Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verhalten stromführender Wälzlager

Durch die bisher unzureichende Berücksichtigung der strombedingten Lagerschäden, infolge der Verwendung von Frequenzumrichtern im dynamischen Betrieb, in den Berechnungsvorschriften zur Lagerlebensdauer ist ein Ausfall der Lagerung vor der erwartbaren Lebensdauer nicht kalkulierbar. Aus diesem Grund unterbleiben entsprechende präventive Maßnahmen häufig. Gerade kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) haben häufig nicht die Möglichkeit, intensive messtechnische Untersuchungen zum Stromdurchgang durchzuführen. Auch die korrekte Zuordnung von aufgetretenen Lagerschäden zu einem unzulässigen Lagerstrom ist häufig nur schwer möglich. Durch die Bereitstellung von elektrischen Ersatzschaltbildern der Lager, eingebettet in eine Berechnungs- und Simulationsumgebung, können eventuelle Gefahrenpotenziale vorab identifiziert werden. Praxisnahe Grenzwerte zu elektrischen Belastungsparametern erlauben den KMU dann einerseits eine sicherere Auslegung von elektrischen Triebsträngen mit Wälzlagern, andererseits kann die Auswirkung einer vorgesehenen elektrischen Übertragung von Sensorsignalen auf die durchlaufenen Maschinenelemente beurteilt werden.

Die Ergebnisse des beantragten Vorhabens sollen sofern möglich zur direkten Anwendung in der Praxis aufgearbeitet werden. Damit stehen den teilhabenden Firmen unverzüglich Möglichkeiten zur Verbesserung ihrer Produkte und ihrer Marktposition ohne aufwändige eigene Forschung zur Verfügung.

Ergebniszusammenfassung:

Im IGF Vorhaben 20496 N wurde der Einfluss von schädlichen Stromdurchgängen auf die Gebrauchsdauer von Wälzlagern genauer untersucht. Der drehzahlveränderbare Betrieb einer elektrischen Maschine mittels eines schnellschaltenden Zweipunkt-Wechselrichters verursacht unerwünschte parasitäre Effekte. So wird eine inhärente Gleichtaktspannung, auch als Common Mode-Spannung bezeichnet, in die Statorwicklung einer elektrischen Maschine eingeprägt. Über parasitäre kapazitive Kopplungen sowie über induktive Effekte innerhalb einer elektrischen Maschine kann die CM-Spannung sogenannte zirkulare Lagerströme, Rotor-Erdströme und EDM-Lagerströme verursachen. In Abhängigkeit vom parasitären Strom können Beschädigungen an den Motorlagern oder der angeschlossenen Last auftreten.

Zur Vorausberechnung der hochfrequenten Erscheinungen ist u.a. die Bestimmung der innerhalb einer elektrischen Maschine vorliegenden parasitären Kapazitäten notwendig. In diesem Projekt wurden neuartige Berechnungsverfahren für die Wälzlager-, die Wicklung-Stator-, die Wicklung-Rotor-, die Stator-Rotor-Kapazität sowie für die Leiter-Leiter-Kapazitäten entwickelt. Die erarbeiteten Berechnungsverfahren können in der Praxis genutzt werden, um die auftretenden elektrischen Belastungen an Maschinenelementen besser vorhersagen zu können. Die Gültigkeit der abgeleiteten Berechnungsvorschriften konnte durch umfängliche experimentelle Untersuchungen auf Versuchsstandebene sowie FEM- Simulationen validiert werden.

Zusätzlich wurden umfängliche experimentelle Lebensdaueruntersuchungen an stromdurchgangsgeschädigten Wälzlagern durchgeführt. Hierbei konnte der Einfluss des Stromdurchganges auf die Gebrauchsdauer von Wälzlagern auf die hervorgerufene Oberflächenmutationen zurückgeführt werden. In der Folge wurden gängige Berechnungsvorschriften zur Gebrauchsdauerabschätzung erweitert, um den Stromdurchgangseinfluss rechnerisch beschreiben zu können.

Das Forschungsziel wurde erreicht.