Mit Hybridlagern in die Elektromobilität von morgen

26.02.2019

Wälzlager in elektrischen Maschinen und Antrieben sind besonders anfällig für Stromdurchgänge, die durch Potenzialunterschiede innerhalb der Maschine entstehen. Üblicherweise werden in diesen Anwendungen stromisolierte Wälzlager verwendet, die mit Oxidkeramik auf dem Außen- oder Innenring beschichtet worden sind. In Abhängigkeit von der Schichtstärke werden die Lager damit gegen Gleichspannungen von 500 bis 3.000 Volt isoliert.

elektrotechnisches Schaubild der Stromisolation Ed= Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums / R= ohmscher Widerstand der Beschichtung / Xc= kapazitiver Wiederstand

Die Stromisolationsschicht wirkt dabei wie eine Parallelschaltung eines Kondensators und eines ohmschen Widerstands im Gleichstromkreis. Abbildung 1 verdeutlich diesen Zusammenhang. Die zulässigen Isolierspannungen ergeben sich somit aus der Durchschlagsspannung des Kondensators.

Xc = kapazitiver Widerstand / f = Drehfrequenz des Stroms / C = Kapazität der Beschichtung

Im Gegensatz zum Gleichstromkreis wirkt sich der kapazitive Widerstand im Wechselstromkreis ausschlaggebend auf die stromisolierenden Eigenschaften der Beschichtung aus. Die Formel zur Berechnung des kapazitiven Widerstands zeigt, dass bei steigenden Frequenzen der Widerstandswert abnimmt.

Moderne Antriebskonzepte im Schienenfahrzeug- und Maschinenbau setzen auf die gut regelbaren Drehstrommotoren. Diese Motoren arbeiten mit Wechselstrom und werden über eine Frequenzsteuerung geregelt. Somit ist es bspw. möglich Drehtische in Werkzeugmaschinen winkelgenau auszurichten, Güter und Personenzüge grenzüberschreitend
in unterschiedlichen Bahnstromnetzen ohne Fahrzeugtausch fahren zu lassen und kompakte sowie materialschonende Antriebe zu verbauen.

Hybrid-Kugellager und Hybrid-Zylinderrollenlager (KRW Nachsetzzeichen HC5)

Aufgrund der steigenden Frequenzsteuerung entstehen hochfrequente Wechselströme, die technisch bedingt im Normalfall nicht umgeleitet werden können und dazu führen, dass es trotz der bewährten Stromisolationsschicht physikalisch bedingt zu Stromdurchgängen und zu Beschädigungen des Wälzlagers kommen kann. Aus diesem Grund werden in ebendiesen Motoren Hybridlager eingesetzt. Diese speziellen Lager bestehen aus keramischen Wälzkörpern und herkömmlichen Wälzlagerringen aus Stahl. Bei den Wälzkörpern handelt es sich dabei überwiegend um Zylinderrollen und Kugeln aus Siliziumnitrid. Da sich dieses Siliziumnitrid durch einen großen spezifischen elektrischen Widerstand auszeichnet, können Hybridlager überall da eingesetzt werden, wo die klassische Beschichtung aufgrund von kapazitiven Strömen versagt.

Neben einer längeren Restlaufzeit bei Schmierungsausfall weisen Hybridlager weitere positive Eigenschaften auf: aufgrund der geringeren Dichte erreichen Hybridlager eine höhere Drehzahl und eine geringere Betriebstemperatur. KRW bietet Hybridlager sowohl in Standardals auch in Sonderdimensionen an.

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