DE102005027670A1

DE102005027670A1 - Anordnung und Verfahren zur Lagerstromüberwachung eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102005027670A1
Application number: DE102005027670A
Authority: DE
Inventors: Michael Brauer; Jörg HASSEL; Carsten Dr. Probol; Arno Dr. Steckenborn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2007-01-11
Also published as: WO2006134068A1

Abstract

Die Anordnung (1) zur Lagerstromüberwachung eines Elektromotors (2) umfasst eine drehbare Motorwelle (4), die mittels eines ersten und eines zweiten Lagers (5, 6) in einem Motorgehäuse (11, 12) gelagert ist. Außerdem sind erste Spannungserfassungsmittel (13) zur hochfrequenten Messung einer im Bereich des ersten Lagers (5) zwischen der Motorwelle (4) und dem Motorgehäuse (11) abfallenden ersten Welle-Gehäuse-Spannung (U¶rh1¶) vorgesehen. Eine mit den ersten Spannungserfassungsmitteln (13) verbundene Auswerteeinheit (21) ist zur Bestimmung eines über das erste Lager (5) fließenden elektrischen Lagerstroms (I¶L1¶) mittels der gemessenen ersten Welle-Gehäuse-Spannung (U¶rh1¶) ausgelegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Lagerstromüberwachung eines Elektromotors.
Wenn ein Elektromotor mittels eines schnellen Frequenzumrichters betrieben wird, können auch außerhalb der zur Stromführung vorgesehenen elektrischen Leiter insbesondere hochfrequente Ströme auftreten. So kommt es beispielsweise zu einem unerwünschten hochfrequenten Lagerstrom über die Lager des Elektromotors. Ein derartiger Lagerstrom kann auf verschiedenen Ursachen beruhen und ist dementsprechend auch unterschiedlich ausgeprägt. Beispiele für mögliche Lagerstrom-Typen sind u.a. ein hochfrequenter Zirkularstrom, ein auf dem EDM(electrical discharge machining)-Effekt beruhender Funkenerosionsstrom oder ein kapazitiver Läufererdstrom. Der Lagerstrom kann zu einer Beschädigung des Lagers und damit zu einer Verkürzung der Wartungsintervalle oder sogar zum Ausfall des Elektromotors führen.
Es sind eine Anordnung und ein Verfahren zur Lagerstromüberwachung eines Elektromotors bekannt, bei denen der Lagerstrom direkt erfasst wird. Hierzu wird zwischen das zu überwachende Lager und das Motorgehäuse eine Zusatzisolation und ein diese überbrückender Strommesszweig eingebaut. Dies ist aufwändig und führt bei einem nachträglichen Einbau zu einer langen Nachrüstzeit.

Außerdem sind beispielsweise aus der WO 2004/025811 A2, der WO 2004/025316 A1 und aus der US 4,851,949 Anordnungen bekannt, bei denen Spannungen und/oder Ströme an unterschiedlichen Stellen von elektrischen Generatoren erfasst werden. Eine unmittelbare Übertragung dieser für Generatoren konzipierten Erfassungskonzepte auf einen Elektromotor ist nicht ohne weiteres möglich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Anordnung zur Lagerstromüberwachung eines Elektromotors anzugeben, die sich einfach realisieren lässt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Lagerstromüberwachung eines Elektromotors umfasst mindestens

a) eine drehbare Motorwelle, die mittels eines ersten und eines zweiten Lagers in einem Motorgehäuse gelagert ist,
b) erste Spannungserfassungsmittel zur hochfrequenten Messung einer im Bereich des ersten Lagers zwischen der Motorwelle und dem Motorgehäuse abfallenden ersten Welle-Gehäuse-Spannung, und
c) eine mit den ersten Spannungserfassungsmitteln verbundene Auswerteeinheit zur Bestimmung eines über das erste Lager fließenden elektrischen Lagerstroms mittels der gemessenen ersten Welle-Gehäuse-Spannung.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch eine indirekte Erfassung des Lagerstroms aus. Anstelle einer aufwändig zu realisierenden direkten Strommessung kommt eine in der technischen Umsetzung deutlich einfachere Spannungsmessung zum Einsatz. Der Lagerstrom ist insbesondere in dem relevanten hochfrequenten Messbereich, der beispielsweise Frequenzen ab 10 kHz umfasst, so eng mit der erfassten Welle-Gehäuse-Spannung korreliert, dass er sich in der Auswerteeinheit ohne großen Aufwand aus dem erfassten Messwert rekonstruieren lässt.

Insbesondere ist die Auswerteeinheit zur quantitativen Erfassung des Lagerstroms anhand einer Auswertung der Steilheit und/oder der Amplitude und/oder der Abfallzeit einer Spannung ausgelegt. Bei letzterer kann es sich um eine über dem Lager abfallende Lagerspannung oder um eine über dem Lager und einer Lagerisolierung abfallende Summenspannung oder um die Welle-Gehäuse-Spannung handeln. Ebenso ist es möglich, dass das elektrische Feld über der Lagerisolierung als Maß für die Spannung ausgewertet wird. Beispielsweise wird die Ableitung der Spannung nach der Zeit ermittelt. Sie ist proportional zum Lagerstrom.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gehäuses ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.

Günstig ist eine Variante, bei der die ersten Spannungserfassungsmittel eine Kontaktbürste zur elektrischen Kontaktierung der Motorwelle umfassen. Die erste Welle-Gehäuse-Spannung und damit auch der Lagerstrom lassen sich so sehr genau erfassen.

Weiterhin kann eine Lagerisolation zwischen dem ersten Lager und dem Motorgehäuse sowie eine Sensoreinheit der ersten Spannungserfassungsmittel an einer Messstelle insbesondere zwischen der Lagerisolation und dem Motorgehäuse angeordnet sein, wobei die räumliche Hintereinanderanordnung aus der Motorwelle, dem ersten Lager, der Lagerisolation und dem Motorgehäuse insbesondere im hier relevanten hochfrequenten Messbereich als im Wesentlichen kapazitiver Spannungsteiler wirkt, und wobei eine Teilspannung des kapazitiven Spannungsteilers in etwa proportional zur ersten Welle-Gehäuse-Spannung ist und an der Sensoreinheit abfällt. Dadurch wird eine quasi berührungslose Ermittlung des Lagerstroms möglich. Dies bedeutet, dass kein unmittelbarer mechanischer oder elektrischer Kontakt zur Motorwelle erforderlich ist, so dass sich die Integration der zur Überwachung erforderlichen Komponenten in den Elektromotor vereinfacht.

Gemäß einer anderen Variante enthält die Sensoreinheit ein Oberflächenwellen(OFW)-Bauelement, insbesondere in Form einer OFW-Verzögerungsleitung, eines OFW-Resonators, eines OFW-Filters oder einer OFW-Identifikationsmarke. Auch eine Kombination der vorgenannten OFW-Bauelemente ist möglich. OFW-Bauelemente sind passiv, robust und zuverlässig, haben eine geringe Baugröße und lassen sich vielfältig zur Messgrößenerfassung einsetzen.

Vorzugsweise ist die Sensoreinheit weiterhin fernauslesbar und steht mit der Auswerteeinheit in einer Funkverbindung. Insbesondere erfolgt die Kommunikation mittels eines elektromagnetischen Wellensignals. Auf diese Weise kann der Verdrahtungsaufwand reduziert werden. Außerdem ist so in ansonsten nur schwer zugänglichen Bereichen des Elektromotors auch eine Messgrößenerfassung möglich.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Funkverbindung unidirektional ausgebildet. Die Sensoreinheit sendet nur dann ein elektromagnetisches Wellensignal an die Auswerteeinheit, wenn eine nennenswerte Teilspannung über der Sensoreinheit abfällt. Die Kommunikation verläuft nur in eine Richtung, nämlich in die der Auswerteeinheit. Insbesondere findet ein Datenaustausch außerdem ereignisgesteuert statt. Dies ist besonders effizient und reduziert den Umfang der Funk-Kommunikation. Grundsätzlich ist aber auch eine bidirektionale Funkverbindung möglich, bei der die Sensoreinheit auf ein Abfragesignal der Auswerteeinheit mit einem Antwortsignal reagiert.

Günstig ist weiterhin eine Variante, bei der die Sensoreinheit autark ist und die Energie zu ihrem Betrieb aus dem Elektromotor, insbesondere aus dem kapazitiven Spannungsteiler, entnimmt. Dies vermeidet eine mit Wartungsaufwand verbundene Energieversorgung per Batterie. Ebenso sind eine externe Energieversorgungseinheit sowie Zuleitungen für die Energieeinspeisung entbehrlich. Dadurch erhöht sich die Einsatz-Flexibilität erheblich, und der Realisierungsaufwand sinkt.

Weiterhin ist es günstig, wenn zweite Spannungserfassungsmittel zur hochfrequenten Messung einer im Bereich des zweiten Lagers zwischen der Motorwelle und dem Motorgehäuse abfallenden zweiten Welle-Gehäuse-Spannung, und insbesondere dritte Spannungserfassungsmittel zur hochfrequenten Messung einer zwischen einem insbesondere künstlichen Sternpunkt eines Ständerwicklungssystems und dem Motorgehäuse abfallenden Sternpunkt-Gehäuse-Spannung vorgesehen sind. Als Bezugspunkt der dritten Spannungserfassung kann neben dem Sternpunkt auch das Motorgehäuse verwendet werden. Insgesamt liegen aufgrund der zweiten und dritten Spannungserfassung mehr Informationen zur Lagerstromüberwachung vor.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit ausgelegt zur Bestimmung eines Typs des Lagerstroms anhand einer Polarität der ersten und zweiten Welle-Gehäuse-Spannung sowie der Sternpunkt-Gehäuse-Spannung. Die Informationen über die aufgetretenen Typen und über den Umfang des Lagerstroms lassen sich mit Vorteil zur Zustandsdiagnose des Elektromotors und der daraus abgeleiteten Wartungsplanung oder Lebensdauerprognose verwenden.

Weiterhin können Kompensationsmittel vorgesehen sein, die mit der Auswerteeinheit und mit mindestens einem Element der durch die Motorwelle und das Motorgehäuse gebildeten Gruppe verbunden sind, und die zur Kompensation des bestimmten Lagerstroms ausgelegt sind. Eine erfolgreiche (Teil-)Kompensation kann erheblich zu einer Verlängerung der Wartungsintervalle und der Lebensdauer beitragen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Lagerstromüberwachung eines Elektromotors anzugeben, das sich einfach realisieren lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den von Anspruch 11 abhängigen Ansprüchen. Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen bieten im Wesentlichen die gleichen Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anordnung und ihren Varianten beschrieben worden sind.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Lagerstromüberwachung mit indirekter Erfassung,
2 und 3 einen ermittelten Zeitverlauf für einen Lagerstrom bei direkter bzw. indirekter Erfassung,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Lagerstromüberwachung mit indirekter Erfassung und fernauslesbarer Sensoreinheit,
5 ein für hohe Frequenzen geltendes elektrisches Ersatzschaltbild der Umgebung des überwachenden Lagers,
6 bis 8 Ausführungsbeispiele der fernauslesbaren Sensoreinheit gemäß 4 auf OFW-Basis und
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Lagerstromüberwachung mit zusätzlicher Erfassung einer Sternpunkt-Gehäuse-Spannung und mit einer Kompensationseinheit.
Einander entsprechende Teile sind in 1 bis 9 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung 1 zur Lagerstromüberwachung eines nur schematisch und ausschnittsweise dargestellten Elektromotors 2 mit einer um eine Drehachse 3 drehbar gelagerten Motorwelle 4 gezeigt. Die Lagerung erfolgt mittels eines ersten und zweiten Lagers 5 bzw. 6, die jeweils einen inneren und äußeren Lagerring 7 bzw. 8 sowie dazwischen gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Wälzkörper 9 umfassen. Zwischen den Wälzkörpern 9 und den La gerringen 7 und 8 befindet sich ein dünner, üblicherweise elektrisch isolierender Schmiermittelfilm 10.
Die beiden inneren Lagerringe 7 sind kraftschlüssig auf der Motorwelle 4 angebracht. Die beiden äußeren Lagerringe 8 sind kraftschlüssig jeweils an einem von zwei Lagerschilden 11 und 12 angeordnet. Alternativ kann die Montage auch direkt an einem nicht näher gezeigten Motorgehäuse erfolgen. Im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und auch im Folgenden werden die Lagerschilde 11 und 12 als Bestandteile des Motorgehäuses aufgefasst. Optional kann zwischen den äußeren Lagerringen 8 und den Lagerschilden 11 oder 12 auch eine Lagerisolation vorgesehen sein.
Im Bereich beider Lager 5 und 6 sind jeweils Spannungserfassungsmittel 13 bzw. 14 zur hochfrequenten Erfassung einer im Bereich des jeweiligen Lagers 5 bzw. 6 zwischen der Motorwelle 4 und dem Lagerschild 11 bzw. 12 abfallenden ersten bzw. zweiten Welle-Gehäuse-Spannung U_rh1 bzw. U_rh2 vorgesehen. Die Spannungserfassungsmittel 13 und 14 umfassen jeweils eine an der Motorwelle 4 angeordnete Kontaktbürste 15 bzw. 16, einen am jeweiligen Lagerschild 11 bzw. 12 vorgesehenen elektrischen Anschluss 17 bzw. 18 sowie einen zwischen die Kontaktbürste 15 bzw. 16 und den elektrischen Anschluss 17 bzw. 18 geschalteten Spannungsmesser 19 bzw. 20. Beide Spannungsmesser 19 und 20 sind elektrisch mit einer Auswerteeinheit 21 verbunden.
Grundsätzlich ist es möglich, dass nur an einem der beiden Lager 5 und 6 Spannungserfassungsmittel 13 bzw. 14 vorgesehen sind.
Im Folgenden wird auch unter Bezugnahme auf 2 und 3 die Wirkungsweise der Anordnung 1 zur Lagerstromüberwachung näher beschrieben.
Insbesondere, wenn der Elektromotor 2 mittels eines schnellen Frequenzumrichters betrieben wird, können unerwünschte hoch frequente Ströme, wie ein über das Lager 5 oder 6 fließender Lagerstrom I_L1 bzw. I_L2 entstehen. Mögliche Lagerstrom-Typen sind ein hochfrequenter Zirkularstrom, ein Funkenerosionsstrom (EDM-Effekt) und ein kapazitiver Läufererdstrom. Besonders schädlich ist der Funkenerosionsstrom, bei dem ein Lichtbogen zwischen den Wälzkörpern 9 und den Lagerringen 7 oder 8 entsteht. Dies hat zur Folge, dass der Schmiermittelfilm 10 lokal verbrennt und Beschädigungen in den Wälzkörpern 9 und den Lagerringen 7 und 8 hervorgerufen werden können. Dadurch kann eine Verkürzung der Wartungsintervalle oder sogar der Lebensdauer des Elektromotors 2 resultieren.
Die Lagerströme I_L1 und I_L2 weisen sehr hochfrequente Frequenzanteile auf, die in einem Frequenzbereich von über 10 kHz liegen und sich sogar bis in den GHz-Bereich erstrecken können. Elektrisch isolierende Zwischenschichten, wie beispielsweise der Schmiermittelfilm 10, unterbinden so hochfrequente Lagerströme I_L1 und I_L2 nicht wirksam. Es kommt zu kapazitiven Überkopplungen mit elektrischen Verschiebeströmen.
Die Anordnung 1 dient zur Überwachung der Lagerströme I_L1 und I_L2. Im Unterschied zu den bekannten Ausführungsformen erfolgt dies jedoch nicht direkt mittels einer Strommessung, sondern indirekt mittels einer Spannungsmessung, insbesondere mittels einer Erfassung der beiden Welle-Gehäuse-Spannungen U_rh1 Und U_rh2. Dies ist erheblich einfacher und erfordert einen deutlich geringeren konstruktiven Eingriff in den Elektromotor 2. Es sind lediglich die Kontaktbürsten 15 und 16 anzubringen sowie die elektrischen Anschlüsse 17 und 18 vorzusehen. Dagegen kann auf die bei einer direkten Strommessung erforderliche Zusatzisolation mit einem überbrückenden Strommesszweig verzichtet werden.
In der Auswerteeinheit 21 werden die von den Spannungsmessern 19 und 20 erfassten Messgrößen bewertet und in die jeweils korrespondierenden Messwerte für die Lagerströme I_L1 und I_L2 umgerechnet. Dies ist möglich, da zwischen den Welle-Gehäuse-Spannungen U_rh1 und U_rh2 einerseits und den Lagerströmen I_L1 bzw. I_L2 anderseits auch in dem hochfrequenten Messbereich ein enger Zusammenhang besteht. Die jeweilige Welle-Gehäuse-Spannung U_rh1 oder U_rh2 baut sich zunächst solange auf, bis es zu einem Funkenüberschlag mit einem entsprechenden Stromfluss kommt. Mit dem Funkenüberschlag und dem resultierenden Stromfluss bricht die Welle-Gehäuse-Spannung U_rh1 oder U_rh2 schlagartig zusammen. Sowohl die zeitlichen Spannungsverläufe als auch die zugehörigen Stromverläufe sind gekennzeichnet durch eine Abfolge von sehr kurzen Impulsen. Die durch den genannten Spannungsaufbau bedingten Anstiegszeiten liegen im Bereich weniger μs. Die durch den Funkenüberschlag bedingten abfallenden Flanken sind dagegen steiler. Es ergeben sich Abfallzeiten im Bereich zwischen 1 ns und 100 ns. Typische Werte liegen bei einigen 1 ns bis einigen 10 ns.
Trotz der mit erheblich geringerem technischen Aufwand nur indirekt durchgeführten Erfassung der Lagerströme I_L1 und I_L2 sind sehr genaue Messergebnisse erzielbar. Dies geht aus einem 2 und 3 entnehmbaren Vergleich von Messresultaten einer direkten bzw. indirekten Erfassung des Lagerstroms I_L1 hervor. In 2 ist über der Zeit t ein direkt erfasster Verlauf des Lagerstroms I_L1 dargestellt, wohingegen in 3 das Ergebnis der indirekten Erfassung mittels der Anordnung 1 gezeigt ist. Die Ergebnisse weisen eine hochgradige Übereinstimmung auf.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung 22 zur Lagerstromüberwachung dargestellt. Gezeigt wird beispielhaft nur eine Überwachung des Lagerstrom I_L1 des linken Lagers 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem äußeren Lagerring 8 und dem Lagerschild 11 eine Lagerisolation 23 vorgesehen, die sich über den gesamten Umfang erstreckt. Als Spannungserfassungsmittel enthält die Anordnung 22 eine fernauslesbare Sensoreinheit 24, die an einer lokalen Messstelle zwischen der Lagerisolation 23 und dem Lagerschild 11 angeordnet ist. Das Lagerschild 11 weist zur Aufnahme der Sensoreinheit 24 eine Ausnehmung auf. Die Sensoreinheit 24 hat vergleichsweise geringe geometrische Abmessungen und er streckt sich insbesondere nicht über den kompletten Umfang. Die Sensoreinheit 24 umfasst eine Antenne 25, die mit einer Antenne 26 einer Auswerteeinheit 27 in einer Funkverbindung 28 steht.
Grundsätzlich kann die Sensoreinheit 24, ebenso wie die Spannungserfassungsmittel 13 und 14 der Anordnung 1 gemäß 1, auf einer dem Innenraum des Elektromotors 2 oder auch auf einer dem Außenraum zugewandten Seite des Lagerschilds 11 angeordnet sein. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 erfolgt die Platzierung an der dem Innenraum zugewandten Seite. Hinsichtlich der Auswerteeinheit 27 ist es ausreichend, wenn die Antenne 26 im oder am Innenraum angeordnet ist. Die übrige Auswerteeinheit 27 befindet sich dagegen außerhalb.
Im Folgenden wird die Wirkungsweise der Anordnung 22 näher beschrieben.
Über der Sensoreinheit 24 fällt eine Sensor-Spannung U_S ab, die im Wesentlichen ein proportionaler Anteil der ersten Welle-Gehäuse-Spannung U_rh1 ist. Die in Richtung des Stromflusses des Lagerstroms I_L1 räumlich hintereinander angeordneten Einzelkomponenten, nämlich Motorwelle 4, Lager 5, Lagerisolation 23 und Lagerschild 11 wirken im einschlägigen hochfrequenten Messbereich im Wesentlichen als kapazitiver Spannungsteiler 29, der in der Ersatzschaltbilddarstellung gemäß 5 gezeigt ist. Bei den genannten hohen Frequenzen sind praktisch ausschließlich die kapazitiven Anteile maßgeblich, wohingegen die bei niedrigeren Frequenzen ebenfalls zu berücksichtigenden resistiven und induktiven Anteile vernachlässigt werden können.
Der kapazitive Spannungsteiler 29 enthält eine Lager-Kapazität 30, die in Serie zu einer Parallelschaltung einer Lagerisolations-Kapazität 31 und einer Serienschaltung dreier Kapazitäten geschaltet ist. Die Serienschaltung der drei Kapazitäten umfasst eine Lager-Sensor-Kapazität 32, eine Sensor-Kapazität 33 sowie eine Sensor-Gehäuse-Kapazität 34. Die La ger-Sensor-Kapazität 32 und die Sensor-Gehäuse-Kapazität 34 fallen gegenüber der Sensor-Kapazität 33 weniger ins Gewicht, so dass der vorstehend bereits genannte in etwa proportionale Zusammenhang zwischen der Sensor-Spannung U_S und der ersten Welle-Gehäuse-Spannung U_rh1 gegeben ist.
In der Sensoreinheit 24 wird eine Messgröße für die Sensor-Spannung U_S ermittelt und über die Funkverbindung 28 als elektromagnetisches Auslesesignal S_A an die Auswerteeinheit 27 gesendet. Abgesehen von den zu berücksichtigenden spezifischen Erfassungseigenschaften der Sensoreinheit 24 erfolgt dort die weitere Verarbeitung im Wesentlichen wie bereits im Zusammenhang mit der Anordnung 1 gemäß 1 beschrieben.
Die Sensoreinheit 24 kann auf Basis von Oberflächenwellen (OFW)-Bauelementen realisiert sein. Ausführungsbeispiele hierzu sind in 6 bis 8 gezeigt.
Derartige OFW-basierte Identifizierungs- und/oder Sensoreinheiten sind beispielsweise aus der DE 44 13 211 C2 bekannt. Bei OFW-Bauelementen werden akustische Wellen eingesetzt, die sich an der Oberfläche oder zumindest im oberflächennahen Bereich eines piezoelektrischen Substrats ausbreiten. Die akustischen Oberflächenwellen lassen sich mittels elektrischer Signale generieren, die in einen an der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats vorgesehenen Interdigitalwandler eingespeist werden. Der Interdigitalwandler kann mit einer Antenne elektrisch verbunden sein, so dass letztendlich eine Konvertierung eines elektromagnetischen Wellensignals (= Funk-Welle) in die akustische Oberflächenwelle erreicht wird. Dieser Vorgang ist reversibel.
Anhand der akustischen Oberflächenwellen kann auf unterschiedliche Weise eine Messgrößenerfassung erfolgen. Die OFW-basierten Identifizierungs- und/oder Sensoreinheiten arbeiten dabei rein passiv. Es ist also keine Energieversorgung mittels einer Batterie oder eines gesonderten Energieversorgungsanschlusses vorhanden.
In 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer OFW-Sensoreinheit 35 gezeigt, die eine doppelte OFW-Verzögerungsleitung umfasst. Die Antenne 25 ist an einen ersten Interdigitalwandler 36 angeschlossen, der in etwa mittig auf einem piezoelektrischen Substrat 37 platziert ist. Zu beiden Seiten schließt sich jeweils eine OFW-Verzögerungsleitung an, wobei unterschiedliche OFW-Laufzeiten vorgesehen sind. Die beiden OFW-Verzögerungsleitungen sind jeweils mit einem weiteren Interdigitalwandler 38 bzw. 39 abgeschlossen, der elektrisch an ein Sensorelement 40 bzw. 41 angeschlossen ist. Das Sensorelement 40 ist E-Feld- bzw. spannungssensitiv. Sein Impedanzwert verändert sich also in Abhängigkeit von der anstehenden Sensor-Spannung U_S. Mit dem Impedanzwert des Sensorelements 40 ändert sich auch das Reflexionsverhalten des Interdigitalwandlers 38, so dass der reflektierten akustischen Oberflächenwelle eine Information über die zu detektierende Sensor-Spannung U_S aufgeprägt wird.
Das zweite Sensorelement 41 kann eine nicht näher bezeichnete weitgehend beliebige andere Größe, beispielsweise eine Umgebungstemperatur, erfassen. Damit lässt sich eine Kompensation von Umgebungseinflüssen vornehmen.
Das Sensorelement 40 oder 41 kann beispielsweise als resistives Element, als Hall-Element oder als herkömmlicher Strom-/Spannungswandler ausgebildet sein.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer OFW-Sensoreinheit 42 gezeigt. Sie umfasst nur eine OFW-Verzögerungsleitung, die anstelle eines Interdigitalwandlers mit Reflektoren 43 abgeschlossen ist. Im Bereich einer Ausbreitungsstrecke der akustischen Oberflächenwellen sind Elektroden 44 der Sensor-Kapazität 33 vorgesehen. Damit liegt die zu detektierende Sensor-Spannung U_S im Ausbreitungsbereich der akustischen Oberflächenwellen an, wodurch eine unmittelbare Beeinflussung erfolgt. Das vom Interdigitalwandler 36 zurückgewandelte und über die Antenne 25 abgestrahlte elektromagne tische Ausgangssignal S_A enthält somit auch eine Information über die zu erfassende Sensor-Spannung U_S.
Im Ausführungsbeispiel sind die Reflektoren 43 mit einheitlichem Abstand zueinander angeordnet. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Reflektivität für eine bestimmte Wellenlänge. Grundsätzlich können die einzelnen Reflektoren 43 jedoch auch mit sehr unterschiedlichem Abstand zueinander angeordnet sein, so dass jeder Reflektor 43 einzeln eine Reflexion hervorruft. Der zeitliche Abstand dieser Einzelreflexionen ist dann typisch für diese OFW-Sensoreinheit 42. Das zurückgesendete elektromagnetische Ausgangssignal S_A enthält somit auch eine Identifizierungsinformation vergleichbar einem Strichcode.
Die OFW-Sensoreinheiten 35 und 42 reagieren auf ein von der Auswerteeinheit 27 gesendetes Abfrage- oder Eingangssignal S_E mit dem zurückgesendeten Ausgangssignal S_A. In diesem Fall ist die Funkverbindung 28 zur Auswerteeinheit 27 also bidirektional ausgebildet.
Es gibt jedoch auch OFW-Sensoreinheiten, die ohne ein derartiges Abfragesignal S_E auskommen. Beispiele hierfür sind aus der EP 0 960 410 B1 sowie aus der WO 99/34168 A1 bekannt. Derartige OFW-Sensoreinheiten senden selbsttätig – also ohne vorherige Abfrage – ein elektromagnetisches Ausgangssignal S_A an die Auswerteeinheit 27, sobald sie ein Ereignis, zu dessen Erfassung sie bestimmt sind, detektieren.
In 8 ist ein Ausführungsbeispiel einer solchen autarken OFW-Sensoreinheit 45 gezeigt. Die Sensor-Kapazität 33 ist über eine Lade-Kapazität 46 und ein Element 47 mit nichtlinearer Kennlinie an eine Speiseimpedanz 48 angeschlossen. Letztere steht in elektrischer Verbindung mit dem Interdigitalwandler 36 des OFW-Bauelements, das im Ausführungsbeispiel gemäß 8 sehr einfach aufgebaut ist. Grundsätzlich kann auch ein Aufbau vergleichbar dem von 7 vorgesehen sein.
Das Element 47 mit nichtlinearer Kennlinie kann eine Funkenstrecke oder eine im Sperr-Durchbruch arbeitende Diode, wie beispielsweise eine Varaktor-Diode, eine Avalanche-Diode oder eine Trigger-Diode sein. Ebenso ist eine Ausführungsform mit einer oder mehrerer schnelle Schottky-Diode(n) möglich.
Die Spannungsimpulse der Sensor-Spannung U_S laden die Lade-Kapazität 46 so lange auf, bis es zu einem Überschlag im Element 47 kommt, so dass über die Speiseimpedanz 48 und den Interdigitalwandler 36 eine akustische Oberflächenwelle sowie an der Antenne 25 das elektromagnetische Ausgangssignal S_A erzeugt werden.
Die Lade-Kapazität 46 führt eine gewisse Integration der zu erfassenden Sensor-Spannung U_S durch. Je nach Auslegung der einzelnen Komponenten der OFW-Sensoreinheit 45 kann pro Spannungsimpuls der Sensor-Spannung U_S ein elektromagnetisches Ausgangssignal S_A ausgesendet werden. Es ist aber auch möglich, dass dies erst nach einer kritischen Anhäufung von Spannungsimpulsen erfolgt. Bei einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform sind die Lade-Kapazität 46 und das Element 47 weggelassen, so dass die Sensor-Kapazität 33 direkt oder mittels der Speiseimpedanz 48 an den Interdigitalwandler 36 angeschlossen ist.
Bei der OFW-Sensoreinheit 45 wird sowohl die eigentliche Messinformation als auch die zum Betrieb erforderliche Energie der zu überwachenden Umgebung, insbesondere also dem kapazitiven Spannungsteiler 29, entnommen.
In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung 49 zur Lagerstromüberwachung eines Elektromotors 2 gezeigt. Die Anordnung 49 umfasst außer den beiden in Zusammenhang mit der Anordnung 1 bereits beschriebenen Spannungserfassungsmitteln 13 und 14 dritte Spannungserfassungsmittel 50 zur hochfrequenten Messung einer zwischen einem Sternpunkt 51 eines Ständerwicklungssystems 52 und einem Motorgehäuse 53 abfallenden Sternpunkt-Gehäuse-Spannung U_nh. Das nur schematisch angedeutete Ständerwicklungssystem 52 umfasst drei Wicklungsstränge für die drei Phasenleiter L1, L2 und L3. Diese drei Wicklungsstränge sind mittels hochohmiger Widerstände 54 zu dem Sternpunkt 51 zusammengeführt. Letzterer ist nur zum Zwecke der Messwerterfassung erzeugt und kann deswegen auch als „künstlich" bezeichnet werden. Die hochohmigen Widerstände 54 nehmen im Ausführungsbeispiel jeweils einen Wert von 10 MΩ an. Als Bezugspunkt der Spannungsmessung kann entweder der Sternpunkt 51 oder das Motorgehäuse 53 dienen.
Die dritten Spannungserfassungsmittel 50 enthalten analog zu den Spannungserfassungsmitteln 13 und 14 einen Spannungsmesser 55 zur Erfassung der Sternpunkt-Gehäuse-Spannung U_nh.
Die Spannungsmesser 19, 20 und 55 sind elektrisch an eine Auswerteeinheit 56 angeschlossen. Letztere ist außer zur bereits beschriebenen Ermittlung der Lagerströme I_L1 und I_L2 auch zu einer Auswertung der Polaritäten der erfassten Welle-Gehäuse-Spannung U_rh1 und U_rh2 sowie der Sternpunkt-Gehäuse-Spannung U_nh ausgelegt. Anhand dieser zusätzlichen Polaritätsinformation wird in der Auswerteeinheit 56 der Typ der Lagerströme I_L1 und I_L2 ermittelt. Dabei wird das in der folgenden Tabelle wiedergegebene Bewertungsschema zugrunde gelegt:
Die so ermittelte Information über den Typ der Lagerströme I_L1 und I_L2 kann entweder angezeigt oder einem übergeordneten Monitoring-System zur Verfügung gestellt oder zur Einleitung spezifischer Gegenmaßnahmen herangezogen werden.
Zur Umsetzung der zuletzt genannten Option ist bei der Anordnung 49 eine Kompensationseinheit 57 vorgesehen, die an die Auswerteeinheit 56 angeschlossen ist. Grundsätzlich können beide Einheiten 56 und 57 auch als eine gemeinsame Einheit ausgebildet sein.
Je nach detektiertem Typ der Lagerströme I_L1 und I_L2 werden in der Kompensationseinheit 57 die dann erforderlichen Kompensationsschritte eingeleitet. Diese können beispielsweise in einer Anpassung der Erdungsimpedanz des Motorgehäuses 53 oder des nicht dargestellten Motorrahmens oder des ebenfalls nicht dargestellten Läufers bestehen. Mittels dieser Maßnahmen kann eine zumindest teilweise wechselseitige Kompensation verschiedener Typen Lagerstrom-Typen erreicht werden. Alternativ oder ergänzend ist ein Anlagen einer Kompensationsspannung an einer geeigneten Stelle des Elektromotors 2, beispielsweise an der Motorwelle 4, möglich.
Die genannten möglichen Kompensationsmaßnahmen sind in 9 durch die schematisch eingetragenen Wirkverbindungen zwischen der Kompensationseinheit 57 und dem Motorgehäuse 53 bzw. der Motorwelle 4 angedeutet.
Der Erfolg der eingeleiteten Kompensationsmaßnahmen lässt sich anhand der Auswirkung auf den kontinuierlich mit erfassten Lagerstrom I_L1 oder I_L2 beurteilen. Bei Bedarf ist eine Nachjustierung problemlos möglich.

Claims

Anordnung zur Lagerstromüberwachung eines Elektromotors (2) umfassend mindestens a) eine drehbare Motorwelle (4), die mittels eines ersten und eines zweiten Lagers (5, 6) in einem Motorgehäuse (11, 12; 53) gelagert ist, b) erste Spannungserfassungsmittel (13; 24) zur hochfrequenten Messung einer im Bereich des ersten Lagers (5) zwischen der Motorwelle (4) und dem Motorgehäuse (11; 53) abfallenden ersten Welle-Gehäuse-Spannung (U_rh1), und c) eine mit den ersten Spannungserfassungsmitteln (13; 24) verbundene Auswerteeinheit (21; 27; 56) zur Bestimmung eines über das erste Lager (5) fließenden elektrischen Lagerstroms (I_L1) mittels der gemessenen ersten Welle-Gehäuse-Spannung (U_rh1).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Spannungserfassungsmittel (13) eine Kontaktbürste (15) zur elektrischen Kontaktierung der Motorwelle (4) umfassen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagerisolation (23) zwischen dem ersten Lager (5) und dem Motorgehäuse (11) sowie eine Sensoreinheit (24; 35; 42; 45) der ersten Spannungserfassungsmittel an einer Messstelle insbesondere zwischen der Lagerisolation (23) und dem Motorgehäuse (11) angeordnet ist, wobei die räumliche Hintereinanderanordnung aus der Motorwelle (4), dem ersten Lager (5), der Lagerisolation (23) und dem Motorgehäuse (11) als kapazitiver Spannungsteiler (29) wirkt, und wobei eine Teilspannung (U_S) des kapazitiven Spannungsteilers (29) proportional zur ersten Welle-Gehäuse-Spannung (U_rh1) ist und an der Sensoreinheit (24; 35; 42; 45) abfällt.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (35; 42; 45) ein Oberflächenwellen-Bauelement, insbesondere in Form einer OFW-Verzöge rungsleitung, eines OFW-Resonators, eines OFW-Filters oder einer OFW-Identifikationsmarke, enthält.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (24; 35; 42; 45) fernauslesbar ist und mit der Auswerteeinheit (27) in einer Funkverbindung (28) steht.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkverbindung (28) unidirektional ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (45) autark ist und die Energie zu ihrem Betrieb aus dem Elektromotor (2), insbesondere aus dem kapazitiven Spannungsteiler (29), entnimmt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Spannungserfassungsmittel (14) zur hochfrequenten Messung einer im Bereich des zweiten Lagers (6) zwischen der Motorwelle (4) und dem Motorgehäuse (12; 53) abfallenden zweiten Welle-Gehäuse-Spannung (U_rh2), und insbesondere dritte Spannungserfassungsmittel (50) zur hochfrequenten Messung einer zwischen einem Sternpunkt (51) eines Ständerwicklungssystems (52) und dem Motorgehäuse (53) abfallenden Sternpunkt-Gehäuse-Spannung (U_nh) vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (56) ausgelegt ist zur Bestimmung eines Typs des Lagerstroms (I_L1, I_L2) anhand einer Polarität der ersten und zweiten Welle-Gehäuse-Spannung (U_rh1, U_rh2) sowie der Sternpunkt-Gehäuse-Spannung (U_nh).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kompensationsmittel (57) vorgesehen sind, die mit der Auswerteeinheit (56) und mit mindestens einem Element der durch die Motorwelle (4) und das Motorgehäuse (53) gebil deten Gruppe verbunden sind, und die zur Kompensation des bestimmten Lagerstroms (I_L1, I_L2) ausgelegt sind.
Verfahren zur Lagerstromüberwachung eines Elektromotors (2) mit einer drehbaren Motorwelle (4), die mittels eines ersten und eines zweiten Lagers (5, 6) in einem Motorgehäuse (11, 12; 53) gelagert ist, bei dem mindestens a) eine im Bereich des ersten Lagers (5) zwischen der Motorwelle (4) und dem Motorgehäuse (11; 53) abfallende erste Welle-Gehäuse-Spannung (U_rh1) hochfrequent gemessen wird, und b) aus der gemessenen ersten Welle-Gehäuse-Spannung (U_rh1) ein über das erste Lager fließender elektrischer Lagerstrom (I_L1) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle-Gehäuse-Spannung (U_rh1) mittels einer die Motorwelle (4) elektrisch kontaktierenden Kontaktbürste (15) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle-Gehäuse-Spannung (U_rh1) mittels einer an einem kapazitiven Spannungsteiler (29) abgreifbaren Teilspannung (U_S) bestimmt wird, wobei der kapazitive Spannungsteiler (29) durch eine räumliche Hintereinanderanordnung der Motorwelle (4), des ersten Lagers (5), einer Lagerisolation (23) und dem Motorgehäuse (11) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspannung (U_S) mittels einer fernauslesbaren Sensoreinheit (24; 35; 42; 45) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (45) aus dem Elektromotor (2), insbesondere aus dem kapazitiven Spannungsteiler (29), mit Energie zu ihrem Betrieb versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Bereich des zweiten Lagers (6) zwischen der Motorwelle (4) und dem Motorgehäuse (12; 53) abfallende zweite Welle-Gehäuse-Spannung (U_rh2) und insbesondere eine zwischen einem Sternpunkt (51) eines Ständerwicklungssystems (52) und dem Motorgehäuse (53) abfallende Sternpunkt-Gehäuse-Spannung (U_nh) hochfrequent gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Typ des Lagerstroms (I_L1, I_L2) anhand einer Polarität der ersten und zweiten Welle-Gehäuse-Spannung (U_rh1, U_rh2) sowie der Sternpunkt-Gehäuse-Spannung (U_nh) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Lagerstrom (I_L1, I_L2) kompensiert wird.