专利名称：用于保护电动机械的轴承不受有害的电流流过损伤的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于保护电动机械的轴承不受电流流过损伤的装置。
在诸如电机这样的可旋转地安装在轴承上的电动机械中存在这样的危险，即电流流过轴承并从而与其相联系的电火花侵蚀导致轴承损伤。流经轴承的电流可如此产生加在电机连接端子上的电压通过杂散电容，例如从电机的定子绕组耦合到其转子上。与此电压相联系的电流最终使得在轴承上存在一个电压，它可能大于轴承中润滑膜的耐压能力并从而导致电火花侵蚀。尤其应指出的是以下情况对于变频工作的电机，因为那里在连接端子上出现相对于电机外壳和转子特别高的脉冲电压分布，从而在轴承上也存在相对高的电压。
通常通过电绝缘阻止电流流过来保护轴承不受不希望有的电流流过损伤。然而这种方法由于应用的特殊条件而需要很高的费用。而且轴承的直流电绝缘并不总是有足够的保护效果。例如在高频干扰电流下存在通过电容性线路耦合到轴承中的危险。
与此相关，IEEE杂志1996年第1961至1967页的专业文章“基于共模电压补偿电路降低高频泄漏电流”中公开了借助一个补偿电路补偿高频干扰电流的方法。其中接线是这样设计的，使得补偿在供电回路中进行，即还在连接负载之前就已进行。这具有以下缺点补偿电路被放入供电回路中，从而其元件必须采用能承受相当高功率的元件。此外，每个使用在供电回路中的电抗元件-例如电感、电容或滤波器-提高了谐振频率值，在此频率的激励下会出现几乎无法预料的过压。因为在变频应用中所有这些谐振频率都会被激发，因而存在着出现这种过压的高风险。
本发明的目的在于，保护电动机械的轴承不受电流流过损伤。
上述任务由权利要求1所述特征组合完成。
本发明应用于具有一个定子和一个借助至少一个轴承可相对于定子旋转地安装的转子的电动机械。本发明装置的特征在于，设置了一个产生用于补偿在电动机械运行中出现的流过轴承的干扰电流的补偿电流的补偿电路，以及一个用于直接或间接将补偿电流耦合到轴承中去的耦合元件。
本发明具有以下优点保证了在电流流过情况下对轴承的可靠保护，并从而保证了轴承不受与电流流过相联系的可能的损伤。其中保护措施具体施加在应受保护的位置上，即在轴承上。这样用于实现本发明装置的费用保持相对低廉，因为此装置在功率上无需被设计用来保证电动机械的运行，而仅需被设计用来补偿流过轴承的电流。因此本发明的另一个优点还在于，本发明装置可与电动机械的功率等级无关地独立实现，并且可以追加安装到一个已有的设备中，因为它不涉及电动机械的控制。
补偿电路可以具有一个提供星点电压的人造星点，在此星点上具有使电动机械运行的相电压。人造星点通常由三个相同的阻抗构成。因此方法可以相对简单地提供一个用于补偿的参考信号。
此外补偿电路具有一个极性转换-变压器，在其初级绕组上全部或部分地馈送星点电压，而在其次级绕组产生一个与星点电压反相的电压。补偿电路可专门具有一个幅度适配级，它连接在人造星点和极性转换-变压器之间，并且向极性转换-变压器输入星点电压中可调节的分量。极性转换-变压器可具有多个绕组抽头。此外极性转换-变压器可在次级侧连接到频率响应适配级的输入端，该适配级用于均衡对干扰电流的补偿电流的频率响应。在已说明的部件中涉及的是标准构件，它们具有不同的实施方式，从而对于相应的应用情况可无问题地优化设计本发明的装置。
频率响应适配级的输出端与耦合元件相连接。这里耦合元件特别地如此设置实现补偿电流至转子轴的耦合输入，且转子通过转子轴可旋转地安装在轴承中。耦合元件最好设计为电容器。以这种方法补偿电流可以无接触地耦合到转子轴中，并从而输入到轴承中，使得在输入补偿电流时在耦合元件中不产生磨损问题。
下面借助附图所示实施例说明本发明。
单一附图示出本发明补偿电路的一个实施例，此补偿电路连接于控制电机的电路。电机的控制借助于一个变频器1进行，其输出端提供三个相电压U，V和W，它们以星形电路形式输入到第一定子绕组2，第二定子绕组3和第三定子绕组4，即三个定子绕组2，3和4中的每个绕组分别以其一个端点连接于变频器1的一个输出端，在这些输出端上有电压U，V和W中的一个。三个定子绕组2，3和4相应的另外的端点相互连接在一起。除了定子绕组2，3和4之外电机还具有一个带有转子轴6的转子5，转子轴借助于一个滚动轴承7可相对定子绕组2，3和4可旋转地安装。滚动轴承7具有内环8，外环9和置于内环8与外环9之间的滚珠10。内环8与转子轴6一起旋转并导电地连接。外环9可被嵌入例如一个图中仅以符号示出的外壳11上的一个孔中，从而与外壳11无旋转和导电地连接。转子轴6通常借助至少另一个滚动轴承7安装，它在
图1中没有被示出。
上述电机的线路或结构的结果是存在一系列杂散电容。通过这些杂散电容，尽管直流绝缘也会耦合电压。在图1中与本发明相关的那些杂散电容分别用电容器的电路符号示出。在第一定子绕组2与转子5之间存在第一杂散电容12，在第二定子绕组3与转子5之间存在第二杂散电容13，以及在第三定子绕组4与转子5之间存在第三杂散电容14。此外，通过滚动轴承7构成第四杂散电容15，它最终在外环9与转子轴6之间起作用。最后在转子5与外壳11之间还存在第五杂散电容16。杂散电容12，13，14，15和16作用的结果是，由于在三个定子绕组2，3和4连接到一起的区域中施加的星点电压，一个不希望的容性干扰电流在三个定子绕组2，3和4与转子5之间流动，并从而也在这些定子绕组与转子轴6之间流动。相应地在转子5或转子轴6与接地的外壳11之间产生一个电流。这个干扰电流使得在转子5与外壳11之间，从而也在滚动轴承7上或在多个滚动轴承7上存在一个电压UL，若没有进一步的措施，此电压通常大于滚动轴承7中润滑膜的抗击穿强度，此耐压典型约为0.5伏。电压UL典型具有定子绕组上相对于外壳11所加电压值的3％至7％。滚动轴承7上所加电压UL因而可以引起电火花侵蚀，它可能导致滚动轴承7的损伤。
上述损伤通过下面说明的电路补偿而避免，在电路补偿的帮助下，将一个与干扰电流大小相等但相位相反的电流电容性地耦合到转子轴6上。为了产生补偿电流，其中存在一个人造星点17，在此星点中从变频器1至定子绕组2，3和4的导线分别通过一个电容器接到一起。在人造星点17的输出端24产生一个与由于杂散电容12，13和14产生的电机内部的电压相等的电压。电压UL由杂散电容12、13和14与杂散电容15、16之间的容性电压分配得到。在星点17上连接一个幅度适配器18，此适配器还与外壳11相连接。幅度适配器18具有一个可变抽头，用此抽头可以取出从人造星点17给出的电压中所要的一部分。幅度适配器18的可变抽头与一个极性转换变压器20的初级绕组19相连接，此绕组还与外壳11相连接。极性转换变压器20的次级绕组21一方面连接到外壳11，而另一方面连接到频率响应适配器22的输入端。极性转换变压器20的初级绕线19和次级绕组21的绕线方向相反，使得在次级绕组21上给出一个与在初级绕组19上所加电压反相的电压。频率响应适配器22输出端与一个耦合电容器23相连接，电容器的一个电极连接到转子轴6上。此外，频率响应适本器22还与外壳11连接。
替代作为一个独立部件设置的幅度适配器18，其功能也可集成在极性转换变压器20中。为此极性转换变压器20的初级绕组19与星点17和外壳11连接，并且在次级绕组上有多个抽头，使得被送到频率响应适配器22的电压幅度可通过选择合适的抽头而变化。
在补偿耦合输入到转子5上的干扰电流时按步骤如下进行借助于幅度适配器18在人造星点17上所施加的电压的一个适当的分量被馈送到极性转换变压器20中，并且用这种方法产生一个极性相反的电压。因此只有在人造星点17上给出的电压的一部分被用于以后的进一步处理，并且这里所用的元件相应地也仅需满足此部分电压的要求。频率响应适配器22使由此电压产生的电流的频率响应与干扰电流的频率响应相匹配，以可以进行精确的补偿。这样产生的补偿电流通过耦合电容器23馈到转子轴6，并且在理想情况下在数值上等于耦合馈送到转子5中的干扰电流总和，使得符号相反的结果总体上导致更小的或最多一个小的净电流馈入转子5。因此最多一个小的电压UL被加在滚动轴承7或多个滚动轴承7上，此电压不足以引起滚动轴承7的损伤。向转子轴6馈送补偿电流可通过适当设计的电容器23来实现，该电容器被设计为套在转子轴6上的元件形式的无磨损空气绝缘电容器。此外可以同样方式在其它位置将补偿电流耦合输入到转子5中或耦合输入到滚动轴承7的内环8中。
1变频器2第一定子绕组3第二定子绕组4第三定子绕组5转子6转子轴7滚动轴承8内环9外环10滚珠11外壳12第一杂散电容13第二杂散电容14第三杂散电容15第四杂散电容16第五杂散电容17人造星点18幅度适配器19初级绕组
20极性转换变压器21次级绕组22频率响应适配器23耦合电容器24人造星点的输出端
权利要求
1.用于保护电动机械的轴承(7)不受有害的电流流过损伤的装置，其中电动机械具有一个定子(11)和一个转子(5)，转子借助于至少一个轴承(7)相对于定子(11)可旋转地安装，其特征在于，设置了一个产生用于补偿在电动机械运行中出现的流过轴承(7)的干扰电流的补偿电流的补偿电路以及一个用于直接或间接地将补偿电流耦合到轴承(7)中的耦合元件(23)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，补偿电路具有一个用于提供星点电压的人造星点(17)，其上施加有用于驱动电动机械的相电压。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，人造星点(17)由三个相同的阻抗构成。
4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，补偿电路具有一个极性转换变压器(20)，其初级侧被馈入全部或部分的星点电压，并且其次级侧产生一个与星点电压反相的电压。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，补偿电路具有一个幅度适配器(18)，它连接在人造星点(17)与极性转换变压器(20)之间，并将星点电压的可调节的一部分施加到极性转换变压器(20)上。
6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，极性转换变压器(20)的次级侧具有多个绕组抽头。
7.如权利要求4至6中任一项所述的装置，其特征在于，极性转换变压器(20)的次级侧与频率响应适配级(22)的输入端连接，此适配级用于将补偿电流的频率响应与干扰电流进行均衡。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，频率响应适配级(22)的输出端与耦合元件(23)相连接。
9.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，耦合元件(23)如此设置它将补偿电流耦合到转子轴(6)中，转子(5)通过此转子轴可旋转地安装在轴承(7)中。
10.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，耦合元件(23)被设计成电容器。
全文摘要
用于保护电动机械的轴承(7)不受有害的电流流过损伤的装置，其中电动机械具有一个定子(11)和一个转子(5)，转子借助于至少一个轴承(7)相对于定子(11)可旋转地安装，包括一个产生用于补偿在电动机械运行中出现的流过轴承(7)的干扰电流的补偿电流的补偿电路以及一个用于直接或间接地将补偿电流耦合到轴承(7)中的耦合元件(23)。
文档编号H02K11/00GK1531158SQ20041000362
公开日2004年9月22日 申请日期2004年2月4日 优先权日2003年2月7日
发明者格尔文·普莱辛格, 弗兰克·布什贝克, 马丁·格罗什, 布什贝克, 格尔文 普莱辛格, 格罗什 申请人:Skf股份公司