Längere Lebensdauer für Elektromotoren
Wie geschirmte Leitungen schädliche Lagerströme reduzieren können
Beim Betrieb von Elektromotoren mit Frequenzumrichter treten häufig unerwünschte Lagerströme auf, welche die Lebensdauer der Motorwälzlager erheblich beeinträchtigen können. Wissenschaftler der TU Darmstadt haben diese Lagerströme untersucht – und herausgefunden, dass sie sich mithilfe von geschirmten Motorzuleitungskabeln in einigen Fällen reduzieren lassen.
Lagerströme sind unerwünschte Ströme, die beim Betrieb von Elektromotoren entstehen. Sie fließen durch die Wälzlager, die den beweglichen Rotor mit dem fest verbauten Stator des Motors verbinden. Lagerströme treten vor allem in Antrieben auf, deren Drehzahl mithilfe eines Frequenzumrichters verändert wird, und können die Lager erheblich beschädigen. Insbesondere bei falschem Erdungskonzept können Lagerströme mit hohen Stromdichten auftreten, durch die das Metall im Lagerring schmilzt oder gar verdampft. Das Ergebnis sind Krater und sogenannte Riffel im Wälzlager, die sich durch verstärkte Vibrationen und einen schnelleren Verschleiß bemerkbar machen. Oft kommt es dadurch schon wenige Monate nach der Montage zum Ausfall des Lagers.
Es gibt vier Arten von Lagerströmen, die jeweils durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden und unterschiedlich starke Auswirkungen haben:
- Kapazitive Lagerströme entstehen dadurch, dass sich die Spannung über dem Lager ändert und Ausgleichströme fließen. Diese sind typischerweise zu klein, um schädlich zu sein.
- Entlade-Lagerströme (EDM) sind impulsförmige Entladeströme. Sie können auftreten, wenn sich eine Spannung über dem Schmierfilm im Lager aufbaut, bis der Schmierfilm elektrisch durchbrochen wird.
- Zirkular-Lagerströme sind Kreisströme in der elektrischen Maschine. Diese werden durch einen hochfrequenten magnetischen Ringfluss um die Welle hervorgerufen, der eine Spannung entlang der Welle induziert.
- Rotor-Erd-Lagerströme können entstehen, wenn der Rotor des Elektroantriebs über ein Getriebe oder ein anderes Anbaugerät zusätzlich geerdet ist und seine Erdungsimpedanz kleiner als die des Stators ist. Anteilig fließt der Strom vom Motorgehäuse über die Lager in die Welle und über die Erdverbindung des Rotors ab.
Durch die entsprechende Auslegung des Lagers, den Einsatz von Hybrid- oder Keramiklagern sowie Bürsten, Filter und Erdungsringe bieten sich Konstrukteuren jedoch einige Möglichkeiten, diese unerwünschten Ströme zu reduzieren und zu vermeiden.
Die Schirmung macht den Unterschied
Ein entscheidendes Kriterium ist auch die Auswahl der richtigen Motorleitung – das ergab eine Studie des Instituts für Elektrische Energiewandlung an der Technischen Universität Darmstadt, durchgeführt unter der Mitwirkung von HELUKABEL. Die Wissenschaftler verglichen in mehreren Versuchsaufbauten die auftretenden Lagerströme bei Leitungstypen mit und ohne Schirmung. Dabei fanden sie heraus, dass sich insbesondere Rotor-Erd-Lagerströme durch den Einsatz geschirmter Kabel deutlich verringern lassen.
Geschirmte Kabel sind daher eine einfache und zugleich effektive Methode, um die Motorwälzlager vor vorzeitigem Verschleiß und Ausfällen zu schützen. Ein weiterer Pluspunkt: Ihre Schirmung verhindert auch ungewollte elektrische Abstrahlungen an andere Geräte und trägt so zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) des gesamten Systems bei.
Bei seinen Versuchen verwendete das Team der TU Darmstadt HELUKABEL-Motorleitungen vom Typ TOPFLEX-EMV-UV-3 PLUS 2YSLCYK-J. Die doppelt geschirmte Leitung ist für den störfreien Betrieb von Frequenzumrichtern konzipiert. Sie ist zudem UV- und witterungsbeständig und damit auch für die Verwendung im Freien geeignet. HELUKABEL bietet die TOPFLEX-Serie in zahlreichen Varianten für unterschiedliche Anforderungen – und verfügt darüber hinaus auch über ein äußerst umfangreiches Sortiment an Servo- und Geberleitungen für Industrie und Maschinenbau.
