DE10300952A1 - Elektrische Maschine mit einem Lagersystem - Google Patents

Abstract

Um die Wellenspannungen, die bei umrichtergespeisten elektrischen Schleifringläufern zu Lagerschäden führen, wird eine Lageranordnung (1) vorgeschlagen, wobei die durch die Lageranordnung (1) führende Welle (2) zumindest im Bereich des Lagerinnenrings (9) eine Buchse (4) aus Isolationswerkstoff oder eine mit Isolationswerkstoff beschichtete Buchse (4) aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Lagersystem. Bei läuferseitig-umrichtergespeisten Schleifringläufermotoren und -generatoren treten unter anderem sehr hohe kapazitive erzeugte Wellenspannung auf. D.h. es müssen Maßnahmen getroffen werden, die einen Abbau dieser Spannungen über die Lager verhindert, da sonst nach relativ kurzer Zeit ein Lagerschaden eintritt.
• Die sich daraus ergebenden Isolationsanforderungen sind hoch (z.B. Isolationswiderstand ≥ 10 MΩ bei einer Messspannung von 1000 V DC und einer Spannungsfestigkeit ≥ 2,5 kV AC). Des Weiteren ist ein Berührungsschutz bei diese hohen Spannungen vorzusehen.
• Eine Möglichkeit den Anforderungen gerecht zu werden ist, ein Lagergehäuse vorzusehen, das radial und axial gegenüber dem Lagerschild isoliert ist. Sämtliche Befestigungsschrauben des Lagergehäuses müssen dabei durch Buchsen und Isolationsscheiben isoliert werden. Ein zusätzlicher Berührungsschutz des Lagergehäuses ist erforderlich, da dieses Wellenpotential aufweist.
• Eine weitere Möglichkeit besteht darin einen eingeschrumpfen isolierten Ring im Lagersitz vorzusehen. Der Lagersitz außen wird größer ausgedreht. Ein Ring mit Folienisolation wird eingeschrumpft. Auf beiden Seiten des Lagereinsatzes zwischen Lagerkopf und Lagerdeckel wird zusätzlich eine Isolierscheibe eingebracht. So kann sich die Spannung nicht im Lagerschild fortsetzen. Diese Isolationstechnik ist vergleichsweise aufwendig und Verschmutzungen führen immer wieder zu Durchschlägen der Isolation.
• Es sind auch isolierte Lager bekannt, die mit einer dünnen Keramikschicht überzogen sind oder komplett aus nichtleitendem Material, z.B. Keramik bestehen. Ein Nachteil dabei ist, dass eine weltweite schnelle Verfügbarkeit dieser speziellen Lager nicht gegeben ist. Dies Lager sind sehr teuer und nicht alle Weltlagertypen sind in diesen Ausführungen verfügbar. Außerdem erreichen diese isolierten Lager nicht in jedem Anwendungsfall die geforderte Spannungsfestigkeit.
• Aus der US 1 152 681 ist eine Lageranordnung bekannt, bei der entweder ein Lageraußenring oder ein Lagerinnenring eine Isolationsschicht aufweist um den Isolationsanforderungen zu genügen.
• Auch die US 4 320 931 zeigt ein Lager, das eine Isolationsschicht aufweist.
• Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine zu schaffen, die insbesondere im Umrichterbetrieb erzeugten hohen kapazitiven Wellenspannungen isoliert. Dabei soll die Lageisolation höher 10 MΩ sein und außerdem der Berührungsschutz realisiert werden, wobei die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden sollen.
• Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine mit einem umrichtergespeisten Schleifringläufer mit zumindest einer Lageranordnung, wobei die durch die Lageranordnung führende Welle im Bereich des Lagerinnenrings eine Buchse aus Isolationswerkstoff oder ein mit Isolationswerkstoff beschichtete Buchse aufweist.
• Somit wird unterhalb des Lagers auf der Welle eine Buchse aus Isolationswerkstoff oder aus einem mit Isolationswerkstoff beschichteten elektrisch leitfähigen Träger fixiert. Die axiale Länge der Buchse ist dabei derart, dass es sowohl an einem inneren zur Maschine weisenden als auch an einem äußeren Lagerdeckel einen genügend großen axialen Überstand aufweist, so dass die Kriechstrecke eine Übertragung der Spannung bzw. einen Überschlag von Welle zu Lagerdeckel verhindert.
• Durch den einfachen Aufbau der Lageranordnung aus wenigen Standardteilen ist eine schnelle Verfügbarkeit der handelsüblichen Lager mit einer Kombination einer läuferseitig umrichtergespeisten elektrische Maschine möglich. Diese elektrischen Maschinen weisen somit eine hohe Prozesssicherheit auf, da die Isolation nicht aus vielen Einzelteilen besteht, die bei der Montage zu einer kompletten Einheit zusammengesetzt werden müssen, sondern eine einzige kompakte Buchse aufweist. Somit ist die Wahrscheinlichkeit, dass beim Zusammenbau durch Schmutz oder Späne elektrische Brücken gebildet werden sehr gering. Es ist außerdem kein separates Lagergehäuse erforderlich, da die Lagerstelle bereits auf der Welle isoliert ist. Daher kann auf ein Standardlagerschild mit Lagerkopf zurückgegriffen werden.
• Die Buchse wird auf die Welle aufgeschrumpft oder mit anderen bekannten Mitteln mit der Welle verbunden.
• Außerdem ist kein Berührungsschutz des Lagereinsatzes erforderlich, da die Lageranordnung das Potential des Ständergehäuses hat und somit geerdet ist.
• Vorteilhafterweise ist auf der Schleifringseite der Buchse eine Leitungsdurchführung für die Läuferleitungen von Schleifringkörper zum Schleifringläufer vorgesehen.
• Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
• 1 eine Lageranordnung mit einer Buchse aus Isolierwerkstoff,
• 2 eine Lageranordnung mit einer beschichteten Buchse aus Isolierwerkstoff.
• 1 zeigt einen Abschnitt einer nicht näher dargestellten elektrischen Maschine mit einer Schleifringanordnung, wobei die Lageranordnung 1 näher dargestellt ist. Die Lageranordnung 1 zeigt ein Kugellager 3 das eine Welle 2 über eine Buchse 4 aus Isolationswerkstoff stützt. Als Isolationswerkstoff eignen sich u.a. Keramik oder Kunststoffe. Axial an das Lager 3 schließen sich Abdichtungselemente 7 mit O-Ringen und weiteren Hilfselementen an. Optional weist die Buchse 4 insbesondere wenn sie zwischen der Schleifringanordnung und dem Läufer positioniert ist axiale Ausnehmungen 8 auf, in die nicht näher gezeigte Läuferleitungen einsetzbar sind. Des Weiteren weist die Buchse 4 gegenüber der Lageranordnung 1 axiale Überstände auf um Überschläge zu vermeiden. Die Buchse 4 weist auch Flansche 6 auf, die es gestatten, Auswuchtscheiben oder Lüfter anzubringen.
• Ergänzend zu den Elementen in 1 kann die Buchse 4 aus herkömmlichen elektrisch leitfähigen Werkstoffen hergestellt sein; sie unterscheidet sich von der oben beschriebenen Buchse 4 lediglich dadurch, dass sie eine Beschichtung 5 aus Isolationswerkstoff aufweist.

Claims (5)

1. Elektrische Maschine mit einem umrichtergespeisten Schleifringläufer mit zumindest einer Lageranordnung (1), wobei die durch die Lageranordnung (1) führende Welle (2) zumindest im Bereich des Lagerinnenrings (9) eine Buchse (4) aus Isolationswerkstoff oder ein mit Isolationswerkstoff beschichtete Buchse (4) aufweist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (4) zumindest auf der dem Schleifring zugewandten Seite Ausnehmungen (8) aufweist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (8) insbesondere für die Leitungsdurchführung von einem Schleifringkörper zu dem Schleifringläufer vorgesehen sind.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolationswerkstoff Keramik vorgesehen ist.
5. Anwendung einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche insbesondere bei Windkraftgeneratoren.