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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung von unerwünschten Lagerspannungen in einer elektrischen Maschine, wie z. B. einem EC-Motor.
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Drehzahlveränderbare Motoren werden heute überwiegend von Spannungszwischenkreisumrichtern gespeist. Die Speisung durch den Spannungszwischenkreisumrichter führt jedoch zu Lagerspannungen, was wiederum zu Lagerströmen in den Lagern des Motors führen kann. Ein solcher Stromfluss durch die Lager kann bei elektrischen Maschinen mit Wälz- und Gleitlagern zu Schäden bis hin zum totalen Ausfall führen.
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Als Abhilfe wurden in der Vergangenheit hierzu stromisolierte bzw. elektrisch isolierende Lager, z. B. Lager mit einer Keramikisolierung am Außenring oder Hybridlager mit Keramik-Walzkörpern, verwendet. Da diese Lager jedoch sehr teuer sind, eignet sich eine solche Lösung nicht in idealer Weise für die Massenfertigung.
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Aus dem Stand der Technik sind weitere Abhilfemaßnahmen bekannt. So lehren die Druckschriften
EP 1 445 850 A1 bzw.
DE 10 2004 016 738 B3 eine Vorrichtung zum Schutz eines Lagers einer Elektromaschine zu verwenden, die eine Kompensationsanordnung bzw. eine Kompensationseinrichtung zur Erzeugung eines Kompensationsstroms für die Kompensation eines Störstroms durch die Lager vorsieht.
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Bei Speisung einer elektrischen Maschine aus einem Pulswechselrichter entsteht eine kapazitiv eingekoppelte Lagerspannung. Durch das geschaltete Pulsmuster des Inverters ergibt sich an dessen Ausgang eine mit der Schaltfrequenz des Inverters springende Gleichtaktspannung (CMV) gegenüber Erde.
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Die
DE 20 2015 103 902 U beschäftigt sich mit der daraus resultierenden Problematik, nämlich dass sich eine Spannung zwischen dem Lagerinnen- und Lageraußenring und der auf einem isolierenden Ölfilm laufenden Kugel des Lagers ausbildet. Kommt es aufgrund unzureichender Isolationsstärke des Ölfilms, bzw. zu hohen Lagerspannungen zu einem Durchschlag der Isolation, so entlädt sich die Ölfilmkapazität sowie weitere parallele parasitäre Kapazitäten des Gesamtaufbaus und es findet ein Ausgleich der Ladungsträger zwischen Lagerinnen- und Lageraußenring statt (electric discharge machining), was zu Lagerschäden führen kann.
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Die
DE 20 2015 103 902 U schlägt hierzu das Einbringen einer Kapazität vor, welche deutlich größer gewählt wird als die parasitär entstehenden Kondensatoren im restlichen Netzwerk. Aufgrund dieser Maßnahme wird der Stator im relevanten Frequenzbereich nahezu mit Massepotential (GND) verbunden. Eine Verbindung zwischen Massepotential und Schutzleiter wird überwiegend durch die im EMV-Filter verbauten Y-Kondensatoren hergestellt. Die Verbindung kann aufgrund der großen Kapazitäten des EMV-Filters für Frequenzbereiche, in denen durch PWM Taktung Lagerspannungen verursacht werden, nahezu als Kurzschluss betrachtet werden. Über die weiteren vorhandenen Kapazitäten kann sich dennoch sowohl am Lageraußenring, als auch am Rotor, bzw. dem damit leitfähig verbundenen Lagerinnenring einer Spannung aufbauen, so dass die Lösung der
DE 20 2015 103 902 U das der Erfindung zu Grunde liegende Problem nur teilweise beseitigt.
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Im Weiteren wird vorausgesetzt, dass die Anbindung des Stators im relevanten Frequenzbereich an Massepotential vorhanden ist. Dann sind für die Spannung am Lageraußenring des statorseitigen Lagers die Verhältnisse aus parasitärer Kapazität zwischen Wicklung und Lageraußenring und Lageraußenring zum Stator dominierend. Das Verhältnis zwischen der parasitären Kapazität zwischen Wicklung und Lageraußenring und der Kapazität zwischen dem Lageraußenring zum Stator liegt dabei typischerweise zwischen 1:1 bis 1:5. Unter der Annahme, dass keine weiteren Kapazitäten am Rotor anliegen, würde ein Potential von ca. 16–50% der Zwischenkreisspannung am Lageraußenring entstehen.
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Für das Potential des rotorseitigen Lageraußenrings sind die Kapazitäten zwischen der Wicklung zum rotorseitigen Lageraußenring sowie zwischen dem Stator und rotorseitigen Lageraußenring relevant. Die prinzipiellen Verhältnisse sind dabei ähnlich zu denen am statorseitigen Lager.
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Die Potentiale am Rotor werden maßgeblich durch das Verhältnis der Kapazitäten zwischen der Wicklung und dem Rotor sowie durch die Kapazitäten des Rotors gegenüber der Erde bzw. dem Schutzleiterpotential und der Kapazität des Rotors gegenüber dem Stator bestimmt. Durch die Kapazitäten der stator- und rotorseitigen Lager sowie weiterer kleiner parasitärer Kapazitäten entsteht eine zusätzliche Verstimmung der genannten Potentiale. Liegen zwischen dem Lageraußenring und dem Lagerinnenring bzw. dem damit leitfähig verbundenen Rotor solche Spannungen an, die über der Isolationsfestigkeit des Schmierfilms zwischen Lauffläche und Kugel liegen, kommt es zum Durchschlag und einem Aufrauhen der Laufflächen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorgenannte Probleme zu überwinden und eine Lösung bereit zu stellen, mit welcher die unerwünschten Lagerspannungen und daraus resultierenden Lagerströme wirksam reduziert oder ganz unterbunden werden können.
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Diese Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch Anpassung des Kapazitätsnetzwerks einer elektrischen Maschine oder Motors die Potentiale von Lageraußenring und Lagerinnenring auf denselben Wert angepasst werden, beispielhaft über die beiden Spannungsteiler Wicklung-Lageraußenring-Erdpotential und Wicklung-Lagerinnenring-Erdpotential. wird. Hierzu werden die auftretenden Kapazitäten des Kapazitätsnetzwerks der Maschine bzw. Motors zwischen Statorwicklung und Lager spezifisch abgestimmt.
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Erfindungsgemäß wird demnach eine Vorrichtung zur Reduzierung von schädlichen Lagerspannungen in einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und mit einem Stator vorgesehen, wobei zwischen Rotor und Stator ein rotorseitiger und statorseitiger Lageraußenring und je ein Lagerinnenring vorgesehen ist, weiter umfassend eine Anschlusselektronik zum Anschluss des Motors, wobei eine Kompensationsanordnung vorgesehen ist, um das Potential der Lagerspannung an den Lageraußenringen und dem jeweils korrespondierenden Lagerinnenring auf einen identischen Wert anzugleichen.
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Für eine gut funktionierende Kompensation der Lagerspannung besitzen die Potentiale von Rotor sowie der Lageraußenringe daher denselben Wert. Dies wird z. B. dadurch erreicht, dass eine Gleichtaktspannung mit höherem oder niedrigerem Potential kapazitiv auf den Lageraußenring eingekoppelt wird.
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Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Gedankens bieten sich die folgenden näher beschriebenen Lösungen an.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kompensation der Lagerspannung bei gemasstem Stator über eine Impedanz vorgesehen. Hierbei ist weiter vorgesehen, dass die Kompensationsanordnung eine Ankopplung des Stators an das Massebezugspotential der Anschlusselektronik über eine definierte Kapazität umfasst.
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Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt, anders als im Stand der Technik, kein Abgleich der Impedanzen, sondern ein gezielter Abgleich der Potentiale gegenüber Erde, bzw. der Spannungen über dem Lager. Eine Kombination aus einer Ankopplung des Stators an das Massebezugspotential der Kommutierungselektronik führt nicht nur zu einer Reduzierung der Lagerspannung, sondern auch zu einer Verbesserung der EMV-Eigenschaften durch ein konstantes nicht geerdetes Statorpotential, indem durch Common Mode verursachte Ableitströme nicht über den Erdleiter, sondern direkt in die Elektronik zurück fließen.
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Mittels einer Kapazität wird das Statorpaket auf ein niedrigeres Potential gegenüber Erde gezogen im Vergleich zum Rotorpotential. Dadurch herrscht am Lageraußenring auf Grund des Spannungsteilers aus den Kapazitäten zwischen Wicklung und Lageraußenring und zwischen Lageraußenring und Stator ein höheres Potential als am Stator und Rotor. Dies ist Voraussetzung, dass durch Einbringen einer zusätzlichen Impedanz das Spannungsteilungsmaß des Spanungsteilers der Kapazitäten zwischen Wicklung, Lageraußenring und Stator verringert wird und das Potential am Lageraußenring absinkt bis die am Lager verbleibende Spannung unkritische Werte erreicht.
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Des Weiteren ist es möglich beispielsweise durch Eingriff in die geometrischen Abmessungen den Spannungsteiler aus der Kapazität zwischen Wicklung und Lageraußenring und der Kapazität zwischen Lageraußenring und Stator zu variieren, beispielsweise durch Vergrößern des Abstands der Wicklung vom Lager. Ebenfalls wäre es möglich eine Erhöhung der Kapazität zwischen Stator und Lageraußenring beispielsweise durch Verringerung des Abstands vom Lageraußenring zum Stator zu erreichen.
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Ein Vorteil der Erfindung gegenüber bekannten Lösungen liegt darin, dass bei einer Veränderung der Rotoranbauten und der damit verbundenen Potentialänderung zwischen Rotor und Schutzerde eine Kompensation durch Änderung der Kapazität zum Massebezugspotential erreicht werden kann, wodurch aber gerade keine Änderung der geometrischen Abmessungen im Motor notwendig sind.
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Des Weiteren kann durch Einbau einer Impedanz vom Lageraußenring zum Stator der Potentialausgleich erreicht werden, ohne dass nennenswerte geometrische Veränderungen vorgenommen werden müssen.
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Darüber hinaus kann die Anbindung insbesondere bei Außenläufermotoren sehr einfach erfolgen, da der Lageraußenring und der Stator feststehen und nahe beieinander liegen. Insbesondere der Lagersitz des Motors, welcher Hohlstellen aufweist, kann genutzt werden um z. B. mittels einer Klammer oder eines Clips, welcher die gewünschte Impedanz aufweist, eine Verbindung zwischen dem Lageraußenring und den Statorblechen herzustellen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die genannte Kompensationsanordnung eine Impedanz ausbildet, bestehend aus einer ersten (abgestimmten) Impedanz zwischen dem Stator und dem rotorseitigen Lageraußenring und einer zweiten (abgestimmten) Impedanz zwischen dem Stator und dem statorseitgen Lageraußenring.
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Weiter bevorzugt ist es, wenn wenigstens eine der beiden Impedanzen im Lagersitz oder einem Hohlraum in einer elektrischen Verbindungsanordnung zwischen dem Stator und dem Lageraußenring angeordnet ist.
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In einer weiteren Lösungsmöglichkeit nach der Idee der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensationsanordnung zur Veränderung der Lagerspannung wenigstens eine Lagerschirmung zwischen der Motorwicklung und dem rotorseitigen und/oder statorseitigen Lageraußenring und dem Stator vorsieht.
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Es ist dabei von Vorteil, wenn die Lagerschirmung als Schirmring in eine Lagertasche um den Lageraußenring eingesteckt ist.
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Die Vorteile bestehen darin, dass der Schirmring in der Produktion als Einlegeteil gefertigt werden kann und keine direkte elektrische Verbindungen an den Lageraussenring erfordert. Somit muss kein elektrischer Kontakt zwischen dem Lageraußenring und dem Schirmring bestehen, welcher im Lauf der Zeit korrodieren oder durch mechanischen Anpressdruck das Lager beeinflussen kann. Ferner werden Verspannungen des Lagers vermieden und ist kein Eingriff in das mechanische System des Lagersitzes notwendig.
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Der Schirmring wird in das elektrische Feld zwischen der Wicklung und dem Lageraußenring eingebracht und optional über eine Kapazität an den Stator angebunden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn für den rotorseitigen Lageraußenring eine erste Lagerschirmung vorgesehen ist und für den statorseitigen Lageraußenring eine zweite (davon getrennte) Lagerschirmung vorgesehen ist, die sich von der ersten Lagerschirmung zumindest betreffend der Teilerverhältnisse unterscheidet.
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In einer weiteren Lösungsmöglichkeit nach der Idee der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensationsanordnung an zueinander isolierten Statorblechen realisiert wird. Bei neuartigen Verfahren wie beispielsweise einer Backlack-Beschichtung der Statorbleche oder durch Isolationsmaterial wird der elektrische Kontakt zwischen den Blechen gezielt getrennt. Diese Isolation kann man gezielt nutzen, um die Lagerspannung zu reduzieren.
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Betrachtet man hierzu das Lagerspannungsersatzschaltbild, so verändert sich durch die Isolation zwischen den Statorblechen die Kapazität zwischen dem Stator und den Lageraußenringen nicht als einzelne Kapazität, sondern als eine Kombination aus einer Vielzahl von Kapazitäten. Liegt nun eine Gleichtaktspannung an der Wicklung an, so entsteht an jedem der Bleche aufgrund der kapazitiven Kopplung zur Wicklung oder über die einzelnen Bleche hinweg ein Potential gegenüber Erde (PE). Die Potentiale der einzelnen Bleche sind dabei nicht zwingendermaßen identisch. Aufgrund der großen Kapazitäten zwischen den Statorblechen kann aber davon ausgegangen werden, dass das Potential jeweils unmittelbar benachbarter Bleche nur geringe Differenzen aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist demnach vorgesehen, dass die Ankopplung des Stators an das Massebezugspotential über wenigstens eine Anzahl an Statorblechen des Stators erfolgt, die gegenüber den weiteren Statorblechen des Stators isoliert sind, um das Potential des Lageraußenrings an das Potential des Rotors anzugleichen.
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Somit wird das Potential des Lageraußenrings maßgeblich nicht mehr nur durch ein einzelnes Blech, sondern durch eine Gewichtung der Potentiale der einzelnen Bleche erhalten und gemäß ihrer kapazitiven Kopplung auf den Lageraußenring gewichtet d. h. durch gezielte Massung einzelner Statorbleche wird das Potential des Lageraußenrings an das Potential des Rotors angepasst. Je mehr Bleche in der Nähe eines Lageraußen rings mit der Massung verbunden sind, desto weiter sinkt das Potential gegenüber Erde ab. Diejenigen nicht an das Massebezugspotential angebundenen Bleche erhöhen hingegen das Potential der Lageraußenringe gegenüber dem Erdpotential.
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Ein entscheidender Vorteil bei dieser Lösung ist es, dass der Spannungsteiler der Kapazitäten zwischen Wicklung, Lageraußenring und Stator jeweils für das statorsseitige und für das rotorseitige Lager separat abgeglichen werden kann und so die Lagerspannung auf minimale Werte anpassbar ist.
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Ferner kann durch gezielte Isolation zwischen den Lagen mehrerer elektrisch miteinander verbundener Bleche eine Blechgruppe erstellt werden. Innerhalb der Blechgruppe ist das Potential identisch. Über die Anzahl der zu einer Blechgruppe gehörenden Bleche, sowie die Auswahl der gemassten Blechgruppen kann das gewünschte Potential eingestellt werden.
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Alternativ zu einer Anbindung an das Massenbezugspotential kann auch eine Erdung erfolgen. Das erläuterte Prinzip ist dabei analog. Die Anbindung der einzelnen Bleche an das Erdpotential kann beispielsweise mittels eines Stifts erfolgen, welcher durch die Blechpaktete geführt wird. Sollen hierbei einzelne Bleche oder Blechpakete nicht angebunden werden, so ist an der Durchführungsstelle des Stifts eine Aussparung oder Isolation vorzusehen, so dass der Stift keinen leitfähigen Kontakt zu den betroffenen Blechen besitzt.
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Es ist daher mit Vorteil vorgesehen, dass die an das Massebezugspotential oder an das Erdpotential gekoppelten Statorbleche miteinander über einen die Statorbleche durchdringenden, leitfähigen Stift elektrisch verbunden ist.
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In einer weiteren Lösungsmöglichkeit nach der Idee der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensationsanordnung über eine Rotorerdung und Lagererdung in Kombination mit einer Massenanbindung des Stators erfolgt, was insbesondere bei Applikationen in leitfähigen Flüssigkeiten von Vorteil ist.
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Erfindungsgemäß wird hierzu eine Vorrichtung vorgeschlagen bei der der Rotor mittels einer leitfähigen Flüssigkeit mit dem Erdpotential (PE) in elektrischer Verbindung steht und der rotorseitige und statorseitige Lageraußenring über eine am Stator entlang oder durch diesen hindurchgeführte elektrische Verbindung miteinander verbunden ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der statorseitige Lageraußenring ferner mit dem Erdpotential (PE) verbunden ist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Elektromotor, vorzugsweise einen EC-Motor, ausgebildet mit einer wie zuvor beschriebenen Vorrichtung.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Anpassen einer beschriebenen Vorrichtung an eine veränderte Applikationsbedingung, bei der das Potential des Rotors gegenüber dem Massebezugspotential verringert wird, indem das Potential am Lageraußenring abhängig vom Potential des Rotors auf einen jeweils entsprechend niedrigeren Wert eingestellt wird.
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Um demnach eine möglichst breite Kompensation der Lagerspannung für viele Applikationen zu erreichen ist es zielführend, den Lageraußenring auf ein niedrigeres Potential einzustellen, als das Potential des Rotors. Wird dann in der Applikation das Rotorpotential gegenüber Erde verringert, beispielsweise durch zusätzliche leitfähige Gegenstände in der Nähe des Rotors, so wird zunächst die Spannung über dem Lager kleiner. Erst bei sehr großen kapazitiven Kopplungen des Rotors zur Erde steigt die Lagerspannung dann auf kritische Werte an.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht durch einen Motor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 ein Ersatzschaltbild des Kapazitätsnetzwerkes für die Ausführung nach 1,
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3 eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Lagerschirmung;
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4 ein Ersatzschaltbild des Kapazitätsnetzwerkes für die Ausführungsform gemäß 3;
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5 ein Detail des Ersatzschaltbilds des Kapazitätsnetzwerkes für die zweite Ausführungsform gemäß 3;
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6 ein Ersatzschaltbild des Kapazitätsnetzwerkes für eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
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7 ein Detail des Ersatzschaltbilds des Kapazitätsnetzwerkes für die Ausführungsform gemäß 6 und
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8 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Die Erfindung wir nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die 1 bis 8 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hinweisen.
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In der 1 ist eine Schnittansicht durch einen Elektromotor M mit einer Vorrichtung zur Reduzierung von schädlichen Lagerspannungen an den Lagern 4r, 4s, 4i gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
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Der Motor M besitzt einen Rotor 2 und einen Stator 3 gebildet aus Statorblechen 3i. Zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 ist jeweils ein rotorseitiger und statorseitiger Lageraußenring 4r, 4s und je ein Lagerinnenring 4i vorgesehen. Weiter dargestellt sind die Welle 6 und die Wicklung 7 des Motors M. Hierbei sind die Lager am Außenring 4r, 4s gegenüber den anderen metallischen Teilen über die Isolierung 5 elektrisch isoliert.
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Ferner ist eine Kompensationsanordnung 20 vorgesehen, um das Potential der Lagerspannung an den Lageraußenringen 4r, 4s und dem jeweils korrespondierenden Lagerinnenring 4i auf einen identischen Wert anzugleichen. Die Kompensationsanordnung 20 umfasst eine Ankopplung des Stators 3 an das Massebezugspotential GND der Anschlusselektronik über eine definierte Kapazität Ca, wie dies im Ersatzschaltbild der 2 ersichtlich ist. Das Ersatzschaltbild repräsentiert das Kapazitätsnetzwerk für die Ausführung nach 1 mit zwei aktiv eingebrachten Impedanzen ZKOMP,R, ZKOMP,S und die systembedingten Kapazitäten Cws, CW-LAs, CW-LAr, CWR, CBS, CBR, CRS, CRE, CSE, CY, CS-LAS, CS-LAr., auf die jedoch nicht näher eingegangen wird. Ferner ist das Potential PE der Schutzerde in dem Netzwerk dargestellt.
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Die Kompensationsanordnung 20 ist mittels einer Impedanz ZKOMP realisiert, bestehend aus einer ersten Impedanz ZKOMP,R zwischen dem Stator 3 und dem rotorseitigen Lageraußenring 4r und einer zweiten Impedanz ZKOMP,S zwischen dem Stator 3 und dem statorseitigen Lageraußenring 4s.
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Ferner kann die Kompensationsanordnung 20 über eine elektrische Verbindung 20i zwischen dem rotorseitigen Lageraußenring 4r und dem statorseitigen Lageraußenring 4s verfügen, wie diese in der 2 gezeigt wird.
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Mit Hilfe der 3 bis 5 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Lagerschirmung 21 erläutert, wobei die 4 ein Ersatzschaltbild des Kapazitätsnetzwerkes mit einem näheren Detail des Ersatzschaltbilds in der 5 zeigt. Diese Kompensationsanordnung 20 des Motors M dient der Veränderung der Lagerspannung mittels einer Lagerschirmung 21, die zwischen die Motorwicklung 7 und dem rotorseitigen und/oder statorseitigen Lageraußenring 4r, 4s und dem Stator 3 eingebracht ist. Der Stator 3 ist vorliegend als vergossener Stator ausgeführt. Die Lagerschirmung 21 wird als Schirmring in eine Lagertasche 22 um den Lageraußenring 4r eingesteckt.
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Die Funktionsweise dieser Kompensationsanordnung 20 wird anhand eines Schirmrings 21 am statorseitigen Lager 4r, 4i mit Bezug auf die Ersatzschaltbilder der 4 und 5 näher erläutert. Der Schirmring 21 wird in das elektrische Feld, zwischen der Wicklung 7 und dem Lageraußenring 4s eingebracht und über eine Kapazität Cs-x mit dem Stator 3 verbunden. Je nach Überlappungsfläche des eingesteckten Schirmrings 21 bleibt eine Restkapazität αCW-LA, von der Wicklung 7 zum Lageraußenring 4s der ursprünglichen Kapazität CW-LAs (ohne den Schirmring 21) erhalten. Der Rest der Kapazität teilt sich auf in die Kapazität CW-SR und die Kapazität CW-LAs. Die gleiche Wirkung entsteht zwischen dem Stator 3 und dem Lageraußenring 4s. Hier teilt sich die ohne Schirmring 21 vorhandene Kapazität CS-LA,s in zwei Kapazitäten CS-SR und CSR-LA,1 über dem Schirmring 21 auf.
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Wird durch den Schirmring 21 das Potential das Lageraußenrings 4s mit dem des Rotors 2 abgeglichen, so wird die Lagerspannung verringert. Soll das Potential der Lagerspannung jedoch weiter angepasst werden (weil die Wirkung mit dem Schirmring 21 alleine nicht ausreichend ist), so kann durch Einbau einer zusätzlichen Kapazität CS-X die Potentialdifferenz des Schirmrings 21 gegenüber dem Potential des Stators 3 weiter angepasst werden. Wird CS-X gegenüber der Wicklung 7 geschaltet, so findet eine Verringerung der Potentialdifferenz gegenüber der Wicklung 7 statt. Die Kapazität CS-X muss dabei nicht als diskretes Element, wie in der 4 gezeigt, ausgeführt sein, sondern kann alternativ auch über eine parasitäre Kapazität durch den mechanischen Aufbau oder Auswahl des Dieelektrikums angepasst werden.
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Ein Schirmring 21 kann ebenso für das rotorseitige Lager 4r eingebracht werden. Der elektrische Wirkmechanismus ist derselbe. Da jedoch eine Anpassung des Potentials des Lageraußenrings 4r auch eine Veränderung des Rotorpotentials und umgekehrt mit sich bringt ist die Abstimmung bei Verwendung zweier Schirmringe 21 getrennt voneinander vorzunehmen.
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Es ist des Weiteren möglich die beiden Lageraußenringe 4r, 4s elektrisch über eine Verbindungsleitung miteinander zu verbinden, so dass die Kompensation mit einem Schirmring 21 durchgeführt werden kann. Der Schirmring 21 kann dabei direkt in den Motor M eingelassen bzw. umspritzt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin diese als Verbindungsclip auszuführen und in den Hohlräumen des Lagersitzes (z. B. den Lagertaschen 22) zu positionieren.
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Mit Bezug auf die 6 und 7 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Hilfe von Ersatzschaltbildern erläutert. Die Kompensationsanordnung 20 wird hier mittels zueinander isolierter Statorbleche 3i realisiert. Die Isolation zwischen den Statorblechen 3i nutzt man gezielt, um die Lagerspannung zu reduzieren. Das Lagerspannungsersatzschaltbild der 7 zeigt den Einfluss durch die Isolation zwischen den Statorblechen 3i dahingehend, dass die Kapazität CS-LA nicht als einzelne Kapazität, sondern aus einer Vielzahl von Kapazitäten gebildet wird. In der 7 werden daher die Kapazitäten wie folgt dargestellt. CW-S,s-x repräsentiert die einzelnen Kapazitäten der Wicklung 7 zum Stator 3 bei denen das x-te betroffene Statorblech 3i ebenfalls eine hohe Kopplung zum statorseitigen Lageraußenring 4s aufweist. CW-S,r-x repräsentiert die einzelnen Kapazitäten der Wicklung 7 zum Stator 3 bei denen das jeweilige Statorblech 3i ebenfalls eine hohe Kopplung zum rotorseitigen Lageraußenring 4r aufweist. CW-S,x repräsentiert die einzelnen Kapazitäten der Wicklung 7 zum jeweiligen Statorblech 3i, bei denen das Statorblech 3i keine oder nur eine vernachlässigbare Kopplung mit den Lageraußenringen 4s, 4r aufweist. CBL-BL,x bezeichnet die Kapazität zwischen zwei Blechen 3i und CRS setzt sich aus einer Vielzahl von Kapazitäten, welche eine Kopplung der Statorbleche 3i zum Rotor 2 aufweisen.
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Die Kapazitäten CS-LA,s-x und CS-LA,r-x zwischen dem Stator 3 und dem statorseitigen Lageraußenring 4s bzw. dem rotorseitigen Lageraußenring 4r repräsentieren die Koppelkapazität des x-ten Statorblechs 3i zum entsprechenden Lageraußenring.
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Liegt nun eine Gleichtaktspannung UCM an der Wicklung 7 an, so entsteht an jedem der Statorbleche 3i aufgrund der kapazitiven Kopplung zur Wicklung 7 oder über die einzelnen Staorbleche 3i hinweg ein Potential gegenüber Erde (PE). Es erfolgt eine Massenanbindung einzelner Bleche 3i über eine Kapazität, wodurch sich ein Spannungsteiler aus einer Vielzahl an Kapazitäten, wie in der 7 dargestellt, ergibt.
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Die 8 zeigt eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Bei Anwendungen, in denen der Rotor 2 in leitfähigen, geerdeten oder gemassten Medien betrieben wird, reduziert sich das Potential des Rotors 2 gegenüber Erde PE. Im Extremfall d. h. bei hoher Leitfähigkeit weist der Rotor 2 das Erdpotential PE identisch auf. Durch den Spannungsteiler der Kapazitäten von der Wicklung 7 zum Lageraußenring 4r, 4s zum Stator 3 ergibt sich eine verbleibendes Potential am Lageraußenring 4r, 4s. Die Spannung über dem Lager steigt dabei durch die Erdung des Rotors 2 an.
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In dieser Ausführung wird eine leitfähige Verbindung 20i zwischen den beiden Lageraußenringe 4r, 4s verwendet. Diese Verbindung verläuft im Stator 3, wobei der Raum zwischen der Welle 6 und dem Stator 3 genutzt wird. Zusätzlich zu der Verbindung 20i der beiden Lager wird der statorseitige Lageraußenring 4s mit der Erde PE über die Verbindung 20j verbunden. Somit kann ein Kurzschluss zwischen dem Lagerinnenring 4i, dem Rotor 2 über Erde und die leitfähige Flüssigkeit erreicht werden. Weist das Medium, in dem der Rotor 2 oder dessen Welle 6 rotiert, eine zu geringe Leitfähigkeit auf, so kann mittels einer Elektrode und der Zugabe von Salzen die Leitfähigkeit verbessert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1445850 A1 [0004]
- DE 102004016738 B3 [0004]
- DE 202015103902 U [0006, 0007, 0007]
