Offensive gegen Erosion am Lager

Lagersicherheit - Verbranntes Fett, kleine Kratzer und Riffel sind die typischen Anzeichen von Lagerschäden. Ursache ist meistens eine Form von Elektroerosion. Hervorgerufen durch vielfältige Lagerströme

17. August 2006

Asymmetrischer Magnetfluss im Motor, asymmetrische, nicht geschirmte Verkabelung sowie schnell schaltende Frequenzumrichter sind die wesentlichen Ursachen für Lagerströme. Aufgrund von Grenzen bei der Fertigung ist es nahezu unmöglich, eine perfekte elektromagnetische Symmetrie zu erreichen. Bei einer sinusförmigen Netzspeisung kann deshalb ein Strom im Lager durch Asymmetrien im Magnetfeld des Motors fließen. Aber auch durch unsymmetrische, nicht geschirmte Motorverkabelung können schädliche Ströme im Lager entstehen. Deshalb sind Entwurf und Anordnung dieser Verkabelung mit größter Sorgfalt auszuführen.

Diese klassischen Lagerströme treten vor allem in größeren Motoren mit einer geringen Zahl von Polpaaren auf, weil hier stärkere magnetische Asymmetrien auftreten als bei kleinen Motoren mit größerer Polzahl. Die Verbindung eines Motors oder Generators mit einem Frequenzumrichter führt zu neuen Effekten, da die Spannungen am Drehstromausgang des Frequenzumrichters nicht als Sinuswellen, sondern als Rechteckimpulse auftreten. Dabei ist die Summe der drei Phasen dieser Drehstromspannungen nicht gleich null, wodurch eine Gleichtaktspannung erzeugt wird.

In den meisten Umrichtern werden als Leistungsschalter so genannte Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) verwendet, die eine pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung erzeugen, wodurch der Wirkungsgrad und die dynamische Leistungsfähigkeit der Antriebe verbessert wird. Diese Transistoren arbeiten nicht nur mit hoher Schaltfrequenz, d.?h. hoher Pulsrate, sondern auch mit extrem schnellen Spannungswechseln, wodurch sich hohe Impulsflanken ergeben. Die schnell schaltenden IGBT- Halbleiterelemente rufen einen steilen Spannungsanstieg mit extremen Spannungsflanken im Ausgang des Frequenzumrichters hervor.

Problem mit Gleichtaktstörungen

Dadurch bildet sich eine weitere Quelle für Lagerströme mit hochfrequenten Stromspitzen. Dieser Effekt wird als Gleichtaktstörung bezeichnet und führt ebenfalls zu Lagerausfällen. Die Gleichtaktstörung, ruft eine Stromasymmetrie zwischen den drei Phasen in den Statorwicklungen hervor. 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. Als dritte Ursache für eine Elektroerosion in Wälzlagern sind kapazitive Ströme zu nennen, die nicht durch die Gleichtaktstörung hervorgerufen werden. In einem normal 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, Viskosität und auch der Dicke des Schmierfilms ab. Wenn die Spannung 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. Wenn ein elektrischer Strom durch die Kontaktzone von Wälzkörper und Laufbahn fließt, erzeugt die Energie der elektrischen Entladung Wärme, die ein punktuelles Schmelzen der Oberfläche verursacht, wodurch kleine Krater entstehen können. Aufgrund des zunehmenden Einsatzes von Frequenzumrichtern in modernen, drehzahlvariablen Antrieben sind solche Krater in Mikrometergröße die häufigste Schadensform bei Stromdurchgang. Das Schadensbild ist durch Schmelzmarken gekennzeichnet, und man erkennt mit dem bloßen Auge eine matte, graue Oberfläche. Dabei sind die Wälzkörper und Lagerringe mit Mikrokratern übersät, deren Durchmesser in der Regel 5 bis 8 µm betragen.

Jede Menge Krater und Riffel

Nur bei starker Vergrößerung unter einem Mikroskop ist die genaue Form der Krater erkennbar, deren Größe unabhängig davon ist, ob die Krater auf dem Innenring, der belasteten Zone des Außenrings oder auf den Wälzkörpern liegen. Die Riffelbildung, auch als Waschbretteffekt bezeichnet, zeigt sich als graue Streifen quer zur Laufbahn. Sie entstehen durch mechanische Schwingungen, wenn die Wälzkörper kleine Krater überrollen.

Die Vielzahl der Ursachen für Elektroerosion zeigt, dass bereits bei der Konstruktion eines Lagers an dieses Thema gedacht werden muss: Wann in einer Anwendung Stromdurchgang auftreten kann, welcher Teil des Systems besonders gefährdet ist und wie man eine Anlage wirkungsvoll schützen kann.

Die unterfränkischen Lagerspezialisten von der SKF GmbH haben deshalb eigens eine

Forschungsgruppe gegründet und verfügen mittlerweile über Prüfanlagen, eine umfangreiche Datenbank und eine eigene Software und können so Lösungen anbieten. Insocoat-Lager und Hybridlager sind zwei davon, mit denen SKF das Problem der Elektroerosion in den Griff bekommt. Insocoat-Lager sind Wälzlager mit einer elektrisch isolierenden Keramikbeschichtung, die wahlweise auf die Mantel- und Seitenflächen des Außenrings oder in die Bohrung und auf die Seitenflächen des Innenrings aufgebracht wird.

Isolierung entscheidet

Die in der Standardausführung nominell 100 µm dicke, Aluminiumoxidschicht des Außenrings hält Gleichspannungen von bis zu 1.000 V stand. Dabei beträgt der ohmsche Widerstand mindestens 50 MOhm. Zusätzlich zur Standardausführung werden für den Außenring Beschichtungsdicken von 200 µm und 300 µm und für die Innenringbohrung Schichtdicken von 100 µm und 200 µm angeboten. Die Isolationsschicht wird im Plasmaspritzverfahren auf die Lagerbauteiloberfläche aufgebracht. Durch entsprechende Vor- und Nachbehandlung entsteht eine Beschichtung von hoher Dichte und Qualität. Die abschließende Versiegelung der Keramikoberflächen gewährleistet einen sicheren und zuverlässigen Einsatz in feuchter Umgebung. Hybridlager sorgen für wirksamen Schutz gegen Lagerschäden durch Elektroerosion, sowohl bei Gleichspannung als auch Wechselspannung. Sie haben einen sehr niedrigen Kapazitätswert dank des großen,

isolierenden Teils, der keramischen Wälzkörper. Deshalb ist auch bei hohen Frequenzen die Impedanz des Lagers hoch, was einen optimalen Schutz gegen hochfrequente kapazitive Ströme ergibt. Hybridlager haben Ringe aus Wälzlagerstahl und Wälzkörper aus einem wälzlagergeeigneten Siliziumnitrid. Siliziumnitrid hat einen sehr hohen spezifischen Widerstand und wirkt deshalb als Isolator. Aufgrund des geringen spezifischen Gewichts und somit geringerer Masse der Wälzkörper gegenüber Stahlkugeln eignet sich das Hybridlager besonders für den Einsatz in Anwendungen mit hohen Drehzahlen und große Beschleunigungen. Weitere Vorteile sind geringe Reibung, höherer E-Modul und der niedrigere, thermische Ausdehnungskoeffizient. Sie sind unempfindlicher gegenüber Mangelschmierungszuständen und Start-/Stoppvorgängen und bewirken eine Vervielfachung von Fettgebrauchsdauern bzw. Schmierfristen.

Steffen Hain, SKF Industrial Sales Europe Central

Erschienen in Ausgabe: 05/2006