In diesem Artikel beschäftigen wir uns mit elektrisch isolierten und amagnetischen Keramiklagern und zeigen im Detail, wie ein Keramiklager auch in diesem Bereich wieder eine effektive Lösung sein kann.
Vollkeramische Lagers können eine äußerst wirksame Lösung für alle Anwendungen sein, in denen das Lager vor magnetischen Feldern oder parasitären elektrischen Strömen geschützt werden muss.
Parasitäre elektrische Ströme können für ein Stahl‑Lager sehr gefährlich sein, da aufgrund des sogenannten Spitzen‑ oder Paschen‑Effekts in einem elektrisch leitfähigen Material das elektrische Feld in Bereichen mit stärkerer Krümmung verstärkt wird. Eine Erhöhung des elektrischen Feldes kann zu elektrischen Durchschlägen oder sogar zu einem tatsächlich messbaren Strom im Kontaktbereich zwischen Wälzkörper und Laufbahn führen. Die Wirkung dieser Entladungen auf den Stahl kann äußerst negativ sein: Sie verursachen Erosion und Verschleißerscheinungen, die das Lager in kurzer Zeit funktionsuntüchtig machen und damit teure außerplanmäßige Wartungsaufwendungen und längere Stillstandzeiten nach sich ziehen.
Zudem wirken parasitäre Ströme auch negativ auf die im Lager verwendeten Schmierstoffe. Sie führen zu Oxidationen und zum Verlust der chemischen Eigenschaften, wodurch die Lebensdauer des Schmiermittels und des Lagers selbst weiter verkürzt und die Wartungskosten erhöht werden
Die häufigsten Situationen, in denen parasitäre elektrische Ströme auftreten können, sind die folgenden:
1. Bahntraktionsmotoren, Elektromotoren oder Generatoren
In Achsen‑ und Traktionsmotoren von Schienenfahrzeugen sowie in Gleichstrom‑ und Wechselstrommotoren oder elektrischen Generatoren kann es passieren, dass die Ströme, die im Inneren fließen oder erzeugt werden, nicht ausreichend begrenzt oder abgeleitet werden und einen Teil ihres Weges über die Lagers der Antriebswelle nehmen. Dies führt dazu, dass diese Ströme durch das Lager selbst fließen.
2. Lichtbogenschweißen
Beim Lichtbogenschweißen werden zwei Metallteile durch einen elektrischen Lichtbogen verbunden. Wenn sich in der beteiligten Ausrüstung Lagers befinden, können die durch den Schweißlichtbogen verursachten Ströme über diese Lagers abgeleitet werden, was zu elektrischer Erosion und Schäden an Laufbahnen und Kugeln führen kann.
3. Magnetfelder
Nach einem physikalischen Prinzip der Elektrodynamik entstehen in einem Leiter, der magnetischen Wechselfeldern ausgesetzt ist, elektrische Ströme (Wirbelströme). Da der für Lagers verwendete Stahl leitfähig ist, können sich in einem Lager, das in einem solchen Feld liegt, ebenfalls elektrische Ströme bilden. Diese können zu Mikroschweißungen, Materialabtrag und verkürzter Lebensdauer führen.
Um die Auswirkungen dieser parasitären Ströme auf Lagers zu begrenzen, werden im Wesentlichen zwei Lösungsansätze eingesetzt: elektrische Isolierung außerhalb des Lagers oder der Einsatz elektrisch isolierter Lagers. Beide Varianten werden im Folgenden näher erläutert.
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Elektrische Isolierung außerhalb des Lagers
In diesen Fällen wird nicht am Lager selbst gearbeitet, sondern an der es aufnehmenden Struktur. Die Abschirmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass Welle oder Lagerbock isoliert werden oder, soweit möglich, eine hochleitfähige elektrische Verbindung zwischen der beweglichen und der feststehenden Teilen des Geräts oder der Maschine geschaffen wird. Diese Lösung ist häufig mit hohen Kosten und manchmal praktisch unlösbaren konstruktiven Schwierigkeiten verbunden.
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Elektrisch isolierte Lagers
Bei diesen Lagern werden die Außenflächen durch einen zweifachen Prozess geschützt: Zunächst wird ein Schicht aus Aluminiumoxid mittels Plasmaspray aufgetragen, anschließend erfolgt eine Versiegelung, um den Schutz vor Feuchtigkeit zu gewährleisten. Das Doppelbehandlungsverfahren ist notwendig, weil die durch das Plasmaspray erzeugte Aluminiumoxid‑Schicht porös ist. In Gegenwart von Feuchtigkeit – sowohl bei Lagerung als auch im Betrieb – können sich Wasser oder Wasserdampf in den Poren ansammeln, elektrisch leitende Brücken bilden und die Isolationswirkung der Aluminiumoxidschicht zunichtemachen. Die anschließende Harzversiegelung füllt die Poren mit einem elektrisch isolierenden und feuchtigkeitssperrenden Material und eliminiert diesen Effekt.
Ein möglicher Nachteil dieser Lagerart liegt in der thermisch isolierenden Eigenschaft des Aluminiumoxids. Die Schutzschicht kann die Wärmeabfuhr aus dem Kontaktbereich zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen behindern, zu einer höheren Temperaturentwicklung führen und damit eine schnellere Lagerbeanspruchung und verkürzte Lebensdauer begünstigen.
Die Verwendung von Lagers aus keramischem Werkstoff kann eine sinnvolle und oft wirksamere Alternative zu den oben dargestellten Lagers darstellen.
Es sind zwei Konfigurationen möglich:
- Hybridlagers: Lagerringe aus Stahl und Wälzkörper aus Keramik
- Vollkeramische Lagers: sowohl Ringe als auch Wälzkörper aus keramischem Werkstoff
In beiden Fällen wird die elektrische Isolierung durch die keramischen Wälzkörper erzielt, die den Durchfluss parasitärer Ströme zwischen dem inneren und dem äußeren Lagerring unterbinden.
- Die Entscheidung zwischen Hybrid‑ und Vollkeramikvariante hängt von funktionellen und wirtschaftlichen Aspekten ab:
- Die Tragfähigkeit eines Hybridlagers ist geringer als die eines vergleichbaren Stahl‑Lagers.
- Die Tragfähigkeit eines vollkeramischen Lagers entspricht mindestens der eines Stahl‑Lagers und ist damit höher als die eines analogen Hybridlagers.
- Die maximale Drehzahl eines Hybridlagers liegt etwa um 20 % über der eines vergleichbaren Stahl‑Lagers.
- Die maximale Drehzahl eines vollkeramischen Lagers kann um 20–30 % über der eines analogen Hybridlagers liegen.
- Die Schmierung ist in einem vollkeramischen Lager weniger kritisch als in einem Hybridlager.
- Die Temperatur eines vollkeramischen Lagers bleibt bei gleichen Betriebsbedingungen unter der eines analogen Hybridlagers.
- Vollkeramische Lagers sind chemisch inert, während Hybridlagers anfällig für Korrosion an den Stahlringen bleiben.
- Vollkeramische Lagers können in Umgebungen mit deutlich höherer Temperatur eingesetzt werden als Hybridlagers.
- Vollkeramische Lagers sind vollständig amagnetisch.
In jedem Fall können keramische Lagers – insbesondere die vollkeramischen – eine gewinnbringende Lösung sein, da sie die Leistung der Maschine verbessern und die Wartungsintervalle sowie die zugehörigen Kosten reduzieren.
