WO2005099071A1 - Kompensationsvorrichtung zur vermeidung von schädlichen lagerströmen in einer elektrischen maschine und entsprechendes kompensationsverfahren - Google Patents

Kompensationsvorrichtung zur vermeidung von schädlichen lagerströmen in einer elektrischen maschine und entsprechendes kompensationsverfahren Download PDF

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WO2005099071A1
WO2005099071A1 PCT/EP2005/051502 EP2005051502W WO2005099071A1 WO 2005099071 A1 WO2005099071 A1 WO 2005099071A1 EP 2005051502 W EP2005051502 W EP 2005051502W WO 2005099071 A1 WO2005099071 A1 WO 2005099071A1
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electrical machine
compensation
rotor
bearing
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PCT/EP2005/051502
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Armin Schrepfer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02K5/173—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings
    • H02K5/1732—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor

Definitions

  • the present invention relates to a compensation device for compensating bearing currents in an electrical machine and to an electrical machine which is equipped with such a compensation device.
  • the present invention relates to a corresponding method for compensating bearing currents.
  • the object of the present invention is therefore to propose an electrical machine in which the problem of bearing currents is solved in a simplified manner. A corresponding procedure is also to be specified.
  • this object is achieved by a compensation device for compensating bearing currents in an electrical machine with a connection device for connecting to at least one winding, on the housing and on the rotor of the electrical machine and a voltage generating device for generating a compensation voltage for the rotor of the electrical machine Machine depending on the operating voltage of the electrical machine applied to the at least one winding.
  • a method for compensating bearing currents in an electrical machine by generating a compensation voltage for the rotor of the electrical machine as a function of an operating voltage of the electrical machine and applying the compensation voltage to the rotor of the electrical machine ,
  • the voltage generating device of the compensation device according to the invention preferably comprises a transformer, the primary winding of which is connected between the at least one winding and the housing of the electrical machine and the secondary winding of which is connected between the rotor and the housing of the electrical machine.
  • the transformer represents an inexpensive passive element for the implementation of the compensation.
  • the transformer can be used with networks, e.g. B. RC combinations, varistors, can be connected in order to set the compensation voltage individually for the machine.
  • networks e.g. B. RC combinations, varistors
  • the voltage generating device can comprise an active circuit, with which: the compensation voltage can be generated from the operating voltage applied to the electrical machine. With such an active circuit, an even more precise compensation can be carried out.
  • the operating voltage of the electrical machine often contains a common mode voltage, which is a major cause of bearing currents. It is therefore favorable to use the common mode voltage as an input variable for the voltage generating device.
  • the bearing voltages are generally only dependent on a motor-specific gear ratio from dex common-mode voltage.
  • the compensation device has a star connection with which the phases of the electrical machine are connected in a star point, the voltage at the star point serving as the input voltage for the voltage generating device.
  • the voltage at the star point serving as the input voltage for the voltage generating device.
  • a compensation device for avoiding harmful bearing currents with a first connection for connecting to the rotor of an electrical machine, a second connection for connecting to the housing or a potential of a voltage intermediate circuit converter of the electrical machine and one Low RF impedance connected between the first and second terminals.
  • An electrical machine according to the invention can be equipped with such a compensation device. The idea here is to ground the rotor via the compensation device only with HF. EDM warehouse flows can thus be avoided. H. the motor supply voltage is not used in this case.
  • 1 shows a circuit diagram of a motor supplied with a voltage intermediate circuit converter in a two-point circuit
  • 2 shows a sectional drawing through a motor
  • FIG. 4 shows a representation of a circular flow and bearing current
  • 5 shows an electrical equivalent circuit diagram to explain the bearing current through circular flow
  • 6 shows the motor of FIG. 2 with electrical wiring
  • FIG. 7 shows the equivalent circuit diagram corresponding to the circuitry of FIG. 6 with bearing current signal forms
  • FIG. 8 shows an inventive wiring of a motor with a compensation device which is connected to the star point of the motor winding
  • 9 shows a circuit of a motor with a compensation device, the star point of the motor being inaccessible; 10 shows a circuit diagram of a compensation device with active components; and
  • FIG. 11 shows an example of a coupling device for coupling the compensation voltage to the rotor.
  • Pulse pattern of the voltage intermediate circuit converter UR which is shown in FIG. 1.
  • the common mode voltage U 0 applied to the motor DM can, for. B. If the motor windings are connected in a star connection, measure directly between the star point and the motor housing.
  • the electronic switching elements SE of the voltage intermediate circuit converter UR switch the voltage U of the intermediate circuit ZK to the motor windings MW using a control method.
  • Switching the electronic switching elements SE on and off leads to a voltage change in the parasitic capacitances in the motor and thus to a current flow.
  • 2 shows this parasitic capacitances in a three-phase motor DM, which comprises a stator ST and a rotor RO.
  • the shaft WE of the rotor RO is e.g. B. via rolling bearings WL on the stator ST.
  • the voltage U is present at the windings WI of the stator ST.
  • This motor structure leads to a capacitance C wh between the motor winding and motor housing, a capacitance C wr between the motor winding and rotor, a capacitance C rh between the rotor and motor housing, an effective capacitance C b between rolling elements and bearing rings, a non-linear one Resistance Z n of the lubricating film and an effective resistance R of the bearing consisting of bearing rings and rolling elements.
  • the capacitance C " h lies between the phase U and the earth PE.
  • a series circuit of the capacitors C wr and C rh is arranged in parallel with this capacitor C " h .
  • the bearing impedance Z b is again parallel to the capacitance C rh .
  • This bearing impedance Z b consists of a parallel connection of the capacitance C b and the lubricating film resistor Z n , which is connected in series with the bearing resistor R b .
  • a change in the common mode voltage ü 0 creates a current flow through the capacitance C Wh .
  • This current results in a circular foot ZF in the motor windings MW, which can lead to a harmful bearing current I bearing , as is indicated in FIG. 4.
  • the bearing current I bearing leads through the stator laminated core of the stator ST, through the roller bearings WL, through the rotor RO and on the other end face of the torque motor DM back through the roller bearings WL to the stator ST.
  • the current I e shown in FIG. 5 through the capacitance C Wh is the source for the shaft voltage U s .
  • the shaft voltage U s and the current I e are transformational over the construction of the engine linked.
  • the shaft tension U s is divided between the two engine mounts.
  • the equivalent circuit diagrams for the roller bearings on the drive side DE and non-drive side NDE of the motor are shown in FIG. 5 accordingly.
  • the lubricating film in the roller bearing can only isolate a certain voltage, then it breaks down. A harmful bearing current can now develop.
  • the breakdown voltage depends on the lubricating film thickness and thus on the speed, temperature and load of the bearing. The breakdown voltage is in the range 0.3 ... 35 V.
  • the tension across the roller bearings can be kept at values below the breakdown voltage by means of a suitable counter tension. This prevents the described bearing current through the circular flow. A current caused by the circular flow is now released via the compensation devices (FIG. 5).
  • Harmful bearing currents can also arise from discharge effects.
  • the capacitance of the rolling bearing C b is (see FIG. 6 and FIG. 7) over the capacitive. Voltage divider consisting of C wr , C rh and C b charged as long as the lubricating film can isolate this voltage. When the breakdown voltage is reached, the capacitance C b is short-circuited inside the bearing and the capacitance C rh discharges into this short circuit. As long as the lubricating film is isolated, the voltage across the bearing is an image of the common mode voltage corresponding to the BVR (bearing voltage ratio) ratio specified by the motor design.
  • BVR bearing voltage ratio
  • the transmission ratio BVR is given by the ratio of the voltage Uz b at the bearing impedance Z b and the voltage Uc h at the capacity C wh . This ratio is typically between 0.02 and 0.2. 7 shows the voltage U z for a small value of BVR and a large value of BVR in its course.
  • the circuit or the motor winding is supplied with half an intermediate circuit voltage 0.5 U d via an impedance Z, which has the same signal profile as the voltage U b . Aucra in this case, the charging of the camp can be prevented by a suitable counter voltage U k .
  • the bearing voltage U zb generated by the common mode voltage U 0 is compensated for - the common mode voltage U 0 connected to the motor terminals is either used directly (FIG. 8 ) or replicated (FIG 9).
  • the compensation circuit KS1 or KS2 uses the common mode voltage U 0 to generate a counter voltage to minimize the bearing currents. It can be designed with passive or active components. Depending on the design of the motor DM, the coupling takes place on the drive side (DE) or the non-drive side (NDE), so that sicb_ results in the desired compensation.
  • the compensation or counter voltage can also be coupled in capacitively by a capacitor C RR (FIG. 9).
  • the simplest version of the compensation device KS1 or KS2 consists of a pulse transformer or transformer T, which couples the common mode voltage LT 0 to the rotor RO according to the BVR of the motor with a corresponding sign as counter voltage.
  • the common-mode voltage U Q reaches values up to half the intermediate circuit voltage U in conventional voltage intermediate circuit inverters. With a BVR of e.g. B. 5% and a common mode voltage U 0 of 300 V, a counter voltage of 15 V must be generated. The. Counter voltage can be applied to the rotor RO via a sliding contact or via a kiapacitive coupling device.
  • the pulse transformer T is provided with circuit networks Z ⁇ l , Z r2 . This circuit Z ⁇ l , Z ⁇ 2 z. B. an RC combination and / or a varistor.
  • the pulse transformer T is fed via one or more coupling capacitors. If the common-mode voltage U 0 is available at the star point SP (see FIG. 8), only one coupling capacitor C Ko is required, which is connected to the star point SP of the motor winding MW. Is this Sternpuxikt SP not available (see FIG 9), z. B. in a triangular winding, the coupling capacitors C K ⁇ , C ⁇ 2 * - C K are connected to the motor terminals U, V, W. The three coupling capacitors C K ⁇ , C ⁇ 2 r C ⁇ 3 form a star point SP ' which forms the common-mode voltage U 0 .
  • the compensation device KS3 can also be implemented digitally with active components, if necessary.
  • the auxiliary energy Uh for supplying the active switching circuit AS can be obtained from the motor voltage or provided externally.
  • the common mode voltage U D is either recorded directly or obtained via a network NW or from the control signals of the voltage intermediate circuit converter UR.
  • a counter voltage is determined from the equal kt voltage U 0 and the motor data and is applied to the rotor via an amplifier AMP and the coupling device C RR .
  • the active circuit (AS) can also be designed such that the compensation device KS3 earths the rotor HF-independently, regardless of the common mode voltage U 0 .
  • FIG. 11 shows a possible implementation for the coupling device C RR . In doing so, a bushing BU is placed over the rotor shaft
  • the bushing BU forms a cylindrical capacitor with the rotor shaft WE.
  • the socket BU and the insulating part IT can, for. B. can also be designed as a component which is mounted like a bearing.

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Abstract

Die Lebensdauer von Lagern (WL) einer elektrischen Maschine (DM) soll erhöht werden. Dazu werden die Lagerströme an den Lagern (WL) des Rotors (RO) reduziert, indem mit Hilfe einer Kompensationseinrichtung (KS1) an den Rotor (RO) eine entsprechende Gegenspannung angelegt wird. Durch die Reduzierung der Lagerströme wird eine Riffelbildung im Lager und eine erhöhte Fettalterung vermieden.

Description

Be s ehr eibung
Kompensationsvorrichtung zur Vermeidung von schädlichen Lagerströmen in einer elektrischen Maschine und entsprechendes Kompensationsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kompensationsvorrichtung zur Kompensation von Lagerströmen in einer elektrischen maschine sowie eine elektrische Maschine, die mit einer der- artigen Kompensationsvorrichtung ausgestattet ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Kompensieren von Lagerströmen.
Drehzahlveränderbare Motoren werden heute überwiegend von Spannungszwischenkreisumrichtern gespeist. Die Speisung durch den Spannungszwischenkreisumrichter führt zu Lagerströmen in den Lagern des Motors. Diese Lagerströme können je nach Ausführung des Motors zu einem vorzeitigen Ausfall der Lager führen. Der Ausfall ist auf eine Riffelbildung an den Lauf- flächen des Lagers (Vibrationen, Geräusche) bzw. eine Zersetzung des Lagerfetts zurückzuführen.
Um Lagerströme zu unterbinden wurden daher vielfach stromisolierte Lager, z. B. Lager mit Keramikisolierung am Außenring, verwendet. Alternativ wurden Hybridlager mit Stahlringen und Keramik—Walzkörpern zur Vermeidung der Lagerströme eingesetzt. Diese Lager sind jedoch sehr teuer und werden daher soweit wie möglich vermieden. Darüber hinaus sind zur Vermeidung von Lagerströmen Lösungen bekannt, bei denen der Rotor mit Erdungsbürsten geerdet wird. Die Erdungsbürste unterliegt jedoch Verschleiß und die KontaktSicherheit ist nicht gegeben, speziell unter schwieringen Umgebungsbedingungen. Weiterhin wird von der Firma Rockwell in einem ""Industry White Paper" mit dem Titel "Inverter-Driven Induction Motors Shaft and Bearing Current Solutions" vorgeschlagen, zwischen Rotor und Stator eine spezielle Schirmung vorzunehmen. Des Weiteren sind in diesem Zusammenhang auch Umrichter mit speziellem Pulsmuster zur Reduzierung der Lagerströme bekannt . All diesen Lösungen ist gemeinsam, dass sie verhältnismäßig teuer bzw. aufwändig sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine elektrische Maschine vorzuschlagen, bei der die Problematik der Lagerströme auf vereinfachte Weise gelöst ist. Darüber hinaus soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kompensationsvorrichtung zur Kompensation von Lagerströmen in einer elektrischen Maschine mit einer Anschlusseinrichtung zum Anschließen an mindestens eine Wicklung, am das Gehäuse und an den Rotor der elektrischen Maschine und einer Spannungserzeu- gungseinrichtung zum Erzeugen einer Kompensationsspannung für den Rotor der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von der an der mindestens einen Wicklung anliegenden Betriebsspannung der elektrischen Maschine.
Darüber hinaus ist entsprechend der vorliegenden Erfindung vorgesehen ein Verfahren zum Kompensieren von Lagerströmen in einer elektrischen Maschine durch Erzeugen einer Kompensati— onsspannung für den Rotor der elektrischen Maschine in Abhän- gigkeit von einer Betriebsspannung der elektrischen Maschine und Anlegen der Kompensationsspannung an den Rotor der elektrischen Maschine.
Mit der einfach aufgebauten, erfindungsgemäßen Kompensations- Vorrichtung wird an das Lager eine entsprechende Gegenspannung angelegt, so dass die durch die übliche Betriebsspannung an der elektrischen Maschine hervorgerufene elektrische Spannung an den Lagern kompensiert wird. Damit fließen keine Ströme mehr über die Lager und die Lebensdauer der elektri— sehen Maschine kann entsprechend erhöht werden. Vorzugsweise umfasst die Spannungserzeugungseinα-richtung der erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung einen Transformator, dessen Primärwicklung zwischen die mindestens eine Wicklung und das Gehäuse der elektrischen Maschine und dessen Se- kundärwicklung zwischen den Rotor und das Gehäuse der elektrischen Maschine geschaltet ist. Der Transformator stellt ein kostengünstiges passives Element für die Realisierung der Kompensation dar.
Der Transformator kann mit Netzwerken, z. B. RC—Kombinationen, Varistoren, beschaltet sein, um die Kompensationsspan— nung individuell für die Maschine einzustellen.
Alternativ zu dem Transformator kann die Spannungserzeugungs— einrichtung einen Aktivschaltkreis umfassen, mit: dem aus der an der elektrischen Maschine anliegenden Betriebsspannung die KompensationsSpannung erzeugbar ist. Mit einer derartigen Aktivschaltung kann eine noch exaktere Kompensation durchgeführt werden.
Die Betriebsspannung der elektrischen Maschine enthält häufig eine Gleichtaktspannung, welche eine wesentliche Ursache für Lagerströme ist. Daher ist es günstig, die Gleichtaktspannung als Eingangsgröße für die Spannungserzeugungseinrichtung zu verwenden. Die LagerSpannungen sind in der Regel nur über ein motorspezifisches Übersetzungsverhältnis von dex Gleichtakt— Spannung abhängig.
In einer besonderen Ausführungsform weist die exfindungsgemä- ße Kompensationsvorrichtung eine Sternschaltung auf, mit der die Phasen der elektrischen Maschine in einem Sternpunkt verschaltet sind, wobei die Spannung an dem Sternpunkt als Eingangsspannung für die Spannungserzeugungseinricϊrtung dient. Mit diesem künstlich geschaffenen Sternpunkt ist man nicht darauf angewiesen, dass die Wicklungen der Maschine in einem Sternpunkt verschaltet sind oder der Sternpunkt in der Maschine zugänglich ist. Vorzugsweise ist eine dreiphasige elektrische Maschine mit der Kompensationsvorrichtung ausgestattet. Dabei ist es, wie bereits erwähnt, besonders günstig, wenn in der Maschine ein Sternpunkt vorhanden ist und die Spannung an dem Sternpunkt als Eingangsspannung für die Spannungserzeugungseinrich.tu.ng abgreifbar ist. Damit bedarf es keines künstlichen Ster — punkts für die Erzeugung der Kompensationsspannung.
Die oben genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Kompen- sationsvorrichtung zur Vermeidung von schädlichen Lagerströmen mit einem ersten Anschluss zum Anschließen an den Rotor einer elektrischen Maschine, einem zweiten Anschluss zum Anschließen an das Gehäuse oder ein Potential eines Spannungs— zwischenkreisumrichters der elektrischen Maschine und einer Impedanz mit geringem HF-Widerstand, die zwischen den ersten und den zweiten Anschluss geschaltet ist. Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine kann mit einer derartigen Kompensationsvorrichtung ausgestattet sein. Dabei ist der Gedanke der, den Rotor über die Kompensationsvorrichtung nur HF-mäßig zu erden. Damit können EDM-Lagerströme vermieden werden, d. h. die Versorgungsspannung des Motors wird in diesem Fall nicht genutzt.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
FIG 1 ein Schaltbild eines mit einem Spannungszwischen— kreisumrichter in Zweipunkt-Schaltung versorgten Motors; FIG 2 eine SchnittZeichnung durch einen Motor;
FIG 3 ein einphasiges Ersatzschaltbild des Motors von _ETIG 2;
FIG 4 eine Darstellung eines Zirkularflusses und Lagerstroms; FIG 5 ein elektrisches Ersatzschaltbild zur Erklärung cies Lagerstroms durch Zirkularfluss; FIG 6 den Motor von FIG 2 mit elektrischer Beschaltung;
FIG 7 das der Beschaltung von FIG 6 entsprechende Ersatzschaltbild mit Lagerstromsignalformen;
FIG 8 eine erfindungsgemäße Beschaltung eines Motors mit einer Kompensationsvorrichtung, die am Sternpunkt der Motorwicklung angeschlossen ist;
FIG 9 eine Beschaltung eines Motors mit einer Kompensationsvorrichtung, wobei der Sternpunkt des Motors nicht zugänglich ist; FIG 10 ein Schaltungsdiagramm einer Kompensationsvorrichtung mit aktiven Bauteilen; und
FIG 11 ein Beispiel für eine Koppeleinrichtung zur Kopplung der Kompensationsspannung an den Rotor.
Die nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Die Ursache für umrichterbedingte Lagerströme ist die soge- nannte "GleichtaktSpannung" oder Common Mode Spannung im
Pulsmuster des Spannungszwischenkreisumrichters UR, der in FIG 1 dargestellt ist. Die am Motor DM anliegende Gleichtaktspannung U0 kann man z. B. bei einer Sternschaltung der Motorwicklungen zwischen Sternpunkt und Motorgehäuse unmittel— bar messen. Die elektronischen Schaltelemente SE des Span- nungszwischenkreisumrichters UR schalten die Spannung U des Zwischenkreises ZK nach einem Steuerverfahren auf die Motor— Wicklungen MW. Man unterscheidet zwischen sogenannten Online- und Offline-Steuerverfahren. Unabhängig vom eingesetzten Steuerverfahren ergibt sich ein prinzipieller Spannungsverlauf U0 am Sternpunkt SP gemäß FIG 1. Dieser Spannungsverlauf resultiert aus den ebenfalls in FIG 1 eingezeichneten Spannungen ULL zwischen den Phasen.
Das Ein- und Ausschalten der elektronischen Schaltelemente SE führt zu einer Spannungsänderung an den parasitären Kapazitäten im Motor und damit zu einem Stromfluss. FIG 2 zeigt diese parasitären Kapazitäten in einem Drehstrommotor DM, der einen Stator ST und einen Rotor RO umfasst. Die Welle WE des Rotors RO ist z. B. über Wälzlager WL am Stator ST gelagert. An den Wicklungen WI des Stators ST liegt die Spannung U an.
Dieser Motoraufbau (vgl. auch FIG 3) führt zu einer Kapazität Cwh zwischen Motorwicklung und Motorgehäuse, eine Kapazität Cwr zwischen Motorwicklung und Rotor, einer Kapazität Crh zwischen Rotor und Motorgehäuse, einer wirksamen Kapazität Cb zwischen Wälzkörpern und Lagerringen, einem nichtlinearen Widerstand Zn des Schmierfilms und einem wirksamen Widerstand R des Lagers bestehend aus Lagerringen und Wälzkörper.
Aus diesen elektrischen Größen resultiert das in FIG 3 wie- dergegebene einphasige Ersatzschaltbild eines Drehstrommotors einschließlich des elektrischen Ersatzschaltbilds für die Impedanz Zb des Wälzlagers WL. Demnach liegt die Kapazität C„h zwischen der Phase U und der Erde PE. Parallel zu dieser Kapazität C„h ist eine Serienschaltung der Kapazitäten Cwr und Crh angeordnet. Wiederum parallel zu der Kapazität Crh befin- det sich die Lagerimpedanz Zb. Diese Lagerimpedanz Zb besteht aus einer Parallelschaltung der Kapazität Cb und des Schmierfilmwiderstands Zn, die mit dem Lagerwiderstand Rb in Serie geschaltet ist.
Eine Änderung der GleichtaktSpannung ü0 erzeugt einen Strom- fluss durch die Kapazität CWh. Aus diesem Strom resultiert ein Zirkularlfuss ZF in den Motorwicklungen MW, der zu einem schädlichen Lagerstrom ILager führen kann, wie dies in FIG 4 angedeutet ist. Der Lagerstrom ILager führt durch das Statorblechpaket des Stators ST, durch die Wälzlager WL, durch den Rotor RO und an der anderen Stirnseite des Drehmomentmotors DM zurück durch die Wälzlager WL zum Stator ST.
Der in FIG 5 dargestellte Strom Ie durch die Kapazität CWh ist die Quelle für die Wellenspannung Us . Die Wellenspannung Us und der Strom Ie sind transformatorisch über die Konstruktion des Motors verknüpft. Die Wellenspannu-ng Us teilt sich auf die beiden Motorlager auf. Die Ersatzschaltbilder für die Wälzlager an der Antriebsseite DE und Nichtantriebsseite NDE des Motors sind in FIG 5 entsprechend eingezeichnet.
Der Schmierfilm im Wälzlager kann nur eine bestimmte Spannung isolieren, dann bricht er durch. Jetzt kann sich ein schädlicher Lagerstrom ausbilden. Die Durchbrruchspannung ist abhängig von der Schmierfilmdicke und damit von der Drehzahl, Tem- peratur und Belastung des Lagers. Die Durchbruchspannung liegt im Bereich 0,3 ... 35 V. Derart-Lge Lagerströme sind in dem Aufsatz von S. Chen, T. A. Lipo, D. Fitzgerald, "Model- ling of bearing currents in inverter drives", IEEE Transacti- ons on Industry Applications, Band 32, S. 21 - 31, 1996 be- schrieben.
Durch eine geeignete Gegenspannung ü^ kann erfindungsgemäß die Spannung über den Wälzlagern auf Werte unterhalb der Durchbruchspannung gehalten werden. Damit wird der beschrie- bene Lagerstrom durch den Zirkularfluss verhindert. Ein durch den Zirkularfluss verursachter Strom -Erließt jetzt über die KompensationsVorrichtungen (FIG 5) .
Schädliche Lagerströme können auch durrch Entladungseffekte entstehen. Dabei wird (vgl. FIG 6 und FIG 7) die Kapazität des Wälzlagers Cb über den kapazitiven. Spannungsteiler bestehend aus Cwr, Crh und Cb aufgeladen, solange der Schmierfilm diese Spannung isolieren kann. Beim Er-rreichen der Durchbruchspannung wird die Kapazität Cb lagerin-tern kurzgeschlossen und die Kapazität Crh entlädt sich in cdiesen Kurzschluss. Solange der Schmierfilm isoliert, ist die Spannung über dem Lager ein Abbild der Gleichtaktspannung entsprechend dem durch die Motorkonstruktion vorgegebenen Übersetzungsverhältnis BVR (bearing voltage ratio) .
Das Übersetzungsverhältnis BVR ist gegeben durch das Verhältnis der Spannung Uzb an der Lagerimpedsnz Zb und der Spannung Uch an der Kapazität Cwh. Dieses Verhältnis liegt typischerweise zwischen 0,02 und 0,2. In FIG 7 ist die Spannung Uzb für einen kleinen Wert von BVR und einen großen Wert von BVR in ihrem Verlauf angedeutet. Dabei wi xd die Schaltung bzw. die Motorwicklung über eine Impedanz Z mit der halben Zwi- schenkreisspannung 0,5 Ud versorgt, die den gleichen Signalverlauf hat wie die Spannung Ub. Aucra in diesem Fall kann das Aufladen des Lagers durch eine ge eignete Gegenspannung Uk verhindert werden .
Mit einer erfindungsgemäßen Schaltung- KSl bzw. KS2 (vgl. FIG 8 und FIG 9) erfolgt eine Kompensation der durch die Gleichtaktspannung U0 erzeugten Lagerspannu-tng Uzb- Dazu wird die auf die Motorklemmen geschaltete Gleichtaktspannung U0 entweder direkt verwendet (FIG 8) oder nachgebildet (FIG 9) . Die Kompensationsschaltung KSl bzw. KS2 erzeugt mit Hilfe der Gleichtaktspannung U0 eine Gegenspanmαng zur Minimierung der Lagerströme. Sie kann mit passiven oder aktiven Bauelementen ausgeführt sein. Entsprechend der Konstruktion des Motors DM erfolgt die Einkopplung auf der Antriebsseite (DE) oder der Nicht-Antriebsseite (NDE) , damit sicb_ die gewünschte Kompensation ergibt. Die Einkopplung der Kompensations- bzw. Gegenspannung kann auch kapazitiv durch einen Kondensator CRR erfolgen (FIG 9) .
Die Kompensationseinrichtung KSl bzw. KS2 besteht in der einfachsten Ausführung aus einem Impulsübertrager bzw. Transformator T, der die GleichtaktSpannung LT0 entsprechend dem BVR des Motors mit entsprechendem Vorzeichen als Gegenspannung auf den Rotor RO koppelt. Die Gleich aktspannung UQ erreicht bei üblichen Spannungszwischenkreisuinrichtern Werte bis zur halben Zwischenkreisspannung U . Bei einem BVR von z. B. 5 % und einer GleichtaktSpannung U0 von 300 V muss eine Gegenspannung von 15 V erzeugt werden. Die. Gegenspannung kann über einen Schleifkontakt oder über eine kiapazitive Koppeleinrichtung auf den Rotor RO gelegt werden. Zur Anpassung der Spannungsform der Gegenspannung ist der Impulsübertrager T mit Beschaltungsnetzwerken Zτl, Zr2 versehen. Diese Beschaltung Zτl, Zτ2 kann z. B. eine RC-Kombination und/oder ein Varistor sein.
Der Impulsübertrager T wird über einen oder mehrere Koppelkondensatoren gespeist. Steht die Gleichtaktspannung U0 am Sternpunkt SP zur Verfügung (vgl. FIG 8), ist nur ein Koppelkondensator CKo erforderlich, der am Sternpunkt SP der Motor- Wicklung MW angeschlossen wird. Ist dieser Sternpuxikt SP nicht verfügbar (vgl. FIG 9), z. B. bei einer Dreieckwick- lung, schaltet man die Koppelkondensatoren CKι, Cκ2*- CK auf die Motorklemmen U, V, W. Die drei Koppelkondensatoren CKι, Cκ2 r Cκ3 bilden einen Sternpunkt SP' , an dem sich die Gleich- taktspannung U0 ausbildet.
Entsprechend FIG 10 kann die Kompensationsvorrichtxing KS3 auch mit aktiven Bauelementen ggf. digital ausgefü-hrt sein. Die Hilfsenergie Uh zur Versorgung des aktiven Sch ltkreises AS kann aus der Motorspannung gewonnen oder von extern bereitgestellt werden. Die GleichtaktSpannung UD wird entweder unmittelbar erfasst oder über ein Netzwerk NW oder aus den Ansteuersignalen des Spannungszwischenkreisumricht ers UR gewonnen. Aus der Gleicht ktSpannung U0 und den Moto-rdaten wird eine Gegenspannung ermittelt und über einen Verst xker AMP und die Koppeleinrichtung CRR auf den Rotor gegeben .
Der aktive Schaltkreis (AS) kann auch so ausgeführt sein, dass die Kompensationsvorrichtung KS3 den Rotor HF—mäßig er- det, unabhängig von der GleichtaktSpannung U0.
Um die Gegenspannung zuverlässig und verschleißfrei auf den Rotor zu schalten, wird man einen Schleifkontakt vermeiden. FIG 11 zeigt eine Realisierungsmöglichkeit für die Koppelein- richtung CRR. Dabei wird eine Buchse BU über die Rotorwelle
WE gesteckt und mit einem Isolierteil IT zentriert . Die Buchse BU bildet mit der Rotorwelle WE einen Zylinderkondensator. Die Buchse BU und das Isolierteil IT können z. B. auch als ein Bauteil ausgeführt sein, welches wie ein Lager montiert wird.
Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung KSl bis KS3 sind keine teuren stromisolierten Lager oder Hybridlager zur Vermeidung von schädlichen Lagerströmen erforderlich. In vorteilhafter Weise erhöht sich dann ohne die Lagerströme die Lebensdauer des Lagers aufgrund der nicht ent- stehenden Riffelung oder der geringeren Fettalterung.

Claims

Patentansprüche
1. Kompensationsvorrichtung zur Vermeidung von schädlichen Lagerströmen in einer elektrischen Maschine (DM) mit - einer Anschlusseinrichtung zum Anschließen an mindestens eine Wicklung (MW) , an das Gehäuse und an den Rotor (RO) der elektrischen Maschine (DM) und - einer Spannungserzeugungseinrichtung zum Erzeugen eine-c: Kompensationsspannung (Uk) für den Rotor (RO) der elektri- sehen Maschine in Abhängigkeit von der an der mindestens einen Wicklung (MW) anliegenden Betriebsspannung (Ud) der elektrischen Maschine.
2. Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die an der Wicklung (MW) anliegende Betriebsspannung aus den Ansteuer- signalen eines Spannungszwischenkreisumrichters (UR) gewonnen ist .
3. Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei, die Spannungserzeugungseinrichtung einen Transformator (T) urn- fasst, dessen Primärwicklung zwischen die mindestens eine Wicklung (MW) und das Gehäuse der elektrischen Maschine (DM) und dessen Sekundärwicklung zwischen den Rotor (RO) und edas Gehäuse der elektrischen Maschine (DM) geschaltet ist.
4. Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei paral Lel zu der Primär- oder Sekundärwicklung ein Netzwerk (ZT1, Zτ2) zur Anpassung der Kompensationsspannung geschaltet ist.
5. Kompensationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungserzeugungseinrichtung einen Älc- tivschaltkreis (AS) umfasst, mit dem aus der an der elektrischen Maschine anliegenden Betriebsspannung (Ud) die Komp->en- sationsspannung (Uk) erzeugbar ist.
6. Kompensationsvorrichtung nach einem der vorhergehende-n Ansprüche, die eine Sternschaltung aufweist, mit der die P-fciasen der elektrischen Maschine in einem Sternpunkt (SP) verschaltet sind, wobei die Spannung (U0) an dem Sternpunkt (SP) als EingangsSpannung für die Spannungserzeugungseinrichtung dient .
7. Elektrische Maschine mit einer Kompensationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, die dreiphasig ist.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Wicklungen (MW) der elektrischen Maschine (DM) in einem Sternpunkt (SP) verschaltet sind und die Spannung (U0) an dem Sternpunkt (SP) als EingangsSpannung für die Spannungserzeu- gungseinrichtung dient.
10. Verfahren zum Kompensieren von Lagerströmen in einer e- lektrischen Maschine (DM) durch
- Erzeugen einer Kompensationsspannung (Uj für den Rotor (RO) der elektrischen Maschine (DM) in Abhängigkeit von einer Betriebsspannung (Ud) der elektrischen Maschine und
— Anlegen der Kompensationsspannung (Uk) an den Rotor (RO) der elektrischen Maschine.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die KompensationsSpannung (Uk) mit einem Transformator (T) erzeugt wird, der die an mindestens einer der Wicklungen (MW) der elektrischen Maschine (DM) anliegenden Primärspannung für die Kompensations- spannung (U^) transformiert.
12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Kompensationsspannung (Uj durch einen Aktivschaltkreis (AS) erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Betriebsspannung (Ud) der elektrischen Maschine eine Gleichtaktspannung ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die elektrische Maschine dreiphasig betrieben wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Wicklungen (MW) der elektrischen Maschine (DM) in einem Sternpunkt (SP, SP') zu— sammengeschaltet sind und die Spannung an dem Sternpunkt (SF*, SP') zur Erzeugung der Kompensationsspannung (Uk) verwendet wird.
16. Kompensationsvorrichtung zur Vermeidung von schädlichen Lagerströmen mit
- einem ersten Anschluss zum Anschließen an den Rotor (RO) ■ einer elektrischen Maschine (DM) ,
- einem zweiten Anschluss zum Anschließen an das Gehäuse oder ein Potential eines Spannungszwischenkreisumrichters (UR) der elektrischen Maschine (DM) und
- einer Impedanz mit einem DC-Widerstand und einem diesen gegenüber verminderten HF-Widerstand, die zwischen den ersten und zweiten Anschluss geschaltet ist.
17 . Elektrische Maschine mit einer Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 16.
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