Verfahren und Vorrichtung zur Bewertung der Schädigung von Wälzlagern, insbesondere an umrichtergespeisten elektrischen Maschinen

Bei elektrischen Maschinen, insbesondere bei Motoren mit Umrichterspeisung entstehen parasitäre Effekte, die u.a. zu ei ^¬ nem Stromfluss über die Lager des jeweiligen Motors führen.

Bei größeren elektrischen Motoren, die direkt an einem sinusförmigen elektrischen Netz angeschlossen sind, treten vor allem Lagerströme auf, die ihre Ursache in Unsymmetrien des elektrischen Kreises, Fertigungstoleranzen und Materialani- sotropien haben. Die asymmetrische Verteilung des magneti ^¬ schen Flusses im Motor induziert eine Spannung in der Welle der elektrischen Maschine, die zu einem niederfrequenten Stromfluss durch die Lager führt. Diese Ströme zirkulieren in einem geschlossenen Kreis von Welle - Lager - Lagerschild - Gehäuse.

Eine Unterbrechung dieses Stromflusses wird durch Isolierung des Lagers erreicht. Bei elektrischen Maschinen mit elektrischer Speisung durch einen Umrichter, insbesondere einen Spannungszwischenkreis- umrichter wird die Ausgangsspannung durch geregeltes Schalten des Gleichspannungszwischenkreises erzeugt, die dann am Aus ^¬ gang des Umrichters anliegt. Ein Wechsel von positivem und negativem Potential in schneller Folge führt bei einem Zwei ^¬ punktwechselrichter zu einem Spannungsverlauf, dessen Summe der Dreiphasenspannung ungleich Null ist und als sogenannte Common-Mode-Spannung bezeichnet wird. Jede dieser steilen Spannungs-Schalthandlungen verursacht hochfrequente Anregungen, die zu hochfrequenten Oberwellen führen mit daraus resultierenden Strömen, die über parasitäre Pfade zur Quelle, also zum Umrichterzwischenkreis zurückflie ^¬ ßen .

Diese Ströme können in den Lagern, insbesondere in den Wälz- lagern Laufbahnveränderungen verursachen. Bei stärkeren Lauf- bahnveränderungen verursachen die Wälzkörper beim Überwälzen zunächst Geräusche. Später fällt dann das Lager mit Ermü ^¬ dungsschäden aus, was zum Ausfall der elektrischen Maschine oder gar zu deren Beschädigung führen kann.

Somit müssen die betroffenen Lager vor Erreichen der angestrebten Lagerlebensdauer ausgetauscht werden, was nicht eingeplante Kosten verursacht. Bei in Anlagen eingebetteten Motoren wird durch äußere Messungen auf eine elektrische Lagerbelastung geschlossen. Dabei wird versucht, durch Messung der Erdströme, Wellenströme und Wellenspannungen oder durch Geräuschmessungen eine Zustands- beschreibung des Lagers durchzuführen. Diese Zustandsbe- Schreibung ist aber äußerst ungenau. Deshalb werden dann si ^¬ cherheitshalber die Lager weit vor ihrer eigentlichen Ausfall aufgewechselt .

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei- ne exaktere Methode gegenüber den bisherigen Geräusch- und

Vergleichsmessungen zu schaffen, um die Restlebensdauer eines Lagers genauer abschätzen zu können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein Verfahren zur Bewertung einer Schädigung eines Wälzlagers einer elektrischen Maschine, die an einem Umrichter, insbesondere an ei ^¬ nem Umrichter mit Spannungszwischenkreis elektrisch ange ^¬ schlossen ist,

wobei diese Schädigung durch Lagerströme, insbesondere hochfrequente Lagerströme hervorgerufen wird,

wobei das Wälzlager jeweils einen Schmierspalt zwischen einem Innenlagerring und einem Wälzkörper und einem Außenlagerring und dem Wälzkörper aufweist, durch folgende Schritte: - Erfassung der Energie eines elektrischen Entladungsereig ^¬ nisses im Schmierspalt des Wälzlagers,

- Erfassung der Häufigkeit der Entladungsereignisse,

- Bewertung der Entladungsereignisse durch Korrelation von Häufigkeit und Energie.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch eine Vorrichtung zur Bewertung einer Schädigung eines Wälzlagers einer dynamoelektrischen Maschine, die an einem Umrichter, insbesondere an einem Umrichter mit Spannungszwischenkreis elektrisch angeschlossen ist,

wobei diese Schädigung durch Lagerströme, insbesondere hochfrequente Lagerströme eintritt,

wobei das Wälzlager jeweils einen Schmierspalt zwischen einem Innenlagerring und einem Wälzkörper und einem Außenlagerring und dem Wälzkörper aufweist, mit

- Mittel zur Erfassung des Energieinhalts von Entladungsereignissen im Schmierspalt,

- Mittel zur Erfassung der Häufigkeit eines Entladungsereig- nisses,

- Auswerteeinrichtung, die die erfassten Daten der Häufigkeit und des Energieinhalts bewertet.

Erfindungsgemäß wird nun durch die direkte Erfassung der im Schmierspalt stattfindenden Energieübertragung eine exakte

Bewertung der Schädigung bzw. der Restlebensdauer des Lagers möglich, die durch entsprechende Auswertemethoden auch klassifizierend ist. Die Spannungsdifferenz führt zu Lichtbogenentladungen und damit zu einem Stromfluss über den Schmierfilm der Lager und damit zu MaterialaufSchmelzungen bzw. zu Materialverdampfungen in den Lagerlaufbahnen . Eine gleichmäßige Aufschmel- zungsstruktur stellt dabei in der Regel kein Problem hin- sichtlich der Lebensdauer der Lagerlaufbahnen dar. Erst wenn Laufbahnmaterial beim Stromdurchgang teilweise verdampft wird, kommt es zu einer schädlichen Riffelbildung. Diese Riffelbildung zeichnet sich durch eine charakteristische senk- recht zur Wälzrichtung der Wälzkörper orientierte Berg- und Talstruktur aus.

Für eine Materialverdampfung ist dabei eine deutlich höhere Energie notwendig, verglichen mit derjenigen, die zur Materialaufschmelzung des identischen Materialvolumens notwendig ist .

Derartige Energiebetrachtungen sind bisher nicht durchgeführt worden.

Bei ausreichend hoher Spannung über einem Lager einer elektrischen Maschine kommt es zu Überschreitung der Durchschlags ^¬ spannung des Schmierfilms und damit zu einem Lichtbogen zwi- sehen den Wälzkörpern und dem Innen- bzw. Außenring. Abhängig von der im Schmierspalt umgesetzten Energie kann es dabei nunmehr zu AufSchmelzungen in der Laufbahn der Wälzkörper kommen oder aber gar zu Materialverdampfungen am Wälzkörper oder Außen- bzw. Innenring.

Materialverdampfungen sind aber die Voraussetzung für die Ausbildung der schädlichen Riffelstruktur.

Beide Vorgänge MaterialaufSchmelzungen und Materialverdamp- fungen setzen jedoch eine bestimmte Mindestenergie voraus, die aus thermodynamischen Berechnungen hergeleitet werden kann. Direkt gemessen werden dafür dabei bei einem Entladungsereignis entweder der elektrische Strom durch das Lager und/oder die elektrische Spannung über dem Lager. Durch die Ermittlung der jeweiligen Momentanleistung P=U*I eines Entladungsereignisses und Aufsummation dieser einzelnen Momentanleistungen durch Integration über die Zeit, wird die im

Schmierspalt umgesetzte elektrische Energie bestimmt. Dabei ist die Zeit jeweils eine charakteristische Zeitkonstante mit der das Ereignis stattfindet.

Ist diese Energie größer als die Mindestenergie zur Material ^¬ verdampfung, so kann es nun zur Ausbildung von Riffeln kom- men. Damit kann nunmehr aus den Energieumsatz im Schmierfilm abgeschätzt werden, ob ein Lager zur Riffelbildung neigt.

Weiterhin kann aus Betriebserfahrungen, deren spezifischen Werte in einer Datenbank abgelegt sind, ein kritisches Ge ^¬ samtverdampfungsvolumen pro Riffel abgeleitet werden, ab dem ein Lager ausfällt. Somit kann aus der Häufigkeit dieser kri ^¬ tischen Ereignisse die Zeitdauer bis zu einem eventuellen Ausfall des Lagers berechnet werden.

Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise zur Messung bzw. Überwachung von elektrischen Kenngrößen der Lagerströme können nunmehr die Charakteristika der Verläufe der impulsförmi- gen Entladungsvorgänge erfasst werden, die die irreversiblen Veränderungen im Bereich der Lagerlaufbahnen, der Wälzkörper und/oder der in den Schmierspalten aktiven Schmierstoffe verursachen .

Durch den erfindungsgemäßen Ansatz hinsichtlich der Lager- Strommessung und der zugehörigen Auswertung wird es dabei möglich, die mit den Entladungsvorgängen verbundenen lokal eingetragenen Energien bzw. den zeitlichen Verlauf der lokalen Leistungsdichten zu bestimmen. Grundsätzlich gibt es, abhängig von der lokalen Leistungsdichte, mindestens folgende Möglichkeiten einer Eingruppie- rung der Auswirkung eines Stromdurchgangereignisses auf die Wälzlagerkomponenten in verschiedenen Klassen: Die lokale Leistungsdichte des Stromflusses ist so klein, dass es weder zu einer Beeinflussung der Laufbahnoberflächen noch zu einem Einfluss auf den Schmierstoff kommt, z.B. im direkten metallischen Kontakt der Wälzkörper, somit liegt ein unkritischer Betriebsfall vor.

Die lokale Leistungsdichte des Stromflusses, d.h. die Entla ^¬ dung oder der Festkörpertransport des Stromes bewirkt bereits eine thermische Veränderung des Schmierstoffes ohne jedoch die Laufbahnoberflache zu verändern. Damit liegt eine Vorstu ^¬ fe zu einem kritischen Zustand des Lagers vor. Insbesondere bei dauergeschmierten Lagern und bei Nichteinhaltung der vorgesehenen Schmierfristen kann sich daraus ein äußerst kriti- scher Zustand ergeben.

Letztendlich ist aber dieser Fall noch relativ unkritische für das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine. Die lokale Leistungsdichte des Stromflusses ist ausreichend, um eine lokale AufSchmelzung der Laufbahnoberflächen zu bewirken und den Schmierstoff des Wälzlagers zu verändern. Da ^¬ mit liegt bereits ein kritischer Zustand vor. Die lokale Leistungsdichte des Stromflusses ist so hoch, dass die Laufbahnoberfläche zunächst lokal aufgeschmolzen und nachfolgend verdampft wird und der Schmierstoff zusätzlich verändert wird. Hierbei ergeben sich Abschätzungen für gewis ^¬ se Wälzlagerstähle, dass bei Stromdurchgangsereignissen, die über eine um ca. eine Größenordnung höhere Energiedichte ver ^¬ fügen, als diejenigen, die nur zu lokalen AufSchmelzungen der Oberfläche nötig sind, die Verdampfung der jeweiligen Oberflächenbereiche einsetzt. Riffelstrukturen werden durch zusätzliche mechanische Einflüsse, wie mechanische Vorschädigungen der Laufbahn, die nicht grundsätzlich auszuschließen sind, vor allem durch Entladungsvorgänge bedingt, deren Energien, insbesondere lokale Leistungsdichten zu lokalen AufSchmelzungen führen, die je- doch auch einen hohen Anteil der Verdampfungsenergien der entsprechenden Oberflächenbereiche erreichen.

Für die AufSchmelzung in den Lagerringen sowie in den Wälzkörperoberflächen sind zwei Kriterien zu erfüllen. Die Ener- gie des Lagerstromereignisses bzw. die lokale Leistungsdichte muss ausreichend hoch sein bzw. einen bestimmten Wert überschreiten. Des Weiteren darf der Impuls eine bestimmte

Höchstdauer nicht überschreiten, da sonst die Wärme bereits im Material abtransportiert werden kann bzw. abfließen kann und es somit nicht zum Aufschmelzen oder gar Verdampfen von Metallen der Laufbahn kommt. Das Ergebnis verschiedener Messungen zeigt, dass es möglich ist, die Bedingungen unabhängig voneinander zu überprüfen bzw. zu messen. Dazu ist es besonders vorteilhaft, das Entla ^¬ dungsereignis in zwei unterschiedlichen Frequenzbändern zu erfassen. Als Maß für den Energieinhalt des Ereignisses kann im ein- bis mehrstelligen Megahertzbereich die Abfallzeit der Lagerspannung bestimmt werden. Aus dem Verhältnis C*dU/dt er ^¬ gibt sich die Höhe des Lagerstroms. Wird jetzt nach einem ko- inzidenten Ereignis im Mikrowellenbereich oberhalb einem Gigahertz gesucht, zeigt ein derartiges Ereignis, dass von ei- nem der Lager schädlichen Lagerstromereignis ausgegangen werden muss.

Die Aufteilung dieser beiden Frequenzbänder ist besonders vorteilhaft, da mit der beschränkten Bandbreite im Basisband von einigen Megahertz nicht zwangsläufig auf die Schädlichkeit geschlossen werden kann. Andererseits ist die Aussendung von Mikrowellen extremen Schwankungen unterworfen. Durch diese Ungenauigkeiten der Messungen im Mikrowellenbereich ist die Bestimmung der Pulsenergie hier nicht möglich und muss somit in einem anderen Frequenzband also dem Megahertzband erfolgen .

Bei sämtlichen erfindungsgemäßen Erfassungen ist selbstverständlich das Abtasttheorem zu berücksichtigen um aussage- kräftige Ergebnisse zu erhalten.

Die Erfassung im Gigahertzbereich erfolgt vorteilhafterweise über Antennen. Entscheidend ist aber jedoch immer die kraterwirksame Ener ^¬ gie, die nur innerhalb eines kurzen Zeitintervalls, typi ^¬ scherweise im Bereich einiger hundert Pikosekunden fließen muss, damit die Energie nicht durch Wärmeleitung in ein so großes Volumen abfließt, dass keine Schädigungen mehr hervorgerufen wird. Dieses typischerweise kurze Zeitintervall ist ein wesentlicher Schlüsselparameter für Riffelbildung der Lagerkomponenten, wie Wälzkörper, Innenlagerring und Außenla- gerring .

Die kraterwirksame Energie pro Zeiteinheit, ist die Energie, die innerhalb eines bestimmten kurzen Zeitintervalls im Lager durch Entladung freigesetzt wird. Das Zeitintervall bestimmt sich anhand des Kraterdurchmessers D _K und der Schallgeschwin ^¬ digkeit V. ische Werte sind

= 1/^ = 2000^ = 2^

s ns

AT = ·— = 250 ps

2 V

Die kraterwirksame Energie wird daher so ermittelt:

1 9

A-C - U L ² ager

AT

Zur Erfassung der kraterwirksamen Energie ist zum einen entweder eine Strommessung oder eine Spannungsmessung oder eine gleichzeitige Strom- und Spannungsmessung notwendig. Zusammen mit der oben ausgeführten Messung derartiger Ereignisse im Mikrowellenbereich, also oberhalb eines GHz können derartige Entladungsereignisse zeitlich und in ihrem Energieinhalt ge ^¬ nau bestimmt werden.

Für die Strommessung ist eine Zusatzisolation am Lager mit einer Überbrückung notwendig, mit einer gleichzeitigen Installation einer hochfrequenztauglichen Überbrückung, über welche der Stromfluss gemessen werden kann. Auch eine damit verbundene gleichzeitige Messung der Lager ^¬ spannung und somit die Berechnung der Leistung ist möglich. Diese Leistung entspricht der in einem Zeitintervall übertra ^¬ genen Energie.

Eine weitere Möglichkeit die kraterwirksame Energie zu erhal ^¬ ten führt über die Entladungsenergie und die Kapazität über dem Lager gemäß folgendem mathematischen Zusammenhang:

BVR = ULager / UGieich

BVR = f (CLager)

CLager-f (UGieich / ULager

2

^Entladung (t ) = ^ CU Lage

A-CU Lager

AT

Ucieich : Gleichtaktspannung an den Motorklemmen

U _La ger : Spannung über dem Motorlager (Lagerspannung)

t: Zeit

BVR Bearing Voltage Ratio, Verhältnis von U _La ger zu U _G i _e ich

C _La ger : Kapazität über dem Motorlager

f: Funktion, zu ermitteln anhand des Ersatzschaltbildes f ¹ : Umkehrfunktion zu f

W _KE : Kraterwirksame Energie

Die Spannung am Lager der elektrischen Maschine wird durch einen speziellen Spannungssensor mit z.B. analoger Schaltung gemessen oder durch numerische Signalverarbeitung folgendermaßen berechnet. Durch den Zusammenhang kann nunmehr auf die kraterwirksame Energie geschlossen werden.

Die Darstellung und Auswertung der Energieverteilung erfolgt beispielsweise in einem Diagramm indem die Amplitude der Energie über der gemessenen Spannung aufgetragen wird. Die Ergebnisse bei einer laufenden Messung im Betrieb der dynamo ^¬ elektrischen Maschine sind eine Anhäufung von Messpunkten, in Form einer Art Energiewolke, welche die Energiebelastung des Lagers beschreibt. Durch diese Darstellungsmethode lassen sich vor allem kritische Energieentladungen erkennbar machen. Die Ereignisse werden in einer weiteren Ausführungsform auch in einem 3-D Diagramm dargestellt. Die dritte Dimension stellt dabei insbesondere die Häufigkeit des Auftretens in einer sogenannten „Falschfarbendarstellung" dar. (Beispielsweise je roter desto häufiger) .

Mit Hilfe einer nachgeschalteten Logik, die vorgebbare, mate ^¬ rialabhängige Grenzwerte vorsieht, ist es auch möglich, diese auch für einen Endanwender in einer Art Ampelsystem und damit als Warnsystem zu visualisieren . Mit der Messung der entspre- chenden Verweilzeit auf einem Lagerenergieniveau kann inner ^¬ halb von Langzeitauswertungen eine Aussage über die mögliche Lagerlebensdauer getroffen werden.

Vorteilhafterweise sind Lager oder die Lagerschilde bereits mit den erforderlichen Messanschlüssen für Spannung und/oder Strom und/oder der Erfassung im GHz-Bereich ausgestattet. Bei Einbau derartiger Lager/Lagerschilde in elektrische Maschinen lassen sich somit Auswerteeinrichtung mit dementsprechendem Speicherplatz und Analysemöglichkeiten in oder an der elekt- rischen Maschine einfach positionieren, ohne einen separaten HF-tauglichen Messaufbau realisieren zu müssen.

Die Messanschlüsse lassen sich somit hochfrequenztauglich bereits bei der Herstellung der Lager oder Lagerschilde reali- sieren und überprüfen, so dass Messfehler im Betrieb der elektrischen Maschine aufgrund „fliegender Messaufbauten" minimiert werden können.

Ebenso können über dementsprechende Übertragungswege (Lei- tungsgebunden oder wire-less) die Messergebnisse oder Auswer ^¬ tungen einer Warte übermittelt werden. Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Figuren zu entnehmen. Darin zeigen:

FIG 1 eine prinzipielle Anlagenkonfiguration,

FIG 2 ein HF-Ersatzschaltbild eines Motors,

FIG 3 ein Ersatzschaltbild eines Lagers,

FIG 4 ein Diagramm und

FIG 5 ein weiteres Diagramm für die Auswertung. FIG 1 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung einen Aufbau einer dynamoelektrischen rotativen Maschine mit umgebenden Anlagenteilen. Im Einzelnen ist dabei ein Umrichter 1 über Anschlussleitungen 7 an eine dynamoelektrische Maschine ange ^¬ schlossen, die sich innerhalb eines Motorgehäuses 10 befindet und einen Stator 11 und einen Rotor 12 aufweist, der über Lager 14 und eine Welle 13 über eine Kupplung 9 eine Lastma ^¬ schine 8 antreibt oder von ihr angetrieben wird.

Die elektrische Verbindung zwischen Umrichter 1 und dynamo- elektrischer Maschine über die Anschlusskabel 7 weist einen Kabelschirm 6 auf, der eine dementsprechende Anbindung 5 an die Erde von Umrichter 1 bzw. Motorgehäuse 10 erfährt. Sowohl Umrichter 1 als auch die Lastmaschine 8 sind über eine Erdung 2 bzw. 4 mit der Erde 3 verbunden. Ebenso ist die elektrische Maschine insbesondere über eine nicht näher dargestellten

Fuß des Motorgehäuses 10 mit der Anlagenerde elektrisch ver ^¬ bunden .

Die Ausgangsspannung des Umrichters 1, insbesondere als Span- nungszwischenkreisumrichter ausgeführt, liegt durch geregeltes Schalten des Gleichspannungszwischenkreises am Ausgang. Ein Wechsel von positiven und negativen Potential in schnel ^¬ ler Folge führt bei einem Zweipunktwechselrichter zu einem Spannungsverlauf, dessen Summe der Dreiphasenspannung un- gleich Null ist und die sogenannte Common-Mode-Spannung ergibt . Ein Lager 14, insbesondere ein Wälzlager weist zwischen einem Außenlagerring und einem Innenlagerring mehrere gleichmäßig verteilte Wälzkörper auf. Der Außenlagerring ist normalerwei ^¬ se in einem Lagerschild positioniert, während der Innenlager- ring direkt auf einer Welle angeordnet ist. Insbesondere zwi ^¬ schen den Lagerringen und den Wälzkörpern ist ein Schmierfilm von jeweils einigen zehn Mikrometern Dicke. Es existieren also zwei Schmierspalte. Am Schmierspalt des Lagers 14 bewirkt der kapazitive Span ^¬ nungsteiler nach FIG 2 ein vollständiges Abbild der Common- Mode-Spannung, die sich betragsmäßig von dieser um die Bea- ring Voltage Ratio BVR unterscheidet. Dabei ist BVR das Ver ^¬ hältnis der Lagerspannung zur Gleichtaktspannung an den Mo- torklemmen.

C _wh Statorwicklung und Gehäuse

C _wr Statorwicklung und Rotoreisen

C _rh Rotoreisen und Gehäuse

C _b Schmierfilm Lagerung

Z _n nichtlineare Impedanz des Schmierfilms bei Durch ^¬ schlag (Lichtbogen)

R _b Ohmscher Widerstand Lagerung Zwischen Motorklemme und am Gehäuse anliegender Spannung ist entsprechend dem Teilungsverhalten BVR über dem Lager zu messen, wie dies beispielsweise in FIG 3 dargestellt ist. Die Kapazität des Schmierfilms der Lagerung C _B wird über die Ka ^¬ pazität der Rotorwicklung und Rotoreisen pulsförmig durch den Ladestrom 21 der Schmierfilmkapazität aufgeladen, wenn der

Schmierfilm isoliert und der Rotor 12 nicht geerdet ist. Das Verhältnis BVR ist ein Maß für die Höhe dieser Aufladung. Übersteigt die Spannung am Lager die Durchschlagsspannung des Lagerschmierfilms, so kommt es zum elektrischen Durchschlag des Schmierfilms.

Die Spannung 20 über der Schmierfilmisolation führt je nach Höhe der Spannung zu einer Entladung. Die Entladung erfolgt lagerintern und führt je nach den oben genannten Ausführungen zu AufSchmelzungen bzw. Verdampfungspunkten in den Lagerlauf- bahnen also zu Mikrokratern auf den Laufbahnen der Wälzkörper .

FIG 4 zeigt in einem Diagramm die Energie aufgetragen über dem Aufschmelzungsdurchmesser, wobei Energie im Bereich I zur AufSchmelzung eines Kraters führt und im Bereich II die Energie ausreichend ist, um ein Verdampfen des Metalls, insbeson- dere Stahl auf den Laufbahnen oder den Wälzkörpern zu erreichen .

FIG 5 zeigt in einem weiteren Diagramm die Energie aufgetra ^¬ gen über der Lagerspannung bei der dementsprechende Impulse aufgetragen sind. Dabei ist eine Verdampfungsenergie 52 und eine AufSchmelzungsenergie 51 dargestellt, und die einzelnen Messpunkte befinden sich in einer Wolke 50, so dass hinsicht ^¬ lich jedes einzelnen Messpunktes bzw. deren Häufigkeit eine Aussage über die Restlebensdauer des Lagers getroffen werden kann.