Wie man elektrische Erosion von Motorlagern behebt

Was verursacht Wellenspannung in Motoren, die von Frequenzumrichtern (VFDs) betrieben werden? Wie können Lagerströme gemessen werden?

Ursprung der Lagerströme

Lagerströme sind hochfrequente Entladeströme, die durch die Wellenspannung verursacht und über die Motorlager geleitet werden. Die Ursache liegt in der pulsweitenmodulierten (PWM) Spannung, die von Frequenzumrichtern erzeugt wird und eine Serie schnell schaltender positiver und negativer Impulse statt einer sinusförmigen Welle ausgibt. Dadurch entsteht eine unsymmetrische Mittelspannung über die drei Phasen, die als Gleichtaktspannung bezeichnet wird (häufig in Form einer sechsstufigen Rechteckwelle sichtbar).

Bei von Frequenzumrichtern betriebenen Motoren induziert die Gleichtaktspannung über kapazitive Kopplung innerhalb der internen Motorstruktur eine Wellenspannung. Sobald diese Spannung die Isolationsfestigkeit des Schmierfilms im Lager überschreitet, kommt es zu einer Entladung, wodurch kapazitive EDM-Ströme (Electrical Discharge Machining) die Mikrogruben und Rillen auf den Lagerlaufbahnen erzeugen. Bei Motoren mit höherer Leistung (typischerweise >75 kW) induziert auch der hochfrequente magnetische Fluss eine Wellenspannung, was zu hochfrequente Zirkulationsströme führt, die gleichzeitig die Lager an beiden Wellenenden beschädigen. Diese beiden Stromarten sind die Hauptursachen für elektrische Lagerbeschädigungen.

Kapazitive elektrische Entladungs-Frästromströme

Die innere Struktur eines Elektromotors funktioniert ähnlich wie ein Kondensator. Die Gleichtaktspannung des Frequenzumrichters erzeugt eine kapazitiv gekoppelte Spannung auf der Motorwelle. Diese Wellenspannung entlädt sich über Funkenüberschläge durch die Lager zum Motorgehäuse und stellt kapazitive EDM-Ströme dar.

Die Wellenspannung kann mithilfe eines digitalen Oszilloskops und einer VOLSUN-Wellenspannungs-Sonde gemessen werden. Die Entladungen zeigen sich als hochfrequente Spannungsspitzen.

Diese Entladungsbögen, die zehntausende Male pro Sekunde auftreten können, verschlechtern das Lagerfett und führen zu elektrischem Funkenabtrag, wodurch sich tausende mikroskopisch kleiner Vertiefungen auf den Lagerlaufbahnen bilden. Diese Vertiefungen zusammen mit dem verschlechterten Fett erhöhen die Reibung und verursachen NVH-Probleme (Geräusch, Vibration und Härte).

Auswirkungen von Lagerströmen

Im Laufe der Zeit sammeln sich die mikroskopisch kleinen Krater, die durch Lichtbogenbildung in den Lagern entstehen, zu einer sichtbaren, mattierten Oberfläche – auch als „Frosting“ („Frosteffekt“) bezeichnet – an. Ein gefrostetes Lager ist weniger glatt als ein gesundes Lager, was zu erhöhter Reibung, stärkerer Wärmeentwicklung und weiterer Verschlechterung der Lagerlaufbahnen führt. Im Zeitverlauf erzeugt die Wechselwirkung zwischen elektrischer Schädigung und mechanischer Vibration ein gestreiftes Muster – auch als „Fluting“ („Rillenbildung“) oder „Picket Fence“-Muster („Zaunmuster“) bezeichnet.

Sobald sich Fluting entwickelt hat, ist ein Lagerausfall unmittelbar bevorstehend. Ein gerilltes Lager verursacht übermäßige Vibrationen und ein charakteristisches, schrilles Geräusch. Die folgende Abbildung zeigt gängige Arten elektrischer Erosion an Lagern.

VOLSUNs leitfähiger Ring der 3. Generation (Wellenerdungsring), dank seines leichten Designs und seiner kompakten Bauweise kann es direkt an Lagerbaugruppen montiert werden und erfüllt so die strengen Anforderungen an Platzbedarf und Gewicht in Elektrofahrzeugen. Zudem reduziert seine wartungsfreie Ausführung den Serviceaufwand nach dem Verkauf und macht es zu einer zuverlässigen Lösung zur Behebung von elektrischer Erosion an Lagern!