(57)【要約】電気機械（DM）の軸受（WL）の寿命を高めることを課題とする。そのため、補償装置（KS1）を用いて回転子（RO）に相応の逆電圧が加えられることによって、回転子（RO）の軸受（WL）の軸受電流が減ぜられる。軸受電流が減ぜられることによって、軸受内の波状起伏形成及び潤滑油老化の増加が回避される。
2007532088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械（DM）の少なくとも１つの巻線（MW）、ハウジング及び回転子（RO）に接続するための接続装置と、
電気機械の少なくとも１つの巻線（MW）にかかる駆動電圧（Ud）に依存して電気機械の回転子（RO）に対する補償電圧（Uk）を発生させるための電圧発生装置と
を有することを特徴とする電気機械（DM）における有害な軸受電流を防止するための補償装置。
【請求項２】
巻線（MW）にかかる駆動電圧が電圧中間回路周波数変換器（UR）の制御信号から得られることを特徴とする請求項１記載の補償装置。
【請求項３】
電圧発生装置が変圧器（Ｔ）を含み、その一次巻線は電気機械（DM）の少なくとも１つの巻線（MW）とハウジングとの間に、二次巻線は電気機械（DM）の回転子（RO）とハウジングとの間に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の補償装置。
【請求項４】
一次巻線又は二次巻線に並列に、補償電圧の適合のための回路網（ZT1、ZT2）が接続されていることを特徴とする請求項３記載の補償装置。
【請求項５】
電圧発生装置が能動スイッチング回路（AS）を含み、この能動スイッチング回路により電気機械にかかる駆動電圧（Ud）から補償電圧（Uk）が発生されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の補償装置。
【請求項６】
星形接続を有し、この星形接続により電気機械の相が中性点（SP）において相互接続され、その際中性点（SP）の電圧（Uo）が電圧発生装置に対する入力電圧として用いられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の補償装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の補償装置を有することを特徴とする電気機械。
【請求項８】
三相であることを特徴とする請求項７記載の電気機械。
【請求項９】
電気機械（DM）の巻線（MW）が中性点（SP）において相互接続され、中性点（SP）における電圧（Uo）が電圧発生装置に対する入力電圧として用いられることを特徴とする請求項７又は８記載の電気機械。
【請求項１０】
電気機械（DM）における軸受電流を補償するための方法において、電気機械の駆動電圧（Ud）に依存して電気機械（DM）の回転子（RO）のための補償電圧（Uk）を発生させ、電気機械の回転子（RO）に補償電圧（Uk）を与えることを特徴とする電気機械（DM）における軸受電流補償方法。
【請求項１１】
補償電圧（Uk）が変圧器（T）によって発生され、この変圧器は電気機械（DM）の巻線（MW）の少なくとも１つにかかる一次電圧を補償電圧（Uk）のために変圧することを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
補償電圧（Uk）が能動スイッチング回路（AS）によって発生されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
電気機械の駆動電圧（Ud）がコモンモード電圧であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１４】
電気機械が三相式に駆動されることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１５】
電気機械（DM）の巻線（MW）が中性点（SP、SP´）において互いに接続され、中性点（SP、SP´）における電圧が補償電圧（Uk）を発生させるために使用されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
電気機械（DM）の回転子（RO）に接続するための第１の接続部、
電気機械（DM）のハウジング又は電圧中間回路変換器（UR）の電位に接続するための第２の接続部、及び
直流抵抗及びこの直流抵抗に対し減ぜられた高周波抵抗を有し第１及び第２の接続部間に接続されているインピーダンス
を有することを特徴とする有害な軸受電流を防止するための補償装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の補償装置を有することを特徴とする電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械における軸受電流を補償するための補償装置及びそのような補償装置を装備した電気機械に関する。さらに本発明は軸受電流を補償するための対応した方法に関する。
【０００２】
可変速度モータは、最近では大部分が電圧中間回路周波数変換器によって給電される。この電圧中間回路周波数変換器による給電は、モータの軸受における軸受電流をもたらす。この軸受電流は、モータの仕様に従って軸受の予想より早い故障に導くことがある。この故障は軸受の軸受け面の波状起伏形成（振動、騒音）ないし軸受潤滑油の分解に起因するものと考えられる。
【０００３】
それ故、軸受電流を阻止するため、電流遮断性の軸受、例えば外リングにセラミック絶縁を持った軸受がしばしば用いられている。またそれに代えて、鋼リングと軸受電流を防止するためのセラミック圧延体とのハイブリッド軸受も使用されている。これらの軸受はしかしながら極めて高価であり、それ故なるべく避けられる。さらに軸受電流を防止するため、回転子が接地ブラシにより接地される解決法が知られている。接地ブラシはしかしながら摩滅を免れず、特に過酷な周囲条件下では接触信頼性が得られない。さらに、ロックウエル（Rockwell）社から、“Industry White Paper”において“インバータ駆動の誘導モータの軸及び軸受電流解決（Inverter-Driven Induction Motors Shaft and Bearing Currrent Solutions）”というタイトルで、回転子と固定子との間に特殊の遮蔽を行うことが提唱されている。さらにこの関係で、軸受電流を減少させるため特殊なパルスパターンを有する周波数変換器も知られている。これらすべての解決策に共通することは、比較的高価でまた労力がかかることである。
【０００４】
本発明の課題は、それ故軸受電流の問題が簡単に解決できる電気機械を提案することにある。さらに、これに対応する方法を示すことにある。
【０００５】
本発明に従えば、この課題は、電気機械における軸受電流を補償するための補償装置が、電気機械の少なくとも１つの巻線、ハウジング及び回転子に接続するための接続装置、並びに電気機械の少なくとも１つの巻線にかかる駆動電圧に依存して電気機械の回転子に対する補償電圧を発生させるための電圧発生装置を有することによって解決される。
【０００６】
さらに本発明によれば、電気機械の駆動電圧に依存して電気機械の回転子のための補償電圧を発生させ、電気機械の回転子に補償電圧を与えることにより電気機械の軸受電流を補償するための方法が提案される。
【０００７】
簡単に構成された本発明に従う補償装置によれば、軸受に相応の逆電圧が加えられ、その結果電気機械に対する通常の駆動電圧によって軸受に生じる電圧が補償される。従って軸受を介してもはや電流は流れず、電気機械の寿命は相応に高められる。
【０００８】
本発明に従う補償装置の電圧発生装置は変圧器を含むのが有利であり、その変圧器の一次巻線は電気機械の少なくとも１つの巻線とハウジングとの間に接続され、二次巻線は電気機械の回転子とハウジングとの間に接続されている。変圧器は補償を実現するためのコストの安い受動素子である。
【０００９】
変圧器は、補償電圧を機械に対し個々に調節するため、回路網、例えばRC結合、バリスタと相互接続することができる。
【００１０】
変圧器に代えて、電圧発生装置は能動スイッチング回路を含むことができ、この能動スイッチング回路によって、電気機械にかかる駆動電圧から補償電圧を発生させることができる。そのような能動回路によって、なお一層正確な補償を実行することができる。
【００１１】
電気機械の駆動電圧は、軸受電流に対する基本的な原因であるコモンモード電圧をしばしば含む。それ故、コモンモード電圧を電圧発生装置に対する入力量として用いるのが有利である。軸受電圧は通例モータ特有の変成比についてのみコモンモード電圧に依存する。
【００１２】
特殊な実施形態においては、本発明に従う補償装置は星形接続を有し、この星形接続により電気機械の相は中性点において相互接続され、その際中性点における電圧が電圧発生装置に対する入力電圧として用いられる。この人工的に作られた中性点によって、機械の巻線が中性点において相互接続されるか又は機械内の中性点が接近できることを必要としない。
【００１３】
三相の電気機械が補償装置を装備すると有利である。その際、既に述べたように、機械内に中性点が存在し中性点における電圧が電圧発生装置に対する入力電圧として取り出すことができると有利である。それとともに、補償電圧を発生させるために人工的な中性点を必要としない。
【００１４】
上述の課題はまた、有害な軸受電流を防止するための補償装置が、電気機械の回転子に接続するための第１の接続部、電気機械のハウジング又は電圧中間回路周波数変換器の電位に接続するための第２の接続部及び第１及び第２の接続部間に接続されている低い高周波抵抗を持つインピーダンスを有することによって解決される。本発明に従う電気機械はそのような補償装置を装備することができる。その際の思想は、補償装置を介して回転子を高周波的にのみ接地するという思想である。それとともにEDM軸受電流も防止することができる。即ちモータの給電電圧はこの場合使用されない。
【００１５】
次に本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
以下に詳細に説明する実施例は本発明の好ましい実施形態である。
【００１７】
周波数変換器に起因する軸受電流の原因は、図１に示される電圧中間回路周波数変換器URのパルスパターンにおけるいわゆるコモンモード電圧である。モータDMにかかるコモンモード電圧U0は例えばモータ巻線の星形接続の場合には中性点とモータハウジングとの間で直接計ることができる。電圧中間回路周波数変換器URの電子スイッチング素子SEは、中間回路ZKの電圧Udをモータ巻線MWへの制御方法に従ってスイッチングする。いわゆるオンライン制御方法とオフライン制御方法とを区別する。使用される制御方法に無関係に、原則的な電圧経過U0が中性点SPに図１に示すように生じる。この電圧経過は同様に図１に記載された相間の電圧ULLから結果として生じる。
【００１８】
電子スイッチング素子SEのオン及びオフスイッチングは、モータにおける寄生容量における電圧変化、及びそれとともに電流の流れに導く。図２は、固定子ST及び回転子ROを含む三相モータDMにおけるこれらの寄生容量を示す。回転子ROの軸WEは例えば転がり軸受WLを介して固定子STに支えられている。固定子STの巻線WIには電圧Ｕがかかる。
【００１９】
このモータ構成（図３をも参照）は、モータ巻線とモータハウジングとの間のキャパシタンスCwh、モータ巻線と回転子との間のキャパシタンスCwr、回転子とモータハウジングとの間のキャパシタンスCrh、転がり体と軸受リングとの間の有効キャパシタンスCb、潤滑フィルムの非直線抵抗Zn及び軸受リングと転がり体からなる軸受の有効抵抗Rbに導く。
【００２０】
これらの電気量から、転がり軸受WLのインピーダンスZbに対する電気的等価回路図を含む三相モータの図３に再現された単相の等価回路図が結果として生じる。それによれば、相Uと接地PEとの間にキャパシタンスCwhが存在する。このキャパシタンスCwhに並列に、キャパシタンスCwrとキャパシタンスCrhとの直列接続が配置されている。さらにキャパシタンスCrh、に並列に軸受インピーダンスZbが存在する。この軸受インピーダンスZbは、キャパシタンスCbと軸受抵抗Rbと直列に接続されている潤滑フィルム抵抗Znとの並列接続からなる。
【００２１】
コモンモード電圧U0の変化はキャパシタンスCwhを通る電流の流れを生じる。この電流から、図４に示されるように、有害な軸受電流ILagerになり得るモータ巻線MW内の循環流ZFが結果として生じる。この軸受電流ILagerは、固定子STの固定子積層体を通り、転がり軸受WLを通り、回転子ROを通り、トルクモータDMの他の前面へ戻り、転がり軸受WLを通って固定子STに導かれる。
【００２２】
図５に示されるキャパシタンスCwhを流れる電流Ieは軸電圧Usに対する源である。軸電圧Us及び電流Ieはモータの構造を介して変圧器的に結び付けられる。軸電圧Usは両モータ軸受に分配される。モータの駆動側DE及び非駆動側NDEにおける転がり軸受に対する等価回路図が図５に相応に記載されている。
【００２３】
転がり軸受における潤滑フィルムは特定の電圧のみを絶縁することができ、そのあと潤滑フィルムは絶縁破壊する。そのとき有害軸受電流が形成され得る。この絶縁破壊電圧は潤滑フィルムの厚さに依存し、それとともに軸受の回転速度、温度及び負荷に依存する。この絶縁破壊電圧は0.3〜35Ｖの範囲にある。このような軸受電流は、S.Chen、T.A.Lipo、D.Fitzgeraldの論文「インバータ駆動における軸受電流のモデリング（Modeling of bearing currents in inverter drives）」IEEE Transactions on Industry Applications、32巻、21〜31頁、1996年に記載されている。
【００２４】
適切な逆電圧Ukによって、本発明に従えば、転がり軸受にかかる電圧は絶縁破壊電圧の下の値に保持される。それとともに上述の循環流による軸受電流は阻止される。循環流により引き起こされる電流は今や補償装置を介して流れる（図５）。
【００２５】
有害な軸受電流は放電効果によっても生じ得る。その際（図６及び図７参照）、転がり軸受のキャパシタンスCbは、潤滑フィルムが加わる電圧を絶縁し得るかぎり、Cwr、Crh及びCbからなる容量性分圧器を介して充電される。絶縁破壊電圧に達すると、キャパシタンスCbは軸受内で短絡され、キャパシタンスCrhはこの短絡で放電される。潤滑フィルムが絶縁しているかぎり、軸受にかかる電圧はモータ構成によりあらかじめ与えられる変成比BVR（bearing voltage ratio：軸受電圧比）に相応してコモンモード電圧の写しである。
【００２６】
変成比BVRは軸受インピーダンスZbにかかる電圧UZbとキャパシタンスCwhにかかる電圧UCwhとの比により与えられる。この比は典型的には0.02〜0.2の間にある。図７には、BVRの小さな値及びBVRの大きな値に対する電圧UZbがその経過で示されている。その際回路ないしモータ巻線はインピーダンスZを介して半分の中間回路電圧0.5Udで給電され、この電圧は電圧UZbと同じ信号経過を持っている。この場合もまた軸受の充電は適切な逆電圧Ukによって阻止することができる。
【００２７】
本発明に従う回路KS1ないしKS2によって（図８及び９参照）、コモンモード電圧U0により発生される軸受電圧UZbの補償が行われる。そのためモータ端子に接続されたコモンモード電圧U0は、直接使用される（図８）か、又は模写される（図９）。補償回路KS1ないしKS2は、コモンモード電圧U0を用いて軸受電流を最小化するための逆電圧を発生させる。補償回路は受動又は能動の部品で形成することができる。所望の補償が生じるようにするため、モータDMの構成に相応して、駆動側（DE）又は非駆動側（NDE）上での結合が行われる。補償電圧ないし逆電圧の結合は、コンデンサCKRにより容量的に行うこともできる（図９）。
【００２８】
補償装置KS1ないしKS2は、最も簡単な構成においてはインパルス変成器ないし変圧器Ｔから構成され、この変圧器はコモンモード電圧U0をモータのBVRに相応して相応の符号をもって逆電圧として回転子ROへ接続する。コモンモード電圧U0は、通常の電圧中間回路周波数変換器の場合には中間回路電圧Udの半分までの値に達する。例えば５％のBVRで300Ｖのコモンモード電圧U0の場合、15Ｖの逆電圧が発生されなければならない。逆電圧は、すべり接触を介して、又は容量性の結合装置を介して回転子ROに加えることができる。
【００２９】
逆電圧の電圧波形を適合させるため、インパルス変成器Ｔは接続回路網ZT1、ZT2を備えている。この接続回路網ZT1、ZT2は例えばRC結合及びバリスタ又はそのいずれか一方であってよい。
【００３０】
インパルス変成器Ｔは１つ又は複数の結合コンデンサを介して給電される。中性点SPにおけるコモンモード電圧U0が利用できる場合には（図８参照）、モータ巻線MWの中性点SPに接続される結合コンデンサCKOのみを必要とする。この中性点SPが利用できない場合（図９参照）、例えば三角接続巻線の場合には、結合コンデンサCK1、CK2、CK3をモータ端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続する。３つの結合コンデンサCK1、CK2、CK3は中性点SP´を形成し、ここにコモンモード電圧U0が形成される。
【００３１】
図１０に相応して、補償装置KS3は能動部品によって、場合によってはディジタル的に形成することもできる。能動スイッチング回路ASの給電のための補助エネルギーUhは、モータ電圧から得るか、又は外部から調達することができる。コモンモード電圧U0は、直接検出されるか、回路網NWを介して得られるか、電圧中間回路周波数変換器URの制御信号から得られる。コモンモード電圧U0及びモータデータから逆電圧が確定され、増幅器AMP及び結合装置CKRを介して回転子に与えられる。
【００３２】
能動スイッチング回路（AS）は、補償装置KS3が、コモンモード電圧U0に依存せず、回転子を高周波的に接地するように形成されていてもよい。
【００３３】
逆電圧を信頼性をもってかつ損耗なしに回転子へ接続するためには、すべり接触は回避されることになる。図１１は結合装置CKRのための実現例を示す。その際ブッシュBUが回転子軸WE上へ差し込まれ、絶縁部分ITと中心を合わせられる。ブッシュBUは回転子軸WEと円筒型コンデンサを形成する。ブッシュBUと絶縁部分ITとは、例えば、軸受と同じように組み立てられる部材として形成することもできる。
【００３４】
本発明に従う補償装置KS1ないしKS3を使用する場合、有害な軸受電流を防止するための高価な電流遮断性の軸受又はハイブリッド軸受を必要としない。さらに、軸受電流がないため、波状起伏が生ぜず、或いは潤滑油老化が僅かなことに基づいて、軸受の寿命が有利に高められる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】電圧中間回路周波数変換器により２点スイッチングで給電されるモータの接続図である。
【図２】モータの断面説明図である。
【図３】図２のモータの単相等価回路図である。
【図４】循環流及び軸受電流の説明図である。
【図５】循環流による軸受電流の説明のための電気的等価回路図である。
【図６】電気的相互接続を有する図２によるモータの説明図である。
【図７】軸受電流信号波形を有する図６の接続に相応する等価回路図である。
【図８】モータと、モータ巻線の中性点に接続された補償装置とを有する本発明に従う接続図である。
【図９】モータと補償装置との相互接続で、モータの中性点が接近されないものの説明図である。
【図１０】能動部品を有する補償装置の結線図である。
【図１１】補償電圧を回転子に結合するための結合装置に対する一例の説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
DM  モータ
KS1、KS2、KS3  補償装置
MW  モータ巻線
RO  回転子
SE  スイッチング素子
SP、SP´  中性点
ST  固定子
UR  電圧中間回路周波数変換器
WE  回転子の軸
WI  巻線
WL  軸受
ZK  中間回路
Cwh  モータ巻線とモータハウジングとの間のキャパシタンス
Cwr  モータ巻線と回転子との間のキャパシタンス
Crh  回転子とモータハウジングとの間のキャパシタンス
Cb  転がり体と軸受リングとの間のキャパシタンス
ILager  軸受電流
Rb  軸受の有効抵抗
Ud  駆動電圧
Ud  中間回路の電圧
Uk  補償電圧
U0  コモンモード電圧
Zn  潤滑フィルムの非直線抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2007532088.tif 000011
【図１０】
2007532088.tif 000012
【図１１】
2007532088.tif 000013
【国際調査報告】
2007532088.tif 000014
2007532088.tif 000015
2007532088.tif 000016
2007532088.tif 000017
2007532088.tif 000018
2007532088.tif 000019