Methodik zur praxisnahen Charakterisierung von elektrischen Schmierstoffeigenschaften zur Verbesserung der rechnerischen Vorhersage von Lagerströmen - Schädlicher Stromdurchgang 2

Bei drehzahlveränderbaren umrichtergespeisten elektrischen Antrieben kommt es aufgrund des Gleichtaktanteils der Umrichterausgangsspannung ggf. zu schädlichem Stromdurchgang in den Wälzlagern der E-Motoren und gekuppelten Getriebe und Geber. Dies kann zu frühzeitigen Lagerausfällen führen, da die Rauheit der Oberfläche der Wälzkörper und der Laufbahn der Lagerinnen- und Außenringe unzulässig zunimmt.

Dabei werden schädliche Entladeströme (EDM-Lagerströme) sowie hochfrequente, mit Taktfrequenz auftretende Kreis- und Rotorerdströme unterschieden. Im Projekt FVA 650 II wurden die elektrischen Eigenschaften der im Lager eingesetzten Schmierstoffe untersucht, da gegenüber den herkömmlichen hochohmigen Schmierstoffen um mehrere Zehnerpotenzen niederohmige Schmierstoffe die Durchschlagsströme deutlich verringern. Es wurde an der Technischen Universität Kaiserslautern, Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik, ein Gerät zur erweiterten Schmierstoffanalyse (GESA) als eine Modifikation des handelsüblichen Vierkugelapparats entwickelt, mit dem Messungen der Wälzlagerimpedanz am rotierenden Axialrillenkugellager bei unterschiedlicher Befettung möglich sind. Es werden damit die elektrischen Schmierstoffparameter „relative Permittivität“, „spezifischer elektrischer Widerstand“ und „elektrische Durchschlagfeldstärke“ bei realen Betriebsbedingungen wie Lagertemperatur, Lagerkraft und Drehzahl messtechnisch bestimmt, um Lagerschmierstoffe elektrisch zu klassifizieren. Die entwickelte Prüfmethodik wurde an hochohmigen und niederohmigen Musterschmierstoffen und gängigen Schmierstoffen einiger Projektpartner-Firmen angewendet.

Begleitende Schmierstoffuntersuchungen in zwei kommerziell erhältlichen elektrischen Prüfkondensatoren und bei zwei externen Prüflaboren validierten die Messergebnisse aus den GESA-Untersuchungen, sind aber für sich alleine zu wenig aussagekräftig, da der reale Wälzkontakt fehlt. Die Wirkung hoch- und niederohmiger Schmierfette auf die Lagerschädigung im realen Antriebssystem, bestehend aus handelsüblichen Umrichtern und vierpoligen Käfigläufer-Asynchronmaschinen, wurde begleitend an der TU Darmstadt, Institut für Elektrische Energiewandlung, für die zwei Bemessungsleistungen 1,5 kW und 11 kW in 300-Stunden-Kurzzeitversuchen und 1000-Stunden-Dauerversuchen untersucht. Kreisströme traten im untersuchten Drehzahlbereich bis 3000 min-1 wegen der relativ kleinen E-Motoren prinzipbedingt nicht auf, doch ist deren Schädigungswirkung ähnlich wie bei Rotorerdströmen, wie aus dem Vorgängerprojekt FVA 650 I bekannt ist.

Die niederohmigen Schmierstoffe verringerten die Entladeströme um ca. 30 % und schützten dadurch die Lager in ausreichendem Maße vor der schädlichen Riffelbildung. Falls der Rotor der E-Motoren deutlich niederohmiger geerdet ist als der Stator (was in der Praxis fallweise vor allem bei Getriebemotoren durch den Parasitärstrompfad über das Getriebe vorkommen kann), und fließt der Rotor-Erd-Strom über das Lager, so treten ggf. deutlich höhere Lagerstromdichten als bei den Entladeströmen auf. Diese wurden beim Einsatz niederohmiger Schmierstoffe um etwa den Faktor 2 höher gemessen, aufgrund der dann geringeren Lagerimpedanz. Es trat bei einigen Versuchsmotoren schädliche Riffelbildung auf. Niederohmige Schmierstoffe sollten deshalb gezielt dort eingesetzt werden, wo überwiegend nur mit schädlichen Entladeströmen zu rechnen ist. Weiterhin wurde das Lagerimpedanz-Berechnungsprogramm aus FVA 650 I um die Berechnung von Axialrillen-Kugellagern erweitert, so dass nach Eingabe der Lagergeometrie und der o. g. Schmierfettparameter die Lagerimpedanz bei Vollschmierung für verschiedene hoch- und niederohmige Schmierstoffe sowohl in Radial- als auch in Axialrillenkugellagern analytisch berechnet werden kann.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19161-N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.