Bahntechnik - Bild: iStock.com/ winhorse

Die Bahntechnik gehört zu den Branchen, in denen stromisolierte Lager bereits eingesetzt werden. Bild: iStock.com/ winhorse

Von NSK gibt es eine neue Baureihe von stromisolierten Lagern, die nicht nur aus technischer Sicht, sondern auch mit Blick auf die Kosten Vorteile gegenüber bisherigen Lösungen bietet.

Bei Elektroantrieben können Stromdurchgänge zu Wälzlagerschäden führen, weil der Strom – in Verbindung mit Bestandteilen des Schmierstoffs – Elektrokorrosion verursacht. Dieser Zusammenhang ist aus verschiedenen Anwendungsfällen bekannt.

Lager - Bild: NSK Deutschland
Bei diesem Lager sind Riffelungen auf der Laufbahn zu sehen, die aus Aufschmelzungen entstehen: ein typischer Schaden, der durch Stromdurchgänge im Antriebsstrang verursacht wird. Bild: NSK Deutschland

Ein Beispiel: Vor Jahren kam es in der Automobilindustrie zu häufigeren Schäden an den Lagern von Kfz-Wasserpumpen. Nach intensiver Ursachenforschung ließen sich diese Schäden auf Stromdurchgänge und eine daraus resultierende chemische Veränderung des Schmierstoffs zurückführen. Das hatte die Bildung von Lichtbögen und Verbrennungen im Ölfilm an der Kontaktstelle zwischen Laufbahn und Wälzkörper zur Folge, was wiederum zu örtlichen Aufschmelzungen auf der Laufbahn führte. Das Ergebnis sind Unregelmäßigkeiten an der Laufbahnoberfläche, die eine verminderte Lebensdauer des Lagers zur Folge haben.

Schutz nicht nur für das Lager

In der elektrischen Antriebstechnik können Stromdurchgänge nicht nur Schäden an den Lagern, sondern zum Beispiel auch an Getrieben und anderen Komponenten im Antriebsstrang führen. Deshalb ist die Stromisolierung eine Eigenschaft, die häufig in Antriebssystemen gefordert wird. Diese Anforderung nimmt zu, weil Stromdurchgänge häufiger bei drehzahlgeregelten Antrieben auftreten, die aufgrund der steigenden Ansprüche an die Energieeffizienz kontinuierlich steigende Marktanteile erreichen.

Verschiedene Lösungspfade

Es gibt verschiedene konstruktive Wege, um bei Wälzlagern eine Stromisolierung zu erreichen. Bewährt haben sich Hybridlager mit Wälzkörpern aus Keramik, die NSK für dieses Anforderungsprofil entwickelt hat. Sie bieten eine wirkungsvolle Isolierung. Aufgrund des Materialpreises und des schwer zu bearbeitenden Werkstoffs sind die Kosten dieser Lager – die unter anderem in der Bahntechnik zum Einsatz kommen – allerdings vergleichsweise hoch. Der Einsatz eines isolierenden Motorgehäuses kann das Risiko von Stromdurchgängen ebenfalls vermindern. Diese Lösung ist aber mit konstruktivem Aufwand, zusätzlichen Bauteilen und einer komplexeren Montage verbunden. Eine weitere Möglichkeit sind keramische Beschichtungen, die im Folgenden noch näher beschrieben werden.

Keramikbeschichtung - Bild: NSK Deutschland
Die neue stromisolierende Keramikbeschichtung wird im ersten Schritt für Rillenkugellager angebo-ten. Bild: NSK Deutschland

Die Eigenschaft der Stromisolierung in Antriebssystemen ist weltweit zunehmend gefragt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist der wachsende Anteil von Elektroantrieben mit Drehzahlregelung. In Japan sind zum Beispiel nahezu 100 Prozent der Haushaltgeräte wie Waschmaschinen mit solchen bedarfsgerecht regelbaren Antrieben ausgerüstet, bei Pumpen und Kompressoren beträgt der Anteil immerhin

24 Prozent. In Europa sind derartige Antriebe (noch) etwas weniger verbreitet. Die Nachfrage steigt aber und dürfte aufgrund der steigenden Anforderungen an die Energieeffizienz von Elektroantrieben weiterwachsen. Da der Zusammenhang von Drehzahlregelung und Schäden durch Elektrokorrosion nachgewiesen ist, wird dieser Trend auch die Notwendigkeit einer wirtschaftlichen und effizienten Stromisolierung von Wälzlagern verstärken.

Neu: kostengünstigere Keramikbeschichtung

Hybrid-Lager - Bild: NSK Deutschland
Bei kleineren Lagerdurchmessern sind Hybrid-Lager mit Wälzkörpern aus Keramik eine geeignete Lö-sung, um Stromdurchgänge zu vermeiden. Bild: NSK Deutschland

Vor diesem Hintergrund hat sich die zentrale Forschung und Entwicklung von NSK intensiv mit der Thematik der Stromisolierung beschäftigt und dabei auch Zulieferer und Kunden einbezogen. Ergebnis dieser Arbeiten ist eine neue, patentierte Beschichtung auf Aluminiumoxid-Keramikbasis, die auf die Außenfläche des Außenrings aufgebracht wird. Diese Lager werden seit vergangenem Jahr als Serie produziert.

Die Beschichtung mit der Bezeichnung HDY2 erhöht die elektrische Isolationswirkung der Wälzlager etwa um den Faktor Zehn. Außerdem bewirkt sie eine sehr gute Wärmeableitung. Vorteilhaft ist auch die, im Vergleich zu anderen Lagern mit Keramikbeschichtung, rund dreimal höhere Stoßbelastungsresistenz. Grundlegende Kennwerte der Lager, zum Beispiel die Tragzahlen und die Reibwerte, bleiben unverändert. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der neuen Beschichtung besteht darin, dass sie aufgespritzt wird. Der Prozess ist also vergleichsweise einfach und somit kostengünstig. Weil sich die Beschichtung nur an der Außenfläche des Außenrings befindet, wird sie während des Lagerbetriebs kaum belastet. Das schafft die Voraussetzung für eine dauerhafte stromisolierende Wirkung.

Diese keramikbeschichteten Lager sind zurzeit als Rillenkugellager mit Bohrungsdurchmessern von 50 bis 140 Millimetern verfügbar. Diese Lagerbauart kommt typischerweise bei der Lagerung von Motorwellen in elektrischen Antrieben zur Anwendung. Die HDY2-beschichteten Lager eignen sich für den Einsatz an allen standardmäßigen drehzahlgeregelten Elektromotoren. 

Fazit: Hybridlager oder strom-isolierende Beschichtung?

Der Anwender hat also mehrere Möglichkeiten, um eine wirkungsvolle Stromisolierung von Wälzlagern zu erreichen und damit typische Schadensbilder zu vermeiden und auch nachfolgende Komponenten wie Getriebe zu schonen. Generell gelten Hybridlager – das heißt Wälzlager mit Laufringen aus Stahl und Wälzkörpern aus Keramik – bei kompakteren Lagerstellen als gute Wahl. Bei Lagern mit mittleren bis großen Bohrungsdurchmessern bieten hingegen stromisolierende Beschichtungen klare Kostenvorteile. Ein wichtiger Zielmarkt für solche Lager sind die Hersteller von Pumpen, Kompressoren und Lüftern – Einsatzbereiche, in denen bedarfsgerecht geregelte Antriebe sehr häufig sind. aru