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Stromisolierende Wälzlager durch Beschichtung oder Keramik

Die Schaeffler Gruppe Industrie bietet mit der Isolierbeschichtung "Isotect A" sowie mit dem Einsatz von Keramikwälzkörpern Instrumente zur Vermeidung von Stromdurchgangsschäden an Wälzlagern an. Welches System die bessere Schutzwirkung aufweist, entscheidet der jeweilige Anwendungsfall. Während Keramikwälzkörper materialbedingt Schutz gegen hochfrequente Ströme im Umrichterbetrieb bieten, wurde die Isolierschicht für den Einsatz mit Frequenzumrichtiern optimiert.

So wurde neben dem Material für die Beschichtung auch die passende Schichtdicke erprobt, um dem kapazitiven Widerstand des Lagers beim Einsatz eines Frequenzumrichters Rechnung zu tragen. So sichert laut Schaeffler eine möglichst kleine Kapazität den optimalen Schutz. Da neben der Schichtdicke auch die Fläche der Schutzschicht eine Rolle für die Berechung der Kapazität spielt, kann je nach Einsatzfall zwischen der Außen- und der Innenringbeschichtung zur Reduzierung der Kapazität gewählt werden.

Prinzipiell lasse sich ein stromisolierendes Lager mit der "Isotect A"-Isolierschicht als eine Parallelschaltung aus Widerstand und Kapazität beschreiben. Bei Gleichspannung und langsam veränderlicher Wechselspannung komme es auf den Ohmschen Widerstand, bei höherfrequenter Wechselspannung - wie beim Einsatz eines Frequenzumrichters - auf den kapazitiven Widerstand des Lagers an. Für gute Isolierung soll daher der Ohmsche Widerstand hoch und die Kapazität möglichst gering sein. Die Isolierschicht besitzt nach Angaben des Zulieferers je nach Temperatur einen hohen Widerstand von mehreren MOhm bis zu 10 GOhm.

Waren es früher in der Regel die Lager der großen und niederpoligen Gleichstrom- oder Wechselstrommotoren, die besonders den Gefahren durch Strom ausgesetzt waren, wächst laut Schaeffler heute das Gefährdungspotenzial für die Lager und den gesamten Antriebsstrang in modernen elektrischen Maschinen. Verantwortlich dafür sei der verstärkte Einsatz der Frequenzumrichter. "Werden derzeit circa drei Prozent aller weltweit hergestellten elektrischen Maschinen mit einem Frequenzumrichter gesteuert, so wird sich die Zahl in den kommenden Jahre auf etwa zehn Prozent erhöhen", erklärt das Unternehmen.

Zu den typischen Schäden an Lagern, die durch elektrische Spannung verursacht wurden, zählen die periodisch und quer zur Laufbahn verlaufenden Riffelbildung sowie Schmelzkrater und -perlen, die den Beginn der Laufbahnzerstörung und den Anfangsprozess der Riffelbildung darstellen. Hauptverantwortlich für die strombedingten Laufbahnschäden sind "klassische" Lagerströme, die durch magnetische Unsymmetrien bei netzgespeisten Maschinen hervorgerufen werden, oder umrichterbedingte Lagerströme, die in Form von Zirkularströmen, EDM-Strömen (electric discharge machining) und Rotorerdströmen auftreten.

Wie viele Lagerstellen eines Motors mit isolierenden Wälzlagern ausgerüstet werden müssen, leiten die Lagerexperten aus der Art des Antriebs der elektrischen Maschine ab. Sie gehen dabei davon aus, dass bei netzgespeisten Maschinen nur eine Lagerstelle mit einem stromisolierenden Lager zur Vermeidung der Stromschäden ausreicht. Beim Einsatz eines Frequenzumrichters müssten dagegen oft beide Lagerstellen mit stromisolierenden Wälzlagern ausgerüstet werden.
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