Wälzlager Elektrisch isoliert – Schutz gegen Lagerschäden durch Stromdurchgang

Autor / Redakteur: Klaus Grissenberger / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Warum es zu einem Stromdurchgang durch Wälzlager kommen kann, welche Schadensbilder entstehen und welche Gegenmaßnahmen Anwender treffen können: NKE Austria hat einige Fakten zusammengefasst. Außerdem gibt der Hersteller von elektrisch isolierten Wälzlagern einen Überblick über Eigenschaften und Fertigungsverfahren seiner Produkte.

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Das Bild zeigt ein Rillenkugellager SQ77E von NKE Austria mit Isolierung am Innenring.
Das Bild zeigt ein Rillenkugellager SQ77E von NKE Austria mit Isolierung am Innenring.
(Bild: NKE)

Elektrisch isolierte Wälzlager haben eine in das Lager integrierte elektrische Isolation und sollen so zuverlässigen Schutz vor Stromdurchgang und Elektrokorrosion bieten. Typische Anwendungen sind Elektromotoren, Generatoren und andere Elektromaschinen.

Stromfluss beschädigt Oberflächen und Schmiermittel

Denn liegt an einem Wälzlager eine elektrische Spannung zwischen Außen- und Innenring an, so kann dies zu einem schädlichen Stromdurchgang führen, in dessen Folge die Laufbahnen des Lagers nachhaltig geschädigt und dadurch die Laufeigenschaften verschlechtert werden. Im Falle eines Stromdurchganges kommt es zu elektrischen Entladungen in der Kontaktzone zwischen den Wälzkörpern und der Innen- oder Außenringlaufbahn. Dadurch werden die Oberflächen lokal angeschmolzen – Kraterbildung, Werkstoffübertrag und lokale Gefügeschädigungen durch thermische Beanspruchung des Werkstoffes sind die Folge. Zumindest eine sehr dünne Schicht der erodierten Fläche erfährt eine Neuhärtung und ist extrem hart und rissempfindlich. Dieser Vorgang wird als Elektrokorrosion bezeichnet und betrifft sehr häufig Lager in elektromechanischen Anwendungen wie Generatoren und Elektromotoren, aber auch mit E-Motoren angetriebene Arbeitsmaschinen, zum Beispiel Pumpen und Getriebe.

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Weiterhin wird durch den Stromfluss auch der Schmierstoff unbrauchbar gemacht. Das Grundöl und die im Schmierstoff enthaltenen Additive oxidieren, eine typische Schwarzfärbung ist die Folge. Durch das vorzeitige Altern wird die Fähigkeit des Schmierstoffs, die metallischen Oberflächen zu trennen, nachhaltig beeinträchtigt. Aus der Beschädigung der Funktionsflächen des Lagers und dem Verlust an Schmierwirkung resultiert ein rapider Verlust der Funktionsfähigkeit des Lagers.

Mögliche Ursachen unerwünschter elektrischer Ströme

Die Hauptursachen für einen Stromdurchgang sind bekannt. Asymmetrien im magnetischen Fluss einer elektrischen Maschine bewirken eine niederfrequente Spannung zwischen Welle und Gehäuse, welche einen Stromfluss durch die Wälzlager verursacht. Auch die Verwendung von ungeschirmten, asymmetrischen Kabeln kann bei unzureichender Erdung der elektrischen Maschine zu einem Stromfluss durch die Wälzlager führen.

Eine weitere Ursache stellt der Einsatz von Frequenzumrichtern dar: Das Arbeitsprinzip vieler Umrichter basiert auf Pulsweitenmodulation (PWM) und bedingt eine hochfrequente Gleichtaktspannung, welche ebenfalls einen Stromfluss durch die Wälzlager bewirkt. Schließlich ist noch die elektrostatische Aufladung von Welle und Gehäuse mit anschließender Entladung über die Wälzlager zu nennen.

Schadensbilder und mögliche Gegenmaßnahmen

Typisch für Elektrokorrosion sind graue, mattierte Spuren in den Laufbahnen und an den Wälzkörperoberflächen. Des Weiteren sind Schmelzkrater (Bilder 1a und 1b in der Bildergalerie) oder eine Riffelung primär in den Laufbahnoberflächen zu erkennen. Schäden infolge von Stromdurchgang machen sich meist durch ein erhöhtes Laufgeräusch im Betrieb bemerkbar.

Zur Prävention dieser Schäden bietet sich die Isolierung des Lagersitzes im Gehäuse oder an der Welle an. Dies ist allerdings mit zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen an den Umgebungsteilen verbunden. Eine einfache und wirtschaftliche Lösung sollen hier elektrisch isolierte Wälzlager der NKE Austria GmbH, Steyr, darstellen. Laut Hersteller sind keine konstruktiven Anpassungen nötig, da die Hauptabmessung und Leistungsdaten der isolierten Lager identisch mit denen der jeweiligen nicht isolierten Type sind.

Elektrisch isolierte Lager – Eigenschaften und Anwendung

Elektrisch isolierte Lager von NKE sind mit einer oxydkeramischen Isolationsschicht versehen und mit dem Nachsetzzeichen SQ77 gekennzeichnet. Eine Übersicht zu den unterschiedlichen Ausführungsvarianten der Isolationsschicht ist in der Tabelle (Bildergalerie) enthalten.

Einer der wichtigsten Vorteile ist laut NKE eine höhere Betriebssicherheit, die durch den Schutz gegen Elektrokorrosion gewährleistet werden soll. Außerdem sollen elektrisch isolierte Lager wirtschaftlicher als zum Beispiel eine Isolierung an Gehäusen oder Wellen sein. Sie sind mit konventionellen Lagern austauschbar, da die Hauptabmessungen und technischen Charakteristika konventionellen Lagern entsprechen. Die Gefahr einer Beschädigung der Beschichtung besteht bei fachgerechter Handhabung der elektrisch isolierten Lager laut Hersteller nicht. Das verringerte Schadensrisiko soll so die Lebensdauer der Lager in elektrischen Maschinen verlängern.

Das Hauptauswahlsortiment für stromisolierte Lager sind Rillen- und Zylinderrollenlager. Es können jedoch auch alle anderen Lagerarten stromisoliert werden. Einsatzgebiete sind unter anderem Fahrmotoren von Schienenfahrzeugen, Elektromotoren und Generatoren, speziell in Verbindung mit schnellschaltenden Frequenzumrichtern.

Fertigungsverfahren und Wirkung von elektrisch isolierten Wälzlagern

NKE bringt die Isolierung im Plasmaspritzverfahren, einer Dünnschichtechnik, auf den Außenring (SQ77 bzw. SQ77C, Bild 3 in Bildergalerie) oder auf den Innenring (SQ77E bzw. SQ77H, Bild 3 in Bildergalerie) auf. Beim Plasmaspritzverfahren wird zwischen Elektroden ein Lichtbogen erzeugt, bei dem adäquates Gas zugeführt wird. Der Plasmastrahl dient als Trägermedium um das Aluminiumoxidpulver (Al2O3) mit hoher Geschwindigkeit auf den Innen- oder Außenring aufzutragen. Die so entstehende Aluminiumoxidschicht erstreckt sich über Plan- und Stirnfläche der Wälzlagerringe. In einem anschließenden Prozessschritt wird die Schicht noch versiegelt, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu unterbinden.

Wirkung bei Gleichspannung

Die Wirkung der Isolationsschicht hängt von der Frequenz der Spannung ab, welche die schädlichen Lagerströme verursacht. Im Falle einer Gleichspannung stellt das isolierte Lager einen Ohmschen Widerstand dar. Je höher der Widerstand, desto geringer der Stromfluss. Der Widerstandswert der isolierten Lager liegt bei über 50 MΩ und begrenzt den elektrischen Strom auf einen für das Lager unbedenklichen Wert.

Wirkung bei Wechselspannung

Bei Wechselspannung kommt der kapazitive Charakter des isolierten Lagers zum Tragen. Das Lager verhält sich in diesem Fall in erster Näherung wie eine Parallelschaltung aus Widerstand und Kondensator mit einem von der Frequenz abhängigen Widerstand, der sogenannten Impedanz. Die Impedanz bestimmt die Größe des Wechselstroms, der bei gegebener Spannung und Frequenz durch das Lager fließt. Auch hier gilt dass die Impedanz möglichst groß sein soll, um den Strom auf ein für das Lager unbedenkliches Maß zu reduzieren.

Um nun eine hohe Impedanz zu erreichen muss der Widerstand der isolierenden Schicht groß und deren Kapazität gering sein. Dies kann durch eine möglichst dicke Isolationsschicht mit kleiner Oberfläche erreicht werden. Umgelegt auf die Lager bedeutet dies dass die Beschichtung vorteilhaft an der Bohrung des Innenrings aufzubringen ist. Aus Kostengründen und bedingt durch das Fertigungsverfahren wird jedoch standardmäßig der Außendurchmesser beschichtet. In den meisten Fällen ergibt sich auch hier ein mehr als ausreichender Schutz vor Elektrokorrosionsschäden. Ein weiteres Merkmal der Beschichtung ist die Durchschlagsfestigkeit. Die Durchschlagspannung liegt bei Lagern von NKE je nach Ausführung bei mindestens 1000 oder 2000 V. (sh)

Hannover Messe 2015: Halle 22, Stand B35

* Klaus Grissenberger ist Anwendungstechniker bei der NKE Austria GmbH in Steyr

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