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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Rotationsmaschine, insbesondere
einen Elektromotor.
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Unter
elektrischer Rotationsmaschine wird hier allgemein eine Maschine
mit einer rotierbar über zumindest
ein Lager gelagerten Welle verstanden, wobei auf der Welle eine
mitrotierende elektrische Komponente angeordnet ist, die mit elektrischer
Energie zu versorgen ist.
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Eine
derartige elektrische Rotationsmaschine ist insbesondere ein Elektromotor,
bei dem auf dem Rotor eine Rotorwicklung als elektrische Komponente
angeordnet ist. Bei einem Drehstrommotor wird ein Strom- oder Umrichter
zum Beispiel zur Einstellung der Drehzahl des Drehstrommotors eingesetzt.
Durch das Zusammenspiel von Umrichter und Motor in einer derartigen
elektrischen Anlage entstehen aufgrund der hohen Schaltfrequenzen
des Umrichters sogenannte hochfrequente Streuströme. Es besteht die Gefahr,
dass während
des Betriebs in unerwünschter
Weise über
die Lager diese Streuströme abfließen. Diese
sogenannten Lagerströme
können zu
einer Beschädigung
der Lager und damit der elektrischen Maschine oder der durch die
Maschine angetriebenen Einrichtungen führen.
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Um
eine Schädigung
der Lager durch Lagerströme
zu vermeiden, besteht die Möglichkeit,
die Maschine in geeigneter Weise zu erden, also Abflussmöglichkeiten
für die
die Lagerströme
hervorrufenden Streuströme
bereit zu stellen. Hierzu kann die Welle über einen mechanischen Schleifkontakt
in Form einer Bürste
elektrisch kontaktiert und mit einem Erdungsanschluss verbunden
werden. Aufgrund des mechanischen Kontakts verschleißen die Schleifkontakte,
die daher überwacht
und gewartet und bei Bedarf ausgewechselt werden müssen. Auch besteht
die Gefahr, dass auch die kontaktierte Welle verschleißt und Korrosionserscheinungen
zeigt, wodurch insgesamt im Laufe des Betriebs der elektrische Kontakt
schlechter wird, dass heißt,
der Kontaktwiderstand wird erhöht.
Auch eignen sich derartige mechanische Schleifkontakte beispielsweise
bei der Verwendung von Kohlebürsten
für nur
relativ geringe Maximaltemperaturen von beispielsweise 120°C. Weiterhin
ist ein sicherer und zuverlässiger Betrieb
mit möglichst
geringem Kontaktwiderstand an bestimmte Umgebungsbedingungen, wie
beispielsweise Temperatur und Luftfeuchte gebunden. Variieren diese über ein
gewisses Toleranzmaß hinaus,
so besteht die Gefahr, dass der Kontaktwiderstand stark zunimmt
und die Streuströme
nicht oder nur unzureichend abgeleitet werden können. Aufgrund der üblicherweise
kleinen Kontaktfläche
zwischen dem rotierenden und dem stillstehenden Teil bei der Verwendung
eines Bürstenkontakts
ist dieser nur wenig geeignet für
die Ableitung der üblicherweise
hochfrequenten Streuströme.
Derartige Erdungseinrichtungen wirken nämlich als Induktivität und weisen
daher bei hochfrequenten Strömen
einen hohen Widerstand auf. Schließlich ist ein derartiger Erdungskontakt
auch mechanisch anfällig,
insbesondere bei Vibrationen, die zu einer Kontaktunterbrechung führen können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dauerhaft sichere Ableitung
von Streuströmen zu
ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist vorgesehen,
dass zur Vermeidung von Lagerströmen
die Welle der Rotationsmaschine über
einen beispielsweise als Erdungsklemme ausgebildeten Erdungsanschluss
geerdet ist. Dieser Erdungsanschluss ist hierbei verschleißfrei über ein
Flüssigmetall-Kontaktelement
mit der Welle elektrisch kontaktiert.
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Als
Flüssigmetall
werden hierzu vorzugsweise Gallium- oder Indiumverbindungen oder
ein Eutektikum aus den Metallkomponenten Gallium, Indium und Zinn
herangezogen. Flüssigmetall-Kontaktelemente sind
prinzipiell bekannt. So wird beispiels weise in der
DE 103 60 548 A1 eine Schleifringanordnung
mit Hilfe von Flüssigmetall
beschrieben.
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Durch
die Verwendung des Flüssigmetall-Kontaktelements
zur Erdung der Welle ist der besondere Vorteil erzielt, dass eine
verschleißfreie, dauerhaft
sichere elektrische Kontaktierung und damit Erdung der Welle erzielt
ist, so dass zuverlässig ein
Auftreten von Lagerströmen
in der elektrischen Rotationsmaschine verhindert ist. Durch die
Wahl der Flüssigmetall-Kontaktierung sind
daher die mit einer mechanischen Schleifkontaktierung verbundenen Probleme überwunden.
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Um
die auftretenden Streuströme
sicher und zuverlässig über den
Erdungsanschluss abzuleiten und um zu verhindern, dass diese Streuströme über die
Lager fließen,
ist gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung vorgesehen, dass das Flüssigmetall-Kontaktelement
unmittelbar benachbart zum Lager angeordnet ist. Das Flüssigmetall-Kontaktelement
liegt hierbei vorzugsweise an den Lagern an. Hierdurch wird in unmittelbarer
Lagernähe
ein widerstandsarmer oder widerstandsfreier Strompfad für die Streuströme geschaffen,
so dass diese sicher an den Lagern vorbeigeleitet werden.
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Sind
zwei oder mehr Lager zur Lagerung der Welle vorgesehen, so sind
zweckdienlicherweise jedem der Lager ein Flüssigmetall-Kontaktelement zugeordnet,
dass heißt,
jedem Lager ist unmittelbar benachbart ein solches Kontaktelement
zugeordnet, so dass an jedem Lager ein Erdungs-Strompfad geschaffen
ist.
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Sofern
die Rotationsmaschine mehrere Lager aufweist und nur bei einem Teil
dieser Lager ein Flüssigmetall-Kontaktelement
unmittelbar benachbart ist, so sind gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung
das oder die weiteren Lager elektrisch isoliert, denen kein Flüssigmetall-Kontaktelement
unmittelbar benachbart ist. Die Logo weisen also eine elektrische
Isolierung zu den sie umgebenden metallischen oder leitfähigen Komponenten
auf.
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Im
Hinblick auf eine konstruktiv möglichst einfache
Ausgestaltung ist das Flüssigmetall-Kontaktelement
unmittelbar am Gehäuse
der Rotationsmaschine angeordnet, und zwar in dem Teilbereich, in dem
die Welle durch das Gehäuse
hindurch- oder eingeführt
ist. Da an dieser Stelle üblicherweise
auch die Lager angeordnet sind, ist durch diese Maßnahme das
Flüssigmetall-Kontaktelement
unmittelbar an den Lagern angeordnet. Das Flüssigmetall-Kontaktelement kann
hier prinzipiell innerhalb oder auch außerhalb des Gehäuses angeordnet
sein. Ist das Gehäuse
geerdet, so wird das Gehäuse
selbst vorzugsweise als Erdungsanschluss herangezogen und das Flüssigmetall-Kontaktelement
stellt eine elektrisch leitfähige
Verbindung zwischen der Welle und dem geerdeten Gehäuse her.
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Zweckdienlicherweise
ist das Flüssigmetall-Kontaktelement
hierbei als ein Flüssigmetall-Schleifring
ausgebildet, bei dem das Flüssigmetall
umlaufend um die Welle angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung
weist das Flüssigmetall-Kontaktelement
ein feststehendes Kontaktteil auf, das ringförmig unter Einschluss eines
Spaltes um die Welle herum angeordnet ist. In diesem Spalt befindet
sich das Flüssigmetall.
Durch die umlaufende Anordnung des Flüssigmetalls ist eine großflächige Kontaktfläche erzielt,
so dass insgesamt ein sicherer elektrischer Kontakt mit geringem
Kontaktwiderstand erzielt ist.
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Alternativ
zu dieser Ausgestaltung ist in einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen,
dass das Flüssigmetall-Kontaktelement
lediglich einen im Wesentlichen punktförmigen Kontakt mit der Welle
ausbildet. Hierzu wird die Welle insbesondere stirnseitig kontaktiert.
Auch bei dem Flüssigmetall-Kontaktelement,
welches einen punktförmigen
Kontakt ausbildet, ist ein feststehendes Kontaktteil vorgesehen, welches
zur Welle einen Spalt aufweist, in dem das Flüssigmetall angeordnet ist.
Bei dieser Ausgestaltung ist nur eine vergleichsweise geringere
Menge an Flüssigmetall
erforderlich.
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Zudem
ist diese Ausgestaltung insbesondere geeignet für die stirnseitige Kontaktierung
der Welle. Bei einer Kontaktierung der Welle im Bereich der Wellenachse
ist nur eine geringe Relativbewegung zwischen dem feststehenden
Kontaktteil des Flüssigmetall-Konktaktelements
und der Welle gegeben.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Querschnittsdarstellungen:
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1 einen
Elektromotor mit einem über zwei
Lager gelagerten Rotor mit jeweils auflenliegenden Flüssigmetall-Kontaktelementen,
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2 einen
Elektromotor wie in 1 gezeigt mit dem Unterschied,
dass hier die Flüssigmetall-Kontaktelemente
innenliegend angeordnet sind sowie
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3 einen
Elektromotor, bei dem nur an einem Lager ein Flüssigmetall-Kontaktelement vorgesehen
ist.
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Die
in den 1 bis 3 dargestellten Elektromotoren
weisen jeweils ein Gehäuse 2 auf,
in dem ein als Welle ausgebildeter Rotor 4 gelagert ist. Der
Rotor 4 durchstößt hierbei
gegenüberliegende Gehäusewände 6 und
ist in den Gehäusewänden 6 über jeweils
ein Lager 8A, B gelagert. Auf dem Rotor 4 ist
eine Rotorwicklung 10 angeordnet. Gegenüber zur Rotorwicklung 10 ist
eine Statorwicklung 12 vorgesehen. Die beiden Wicklungen 10, 12 sind
in hier nicht näher
dargestellter Art und Weise an eine elektrische Versorgung und Steuerung
angeschlossen.
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Direkt
benachbart zu den Lagern 8A, B sind Flüssigmetall-Kontaktelemente 14A,
B vorgesehen, die jeweils mit einem eigenen Erdungsanschluss 16 verbunden
sind. Der Erdungsanschluss 16 ist beispielsweise eine Erdungsklemme, über die
der Elektromotor beim Betrieb mit einem Erdungspotential verbunden
ist.
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Über die
Flüssigmetall-Kontaktelemente 14A,
B ist der Rotor 4 mit dem Erdungspotential verbunden, dass
heißt,
der Rotor 4 ist über
die Kontaktelemente 14A, B geerdet.
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Durch
diese Maßnahme
fließen
hochfrequente Streuströme,
die beim Betrieb aufgrund des Zusammenwirkens zwischen Motor und
zugehörigem,
hier nicht näher
dargestellten Umrichter entstehen, über den Rotor 4 und
den Flüssigmetall-Kontaktelementen 14A,
B ab. Dadurch ist zuverlässig
verhindert, dass diese Streuströme über die
Lager 8A, B als Lagerströme abfließen und somit zu einer Schädigung der
Lager 8A, B führen.
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Die
hier nur schematisch dargestellten Flüssigmetall-Kontaktelemente 14A,
B weisen einen an sich bekannten Aufbau auf und umfassen üblicherweise
ein feststehendes Kontaktteil, welches in einer ersten Alternative
als um den Rotor 4 umlaufender Ring ausgebildet ist. Dieses
feststehende Kontaktteil ist mit dem ebenfalls feststehenden Erdungsanschluss 16 verbunden.
Zwischen diesem ringförmigen
Kontaktteil und dem Rotor 4 ist ein dünner Spalt ausgebildet, in
dem sich das Flüssigmetall
befindet. Das Flüssigmetall
selbst ist daher ebenfalls ringförmig
um den Rotor 4 umlaufend zwischen diesem und dem feststehenden
Kontaktteil angeordnet. Über
das Flüssigmetall
findet ein elektrischer Kontakt mit geringem Kontaktwiderstand zwischen
dem Rotor 4 und dem feststehenden Kontaktteil des Flüssigmetall-Kontaktelements 14A,
B statt.
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Insbesondere
bei einer stirnseitigen Anordnung des Flüssigmetall-Kontaktelements 14A besteht
in alternativer Ausgestaltung auch die Möglichkeit, dass über das
Flüssigmetall-Kontaktelement 14A lediglich
ein punktförmiger
und kein ringförmig umlaufender
Kontakt zwischen dem Flüssigmetall und
dem Rotor 4 ausgebildet ist. Hierzu wird beispielsweise
der Rotor 4 nicht an seiner Umfangsseite, sondern an seiner
Stirnseite kontaktiert.
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Um
eine zuverlässige
Ableitung der Streuströme
zu erreichen und die Ausbildung von Lagerströmen zu vermeiden, sind die
Flüssigmetall-Kontaktelemente 14A,
B jeweils unmittelbar benachbart und insbesondere angrenzend zu
den ihnen zugehörigen
Lagern 8A, B angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel der 1 sind
hierbei die beiden Flüssigmetall-Kontaktelemente 14A,
B außerhalb
des Gehäuses 2 unmittelbar
an der in diesem Bereich durch die Lager 8A, B gebildeten
Gehäuseaußenwand
angeordnet. Im Gegensatz hierzu sind beim Ausführungsbeispiel nach der 2 die
Flüssigmetall-Kontaktelemente 14A,
B im Inneren des Gehäuses 2 unmittelbar
angrenzend an der durch die Lager 8A, B gebildeten Gehäuseinnenwand
angeordnet.
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Beim
Ausführungsbeispiel
der 3 ist lediglich zum linken Lager 8A ein
direkt benachbartes Flüssigmetall-Kontaktelement 14A vorgesehen.
Um hier die Ausbildung von Lagerströmen über das Lager 8B zu
verhindern, ist dieses gegenüber
dem Rotor 4 und – sofern
es sich um ein elektrisch leitfähiges Gehäuse 2 handelt – auch zum
Gehäuse 2 hin
elektrisch isoliert. Hierzu ist eine in 3 schematisch nur
stark vereinfacht dargestellte Lagerisolierung 18 vorgesehen.
An der in den Figuren rechten Seite der Welle 4 ist ein
Kupplungsteil 20 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel der 3 ist
auch dieses mit einer elektrischen Isolierung 22 wie dargestellt
versehen. Prinzipiell ist bei einer derartigen einseitigen Wellenerdung
auch die Anordnung des Flüssigmetall-Kontaktelements 14A auf
der rechten Seite und die Lagerisolierung 18 am linken
Lager 8A möglich.
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Insgesamt
ist durch die Anordnung der Flüssigmetall-Kontaktelemente 14A,
B eine verschleißfreie
und dauerhaft zuverlässige
elektrische Erdung des Rotors 4 gewährleistet, so dass – selbst
bei ungünstigen
Betriebssituationen und Umgebungsbedingungen – die Entstehung von Lagerströmen verhindert
ist.