Lagerströme im Elektromotor

Das Problem in Kurzform

Ein Frequenzumrichter regelt die Drehzahl eines Motors. Dafür schaltet er die Spannung sehr schnell ein und aus, einige tausend Mal je Sekunde. Das ist gewollt und funktioniert gut. Nebenbei entsteht dabei aber eine Spannung zwischen der Welle und dem Gehäuse des Motors. Die gehört dort nicht hin.

Das Lager sitzt genau zwischen Welle und Gehäuse. Es wird damit ungewollt Teil eines Stromkreises. Zwischen Kugel und Laufbahn liegt ein dünner Fettfilm, dünner als ein Tausendstel Millimeter. Dieser Film wirkt wie ein Isolator, bis die Spannung zu groß wird. Dann springt ein Funke hindurch. Das kann sich viele tausend Mal in der Sekunde wiederholen.

Woher die Spannung kommt

Ein Umrichter schaltet hart. Er legt die volle Spannung in Sekundenbruchteilen an die Wicklung. Die drei Phasen heben sich dabei nicht ganz auf. Es bleibt eine Restspannung, die gegenüber Erde springt. Über winzige Kapazitäten im Motor, etwa zwischen Wicklung und Rotor, gelangt ein Teil davon auf die Welle.

Zwischen Welle und Gehäuse liegt dann nur ein kleiner Teil dieser Spannung an. Das klingt harmlos. Der Fettfilm im Lager ist aber so dünn, dass schon einige Volt genügen können, um ihn zu durchschlagen.

Temperatur und Drehzahl spielen mit, und zwar anders, als man denkt:

• Warm ist nicht automatisch schlimmer. Warmes Fett ist dünnflüssiger. Der Film wird dünner und schlägt schon bei kleinerer Spannung durch, die Funken sind dann aber schwächer. In Versuchen entstanden die Riffel eher bei kaltem Lager und hoher Drehzahl. Dort staut ein dicker Film mehr Spannung auf, bevor er durchschlägt.
• Im Stillstand und bei sehr langsamer Drehung gibt es kaum Funken. Dann berühren sich Kugel und Laufbahn, und der Strom fließt ohne Funken ab. Das ist harmlos, solange der Strom klein bleibt. Funken entstehen erst, wenn ein trennender Fettfilm da ist. Mit steigender Drehzahl wird der Film dicker, und die Gefahr wächst eher.

Drei Arten von Lagerströmen

Das wird selten unterschieden, entscheidet aber darüber, welche Gegenmaßnahme wirkt.

Das hat eine praktische Folge. Gegen den Kreisstrom genügt ein isoliertes Lager, meist auf der Seite ohne Antrieb. Dann ist die Schleife offen. Gegen den Funkenstrom genügt das nicht. Beide Lager liegen an derselben Spannung, und jedes bietet einen eigenen Weg. Deshalb gehören hier beide Lager getauscht, zum Beispiel gegen zwei Hybridlager. Gegen den Rotor-Erdstrom helfen eine gute Erdung, eine isolierte Kupplung oder zwei isolierte Lager.

Sehr große Maschinen kennen außerdem Wellenspannungen durch magnetische Unsymmetrie, auch ganz ohne Umrichter. Die lassen wir hier beiseite.

Wie der Schaden entsteht

Der Ablauf hat meist vier Stufen:

1. Aufladen. Zwischen Welle und Gehäuse baut sich Spannung auf. Der Fettfilm isoliert noch.
2. Durchschlag. Die Spannung wird zu groß. Ein Funke springt an der engsten Stelle des Films über und schmilzt eine winzige Menge Stahl auf.
3. Krater. Der geschmolzene Stahl erstarrt sofort wieder und hinterlässt einen winzigen Krater. Einzeln ist er bedeutungslos. In dichter Folge wird die Laufbahn matt und grau.
4. Wellenmuster. Millionen solcher Krater ergeben mit der Zeit ein gleichmäßiges Muster quer zur Laufrichtung. Es sieht aus wie ein Waschbrett. Fachleute nennen es Riffelbildung.

Warum am Ende ein gleichmäßiges Muster steht und keine zufällige Rauheit, ist im Detail noch nicht geklärt. Die gängige Erklärung: Die Kraterränder stören den Lauf und bringen die Kugeln zum Schwingen. Weitere Funken treffen dann bevorzugt dieselben Stellen. Das Lager schleift sich sein eigenes Waschbrett.

Ab dem Punkt, an dem die Wellen sichtbar sind, geht es schnell. Die Kugeln rattern über die Wellen. Das erzeugt Schwingungen, zerstört den Fettfilm zusätzlich und macht Lärm. Bald darauf fällt das Lager aus.

Woran man es erkennt

Lagerströme hinterlassen ein typisches Bild. Wer weiß, worauf er achten muss, erkennt es meist ohne Messgerät:

• Ein lauteres, oft singendes oder pfeifendes Geräusch. Es klingt anders als normales Lagerrumpeln.
• Ein gleichmäßiges Wellenmuster in der Laufbahn, sichtbar nach dem Zerlegen. Regelmäßig wie ein Waschbrett und quer zur Laufrichtung. Ein ähnliches Muster kann selten auch von Schwingungen kommen.
• Eine matte, graue Laufspur im Frühstadium, bevor sich Wellen bilden. Unter dem Mikroskop sieht man dichte kleine Krater statt einer glänzenden Fläche.
• Schwarzes, verbrannt wirkendes Fett. Die Funken zersetzen den Schmierstoff.
• Beide Lager betroffen, aber unterschiedlich stark. Welche Seite stärker leidet, hängt von Stromart und Erdung ab.
• Der Schaden kam nach einem Umbau. Der Klassiker: Der Motor lief jahrelang direkt am Netz, dann kam ein Frequenzumrichter dazu, und wenige Monate später ist das Lager hin.

Was dagegen hilft

Es gibt mehrere Wege. Sie unterscheiden sich stark in Aufwand und Wirkung. Grob gilt: Man kann den Strom entweder ableiten oder unterbrechen.

Mit Stahllagern

Mit Hybridlagern

Warum Hybrid meistens reicht

Strom braucht einen geschlossenen Weg. Beim Funkenstrom gibt es zwei Wege, je einen über jedes Lager. Beide müssen unterbrochen sein. Das leisten zwei Hybridlager: Die Keramikkugel sitzt zwischen Innen-  und Außenring und leitet nicht. Beim Kreisstrom genügt eine Unterbrechung, dort reicht ein Hybridlager auf der Seite ohne Antrieb.

Warum dann nicht einfach ein beschichtetes Lager? Schnell wechselnder Strom kommt auch durch dünne Isolierschichten hindurch, so wie durch einen Kondensator. Beim beschichteten Lager ist die Keramikschicht auf dem Ring rund 0,1 bis 0,2 mm dick und bedeckt eine große Fläche. Das ergibt einen großen Kondensator. Beim Hybridlager steckt die Keramik in den dicken Kugeln, und die berühren die Ringe nur auf kleinen Flächen. Schaeffler gibt für seine Hybridlager rund ein Hundertstel der Kapazität eines beschichteten Lagers an. Das ist der eigentliche Vorteil.

Dazu kommt das Praktische: Ein Hybridlager hat dieselben Maße wie das Stahllager, das es ersetzt. Kein Umbau, kein zusätzliches Bauteil, längere Schmierfristen. Und weil die Ringe aus Stahl bleiben, bleibt die dynamische Tragzahl dieselbe. Man tauscht die Lager, und die Funken in den Lagern hören auf.

Vollkeramik wäre hier zu viel des Guten. Sie isoliert zwar noch besser, kostet aber deutlich mehr und trägt weniger, beim 6000 aus Zirkonoxid rund ein Drittel weniger, wie im Beitrag Hybrid oder Vollkeramik nachgerechnet. Für ein reines Stromproblem gibt es keinen Grund dazu.

Wann Hybrid nicht die Antwort ist

Damit hier nichts falsch ankommt: Nicht jeder Lagerschaden an einem Umrichtermotor kommt vom Strom. Bevor Sie Geld für Hybridlager ausgeben, schließen Sie die einfachen Ursachen aus:

• Ausrichtfehler. Ein schief stehender Antrieb zerstört Lager zuverlässig, ganz ohne Elektrik. Das Schadensbild ist dann einseitig und ohne Wellenmuster.
• Falsches oder altes Fett. Laut SKF geht rund ein Drittel der vorzeitigen Lagerausfälle auf die Schmierung zurück.
• Schwingungen von der Maschine. Unwucht am Lüfter, an der Pumpe, am Getriebe.
• Zu straffer Riemen. Belastet das nächstgelegene Lager dauerhaft zu stark.

Fehlen Wellenmuster und matte, graue Laufspur, ist Strom als Ursache unwahrscheinlich. Dann bringt ein Hybridlager wenig. Im Zweifel lassen Sie die Laufbahn unter dem Mikroskop prüfen.

Wie Sie vorgehen

1. Schadensbild ansehen. Lager zerlegen, Laufbahn prüfen, Fett prüfen. Wellen quer zur Laufrichtung und schwarzes Fett sind starke Hinweise.
2. Andere Ursachen ausschließen. Ausrichtung, Fett, Riemen, Schwingungen.
3. Motorkabel prüfen. Ist es symmetrisch aufgebaut, geschirmt und beidseitig sauber aufgelegt? Wenn nicht, zuerst das in Ordnung bringen. Das kostet wenig und hilft oft schon spürbar.
4. Stromart beachten. Bei kleinen und mittleren Motoren überwiegen Funkenströme. Dann beide Lager tauschen. Bei großen Motoren kommen Kreisströme dazu. Dagegen hilft ein isoliertes Lager auf der Seite ohne Antrieb. Je nach Erdung kommt auf der Antriebsseite eine Maßnahme dazu.
5. Hybridlager einsetzen. Die Grundbezeichnung bleibt, dazu kommt ein Kennzeichen für die Keramikkugeln. Bei Schaeffler steht HC davor, bei SKF HC5 dahinter, bei uns heißen die Artikel HYS und HYE. Die Lagerluft des alten Lagers übernehmen, im Motor meist C3. Was beim Tausch sonst zu prüfen ist, steht in der Checkliste Von Stahl auf Hybrid umrüsten.
6. Nach einigen Monaten prüfen. Messen Sie die Wellenspannung und achten Sie auch auf die Lager der angetriebenen Maschine. Ein leiser Motor allein beweist wenig, denn auch das alte Lager lief anfangs leise.

Häufige Rückfragen