Elektroerosion in Wälzlagern vermeiden

Wälzlager in Elektromotoren und Generatoren können Stromdurchgang ausgesetzt sein, der nicht nur die Teile schädigt, sondern auch den Schmierstoff verändert. Die Schäden sind nicht nur auf...

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Wälzlager in Elektromotoren und Generatoren können Stromdurchgang ausgesetzt sein, der nicht nur die Teile schädigt, sondern auch den Schmierstoff verändert. Die Schäden sind nicht nur auf Metallteile begrenzt. Abhilfe bieten Isolationsschichten und optimierte Frequenzumrichter.Stromisolierte Wälzlager vom Typ Insocat verhindern Schäden infolge Stromdurchgang. Diese Lager haben eine 100 µm dicke Isolationsschicht aus Aluminiumoxid auf dem Außenring (Reihe VL0241). Sie wird im Plasmaspritzverfahren aufgebracht. Die Abmessungen und Toleranzen der Lager entsprechen den ISO-Normen und somit denen herkömmlicher Lager. Bei Gleichstrom wirkt die Beschichtung wie ein ohmscher Widerstand und gewährleistet ausreichende Sicherheit vor Stromzugang. Der Gleichstromwiderstand liegt weit über 50. Führende Hersteller von Elektromaschinen und Fahrmotoren setzen diese Lager ein. Auch bei Schienenfahrzeugen, etwa in Radsatzlagern, werden sie verwendet. In den letzten Jahrzehnten werden Wechselstrommotoren für Anwendungen in Schienenfahrzeugen und Industrie verstärkt eingesetzt. In industriellen Anwendungen werden meist Drehstrominduktionsmotoren verwendet, vom einfachen Lüfterantrieb bis hin zum komplexen und äußerst leistungsfähigen Antrieb für Papiermaschinen. Auch hier tritt das Problem des Stromdurchgangs durch das Lager auf, wobei es viele Ursachen für das Auftreten von Strömen im Lager und Wellenspannungen geben kann.Bei einer sinusförmigen Netzspeisung kann ein Strom im Lager durch Asymmetrien im Magnetfeld des Motors fließen. Die asymmetrische Verteilung des magnetischen Flusses im Motor induziert eine Spannung in der Welle, die bewirkt, dass ein niederfrequenter Strom durch die Lager fließt. Auch durch asymmetrische, nicht geschirmte Motorverkabelung können Ströme im Lager entstehen.Diese ,,klassischen" Lagerströme sind insbesondere in großen Motoren mit einer geringen Polpaarzahl problematisch (zum Beispiel Zweipolmotoren), weil hier stärkere Asymmetrien im Magnetfluss auftreten als bei kleinen Motoren mit einer größeren Polzahl. Mit einer besseren Isolierung oder mit einer verbesserten Motorenkonstruktion sowie Verkabelung kann weitgehend Abhilfe geschaffen werden.In den 90er Jahren hat sich der verstärkte Einsatz von Antrieben mit veränderlicher Drehzahl auf die Anzahl der festegestellten Lagerausfälle ausgewirkt. Das liegt daran, dass in Frequenzumrichtern als Leistungsschalter nicht länger Thyristoren und GTO-Transistoren benutzt werden, sondern IGBT, die heute den Markt der Regelantriebe beherrschen. Diese IGBT erzeugen eine pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung und helfen so den Wirkungsgrad und die dynamische Leistungsfähigkeit der Antriebe zu verbessern. Leider hat jede neue Technik auch ihre Nachteile. Neben den herkömmlichen, im Motor erzeugten Spannungen und Strömen wurden bei der Versorgung des Motors durch einen Frequenzumrichter (Frequenzen zwischen 3 und 12 kHz) neue Phänomene beobachtet. So entstehen die Lagerschäden durch hochfrequente Ströme (einige kHz bis in den MHz-Bereich), die durch diese schnell schaltenden IGBT-Halbleiterelemente induziert werden. IGBT rufen auch einen schnellen Spannungsanstieg von bis zu 8 kV/µs oder sogar 10 kV/µs am Umrichterausgang hervor. Es wurde also eine neue Quelle für Lagerströme entdeckt, die allerdings noch nicht vollständig erforscht ist.Lagerströme gehen im Wesentlichen auf folgende Ursachen zurück: Asymmetrischer Magnetfluss im Motor, asymmetrische, nicht geschirmte Verkabelung sowie schnell schaltende Frequenzumrichter und ihre Gleichtaktspannung. Die ersten beiden Ursachen gelten für alle Elektromotoren, letztere jedoch nur für frequenzumrichtergespeiste Antriebe. Probleme ergeben sich durch drei unterschiedliche Ströme: hochfrequente Erdungsströme, hochfrequente zirkulierende Ströme (Kreisströme) und kapazitive Ströme.Die ersten beiden Ströme werden durch die Gleichtaktspannung am Umrichterausgang hervorgerufen. Sie entsteht, da die Summe der Spannungen in den drei Phasen ungleich Null ist. Der Frequenzumrichter erzeugt eine sinusförmige Eingangswelle durch pulsbreitenmodulierte Signale, die eine hohe Schaltfrequenz und eine steile Flanke besitzen und kapazitive Ströme hervorrufen.Ungenügende Verkabelung führt zu ErdungsströmenHochfrequente Erdungsströme gehen in ähnlicher Weise auf unzulängliche Verkabelung zurück. Hier entsteht jedoch eine induzierte Spannung wesentlich höherer Frequenz in der Schutzerde, bedingt durch die Gleichtaktspannung des Umrichters. Wenn die Impedanz des Rückleitungskabels zu hoch und die Statorerdung unzureichend ist, sucht sich der Strom einen Weg vom Stator über die Lager und die Welle zur Erde und somit zurück zum Umrichter.Diese Gleichtaktspannung erzeugt eine Gleichtaktstörung, die eine Stromasymmetrie zwischen den drei Phasen in den Statorwicklungen hervorruft. Die Summe des Stroms über den Statorumfang ist ungleich null. Eine hochfrequente Flussänderung umgibt die Welle und erzeugt eine hochfrequente Wellenspannung. Es besteht die Gefahr, dass hochfrequente zirkulierende Ströme axial entlang des Rotors, durch ein Lager und zurück durch das andere Lager laufen (Bild 2). Hochfrequente zirkulierende Ströme haben bei jedem Lager ein anderes Vorzeichen.In einem problemlos umlaufenden Wälzlager sind die Wälzkörper von den Laufbahnen durch einen dünnen Schmierfilm getrennt. Dieser Schmierfilm wirkt als Dielektrikum eines Kondensators, das von der Rotorspannung aufgeladen wird. Die Kapazität dieses Kondensators hängt von verschiedenen Parametern wie Schmierstoffsorte, Temperatur und Viskosität und somit der Dicke des Schmierfilms ab. Wenn die Spannung einen Schwellwert - die Durchschlagspannung des Schmierstoffs - übersteigt, entlädt sich der Kondensator, und ein hochfrequenter kapazitiver Strom entsteht. In diesem Fall wird der Strom von den inneren Streukapazitäten des Motors begrenzt, tritt aber bei jedem Schaltvorgang des Umrichters auf.Ein Induktionsmotor, der durch einen Frequenzumrichter gesteuert wird, ist also ein sehr komplexes Antriebssystem, auf das viele Parameter einwirken. Der gesamte Antrieb inklusive Stromversorgung, Gleichstromzwischenkreis, Schaltelementen, Kabel und mechanischer Belastung ist als ein System aus Induktivitäten und Kapazitäten anzusehen.Bei Stromdurchgang durch ein Wälzlager findet eine elektrische Entladung durch den Schmierstoff zwischen der Innen- und Außenringlaufbahn über die Wälzkörper statt. Aufgrund der entstehenden Wärme wird die Oberfläche an manchen Stellen aufgeschmolzen. Es bilden sich Krater, und geschmolzener Werkstoff wird teilweise an andere Stellen übertragen. An der Krateroberfläche verfestigt sich der Werkstoff wieder, ist aber wesentlich spröder als das Ausgangsmaterial. Unter dieser umgehärteten Schicht liegt ausgeglühter Werkstoff, der weicher ist als das Grundmaterial. In Wälzlagern werden - je nach den Beschädigungen der Laufflächen - drei Arten von Stromschäden unterschieden.Bei hohen Spannungen - normalerweise in Gleichstromanwendungen wie Fahrmotoren - tritt Kraterbildung auf. Die vereinzelten Krater haben einen Durchmesser von 0,1 bis 0,5 mm und sind mit dem bloßen Auge sichtbar.Riffelbildung (washboarding) zeigt sich als Vielzahl verschiedenfärbiger grauer Linien quer zur Laufbahn. Sie entstehen durch mechanische Schwingungen, wenn die Wälzkörper kleine Krater überrollen. Riffelbildung ist daher kein primärer Lagerschaden durch Stromdurchgang, sondern erscheint erst als Sekundärschaden, wenn das Lager durch Krater- oder Grübchenbildung bereits geschädigt war.Krater in Mikrometergröße sind die häufigsten SchädenFrequenzumrichter kommen heute häufig zur Anwendung, und so sind auch Mikrokrater die häufigste Schadensform bei Stromdurchgang. Die geschädigte Oberfläche zeigt ein mattes Aussehen mit zahlreichen winzigen aufgeschmolzenen Grübchen. Die Wälzkörper und Lagerringe sind mit Mikrokratern übersät, deren Durchmesser im der Regel 5 bis 8 µm betragen. Nur bei starker Vergrößerung unter dem Mikroskop ist die Form dieser Krater erkennbar.Nicht nur die metallischen Lagerflächen leiden bei Stromdurchgang, sondern auch der Schmierstoff verändert seine Zusammensetzung und verliert an Schmierfähigkeit. Aufgrund der hohen Temperaturen reagieren das Grundöl und die Additive miteinander, das Grundöl verbrennt oder verkokt, und die Additive zersetzen sich oftmals schnell. Schließlich ist der Schmierstoff schwarz verfärbt und verhärtet. Zerstörung des Schmierstoffs ist ein typischer Schaden bei Stromdurchgang durch das Lager.Gleichstromwiderstand als SchutzparameterStröme unterscheiden sich in ihrer Wirkung. Die stromisoierenden Lager verhalten sich unterschiedlich bei Gleich- und Wechselstrom. In Gleichstromanwendungen wirkt das Lager wie ein ohmscher Widerstand. Die Beschichtung aus Aluminiumoxid ist ein Isolator, und der entscheidende Wert ist ihr Gleichstromwiderstand R. Die Durchschlagspannung beträgt 1000 V, der Widerstand mehr als 50 MW, so dass das Lager wirksam isoliert ist.In Wechselstromanwendungen, insbesondere bei den hohen Frequenzen von pulsbreitenmodulierenden Umrichtern, gilt dies nicht. Wir müssen hier ein ,,elektrisches Ersatzschaltbild" des gesamten Lagers einschließlich Innen- und Außenring, Wälzkörper, Käfig, Schmierstoff, Kontaktfläche zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen und Keramikbeschichtung erstellen. Ein mögliches elektrisches Modell des Lagers zeigt Bild 3.Ein genaues Ersatzschaltbild lässt sich aus zwei Gründen nur mit Schwierigkeiten erstellen: Massive Metallteile in hochfrequenten elektrischen Feldern haben eine sehr komplizierte dreidimensionale Struktur. Es muss berücksichtigt werden, dass möglicherweise Wirbelströme entstehen. Die Kontaktstellen zwischen Außenring und Wälzkörpern und Wälzkörpern und Innenring stellen einen kapazitiven Widerstand dar. Der Wert dieses Widerstands ändert sich stochastisch aufgrund der Dynamik im Lager, etwa bei Schwingungen.Eine stromisolierende Schicht wie die Beschichtung aus Aluminiumoxid Al2O3 muss als Parallelschaltung eines Widerstands und eines Kondensators dargestellt werden. Wichtig ist die Impedanz Z, die sich errechnet aus:Es handelt sich um eine komplexe Größe mit R (in W) gleich dem ohmschen Widerstand des Systems, C (in F) der Kapazität und f (in Hz) gleich der Frequenz. Der Betrag der Impedanz errechnet sich aus:Aus dieser Gleichung wird deutlich: Mit steigender Frequenz wird der Term, der die Kapazität enthält, größer und die Impedanz kleiner. Um die Impedanz des Lagers zu steigern, muss die Kapazität der Beschichtung möglichst gering sein. Die Kapazität eines Lagers hängt von der Lagergröße (beschichtete Fläche), der Isolationsschichtdicke und dem Werkstoff der Beschichtung ab:Hierin bedeuten A beschichtete Berührungsfläche, s Dicke der Keramikschicht, er Permittivitätszahl der Keramikschicht und e0 dielektrische Konstante im Vakuum.Impedanzverhalten der Lager wurde ermitteltUm die Wünsche der Anwender zu erfüllen und auf die Bedürfnisse des Marktes zu reagieren, wurde das Verhalten der Lager Insocoat bei hochfrequenten Strömen und Spannungen detailliert untersucht. Es können Aussagen über das Impedanzverhalten dieser Lager in Abhängigkeit von der Frequenz für verschiedene Schichtdicken getroffen werden.Eine geringere Kapazität und damit größeren Kundennutzen erreicht man bei diesen Lagern durch die stromisolierende Beschichtung der Innenringbohrung (Reihe VL207). Im Gegensatz zur Beschichtung des Außenrings ist hier die Fläche wesentlich kleiner, was eine erheblich geringere Kapazität bedeutet. Für Sonderanwendungen sind beschichtete Außenringe mit dickerer Keramikbeschichtung (bis 300 µm) und Hybridlager erhältlich. Bisher steht fest: Lagerströme lassen sich nur dann auf ein ungefährliches Niveau senken, wenn alle Komponenten optimiert sind.