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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend wenigstens zwei zueinander bewegliche elektrisch leitende Teile und eine zwischen diesen angeordnete elektrische Isolierschicht, welche in Reihe mit wenigstens einem Luftspalt zwischen den beiden Teilen angeordnet ist, wobei ein erstes elektrisch leitendes Teil der Isolierschicht und ein zweites elektrisch leitendes Teil dem Luftspalt zugewandt ist. Derartige elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren, bei denen der die Wicklungen tragende Stator gegenüber Erde isoliert ist, haben im Falle von Rotationsmaschinen als elektrisch leitende Teile einen Stator und einen Rotor, zwischen denen z.B. ein isolierendes Spaltrohr als Isolierschicht angeordnet sein muss, welches den Stator zum Luftspalt hin begrenzt. Bei Linearmaschinen ist die Isolierschicht natürlich plan.
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Die elektrisch leitenden Teile können auf Grund technischer Anforderungen die Isolierschicht nicht oder nicht vollflächig direkt berühren. Diese Isolierschicht ist in einer Rotationsmaschine durch z.B. ein Spaltrohr gebildet, welches in der elektrischen Maschine unter anderem zur Trennung verschiedener Potentiale zwischen Rotor und Stator eingebracht wird. Durch das Einbringen der Isolierschicht teilt sich die Potentialdifferenz umgekehrt proportional zu den relativen Permeabilitäten der Isolierschicht und des Luftspaltes auf, d.h., die Feldstärke im Luftspalt steigt an. Bei entsprechend kleinen Luftspalten gibt es bei hohen Potentialdifferenzen auch sehr hohe Feldstärken, die kleine Überschläge - Teilentladungen - produzieren. Diese Überschläge schädigen das Spaltrohr und degradieren dessen Isolationsfähigkeit über die Betriebsdauer. Ein Problem bei diesen Maschinen besteht somit darin, dass die Teilentladungen die Isolierschicht beschädigen oder zumindest deren Beständigkeit beeinträchtigen können.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine der oben genannten Art derart weiterzubilden, dass die oben beschriebenen Nachteile vermieden oder zumindest stark verringert werden.
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Die Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß ist die elektrische Isolierschicht an ihrer dem Luftspalt zugewandten ersten Seite mit einer leitfähigen Oberflächenschicht versehen, welche über wenigstens eine elektrische Verbindung mit dem zweiten elektrisch leitenden Teil elektrisch verbunden ist.
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Hierdurch liegt nun über dem Luftspalt kein Feld mehr an, da dieses durch die elektrische Verbindung zwischen der leitfähigen Oberflächenschicht der Isolierschicht und dem zweiten elektrischen Teil, in der Regel dem Rotor, kurzgeschlossen ist.
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Die Erfindung bezieht bietet somit eine teilentladungssichere Isolierung in der Maschine, wobei die Motorteile, z.B.: Stator und Rotor, die auf unterschiedlichen Potentialen liegen, elektrisch zuverlässig voneinander getrennt werden.
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Vorzugsweise ist die Isolierschicht an ihren beiden abgewandten Oberflächen mit jeweils einer leitfähigen Oberflächenschicht versehen, und die erste leitfähige Oberflächenschicht ist mit dem ersten Teil und die zweite leitfähige Oberflächenschicht mit dem zweiten Teil verbunden.
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So ist auf beiden Seiten der Isolierschicht, z.B. des Spaltrohres, eine leitfähige Schicht aufgebracht, welche dann auf der Statorseite elektrisch leitfähig mit dem ersten Teil, vorzugsweise dem Stator - auf Statorpotential - verbunden ist, und auf der Rotorseite mit dem Rotor - auf Rotorpotential. So können auch kleine lokale Luftspalte überbrückt werden, die sich auf der dem Luftspalt abgewandten Seite zwischen dem ersten Teil (Stator) und der Isolierschicht erstrecken. Dadurch liegt das elektrische Feld allein über die feste Isolierung des Spaltrohres an, das eine wesentlich höhere Teilentladungsfestigkeit als der Luftspalt aufweist.
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Im Randbereich der Isolierschicht, bzw. des Spaltrohres ist vorzugsweise dabei ein Abstand zwischen den leitfähigen Bereichen einzuhalten, welcher eine Entladung zwischen diesen Bereichen verhindert. Der leitfähige Bereich sollte dabei mindestens so groß sein, dass sich keine Luftspalte bilden können, in welchen Teilentladungen entstehen. Das bedeutet, dass die kritischen Flächen weit genug überdeckt werden müssen
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Vorzugsweise ist die elektrische Verbindung zwischen der leitfähigen Oberflächenschicht und dem zweiten Teil oder eventuell auch dem ersten elektrischen Teil durch einen leitfähigen O-Ring und/oder eine Kontaktfeder gebildet. Eine derartige Kontaktierung erlaubt eine sehr einfache Montage des Spaltrohres und z.B. durch Temperaturänderungen hervorgerufene Relativbewegungen zwischen dem Spaltrohr und dem zweiten Teil und ist technisch einfach zu realisieren. Der Rotor ist in solchen Anordnungen normalerweise nicht gegenüber der Umgebung isoliert, sondern sowohl über die Lager mit dem Lagerdeckel als auch über die Welle mit weiteren elektrisch mit Erde verbundenen Teilen in Kontakt.
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Diese Komponenten können auch zur elektrischen Verbindung der zweiten leitfähigen Oberflächenschicht mit dem ersten Teil vorgesehen sein, zwischen denen keine Relativbewegung stattfindet.
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Da für die hohen Spannungen auch weniger leitfähige Pfade zum Potentialausgleich führen, kann die Beschichtung auch mit verminderter Leitfähigkeit ausgeführt und somit die in den praktischen Anwendungen unvermeidlichen Wirbelströme in den leitfähigen Oberflächenschichten minimiert werden. Für die leitfähige Oberflächenschicht hat sich somit ein Oberflächenwiderstand nach IEC 6134051 zwischen 5×104 Ω und 1×107 Ω als vorteilhaft erwiesen.
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Bei einem Rotationsmotor ist das erste elektrische Teil durch einen Stator und das zweite elektrische Teil durch einen Rotor der elektrischen Maschine gebildet. Bei einer linearen Maschine durch einen Stator und einen Linearläufer.
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Bei einer Rotationsmaschine, d.h. bei einem herkömmlichen Elektromotor ist vorzugsweise die Isolierschicht durch ein Spaltrohr gebildet. Bei einem Linearmotor kann sie durch eine Folie oder eine Kunststoffplatte gebildet sein.
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In einer Ausführungsform kann die leitfähige Oberflächenschicht durch eine Lackierung gebildet sein. Dies ist auch bei geometrisch schwierigeren Geometrien oder ungleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit der Teile leicht zu realisieren. Gleichermaßen kann die leitfähige Oberflächenschicht durch eine Pulverbeschichtung oder durch eine Bedampfung gebildet sein.
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Folgende Begriffe werden synonym verwendet: erstes Teil - erstes elektrisch leitendes Teil - Stator; zweites Teil - zweites elektrisch leitendes Teil - Rotor; Isolierung - Isolierschicht - Spaltrohr; elektrische Maschine - Elektromotor;
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Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen in beliebiger Weise kombiniert werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:
- 1 ein zentrischer Schnitt radial nach Außen durch einen Elektromotor nach dem Stand der Technik,
- 2 einen Schnitt nach 1 durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors, und
- 3 einen Schnitt nach 1 durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors.
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1 zeigt einen Schnitt durch das Rotationszentrum eines Elektromotors 10 von der Rotationsachse nach außen. Der Motor 10 hat einen Stator 12 und einen Rotor 14, der sich um die Rotationsachse r dreht. Der Motor ist in etwa rotationssymmetrisch um die Rotationsachse aufgebaut. Zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 14 ist ein Luftspalt 16 angeordnet. Der Stator 14 trägt auf seiner dem Luftspalt 16 zugewandten Seite eine Isolierschicht 18 in Form eines Spaltrohres, insbesondere aus Kunststoff. Zwischen der Isolierschicht 18 und dem Stator 14 kann noch ein minimale lokaler Luftspalt 20 angeordnet sein. Mit dem Begriff „Luftspalt“ 16 ist indes der Luftspalt zwischen den sich bewegenden Teilen Stator und Rotor bezeichnet. Durch das Einbringen der Isolierschicht 18 teilt sich die Potentialdifferenz U zwischen dem Rotor- und Statorpotential umgekehrt proportional zu den relativen Permeabilitäten der Isolierschicht 18 und des Luftspaltes 16 auf, d.h., die Feldstärke im Luftspalt 16 steigt an. Bei entsprechend kleinen Luftspalten 16 gibt es bei hohen Potentialdifferenzen auch sehr hohe Feldstärken, die kleine Überschläge 21 - Teilentladungen - produzieren. Diese Überschläge schädigen das Spaltrohr 18 und degradieren dessen Isolationsfähigkeit über die Betriebsdauer.
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2 zeigt nun einen modifizierten Elektromotor nach der vorliegenden Erfindung. Zu 1 identische oder funktionsgleiche Teile sind hierbei mit den identischen Bezugszeichen versehen.
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Gemäß der Erfindung trägt die Isolierschicht 18 auf ihrer dem Luftspalt 16 zugewandten Seite eine (erste) leitfähige Oberflächenschicht 22, welche über eine (erste) elektrische Verbindung, z.B. eine Kontaktfeder 24 mit dem Rotor 14 elektrisch verbunden ist. Der Luftspalt 16 ist damit „kurzgeschlossen“ und es können keine Teilentladungen bzw. Überschläge 21 mehr auftreten, wie sie in 1 dargestellt sind.
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Optional kann die Isolierschicht an ihrer dem Stator 12 zugewandten Seite mit einer zweiten leitfähigen Schicht 26 versehen sein, die über eine zweite elektrische Verbindung 28, z.B. einen leitfähigen O-Ring, elektrisch mit dem Stator 12 verbunden ist. Somit können auch an dem sehr kleinen lokalen Luftspalt 20, falls ein solcher vorhanden ist, keine Entladungen oder Überschläge 21 auftreten, welche die Isolierschicht schädigen könnten.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines modifizierten Elektromotors 40 nach der vorliegenden Erfindung, die weitgehend identisch zu 2 ist. Identische Teil sind hierbei mit identischen Bezugszeichen versehen. Der Motor 40 hat an einer Stirnseite eine feststehendes Lagerschild 42 aus einem leitfähigen Material, vorzugsweise Metall, welches einen leitfähigen O-Ring 44 trägt, der mit der dem Luftspalt 16 zugewandten ersten leitfähige Oberflächenschicht 22 verbunden ist. Über ein Kugellager 46 ist das Lagerschild 42 mit der Rotorwelle 48 und damit mit dem Rotor 14 elektrisch verbunden. Somit bildet die Abfolge von O-Ring 44, Lagerschild 42 und Kugellager 46 eine elektrische Verbindung 50 zwischen der auf der Isolierschicht 18 zum Luftspalt 16 hin angeordneten ersten leitfähige Oberflächenschicht 22 und der Rotorwelle 48, die den Luftspalt kurzschließt, wodurch dort keine Teilentladungen mehr stattfinden können. Das Lagerschild kann auch mit dem Rotor mitdrehend ausgebildet sein, in welchem Fall die Anordnung der beiden Komponenten O-Ring 44 und Kugellager 46 dann vertauscht wäre.
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Der leitfähige O-Ring kann auch durch ein anderes leitfähigen Kontaktelement gebildet sein, z.B. eine Kontaktfeder. Parallel zum Kugellager 46 kann zudem eine Schleifring (nicht abgebildet) oder ein ähnlicher Schleifkontakt geschaltet sein, der den elektrischen Kontakt auch dann aufrecht erhält, wenn das Kugellager bei höheren Geschwindigkeiten auf einem Schmierfilm auflaufen sollte und damit den elektrischen Kontakt verliert.
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Es ist für den Fachmann offensichtlich , dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern innerhalb des Schutzbereichs der nachfolgenden Ansprüche variieren können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektromotor (Stand der Technik)
- 12
- Stator
- 14
- Rotor
- 16
- Luftspalt
- 18
- Isolierschicht - Spaltrohr
- 20
- lokaler Luftspalt
- 21
- Teilentladung - Überschlag
- 22
- (erste) leitfähige Oberflächenschicht
- 24
- (erste) elektrische Verbindung - Kontaktfeder
- 26
- zweite leitfähige Oberflächenschicht
- 28
- zweite elektrische Verbindung - O-Ring
- 30
- Elektromotor (erste Ausführungsform der Erfindung)
- 40
- Elektromotor (zweite Ausführungsform der Erfindung)
- 42
- Lagerschild
- 44
- leitfähiger O-Ring zwischen erster leitfähiger Oberflächenschicht und Lagerschild
- 46
- Kugellager
- 48
- Rotorwelle
- 50
- elektrische Verbindung zwischen erster leitfähiger Oberflächenschicht und Rotor
- r
- Rotationsachse des Elektromotors
- U
- Potentialdifferenz zwischen Stator und Rotor
