Verfahren zur Detektion von Plasma-Lagerströmen Fachgebiet der Erfindung

In elektrischen Maschinen können elektrische Ströme (Lagerströme, engl.: Bearing Currents) auftreten, die die Lebensdauer der Lager erheblich reduzieren. Lagerströme sind elektrische Ströme die in Wälz- oder Gleitlagern elektrischer Maschinen stattfinden.

Sie werden durch elektrische Spannungen (Lagerspannungen) hervorgerufen, die aufgrund elektrischer oder magnetischer Streufelder innerhalb der Maschine oder durch Fremdströme, die von Außen kommend über die Maschine fließen, entstehen. Sobald die Lagerspannung über der Durchbruchspannung

( Frittspannung) des Schmierfilms liegt, findet der Stromfluss statt .

Die negative Wirkungen von Lagerströmen sind beispielsweise

- Fettverbrennung (Reduzierung der Restschmierfähigkeit)

- Kraterbildung in der Laufbahn und den Wälzkörpern

- und im Extremfall: Riffelbildung in den Laufbahnen.

Die Riffel sind dabei quer zur Laufbahn ausgerichtet.

Diese Lagerströme sind seit Jahrzehnten ein bekanntes Phänomen und führen zu erheblichem Aufwand bei Anwendern und ggf. zu hohen Gewährleistungskosten bei Herstellern. Es besteht daher ein großes Interesse an einem Messverfahren bzw. an Sensoren, die Lagerströme messen und aussagekräftig bewerten können .

Stand der Technik

Es existieren eingeführte Messverfahren und Sensoren für Lagerströme, die jedoch aufwändig durchzuführen sind und bei der Bewertung der Lagerströme erhebliche Unsicherheiten aufweist .

Die Bewertung, ob Lagerströme in elektrischen Maschinen be- reits ein schädliches Ausmaß erreichen oder noch toleriert werden können, ist nach dem Stand der Technik nur bei sehr hohen oder besonders niedrigen Lagerströmen möglich. Dazwischen existiert ein großer Graubereich, der einen erheblichen Anteil der Antriebssysteme umfasst, in dem derzeit keine Aus- sage möglich ist.

Abhilfen gegen Lagerströme sind oft mit erheblichen Kosten verbunden und lassen aufgrund des großen Graubereiches auch nur schwer in der Hinsicht bewerten, ob sie ausreichen wer- den. Kostenintensive Maßnahmen haben in der Vergangenheit zum Teil trotzdem nicht zum gewünschten Ziel geführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für die oben genannten Probleme anzugeben. Es soll ein Messverfahren angege- ben werden, welches eine bessere Bewertung der Lagerströme hinsichtlich einer schädlichen Auswirkung auf die Lebensdauer des Lagers bietet .

Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur frühzeitigen Erkennung der Entstehung von Schäden in einem Lager, insbesondere Kraterbildung, durch Lagerströme aufgrund mangeln- den Wärmeabfluss bei kurzer Entladezeit, wobei eine Detektion von Plasmabildung erfolgt anhand der Auswertung Auswertung einer für die Energie bzw. Entladezeit charakteristische Größe, insbesondere eines elektromagnetischen Spektrums der Feldstärke welche bei der Entladung entsteht, gemäß Patentan- spruch 1. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst gemäß Patentanspruch 7 durch eine Vorrichtung zur frühzeitigen Erkennung der Entstehung von Schäden, insbesondere Kraterbildung, in einem Lager durch Lagerströme aufgrund mangelnden ärmeabfluss bei kurzer Entladezeit, mit Mitteln zur Messung von zumindest einer Auswertung einer für die Energie bzw. Entladezeit charakteristische Größe, insbesondere der Feldstärke bei der Entladung abhängig von der Frequenz vorgesehen sind und mit Mitteln zur Auswertung eines elektromagnetischen Spektrums der Feldstärke welche bei der Entladung entsteht.

Die Lösung beruht auf den folgenden grundlegenden Gedanken: Die Entladungen durch die Lagerströme müssen als zeitlich dynamischer Vorgang betrachtet werden. Bisherige Betrachtungen machen dies nicht. Eine Entladung muss innerhalb kurzer Zeit, z. B. im dreistelligen Picosekunden-Bereich, erfolgen, um Krater zu erzeugen, die zu Riffelbildung führen.

Erfolgt die Entladung zu langsam, z. B. im Nanosekunden- Bereich, findet nur eine AufSchmelzung und Erstarrung mit einer Kraterbildung bei geringem Materialabtrag statt. Diese Krater führen nicht zur Riffelbildung.

Erfolgt hingegen eine schnellere Entladung, ist der Wärmeab- fluss geringer.

Es existiert eine Reihe von verschiedenen Typen von Lagerströmen. Es wurde erkannt, dass speziell die Lagerströme eine besonders schädigende Wirkung haben, die zu der sogenannten Riffelbildung führen, die mit der Plasmabildung und einer besonders kurzen Entladezeit verbunden sind. Langsamere Entladungen rufen dagegen keine Schädigung hervor. Die Vorgänge wurden mit einer neuen Sichtweise unter Berücksichtigung der Theorie der Wärmeableitung erklärt.

Die Plasma-Entladungen lassen sich anhand ihres elektromagnetischen Störspektrums von anderen Entladungen gut unterschei- den. Damit ist eine Detektion speziell der besonders schädlichen Plasma-Entladungen relativ einfach möglich.

Das neue Verfahren ermöglicht die einfache Bewertung von La- gerströmen, z. B. bei Inbetriebnahme oder Umbau durch einen Service-Techniker oder durch begleitende Messungen durch einen Sensor während des Betriebes. Ein in der Zukunft auftretender Schaden kann also schon vorab festgestellt werden. Eine Abhilfe kann sofort mit besonders hoher Aussagefähigkeit bewertet werden. Dies senkt Gewährleistungskosten, erhöht die Anlagenverfügbarkeit und reduziert den Aufwand beim Anlagenbetreiber .

Hintergrund ist ein Abfließen der Wärmeenergie im Material mit Geschwindigkeiten im Bereich von ungefähr 2 pm/ns abhängig vom Material. Damit konzentriert sich die Energie der Entladung in einem kleineren Volumen. Aufgrund der höheren Energie pro Volumeneinheit wird die Enthalpie für eine Verdampfung bzw. eine Plasmabildung überschritten. Insbesondere durch die Plasmaentladung findet ein deutlich höherer Materialabtrag statt. Eine schnellere Entladung lässt kein Abfließen der Wärmeenergie zu. Das führt damit lokal zu einer besonders hohen Temperatur, die zur Verdampfung bzw. Plasmabildung mit hohem Materialabtrag führt.

Speziell dieser Typ der Entladung lässt sich aufgrund seines elektromagnetischen Störspektrums erkennen. Es erfolgt eine Abstrahlung elektromagnetischer Energie im Mikrowellen- Bereich, in besonders vorteilhafter Weise ist dies im Fre- quenzbereich 300 MHz bis 3 GHz festzustellen, zum Teil auch bei noch höheren Frequenzen (bis 10 GHz) . Eine Detektion der Plasma-Entladungen anhand des charakteristischen Frequenzbereiches ermöglicht eine einfache, sofortige und besonders aussagekräftige Bewertung der Lagerströme.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungsformen

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung der Entstehung von Riffeln bei der Entladung von Lagerstrom,

Figur 2 ein Blockschaltbild des Verfahrens zur Detektion in einer Ausgestaltungsform,

Figur 3 die Mikrowellen-Emission durch Plasma-Entladung bei zwei verschiedenen Betriebszuständen, und

Figur 4 eine beispielhafte Messanordnung. Die Figur 1 zeigt eine schmatische Darstellung der Plasmaentladung im Zeitfenster tO - tl mit Kraterbiidung und Riffeln bei t2 in dem linken Fall und Kraterbildung ohne Riffel im rechten Fall der Darstellung. Der erhitzte Bereich errechnet sich nach der Formel Radius r = v * ti.

Der theoretische Kraterdurchmesser r ergibt sich wie folgt: r = V _th * T * F

V _th ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der thermischen

Schockwelle (Schallgeschwindigkeit)

T ist die Impulsdauer F ist ein Formfaktor für den Stromimpuls-Zeitverlauf und das Temperaturprofil während der Ausbreitung.

E bezeichnet in Figur 3 die elektrische Feldstärke in ca. 5 cm Entfernung vom Lager. Frequency bezeichnet die Frequenz des Spektrums der elektrischen Feldstärke.

Mit „Ambient Noise" bezeichnet man die Umgebungsfeldstärke, die auch bei ausgeschaltetem Umrichter gemessen wird. Die Spitzen in der Kurve zeigen z. B. Telekommunikationsnetze wie das D-Netz bei 950 MHz , das E-Netz bei 1,85 GHz, oder UMTS. Es ist an der Kurve zu erkennen, dass bei 200 Umdrehungen pro Minute (engl. 200 rpm) die Lagerströme ein deutlich hochfre- guenteres Verhalten zeigen als bei 1500 Umdrehungen pro Minute. Die Entladungen durch die Lagerströme haben also eine deutlich kürzere Zeitkonstante (z. B. im Bereich von einigen 100 ps) . Durch die kurze Entladezeit in Zusammenwirken mit der Wärmeausbreitung wird nur ein sehr begrenztes Gebiet er- wärmt, so dass das Material im Krater als Plasma herausge ^¬ schleudert wird. Dieser Effekt führt zur Ausformung von Riffeln, die eine Schädigung des Lagers darstellen.

Im Fall von Figur 3 könnten beispielweise die schädigenden Lagerströme durch Modifikation des Systems Motor / Umrichter für 200 Umdrehungen pro Minute (rpm) reduziert werden. Das Verhalten bei 1500 rpm ist hingegen akzeptabel, obwohl Lagerstromereignisse vorliegen. Eine Auswertung kann ebenfalls vorteilhafterweise über eine Analyse von mehreren Spektrallinien erfolgen. Praktisch können Messungen im Zeitbereich bei verschiedenen Frequenzen 31 gleichzeitig oder nacheinander durchgeführt werden. Eine Messung im Zeitbereich mit ausreichender Samplerate und an- schließender Datenverarbeitung z. B. durch FFT 32 (engl. Fast Fourier Transformation) ist ebenfalls möglich. Alternativ kann ähnlich einem Heterodynempfänger (Spektrumanalysator) eine Messung durchgeführt werden. In allen Fällen kann durch Messung bei mehreren Frequenzen der Abfall der Amplitude (z. B. feldgebunden elektrisches, magnetisches, elektromagnetisches Feld, gestrahlte Leistungsdichte oder leitungsgebunden Spannung, Strom, Leistung) mit der Frequenz bestimmt werden. Hieraus kann die Zeit konstante der Entladung abgeschätzt werden. Ersatzweise können auch andere Parameter bestimmt werden, die darauf abzielen, ein Maß dafür zu sein, in welcher Zeit die Entladung erfolgt. Eine Kombination aus Amplituden-Auswertung und Auswertung der Zeitkonstante kann ebenfalls vorteilhaft sein. Ein Auswertung der Häufigkeit der Entladungen im Kombination mit dem Frequenzbereich und / oder der der Amplitude für verschiedene Frequenzen erhöht ebenfalls die Aussagekraft. Die Auswertung kann mit statistischen Hilfsmitteln beispielsweise in Histogrammen erfolgen.

Speziell die Detektion über Mikrowellen-Strahlung ist vorteilhaft. Eine leitungsgebundene Messung im Mikrowellen- Frequenzbereich ist theoretisch auch möglich, praktisch aber aufwändiger .

Werden Frequenzen ausgewertet, bei denen übliche Sendedienste wie GSM und UMTS Mobilfunk, DECT und WLAN ausgespart bleiben (Ambient Noise, siehe bereits weiter oben) , verbessert sich das Signal-zu-Rausch Verhältnis. Auch durch eine Kombination der Messung bei verschiedenen Frequenzen kann die Aussage ^¬ kraft erhöht werden. Weiterhin kann über ein Austasten (engl. Gating) von Umrichter-Schaltvorgängen das Signal-zu-Rausch- Verhältnis erhöht werden, falls zukünftige Umrichter mit schnelleren Schaltzeiten (Siliziumcarbid SiC-Technologien) verwendet werden.

In Figur 2 ist ein beispielhaftes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Auswertung der Ma ^¬ schine mit Lagerströmen 1 kann sich auch auf Teile der be- schriebenen Auswertungen beschränken. Die Auswertung und

Messwertverarbeitung 3 kann auch in einem Steuergerät eines Umrichters 5 erfolgen. Erfolgt die Auswertung in einer von den Steuergeräten des Umrichters getrennten Hardware, können die Kennwerte vorteilhafterweise an Steuergeräte des Umrich- ters per Funk, Lichtwellenleiter oder leitungsgebunden über ^¬ mittelt werden und von dort in der Anlage zur Einleitung ei ^¬ ner Meldung oder Maßnahme weitergeleitet werden oder bei Be- darf auf Abruf auslesbar sein. Ebenfalls kann eine Anzeige die Lagerstrom-Belastung darstellen, z. B. in den Ampel- Farben grün/ gelb /rot. Folgende Schritte umfasst daher das erfindungsgemäße Verfahren :

- Detektion speziell der Entladungen durch Lagerströme in elektrischen Maschinen, die mit besonders hohem Materialabtrag verbunden sind und damit eine besonders schädigende Wir- kung haben. Diese Entladungen führen zur Riffelbildung. Die Detektion erfolgt anhand des charakteristischen Fingerabdrucks im Frequenzbereich: In Verbindung mit den schnellen Entladungen, die zur Verhinderung der lokalen Wärmeableitung für Plasma-Entladungen erforderlich sind, entstehen besonders hohe Frequenzanteile in elektromagnetischen Störspektrum und Detektion speziell dieser hohen Frequenzanteile im Mikrowellen Frequenzbereich durch einen Sensor

- Gegebenenfalls analoge oder digitale Signalverarbeitung zur Unterdrückung von Störsignalen, z. B. durch Mobiltelefone durch Berücksichtigung des Zeitverlaufes und des Frequenz ^¬ spektrums der Entladungen. Dabei können beispielsweise mehre ^¬ re Frequenzen ausgewertet werden und werden nur bei gleichzeitigem Auftreten als Plasma-Entladung gewertet.

- Bewertung der Messungen aufgrund der erkannten Zusammenhän- ge zwischen Wärmeleitung, Entladezeit und Materialabtrag. Ein hohes Frequenzspektrum in Kombination mit einer hohen Amplitude führt zu einem hohen Materialabtrag. Hoher Materialabtrag führt zur Reduzierung der Standzeit des Lagers wegen Riffelbildung .

- Eine ergänzende Messung bei Frequenzen unterhalb von 300 MHz kann ebenfalls die Aussagekraft erhöhen, wenn dadurch beispielsweise auf die Amplitude oder Zeitkonstante geschlossen wird. Die Figur 4 zeigt einen beispielhaften Messaufbau. Darge ^¬ stellt ist ein Motor mit zwei Motorwellen W rechts und links vom Rotor R und jeweils einem Lager L in der Seitenansicht. Dem Lagerstrom geht eine Lagerspannung U _Lag er voraus. Das Motorlager L wird durch den Lagerstrom mit Funkenbildung ganz oder teilweise entladen. Dadurch entsteht ein "Spannungssprung" der direkt gemessen werden könnte, z. B. über eine Kontaktbürste, die an der Motorwelle schleift. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Messung der Abstrahlung mit einer Antenne A, da dies verschleißfrei ist und die interessierenden hohen Frequenzen gut abstrahlen. Kontaktbürsten schleifen sich mit der Zeit in der Regel ab. Kohlefaser-Kontaktbürsten weisen zwar eine besonders geringe Abnutzung auf, sind jedoch teuer und können Kontaktprobleme bei Verschmutzung bekommen.