Für die Lager eines Elektromotors sind neben der mechanischen Abnutzung durch Wellenrotation, elektrische Ströme, die über die Lager von der Motorwelle gegen Masse fließen ein weiterer Grund für Verschleiß. Spannungen einer gewissen Größenordnung können die Isolierungseigenschaften der Lagerschmierung überwinden, wobei Funken entstehen, die zu Lochfraß, geriffelter Oberfläche, Fusionskratern und schließlich zum vorzeitigen Versagen der Lager und des Motors führen können. Eine Lagerspannung, d. h. die Spannung zwischen beiden Lagerschalen korreliert dabei meist mit einer Wellenspannung, d. h. der Spannung zwischen der Welle und Masse.

Gleiches gilt neben den Lagern für andere Komponenten, wie Zahnräder, bei denen elektrische Entladungen Schäden hervorrufen können.

Bei der Lagerung eines Elektromotors können verschiedene Effekte auftreten, welche eine Spannung an einer Welle des Motors erzeugen können. Gemäß den Ausführungen aus„Antriebstechnik 37" (1998) Nr. 7, beschreibt der Artikel„Drehgeberschutz durch Einbau isolierter Kugellager" möglichen Ursachen dafür:

Asymmetrien im magnetischen Kreis zwischen Rotor und Stator während der Drehbewegung können unerwünschte magnetische Flüsse nach sich ziehen, die in der von Welle, Lager und Gehäuse gebildeten Schleife einen Strom induzieren.

Zwischen dem Stator und dem Rotor eines Elektromotors existiert eine kapazitive Kopplung. Die führt zu kapazitiv auf den Rotor übertragenen Strömen, die über die Lager nach Masse abfließen wollen. Dabei weisen Motoren, die mit sinusförmiger Wechselspannung versorgt werden, eine geringere Spannung zwischen Welle bzw. Lager und Motorgehäuse auf als Motoren, die von schnell schaltenden Antrieben mit variabler Frequenz (Frequenzumrichter) versorgt werden. Bei letzteren können diese Spannungen im Vergleich ein Vielfaches betragen. Fremdspannungen von unzureichend isolierten Maschinen können eine Potenzialdifferenz auf die Welle übertragen, deren resultierender Strom wieder gegen Masse abfließen will. Keil-, Zahnriemen und Schmierstoffe, die nicht antistatisch ausgestattet sind, können zu einer elektrostatischen Aufladung der Maschinenteile führen.

Axial durchsetzte Magnetfelder, insbesondere bei Maschinen mit Gleitlagern und mit Asymmetrien in der Wicklung, können zwischen Anfang und Ende der Lagerschalen einen Spannungsunterschied (Unipolar-Spannung) aufweisen.

Diese Auflistung wird nicht als abschließend erachtet.

Eine übliche Gegenmaßnahme ist die Erdung der Welle oder eine konstruktive Maß- nähme zum Kurzschluss der Lagerhälften, wie z. B. der Einsatz von leitenden Bürsten, um die Wellenspannung abzubauen. Weiterhin können leitfähige Dichtungen oder Schleifringe eingesetzt werden, die aber den Nachteil haben, dass sich über die Lebensdauer die Kontakteigenschaften verschlechtern können. Leitfähige Lagerfette o- der Öle basieren auf leitfähigen Zusatzstoffen, bei denen die Funktionsfähigkeit von deren Verteilung im Schmiermedium abhängt und somit nicht immer konstant gegeben ist.

Alternativ können auch, wie beschrieben, die Lagerhälften ausreichend stark voneinander isoliert werden, so dass ein Stromfluss unterdrückt wird.

Eine ganz andere Maßnahme sieht die EP1445850A1 vor. Hier erzeugt eine Kompensationsschaltung eine Kompensation des unerwünschten Lagerstroms. Dabei wird über einen künstlichen Sternpunkt, in dem die Spannungen der 3 Phasen eines Elektromotors bzw. Umrichters mittels Kondensatoren zusammen geschaltet werden, ein Referenzsignal für die Kompensation bereitgestellt. Eine entgegengerichtete Spannung wird dabei aus diesen Strömen über einen Umpol-Transformator erzeugt, die am Ende in einem Kompensationsstrom resultiert, der über einen Koppelkondensator auf die Welle eingespeist wird. Nachteilig an dieser Methode ist, dass lediglich die Spannungen der 3 Phasen als Eingangsparameter dienen, um den Kompensationsstrom bereit zu stellen. Das bedeutet, dass Streukapazitäten oder Lagerströme, die nicht im direkten Zusammen- hang mit dem Motor- oder Umrichterbetrieb entstehen, nicht berücksichtigt werden und damit für diese keine Kompensation stattfindet.

Außerdem ist ein gewisser Aufwand für die Kompensationsschaltung notwendig, welche weiterhin aus fehleranfälligen Bauteilen besteht

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine technische Lösung zu realisieren, die ohne eine Kompensationsschaltung und fehleranfällige Bauteile auskommt. Dabei sollen auch Einflüsse anderer Streukapazitäten vermindert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reduktion einer Wellenspannung (Uw) an einer Welle bzw. einer Lagerspannung (UWL) zwischen einer Welle und einem Gehäuse. Dabei lagert ein Wälzlager die Welle gegenüber dem Gehäuse und weist dabei eine Kapazität des Wälzlagers (CWL) auf. Elektrisch parallel dazu liegt eine weitere Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (Cw- G) durch die Anordnung von Welle und Gehäuse vor. Eine zusätzliche Bypass- Kapazität (Cßypass) ist ebenfalls elektrisch parallel dazu angeordnet.

Vorteilhafterweise können dabei unerwünschte Effekte, die von einer zu kleinen Gesamtkapazität ausgehen, verringert oder vermieden werden. Insbesondere eine Wel- lenspannung bzw. Lagerspannung und ein daraus möglicherweise resultierender zerstörerischer Lagerstrom kann dadurch reduziert werden. Dabei ist die Ursache vorteilhafterweise unerheblich.

Während herkömmliche Verfahren zum Kurzschließen der Welle mit dem Gehäuse zu einer mechanischen Widerstandserhöhung, z. B. durch die Reibung der Bürsten, führen, so ist dies bei dem vorgeschlagenen kapazitiven Bypass nicht der Fall. Dies wird durch eine zusätzliche Kapazität, die durch einen kapazitiven Bypass konstruktiv realisiert wird, umgesetzt. Diese zusätzliche Kapazität ist die Bypass-Kapazität

(CBypass). Auch eine aufwändige und fehleranfällige Kompensationsschaltung mit mehreren Bauteilen kann so entfallen.

Die Wellenspannung (Uw) entspricht üblicherweise der Spannung, die die Welle gegenüber dem Gehäuse oder Masse aufweist. Die Lagerspannung (UWL) ist die Span- nung, die zwischen den beiden Lagerschalen bzw. -ringen abfällt. Wenn der innere Ring elektrisch leitend mit der Welle und der äußere mit dem Gehäuse (bzw. deren Potenzialen) verbunden ist, so sind Wellenspannung und Lagerspannung identisch.

Die Gesamtkapazität ergibt sich hierbei aus der Summe der Kapazität des Wälzlagers (CWL), der Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (CW-G) und der ggf. vorhandenen Bypass-Kapazität (CBypass). Diese Kapazitäten sind im Ersatzschaltbild parallel geschaltet.

In einer erweiterten Ausführungsform ist eine Motorwicklung mit der Welle mecha- nisch, jedoch elektrisch isoliert verbunden. Zwischen Motorwicklung und Welle bildet sich die Kapazität zwischen einer Motorwicklung und Welle (Cw-w) aus.

Die Kapazität zwischen einer Motorwicklung und Welle (Cw-w) bildet mit der in Reihe geschalteten Gesamtkapazität einen kapazitiven Spannungsteiler. Die Motorwicklung kann die elektrische Wicklung (Spule) eines Stators oder Rotors sein. Auch kann die Wicklung anstelle der eines Motors die eines Generators sein.

Anstatt dem Wälzlager kann auch eine andere Komponente, die Schaden durch die Wellenspannung nehmen kann, vorliegen. Neben Wälzlagern gilt dies z. B. auch für Zahnräder, welche auf der Welle montiert sein können und im Eingreifen mit einem anderen mit dem Gehäuse montierten Zahnrad ähnliche Übergangseigenschaften (Schmierfilm mit elektrischem Widerstand) und damit Problematiken wie ein Wälzlager aufweisen können. Die Kapazität des Wälzlagers (CWL), die Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (Cw- G) und eine Kapazität zwischen Motorwicklung und Welle (Cw-w) werden hierbei als unerwünschte Streukapazitäten angesehen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bypass-Kapazität (Cßypass) so dimensioniert, dass die Wellenspannung (Uw) bzw. Lagerspannung (UWL) einen Schwellwert nicht überschreitet. Vorteilhafterweise kann durch Beachten dieses Schwellwerts eine Schädigung des Wälzlagers bzw. an der Welle montierter Komponenten vermieden werden. Weiterhin muss dadurch die Größe der Bypass-Kapazität (Cbypass) nicht unnötigerweise über ein notwendiges Maß hinaus gewählt werden, was einen unnötigen Aufwand zur Folge hätte.

Dadurch, dass die Kapazität des Wälzlagers (CWL), die Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (CW-G) und die Kapazität zwischen Motorwicklung und Welle (Cw-w) bekannt sind bzw. vorab einmalig gemessen werden können, lässt sich die notwendige Bypass-Kapazität berechnen, wenn der Spannungsabfall zwischen Motorwicklung und Welle (Uw-w), sowie die maximal zulässige Wellenspannung (Uw) bzw. Lagerspannung (UWL) bekannt sind.

Dies erfolgt gemäß einer Formel, die sich aus dem kapazitiven Spannungsteilerverhältnis herleiten lässt:

Kapazitiver Spannungsteiler: UWL / Uw-w = Cw-w / (CwL+Cw-G+Cßypass) aufgelöst nach der Lagerspannung: UWL = Cw-w / (CwL+Cw-G+Cßypass) ^* Uw-w Die maximal zulässige Lagerspannung (und damit der Schwellwert) ergibt sich meist so, dass bei dieser noch keine zerstörerischen, d. h. abrasiven Entladungen stattfinden. Dabei sind die Spannungsspitzen zu berücksichtigen, die z. B. durch den Gleichtaktstrom eines Frequenzumrichters erzeugt werden. Gleiches gilt für eine Wellenspannung (Uw).

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bypass-Kapazität (Cßypass) durch eine konstruktiv eigenständige Maßnahme erzeugt.

Vorteilhafterweise kann dadurch die Bypass-Kapazität willentlich und nicht nur zufällig bereitgestellt werden. Das bedeutet, dass eine konstruktive Maßnahme durchgeführt wird, die ohne den

Wunsch der Erhöhung der Bypass-Kapazität (Cßypass) keinen Sinn machen würde oder keinen anderen (primären) Zweck hat.

Beispiele solcher konstruktiver Maßnahmen:

Die Ausgestaltung der Form der Welle und/oder des Gehäuses oder die Lage zueinander, so dass die Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (CW-G) erhöht wird, wobei der Anteil der Erhöhung der Bypass-Kapazität (Cßypass) entspricht. Die Welle kann z. B. eine Verdickung aufweisen, so dass der Abstand zum Gehäuse verringert wird und der dazwischen befindliche Luftspalt verkleinert wird, was gemäß dem Prinzip eines Plattenkondensators zu einer Kapazitätserhöhung führt.

Verwendung eines breiteren Lagers ohne dass dafür eine mechanische Notwendigkeit besteht, so dass die Flächen der Lagerschalen gegeneinander vergrößert werden, was gemäß dem Prinzip eines Plattenkondensators zu einer Kapazitätserhöhung führt.

Einbau eines eigenständigen kapazitiven Bauteils, wie im Folgenden beschrieben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bypass-Kapazität (Cßypass) durch ein eigenständiges Bauteil bzw. Bauteilgruppe bereitgestellt. Vorteilhafterweise kann durch die Bereitstellung des kapazitiven Bypass als eigenständiges Bauteil eine einfachere Montage, Nachrüstbarkeit oder Wartbarkeit bewirkt werden. Eigenständig bedeutet vorliegend, dass das eigenständige Bauteil primär oder ausschließlich dem Zweck der Bereitstellung der Bypass-Kapazität dient. Als solches Bauteil scheiden daher z. B. das Gehäuse 3, die Welle 2 und das Wälzlager 4 selbst aus. Je nach Verwendung der Begrifflichkeit kann von einem Bauteil oder einer Bauteilgruppe die Rede sein. Ein Plattenkondensator beispielsweise kann als ein Bauteil aufgefasst werden oder als Bauteilgruppe mit beiden Platten als Bauteile.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Teil des eigenständigen Bauteils bzw. Bauteilgruppe eine elektrisch leitende Verbindung mit der Welle und ein anderer Teil mit dem Gehäuse auf.

Vorteilhafterweise bildet die elektrisch leitende Verbindung eines separaten Bauteils mit einer Bypass-Kapazität (Cßypass) eine Möglichkeit für eine Parallelschaltung zur Kapazität des Wälzlagers (CWL) und der Kapazität zwischen Welle und Gehäuse (Cw-

G).

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bypass-Kapazität (Cßypass) durch eine Anordnung koaxialer Rohre bereitgestellt.

Vorteilhafterweise kann so eine Bypass-Kapazität durch eine konkrete konstruktive Maßnahme, nämlich der Anordnung zweier Rohre, erzeugt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Bypass-Kapazität (Cßypass) durch eine Anordnung radial ausgerichteter Scheiben 6 bereitgestellt. Vorteilhafterweise kann so eine Bypass-Kapazität durch eine konkrete konstruktive Maßnahme, nämlich der Anordnung zweier radial ausgerichteter Scheiben, erzeugt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Bauteil bzw. die Bauteilgruppe mit dem Wälzlager 4 verbunden.

Vorteilhafterweise wird damit ein Modul (integriertes Wälzlager) bereitgestellt, das als solches separat vertrieben werden kann und/oder eine vereinfachte Montage ermög- licht. Weiterhin muss kein extra Montageschritt für das Montieren des kapazitiven Bypass ausgeführt werden, sondern dies geschieht bei der Montage des integrierten Wälzlagers automatisch.

In einer erweiterten Ausführungsform ist der kapazitive Bypass oder Teile davon als Dichtung des Wälzlagers oder als Dichtung im Wälzlager integriert.

In einer alternativen Ausführungsform ist der kapazitive Bypass vom Wälzlager mechanisch getrennt, d. h. nicht verbunden. Das Bauteil bzw. die Baugruppe des kapazitiven Bypass wird dann z. B. direkt mit der Welle und dem Gehäuse und nicht mit dem Wälzlager mechanisch verbunden.

Vorteilhafterweise kann durch die separate, d. h. vom Wälzlager unabhängige Anbringung des kapazitiven Bypass die Wartbarkeit erhöht werden. Ein Austauschen lediglich des kapazitiven Bypass oder nur des (z. B. abgenutzten) Wälzlagers wird somit ermöglicht, ohne die jeweils andere Komponente mit austauschen zu müssen. Auch kann der kapazitive Bypass als Zusatzmodul zur Nachrüstung angeboten werden.

Der Begriff Welle ist nicht exakt dahin gehend zu verstehen, dass es sich um ein rotierendes Maschinenelement handelt, welches nur Torsionskräfte überträgt. Eine Welle im erfindungsgemäßen Sinne kann genau so gut eine Achse, Stange, Bolzen oder ein anderes Bauteil sein. Entscheidend ist, dass es eine Anordnung ist, in der eine unerwünschte Spannung (Störspannung), hier als Wellenspannung bezeichnet, auftritt. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 a ein kapazitives Ersatzschaltbild ohne Bypass

Fig. 1 b ein kapazitives Ersatzschaltbild mit Bypass

Fig. 2a einen axial integrierten Bypass

Fig. 2b einen axialer separaten Bypass

Fig. 3a einen radial integrierten Bypass

Fig. 3b einen radialen separaten Bypass

Figur 1 a zeigt ein kapazitives Ersatzschaltbild für eine Vorrichtung ohne einen erfindungsgemäßen Bypass. Dabei sind folgende (Streu-)kapazitäten vorhanden: Zwischen der Motorwicklung 1 und der Welle 2 bildet sich eine Kapazität zwischen Motorwicklung und Welle Cw-w aus. Zwischen der Welle und dem Gehäuse bildet sich eine Kapazität zwischen Welle und Gehäuse CW-G aus. Zwischen den beiden Lagerschalen eines Wälzlagers 4 (hier nicht dargestellt), bildet sich eine Kapazität des Wälzlagers CWL aus. Da die Lagerschalen elektrisch leitend und mit der Welle auf der einen und dem Gehäuse auf der anderen Seite leitend verbunden sind, existiert die Kapazität zwischen Welle und Gehäuse CW-G parallel zur Kapazität des Wälzlagers

In dieser Anordnung beschreibt sich die Formel des kapazitiven Spannungsteilers wie folgt: UWL / Uw-w = Cw-w / (CWL + CW-G). Aufgelöst nach UWL ergibt sich UWL = (Cw-w /

Beispielhaft können daraus z. B. folgende Spannungen resultieren: Aus einer Gleichtaktspannung UCM des Motors bzw. Frequenzumrichters von 400 V, einem Span- nungsabfall zwischen Motorwicklung und Welle Uw-w von 360 V resultiert durch Differenzbildung eine Wellenspannug Uw von 40 V. ln Figur 1 b wird das kapazitive Ersatzschaltbild der Figur 1 a durch die erfindungsgemäße Schaltung mit Bypass wie folgt erweitert: Eine zusätzliche Kapazität, nämlich die Bypass-Kapazität Cßypass wird konstruktiv so in das System eingebracht, dass sie elektrisch parallel zu den vorhandenen Kapazitäten gemäß der Darstellung im Ersatz- Schaltbild wirkt. Aus dem bereits beschriebenen kapazitiven Spannungsteilerverhältnis ergibt sich die neue, geringere Wellenspannung Uw bzw. Lagerspannung UWL, die durch Hinzufügen der Bypass-Kapazität Cßypass entsteht. Die Bypass-Kapazität Cßypass ist in der Darstellung zwischen der Welle 2 und dem Gehäuse 3 bzw. Masse wirksam. Die Figuren 2a, 2b, 3a und 3b zeigen eine Welle 2, die sich bei Eigenrotation um die Symmetrieachse SYM dreht. An die Welle 2 ist ein Wälzlager 4 - stellvertretend für andere drehbare Komponenten, wie z. B. Zahnräder, dargestellt - montiert, bevorzugt durchstößt die Welle dabei das Wälzlager axial durch dessen inneren Ring, mit dem es mechanisch und/oder elektrisch verbunden ist. Die andere Seite des Wälzlagers 4, insbesondere dessen äußerer Ring ist mit einem Gehäuse 3 verbunden, welches geerdet ist oder eine Verbindung zu Masse hat.

Der kapazitive Bypass ist in der Darstellung im Spalt zwischen Welle 2 und Gehäuse 3 angeordnet. Er bildet dabei eine Kapazität gemäß dem Prinzip eines Plattenkonden- sators aus. Die dabei wirksamen Platten bzw. Flächen sollten bei der Drehbewegung der Welle 2 einen im Wesentlichen konstanten Abstand und Flächengröße aufweisen, damit die Drehung keinen Einfluss auf die elektrischen, insbesondere die kapazitiven Eigenschaften hat. Die beiden Platten werden in den verschiedenen Figuren entweder durch ein Rohr 5 und ein Gegenrohr 5b oder eine Scheibe 6 und eine Gegenscheibe 6b realisiert.

Für den erfindungsgemäßen Zweck muss das Rohr 5 bzw. die Scheibe 6, die der Welle 2 abgewandt ist, mit dem Gehäuse 3 bzw. der Masse elektrisch verbunden sein. Das Gegenrohr 5b bzw. die Gegenscheibe 6b muss mit der Welle elektrisch verbunden sein. Dadurch wird die Parallelschaltung der Bypass-Kapazität Cßypass umgesetzt.

In Figur 2a und 2b ist der kapazitive Bypass durch koaxiale Rohre ausgebildet. Dieser weist zwei solcher Rohre bzw. rohrförmiger Stücke mit leitender Fläche auf, welche die Funktionalität beider Platten des Plattenkondensators übernehmen, im Speziellen ein Rohr 5 und ein Gegenrohr 5b. Die Platten sind hierbei nicht eben, sondern entsprechend dem Rohr rund geformt. Rohr 5 und Gegenrohr 5b greifen hierbei ineinander, dazu weist eines der beiden folglich einen kleineren Durchmesser auf, so dass zwischen den gegenüberliegenden Flächen (Platten), durch das ineinander schieben, ein Luftspalt entsteht, der die beiden Platten voneinander trennt. Die beiden Rohre bzw. Platten sind in der Darstellung parallel zur Welle ausgerichtet sein.

Alternativ kann die Funktionalität einer der Platten auch durch die Welle 2 selbst ge- bildet werden, so dass das Gegenrohr 5b eingespart werden kann, da die Welle, sofern sie leitend ist und eine entsprechende Form aufweist, diese Funktion übernehmen kann. Der Luftspalt wird dann zwischen dem Rohr 5 und der Welle 2 ausgebildet.

In den Figuren 3a und 3b ist der kapazitive Bypass durch Scheiben ausgebildet, die sich in radialer Richtung zur Welle 2 erstrecken. Dieser weist zwei solcher Scheiben bzw. ringförmiger Stücke mit leitender Fläche auf, welche die Funktionalität beider Platten des Plattenkondensators übernehmen, im Speziellen eine Scheibe 6 und eine Gegenscheibe 6b. Die Flächen sollten hierbei eben sein, da sie bei Drehung gegeneinander ansonsten einen variablen Abstand aufweisen würden, der die Kapazität be- einflusst. Die Scheibe 6 und Gegenscheibe 6b drehen sich hierbei mit axialem Abstand durch die Drehung der Welle gegeneinander. Durch den axialen Abstand entsteht ein Luftspalt, der die beiden Platten (Flächen) voneinander trennt. Die beiden Scheiben bzw. Flächen sind in der Darstellung orthogonal bzw. radial zur Welle 2 ausgerichtet.

In den Figuren 2a und 3a ist ein integriertes Wälzlager 4b dargestellt, d. h. das Wälzlager bildet dabei mit dem kapazitiven Bypass eine bauliche Einheit bzw. Modul. Dabei sind die Teile des kapazitiven Bypass direkt am Wälzlager 4 montiert, so dass ein integriertes Wälzlager 4b als Modul bereitgestellt und geliefert werden kann.

In den Figuren 2b und 3b ist im Gegensatz dazu ein separater (bzw. stand-alone) kapazitiver Bypass dargestellt, der nicht mit dem Wälzlager 4 direkt mechanisch verbunden ist. Dabei haben die Rohre 5 bzw. Scheiben 6 keine direkte mechanische Verbindung mit dem Wälzlager 4. Stattdessen sind sie, elektrisch mit dem Gehäuse 3 ver- bunden. Das optionale Gegenrohr 5b bzw. Gegenscheibe 6b ist mit der Welle 2 elektrisch leitend verbunden.

Bezugszeichenliste

1 Motorwicklung

2 Welle

3 Gehäuse

4 Wälzlager

4b integriertes Wälzlager

5 koaxiales Rohr

5b Gegenrohr

6 radiale Scheibe

6b Gegenscheibe

Cw-w Kapazität zwischen Motorwicklung und Welle CWL Kapazität des Wälzlagers

CW-G Kapazität zwischen Welle und Gehäuse CBypassBypass-Kapazität

SYM Symmetrieachse