DE102010039065B4

DE102010039065B4 - Erdungsvorrichtung zur Erdung einer Welle

Info

Publication number: DE102010039065B4
Application number: DE102010039065A
Authority: DE
Inventors: Manfred Liebel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: DE102010039065A1

Abstract

Erdungsvorrichtung (2) zur Erdung einer Welle (1) einer rotierenden dynamoelektrischen Maschine, insbesondere während des Betriebs, mit folgenden Merkmalen: – zumindest einer Erdungsbürste (4), die in einer Erdungsbürstenvorrichtung (2) angebracht ist, – einer Laufbahn (7) der Erdungsbürste (4) auf der Welle (1), wobei die Welle, insbesondere die Laufbahn (7), Zink aufweist, wobei die Laufbahn der Erdungsbürste (4) auf der Welle zumindest teilweise einen Zinkbelag aufweist, wobei der Zinkbelag durch eine aufgeklebte Folie realisiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Erdungsvorrichtung zur Erdung einer Welle einer rotierenden dynamoelektrischen Maschine insbesondere während des Betriebs, durch eine Erdungsbürste.
Bei vergleichsweise großen dynamoelektrischen Maschinen führen Unsymmetrien des mechanischen Aufbaus u. a. durch Fertigungstoleranzen oder lokale Asymmetrien der magnetischen Eigenschaften des Eisenkreises des Blechpakets zu Wellenspannungen. Sobald diese Wellenspannungen einen vorgegebenen Grenzwert, der deutlich kleiner als 1 Volt ist, erreicht, stellt sich ein Stromfluss ein, der sich über die Welle, das Gehäuse der dynamoelektrischen Maschine und die Lager dieser dynamoelektrischen Maschine kurzschließt. Dieser Kreisstrom wird auch als Lagerstrom bezeichnet. Ein solcher Lagerstrom reduziert die statistische Lebensdauer des Lagers erheblich, da er u. a. die Eigenschaften des Schmierfetts und die Güte der Laufbahn der Wälzkörper der Lager beeinträchtigt.
Auch bei Umrichterbetrieb von dynamoelektrischen Maschinen stellen sich Lagerströme ein.
Bei den herkömmlichen Drehstromsystemen addieren sich die Spannungszeiger der drei Phasen zu jedem beliebigen Zeitpunkt zu Null. Bei umrichtergenerierten Drehstromsystemen ist dies aber nicht der Fall. Es verbleibt immer eine Restspannung, die als Common-Mode-Spannung bezeichnet wird. Diese Common-Mode-Spannung erzeugt ebenfalls einen parasitären Strom, der sich häufig seinen Weg von der dynamoelektrischen Maschine zurück zum Umrichter über die Lager der dynamoelektrischen Maschine sucht und ebenfalls zur erheblichen Reduzierung der Lebensdauer der Lager führt, indem u. a. Bestandteile des Schmierfetts zersetzt werden und so die Wälzeigenschaften des Lagers beeinflussen.
Während Wellenströme mit Netzfrequenz fließen, sind die durch die Common-Mode-Spannung erzeugten Erscheinungen hochfrequenter Natur.
Um diese beiden Erscheinungen zu reduzieren, werden unter anderem Wellenerdungen durch Erdungsbürsten realisiert. Bei bestimmten Einsatzbedingungen in explosionsbeschützter Umgebung, beispielsweise im Bergbau ist eine Wellenerdung sogar zwingend vorgeschrieben.
1 zeigt allgemein, ein Ersatzschaltbild einer Wellenerdung. Dabei liegt der elektrische Widerstand einer Erdungsbürste parallel zum Durchgangswiderstand des Maschinenlagers Cb, Rb, Zn.
Wobei Cb die Kapazität des Schmierfilms ist. Rb der ohmsche Widerstand der Lagerung. Zn die nichtlineare Impedanz des Schmierfilms bei Durchschlag. Dabei ist Cwh die Kapazität von Statorwicklung und Gehäuse.
Cwr die Kapazität von Statorwicklung und Rotoreisen.
Crh die Kapazität von Rotoreisen und Gehäuse.
Ub der Spannungsabfall im Lager.
Der Durchgangswiderstand des Lagers wird im Wesentlichen von einem wenigen Mikrometern dicken Ölfilm zwischen Wälzkörper und Laufbahn bestimmt.
Ein Schutz des Lagers durch eine Erdungsbürste ist somit nur dann gegeben, wenn zu allen Betriebs-, Klima- und Temperaturbedingungen der elektrische Widerstand im Zweig der Erdungsbürste deutlich kleiner ist als der Durchgangswiderstand des Lagers. Da es sich hierbei um extrem kleine Widerstände handelt, ist bei Design, Fertigung und Wartung von Erdungseinrichtungen für eine Welle größte Sorgfalt geboten.
Eine Möglichkeit der Wellenerdung ist ein Wellenerdungsgerät, das alleine oder zusammen mit einer Tachomaschine am nicht antriebsseitigen Wellenende der dynamoelektrischen Maschine befestigt wird. Dabei befinden sich Erdungsbürste und Erdungszapfen in einem gedichteten, klimageschützten Raum.
Bei anderen Anwendungen wird die Erdungsbürste direkt auf die Maschinenwelle aufgesetzt. Dabei ist die Laufbahn der Erdungsbürste auf der Welle den Betriebsbedingungen und dem Klima weitestgehend ungeschützt ausgesetzt und je nach Wellenmaterial ist die Laufbahn damit abhängig vom Material der Welle mehr oder weniger korrosionsgefährdet. Korrosion kann den Übergangswiderstand zwischen Welle und Erdungsbürste bis weit in den Kiloohmbereich anheben und somit eine funktionierende Wellenerdung außer Kraft setzen. Auch eine Schleifwirkung der weichen Bürsten gegen die harten Korrosionspartikel führen zu keiner wesentlichen Reduzierung des Übergangswiderstandes. Es tritt somit nicht die angestrebte Selbstheilung auf.
Es ist ebenfalls bekannt, dass der Übergangswiderstand durch einen Edelstahlring, der auf die Welle aufgeschrumpft wird, derartige Korrosionserscheinungen vermieden werden. Jedoch wird durch den Aufschrumpfprozess des Edelstahlrings auf die Welle ebenfalls ein Übergangswiderstand zwischen Edelstahlring und der Welle geschaffen, der den elektrischen Widerstand ebenfalls anhebt.
Aus der WO 97/01200 A1 als nächstliegender Stand der Technik ist eine Erdungsvorrichtung zur Erdung einer Welle einer rotierenden dynamoelektrischen Maschine während des Betriebs mit einer Erdungsbürste, die in einer Erdungsbürstenvorrichtung angebracht ist, bekannt, wobei die Erdungsbürste eine Laufbahn auf der Welle aufweist und wobei die Welle Zink aufweist. Die Laufbahn auf der Welle besteht dabei aus Messing, wobei Messing aus Kupfer und Zink besteht.
Die DE 1917158 A beschreibt ein Verfahren zur Behandlung eines Kupferkörpers, wobei auf einer Oberfläche des Kupferkörpers ein Zinkfilm abgeschieden wird, der mindestens eine filmbildende Stärke aufweist, wobei anschließend der Zinkfilm vollständig in den Kupferkörper diffundiert wird.
Aus der DE 1961788 A ist eine Laufflächenbehandlung von Schleifringen aus rostfreiem Stahl für elektrische Maschinen bekannt, wobei die Lauffläche mit einer Politur aus Graphit einem anderen Material als rostfreier Stahl oder einem Gemisch beider Werkstoffe beschichtet wird.
Aus der DE 898160 B ist eine Unipolarmaschine mit zwei oder mehr Schleifringen an beiden Läuferenden bekannt, wobei die Schleifringe zur Führung des Stroms und des Magnetflusses zwischen Ständer und Läufer dienen.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Erdungsvorrichtung für eine rotierende Welle zu schaffen, bei der die Korrosion in einfacher Art und Weise vermieden werden kann und somit die Übergangswiderstände zwischen Laufbahn und Bürste gering gehalten werden.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Erdungsvorrichtung zur Erdung einer Welle einer rotierenden dynamoelektrischen Maschine nach Anspruch 1.
Als Korrosionsschutz der Lauffläche wird nunmehr prinzipiell die Opferanodenwirkung von Zink ausgenutzt. Dabei ist das zu schützende Teil, also die Laufbahn mit dem auf der Welle angeordneten Zink leitend verbunden, es entsteht somit ein Primärelement, bei dem das zu schützende Metall als Kathode und das unedlere Metall als Anode fungiert. Dabei fließt ein Strom in Richtung des zu schützenden Metalls. Statt diesem gibt jetzt das unedlere Opferanodenmetall also Zink seine Elektroden an den Sauerstoff ab, wird oxidiert und geht in Lösung in der umgebenden Feuchtigkeit, die ursächlich für die Korrosion ist.
Das Wasser bzw. die Feuchtigkeit ist in diesem Bereich der Elektrolyt, der den Transport der geladenen Teilchen ermöglicht und somit den Stromkreis schließt. Die Opferanode, also das Zink auf der Lauffläche, wird mit der Zeit verbraucht und muss erneuert werden, damit der Korrosionsschutz erhalten bleibt.
In einer Ausführungsform wird dabei das Zink bereits in die Welle, bevorzugt in die Lauffläche bei Fertigung der Welle eingerieben. Damit entsteht eine Fernwirkung des Zinks, solange Zink in der Welle bzw. in der Laufbahn enthalten ist.
Erfindungsgemäß wird auf die Welle bzw. die Laufbahn eine Zinkfolie aufgeklebt, so dass dort ebenfalls die Opferanodenwirkung einwirkt. Vorteilhafterweise weist dabei der Kleber Silberpartikeln oder Partikeln anderer gut leitfähiger Stoffe auf, um den Übergangswiderstand weiter zu verringern.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in der 3 näher dargestellt.
2 zeigt eine weitere Möglichkeit einer Laufbahn mit Zink.
2 zeigt in prinzipieller Darstellung eine Welle 1 mit einer Laufbahn 7 einer Erdungsbürste 4 wobei Zink 6 in diese Laufbahn 7 eingerieben wurde. Dieser Einreibungsprozess geschieht bereits bei Fertigung der Welle 1. Über die Laufbahn 7 greift nunmehr eine Erdungsbürste 4 über den Erdungsbürstenhalter das Potential der Welle 1 ab und leitet dies zur Erde ab.
3 zeigt einen konstruktiv ähnlichen Aufbau, wobei lediglich die Laufbahn 7 zumindest teilweise durch eine aufgeklebte Zinkfolie gebildet ist. Um dabei die Übergangswiderstände weitestgehend zu reduzieren werden leitfähige Kleber verwendet, z. B. Kleber mit Silberpartikeln.
Auch dabei stellt sich die Opferanodenwirkung ein, d. h. solange Zink auf der Laufbahn 7 oder in der Nähe der Laufbahn 7 ist, kann sich der elektrolytische Vorgang, wie oben beschrieben, einstellen und seine positive Wirkung bezüglich des Korrosionsschutzes entfalten.

Claims

Erdungsvorrichtung (2) zur Erdung einer Welle (1) einer rotierenden dynamoelektrischen Maschine, insbesondere während des Betriebs, mit folgenden Merkmalen: – zumindest einer Erdungsbürste (4), die in einer Erdungsbürstenvorrichtung (2) angebracht ist, – einer Laufbahn (7) der Erdungsbürste (4) auf der Welle (1), wobei die Welle, insbesondere die Laufbahn (7), Zink aufweist, wobei die Laufbahn der Erdungsbürste (4) auf der Welle zumindest teilweise einen Zinkbelag aufweist, wobei der Zinkbelag durch eine aufgeklebte Folie realisiert ist.
Erdungsvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber leitfähige Partikel, insbesondere Silberpartikel, aufweist und so den Übergangswiderstand zwischen Welle und Zinkfolie weiter reduziert.