Vogelsang Elektromotoren stellt Arten, Ursachen und Gegenmaßnahmen von Lagerströmen zusammen

Expertenwissen in Kooperation mit der TU Darmstadt erarbeitet

Auf der Basis von Untersuchungen der Technischen Universität Darmstadt, der technischen Anleitung Nr. 5 der ABB Mannheim, sowie Messungen und Erfahrungen auf dem Prüffeld des Bochumer Instandhaltungsspezialisten Vogelsang Elektromotoren bietet die Firma Vogelsang ihren Kunden umfassende Schulungen zu Ursachen und Auswirkungen von Lagerströmen sowie entsprechende Gegenmaßnahmen an. Gemäß der Unternehmensphilosophie, die im Rahmen der partnerschaftlichen Zusammenarbeit mit den Kunden einen Transfer des Know-hows vom Spezialisten zu Anwender notwendig ist, bietet Vogelsang auf Basis der gegebenen Untersuchungsergebnisse umfangreiche Beratung – im Sinne optimaler Zustandsüberwachung von Anlegen und der Lebensdauer von Maschinen.

In vielen Elektromotoren findet man heute stromisolierte Wälzlager, die überall dort eingesetzt werden, wo die Lagerung der Maschine durch verschiedene Einflüsse einer Spannung ausgesetzt sind, die zum Fließen von Strom führen. Diese Lagerströme können auf Dauer die Maschine beschädigen. Ausgehend von den Ursachen für das Auftreten solcher Lagerspannungen an Elektromotoren und den verschiedenen Arten von Lagerströmen lassen sich verschiedene Lösungsansätze erarbeiten.

In der Fachliteratur werden in der Regel vier verschiedene Arten von Strömen genannt: die kapazitiven, die EDM (Electric Discharge Machining), Zirkular- und Rotorerdströme. Ihre Ursachen differieren und demnach auch die Problemlösestrategien.
Kleine, kapazitive Ströme von etwa iL = 10 mA werden durch das Zusammenwirken der Lagerspannung mit der durch den Schmierfilm und dem Metall des Lagers entstehenden Lagerkapazität hervorgerufen. Bei warmem Lager und/oder niedriger Motordrehzahl, wenn der Schmierfilm nicht mehr isoliert und sich die Lagerspannung nicht mehr über dem Lager abbildet, agiert das Lager vor allem als ohmscher Widerstand. Durch die Gleichtaktspannung und die Kapazitäten in der Maschine werden kleine, gleichtaktförmige Ströme, deren Amplitude iL = 200 mA betragen kann, durch das Lager getrieben. Die Frequenzen dieser kapazitiven Ströme betragen einige MHz und sind nach heutigem Kenntnisstand nicht kritisch für die Lebensdauer des Lagers.

Anders bei den EDM Strömen (Electric Discharge Machining). Durch das Auftreten der Gleichtaktspannung über dem Lager lädt sich hier der Schmierfilm auf. Kurzfristig kann der Schmierfilm des Lagers größere Spannungen als jene 500 mV / 2 Lager = 250 mV, die im Kontext der „klassischen Lagerströme“ bekannt sind, tragen. Die Durchbruchspannung wird von den Eigenschaften des Lagerfetts, aber auch von der Motordrehzahl und Lagertemperatur, sowie dem Vorhandensein kleiner metallischer Verunreinigungen durch mechanischen Abrieb bestimmt. Sie beträgt etwa 8...15 V. Wird dieser Wert überschritten, kommt es zum Zusammenbruch des Schmierfilms und zur Entladung. Es fließt ein impulsförmiger Entladestrom. Die Amplituden dieser Ströme betragen bis zu iL = 3 A. Die Frequenzen der gemessenen EDM-Lagerströme betragen einige MHz

Zirkularströme werden hauptsächlich durch die Schaltvorgänge von Frequenzumrichtern hervorgerufen. Durch das Zusammenspiel zwischen der Kapazität der Maschine und dem du/dt wird ein hochfrequenter Ständererdstrom (>100kHz) hervorgerufen, der die Maschine über das Gehäuse verlässt, von wo er über die vorgesehene Erdverbindung des Gehäuses oder über parasitäre Strompfade abfließt. Dies wiederum verursacht einen hochfrequenten magnetischen Ringfluss um die Welle, der eine Wellenspannung entlang der Welle induziert. Diese treibt einen hochfrequenten, zirkularen Lagerstrom entlang der Schleife „BS-Lager–Welle–AS–Lager–Gehäuse“. Daher treten zirkulare Lagerströme in beiden Lagern auf, haben in diesen eine entgegengesetzte Polarität und bilden den Ständererdstrom ab (transformatorischer Effekt). Die Amplituden dieser Ströme können in Abhängigkeit der Baugröße mehrere Ampere ebtragen, die Frequenzen mehrere hundert kHz.

In Anlagen, in denen umrichtergespeiste Motoren eingesetzt werden, ist es möglich, dass der Läufer des Motors über die angetriebene Last mit der Erde leitend verbunden ist. Wenn in diesem Fall die Erdungsimpedanz des Rotors – für hohe Frequenzen – kleiner als die des Ständers ist, können signifikante Rotorerdströme auftreten. Diese fließen vom Ständer über die Lager in die Welle und über die Erdverbindung des Rotors ab. Sie überlagern sich unter Umständen auch mit vorhandenen Zirkularströmen. Die Amplituden solcher Rotorerdströme betragen – baugrößenabhängig – mehrere Ampere, die Frequenzen, wie jene der Ständererdströme, mehrere hundert kHz.

Abhilfemaßnahmen bei verschiedenen Lagerströmen

Da den unterschiedlichen Lagerstromtypen unterschiedliche Wirkungsmechanismen zugrunde liegen, sind die Abhilfemaßnahmen abhängig vom zu reduzierenden oder eliminierenden Typ des Lagerstroms auszuwählen. Abhilfemaßnahmen bei EDM-Strömen sind im Einzelnen:

• Einsatz von Filter oder Modulationsverfahren, welche die Nullspannung unterdrücken bzw. reduzieren,
• Einbau von Hybrid- / Keramiklagern,
• Aufbau von Erdungsbürsten für den Rotor (die Instandhaltung diverser Erdungsbürsten stellt allerdings einen gewissen Aufwand dar),
• Verwendung von elektrisch gut leitfähigem Lagerfett (hier ist auf die mechanischen Eigenschaften des Lagerfetts zu achten und zu klären, ob es für den Anwendungsfall geeignet ist),
• Reduzierung der Schaltfrequenz des Frequenzumrichters zur Verzögerung der möglichen Lagerschädigung
• Einsatz von zwei isolierten Lagern, durch die man in der Lage ist, die EDM Erdströme auf ca. 40% zu reduzieren.

Gegen Zirkularströme werden folgende Maßnahmen empfohlen:

• Einbau von du/dt-Drossel / du/dt-Filter (du/dt|LE 0,5 kV/μs) zur Ausfilterung der hochfrequenten Oberwellen der Versorgungsspannung und der
• Einbau von einem oder zwei isolierten oder Hybridlagern.

Gegen Rotorerdströme hilft die Verwendung von geschirmten Motorkabeln, wobei darauf zu achten ist, dass der Schirm beidseitig vollflächig aufgelegt werden muss. Darüber hinaus empfiehlt sich der Einbau von ein oder zwei isolierten Lagern oder Hybridlagern.

Lagerströme und deren Gefährdungspotenzial
In den nachfolgenden Tabellen ist kurz zusammengestellt, in wie weit die verschiedenen Lagerströme auftreten (oberes Feld), relevant für die Lagerlebensdauer sind (unteres Feld) und in wie weit die verschiedenen Abhilfemaßnahmen positiv wirken und somit die Lebensdauer der Wälzlager verlängern können.

Die in dieser Zusammenstellung vorgetragenen Informationen basieren auf Untersuchungen der Technischen Universität Darmstadt (Dipl. Ing. Mütze, Prof. habil Binder), der technischen Anleitung Nr.5 der ABB Mannheim, sowie Messungen und Erfahrungen auf dem Prüffeld des Bochumer Instandhaltungsspezialisten Vogelsang Elektromotoren.