压，由此通过该装置能够实现轴承电压的明显减小。

通过定子3与中间电路正电位DC+的连接明显减少了流到接地电压的高频电流的份额。这具有另一个优势，即，在根据本实用新型的解决方案中没有提高EMV滤波器的容量。

在图6中示出了共模电压和轴承电压的进行比较的测量曲线。上方的图示出了没有连接定子3的情况，并且下方的图示出了根据本实用新型的具有定子3和中间电路正电位DC+之间的电气连接20的实施方式。

在上方的图中虚线示出了具有脉冲的共模电压部分U_CM并且实线示出了轴承电压U_b。特别是在50us的区域中可以看出轴承电压的显著的电压突破。

在图6的下方图中可以看出绝缘构造情况下的定子3，通过该定子连接到电子装置电位显著减小了施加在轴承上的轴承电压u_b的幅度，并且在轴承上没有发生轴承电压的击穿。

在图7至13中根据两个其它的主要变体示出了本实用新型的替换实施方式。(在先示出的)第一变体涉及定子3连接到中间电路电位的电位分接头20a上。图7中示出了一个解决方案，其中定子3不是与中间电路正电位实现连接，而是与中间电路负电位DC-实现连接。由于对于轴承电压来说只有共模过程是决定性的，所以在连接到中间电路14的DC-情况下可能出现的轴承电流能够流经被中间电路电容器C_DC。

中间电路电容器C_DC相对于电机的寄生电容具有明显更高的电容量并且能够简化地形成为短路。由此获得与电子装置接地线的直接连接，并且定子3的电位在高的频率下相对于接地电压能够保持恒定。

第二变体涉及另一个以任意方式适合的连接线路，该连接线路处于中间电路的电位上，例如在图8中所示的在中间电路15的中间接口上的电位分接头20a。

第三变体涉及一个适合的连接线路，该连接线路处于接口电子装置10的一个不同于中间电路电位的电位上，例如在图9的两个图中所示，在该连接线路中电位分接头20a位于整流器14之前。因此，例如在应用Y电容器的情况下也能够连接在整流器14的AC侧。这种设置满足定子3根据实际施加在整流器14上的电源电压的符号而以变化的方式连接到外壳电位和中间电路电位上。然而在此需要注意的是，在中间电路15和电位分接头20a之间不允许有共模扼流开关或者明显增大阻抗的滤波部件，从而不会抵抗本实用新型的技术效果。在该情况下还需要考虑到，整流器14的导通阶段(Leitdauer)必须在电网半波内的尽可能长的时间间隔上给出。这例如能够通过有源的PFC电路来实现。另一方面，在无源的整流器14的情况下，为此还要设置成使整流器14具有足够大的二极管电容，或者以替换的方式使相应的阻抗与整流器并联连接，该阻抗针对高频率的轴承电压减小整流器阻抗。相应的实施方式在图10中示出。

在这些不同的实施方式中，因为由于定子3和电子装置电位之间的电气连接20而相对于传统的设计缩短了绝缘路线、确切地说是接近于轴承位置和转子2之间的绝缘路线，所以需要考虑的另一方面是电机M的防接触保护以及保护人员不受电击。

形成要求的防接触保护的一个可能方式在于，通过具有足够的保护绝缘的阻抗来形成定子3的连接。为此，例如能够使用Y电容器。尽管如此，对于逆变器16的HF共模电压来说，Y电容以类似短路并且因此类似直接连接的方式发挥作用。特别是当使用的电容在轴承电压的频率范围内具有比电容型电网明显更小的阻抗时是如此。

在图13中示出了其它的实施方式，这些实施方式示出了定子3经阻抗Z的电气连接20。

本实用新型在其实施中并不局限于前述的优选实施例，而是能够考虑许多变体，所示解决方案的这些变体也可以使用在原则上为其它种类的设计情况下。

Claims (2)

1.一种用于减小和/或避免电机(M)中的有害的轴承电流的装置(1)，其特征在于，所述电机具有转子(2)和绝缘构造的定子(3)，其中在所述转子(2)和定子(3)之间设有至少一个的轴承外环(4a)和轴承内环(4b)，所述装置包括用于连接所述电机(M)的接口电子装置(10)，其中所述定子(3)通过电气连接(20)在所述接口电子装置(10)的电位分接头(20a)上与电子装置电位连接，所述电子装置电位在高频相对于接地电位(U_E)不同并且相对于接地电位稳定。

2.如权利要求1所述的用于减小和/或避免电机(M)中的有害的轴承电流的装置(1)，其特征在于，所述电机是三相电子换向电机。