Elektrisch geïsoleerde wentellagers

Bescherming tegen lagerschade veroorzaakt door het doorlaten van elektrische stroom

Steyr, Oostenrijk, maart 2015.Elektrisch geïsoleerde wentellagers zijn voorzien van elektrische isolatie die in het lager is ingebouwd en betrouwbare bescherming biedt tegen stroomdoorgang en elektrische corrosie. Typische toepassingen zijn elektromotoren, generatoren en andere elektrische machines. De Oostenrijkse fabrikant NKE Austria GmbH biedt elektrisch geïsoleerde wentellagers in verschillende uitvoeringen aan. In dit artikel legt Klaus Grissenberger, Application Engineer bij NKE, de oorzaken uit van de doorgang van elektrische stroom door wentellagers, schade symptomen en tegenmaatregelen, eigenschappen en productieprocessen van elektrisch geïsoleerde lagers.

NKE SQ77E groefkogellager met isolatie op de binnenring.

Een verschil in elektrische potentiaal tussen de buitenste en binnenste ring van een wentellager kan leiden tot een schadelijke elektrische stroom die de loopbanen van het lager permanent beschadigt en de loopeigenschappen ervan schaadt. Een stroomstroming resulteert in elektrische ontlading in de contactzone tussen de rollende elementen en de binnen- of buitenring. Dit veroorzaakt op zijn beurt lokaal smelten van de oppervlakken. Het resultaat: putjes, materiaaloverdracht en lokale microstructurele schade door thermische belasting. Ten minste een zeer dunne laag van het geërodeerde oppervlak is opnieuw uitgehard, waardoor het extreem hard is en vatbaar voor scheuren. Dit proces wordt elektrische corrosie genoemd en treft vaak lagers in elektromechanische toepassingen, zoals generatoren en elektromotoren, maar ook machines die worden aangedreven door elektromotoren, zoals pompen en tandwielkasten. Bovendien maakt de elektrische ontlading het smeermiddel onbruikbaar. De basisolie en additieven in het smeermiddel oxideren, wat resulteert in de karakteristieke zwarte kleur van het smeermiddel. Voortijdige veroudering schaadt permanent het vermogen van het smeermiddel om een ​​scheidingslaag tussen de metalen oppervlakken te vormen. De beschadigde functionele oppervlakken van het lager en het verlies van smerende werking resulteren in een snel verlies van de functionaliteit van het lager.

Mogelijke oorzaken van ongewenste doorgang van elektrische stroom door wentellagers

Figuur 1a

Figuur 1b

De stroomdoorgang heeft geleid tot de vorming van kraters / groeven op de binnenringloopbaan (figuur 1a) en het laterale oppervlak van de rolelementen (figuur 1b) van een cilindrisch rollager.

De belangrijkste redenen voor de huidige lozing zijn bekend. Asymmetrieën in de magnetische flux van een elektrische machine veroorzaken een laagfrequente spanning tussen de as en de behuizing, wat resulteert in een stroom door de wentellagers. Een dergelijke stroomdoorgang kan ook het gevolg zijn van het gebruik van niet-afgeschermde asymmetrische elektrische kabels als de aarding van de machine niet effectief is. Een andere oorzaak is het gebruik van frequentieomvormers: het werkingsprincipe van veel frequentieomvormers is gebaseerd op pulsbreedtemodulatie (PWM) en genereert hoogfrequente common-mode-spanning, wat ook resulteert in stroomdoorgang door de wentellagers. Ten slotte is ook elektrostatische oplading van de as en behuizing gevolgd door ontlading door de wentellagers een mogelijke oorzaak.

Schade symptomen en mogelijke tegenmaatregelen

Typische tekenen van elektrische corrosie zijn onder meer grijze, aangetaste sporen in de raceways en op de oppervlakken van het rollende element. Smeltkraters (fig. 1a en 1b) of golf is ook waarneembaar, voornamelijk op de baanoppervlakken. Schade als gevolg van stroomontlading manifesteert zich meestal in een verhoogd loopgeluid.

Om dergelijke schade te voorkomen is het raadzaam om de lagerzitting in de behuizing of op de as te isoleren. Dit brengt echter extra ontwerpmaatregelen met zich mee van de omliggende delen. Een eenvoudige, economische oplossing is in dit geval het gebruik van elektrisch geïsoleerde wentellagers van NKE. Aangezien de belangrijkste afmetingen en prestatiegegevens van de geïsoleerde lagers identiek zijn aan die van de overeenkomstige niet-geïsoleerde modellen, zijn er geen wijzigingen in het algehele ontwerp vereist.

Elektrisch geïsoleerde lagers - eigenschappen en toepassing

Elektrisch geïsoleerde lagers van NKE, aangeduid met het achtervoegsel SQ77, zijn voorzien van een oxidekeramische isolatielaag. Een overzicht van de verschillende ontwerpvarianten van de isolatielaag wordt gegeven in de tabel. Elektrisch geïsoleerde wentellagers van NKE bieden exact dezelfde buitenafmetingen en technische kenmerken als de bijbehorende ongeïsoleerde typen.

De belangrijkste voordelen van deze lagers zijn een hogere bedrijfszekerheid, die wordt gegarandeerd door een optimale bescherming tegen elektrische corrosie. Elektrisch geïsoleerde lagers zijn goedkoper dan bijvoorbeeld het aanbrengen van isolatie op behuizingen of assen. Ze zijn uitwisselbaar met conventionele lagers omdat ze dezelfde belangrijke afmetingen en technische kenmerken hebben. Ze bieden ook een verminderd risico op schade en dus ook een langere levensduur dan conventionele lagers bij gebruik in elektrische machines. Bij een juiste behandeling van elektrisch geïsoleerde lagers bestaat er geen risico op beschadiging van de coating.

Het belangrijkste assortiment elektrisch geïsoleerde lagers bestaat uit cilindrische rollagers en groefkogellagers, maar alle andere lagertypen kunnen ook elektrisch geïsoleerd worden. Toepassingsgebieden zijn onder meer tractiemotoren van spoorvoertuigen, elektromotoren en generatoren, vooral in combinatie met snel schakelende frequentieomvormers.

Productieproces en werkingsprincipe van elektrisch geïsoleerde wentellagers

Bij elektrisch geïsoleerde lagers van NKE wordt de isolatielaag op de buitenring (SQ77 of SQ77C - Fig. 2a) of de binnenring (SQ77E of SQ77H - Fig. 2b) aangebracht door middel van plasmaspuiten, een dunne-filmtechnologie. Bij plasmaspuiten ontstaat tussen twee elektroden een elektrische boog met een geschikte gastoevoer. De plasmastraal dient als dragermedium om het aluminiumoxidepoeder (Al2O3) met hoge snelheid op de buiten- of binnenring aan te brengen. Om een ​​optimale bescherming te verkrijgen, bedekt de oxidelaag ook de zijvlakken van de gespoten ringen. In de volgende processtap wordt de laag vervolgens verzegeld om indringing door vocht te voorkomen.

Afb. 2a Afb. 2b

Fig. 2a en 2b: Bij elektrisch geïsoleerde lagers van NKE wordt de isolerende laag op de buitenring (SQ77 of SQ77C - Fig. 2a) of de binnenring (SQ77E of SQ77H - Fig. 2b) aangebracht door middel van plasmaspuiten, een dun- filmtechnologie.

Het fysieke effect van de isolatielaag is afhankelijk van de frequentie van de spanning die de schadelijke stromen in de lagers veroorzaakt. Bij gelijkspanning heeft het geïsoleerde lager een ohmse weerstand. Hoe hoger deze weerstand, hoe lager de elektrische stroom. De weerstandswaarde van de geïsoleerde lagers is groter dan 50 MΩ, waardoor de elektrische stroom wordt beperkt tot een niveau dat het lager niet kan beschadigen.

Bij wisselspanning is de capacitieve aard van het geïsoleerde lager voordelig. Het lager gedraagt ​​zich dan ongeveer op dezelfde manier als een parallel circuit bestaande uit een weerstand en een condensator met een frequentie-afhankelijke weerstand, impedantie genoemd. De impedantie bepaalt de grootte van de wisselstroom die door het lager stroomt voor bepaalde waarden van spanning en frequentie. Ook hier moet de impedantie zo hoog mogelijk zijn om de stroom te verminderen tot een niveau dat het lager niet kan beschadigen.

Om hoge impedantiewaarden te bereiken, moet de weerstand van de isolerende laag hoog zijn en de capaciteit laag. Dit kan worden bereikt door de isolatielaag zo dik mogelijk te maken en door het totale isolatieoppervlak te verkleinen. Bij plaatsing op de lagers betekent dit dat deze laag bij voorkeur op de boring van de binnenring moet worden aangebracht. De coating wordt echter meestal om redenen van kosten en vanwege de beperkingen van het fabricageproces op de buitendiameter aangebracht. Dit resulteert in de meeste gevallen nog steeds in meer dan voldoende bescherming tegen schade door elektrische corrosie. Een andere belangrijke eigenschap van de coating is de diëlektrische sterkte. Afhankelijk van hun versie hebben de lagers van NKE een diëlektrische sterkte van minimaal 1000 V of 2000 V.

Auteur:

Klaus Grissenberger, Application Engineer, NKE Austria GmbH.

Tafel:

Overzicht van de ontwerpvarianten van elektrisch geïsoleerde NKE-rollagers:

Bedrijfsinformatie:

NKE Austria GmbH is een lagerfabrikant met hoofdkantoor in Steyr, Oostenrijk. Het bedrijf met ongeveer 140 werknemers werd in 1996 opgericht door een groep senior medewerkers van het voormalige bedrijf Steyr Wälzlager. NKE produceert standaard en speciale lagers voor alle industriële toepassingen. Engineering, productontwikkeling, productie en eindverwerking van componenten, modulaire montage, kwaliteitsborging, logistiek, verkoop en marketing - zijn gecentraliseerd op het hoofdkantoor van NKE in Steyr, Oostenrijk. De fabriek in Steyr is gecertificeerd volgens ISO 9001: 2008, ISO 14001: 2004 en OHSAS 18001. Het brede assortiment standaardlagers is uit voorraad leverbaar of met korte productietijden. NKE levert ook producten en oplossingen op maat. Naast productontwikkeling en applicatie-engineering biedt NKE een volledig scala aan technische, advies-, documentatie- en trainingsdiensten. De producten van NKE worden gedistribueerd via 15 internationale vertegenwoordigingen en meer dan 240 distributiecentra in 60 landen.