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Elektrische Antriebe Schutz vor Elektro-Erosion durch Motorlagerströme

Von Andreas Heim 5 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

FAULHABER Antriebssysteme
ET System electronic GmbH
MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Frequenzumrichter bieten in elektrischen Antriebssystemen viele Vorteile, können jedoch auch hochfrequente, asymmetrische Störströme durch die Motorlager verursachen, die dort zu Schäden und vorzeitigem Ausfall führen. Stromkompensierte Ringbandkerne aus nanokristallinen Werkstoffen schützen effizient gegen solche leitungsgebundenen Störungen und ihre Folgen.

Bild 1: Bei der elektrischen Entladung von Störströmen erzeugt deren Energie einen Funkendurchschlag und die Bildung von Lichtbögen. Die Folge sind herausgeschmolzene Mikrokrater und Partikel, die sich auf den Laufflächen als Waschbrett- oder Zebra-ähnliche, graue Riffelungen erkennen lassen.(Bild: Magnetec)
Bild 1: Bei der elektrischen Entladung von Störströmen erzeugt deren Energie einen Funkendurchschlag und die Bildung von Lichtbögen. Die Folge sind herausgeschmolzene Mikrokrater und Partikel, die sich auf den Laufflächen als Waschbrett- oder Zebra-ähnliche, graue Riffelungen erkennen lassen.
(Bild: Magnetec)

Mehr Energieeffizienz, höhere Leistungen und eine bessere Regelbarkeit sind wesentliche Gründe, weshalb immer mehr elektrische Antriebssysteme mit Frequenzumrichtern betrieben werden.

Die Verkabelung solcher Umrichter-Motor-Systeme erfolgt sehr oft ausschließlich mit geschirmten 3-Phasen-Kabeln. Bei EMV-gerechtem Anschluss können diese Kabel zwar gestrahlte Störungen der Dreiphasen-Wechselspannung von anderen Systemen abschirmen – sie schützen aber nicht vollständig vor leitungsgebundenen Störungen wie den Überspannungen, die von Schaltvorgängen im Frequenzumrichter verursacht werden. Als asymmetrische Störströme im Bereich von etwa 300 kHz bis 400 kHz fließen sie vom Frequenzumrichter zum Motor. Bevor sie ihren niederimpedanten Rückweg über Masse und Erde antreten, koppeln die Störströme im Motor vom Stator und Rotor über – quasi wie bei einem Kondensator.

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Von dort fließen die Ströme in der Kontaktzone von Rotor und Gehäuse durch die abtriebs- und lüfterseitigen Lager. Dabei kommt es vom Innenring über die Kugeln zum Außenring zu einer elektrischen Entladung, deren Energie zu Funkendurchschlag und der Bildung von Lichtbögen führt. Bei diesem Vorgang wird hohe punktuelle Wärmeenergie frei, welche die Lagerlaufflächen jeweils am Übergangspunkt aufschmilzt.

Stromdurchgang verursacht Elektro-Erosion in Lagern

Als Folge entstehen an diesen Punkten Mikrokrater und lose Kleinstpartikel geschmolzenen Materials. Im Mikroskop werden diese filigranen Folgen der Elektro-Erosion sichtbar – ohne Mikroskop deutet eine matte, gräuliche Lauffläche die Folgen des Stromdurchgangs an. Im weiteren Betrieb lassen sich dann auf den Laufflächen Waschbrett- oder Zebra-ähnliche, graue Riffelungen erkennen, die Folge der herausgeschmolzenen Mikrokrater und Partikel sind (Bild 1).

Der Schadensverlauf im Getriebe wird davon begleitet, dass die Wärmeentwicklung beim Funkendurchschlag den Schmierstoff im Wälzlager zerstört. Das Grundöl verbrennt, Additive verkohlen – es erfolgt eine schnelle Zersetzung des Schmierstoffs. Dieser färbt sich dunkel ein – ein untrüglicher Indikator schneller Alterung, mangelhafter Schmierfähigkeit und verkürzter Lebensdauer. Die Folge ist dann ein vorzeitiger Ausfall des Getriebes – oft um Jahre früher als bei einem rein mechanisch bedingten Verschleiß.

Ringbandkerne kompensieren Störströme

Mit CoolBlue-Ringbandkernen sowie NaLA Nanoperm-Line-Absorbern auf Basis der nanokristallinen Eisenbasislegierung Nanoperm des Herstellers Magnetec (siehe Kasten) lassen sich Gleichtakt- und Gegentakt-Störströme kompensieren und deren negative Auswirkungen auf die Motorlager vermeiden (Bild 2). Die CoolBlue-Ringbandkerne von Magnetec wurden speziell zur Vermeidung der Übertragung leitungsgebundener Störungen in Umrichter-Motor-Systemen mit Systemleistungen von einem Kilowatt bis in den hohen Megawatt-Bereich entwickelt. Im Speziellen absorbieren sie von den Frequenzumrichtern verursachte Gleichtaktstörströme, die im Gegensatz zu den Gegentaktströmen nicht über die Kabel zurückgeführt werden, sondern sich durch den Motor und dessen Lager hindurch den Rückweg über einen Pfad mit niedrigem elektrischem Widerstand suchen.

Zur Absorption der Störungen werden die Ringbandkerne auf einfache Weise möglichst nah am Frequenzumrichter an einer nicht geschirmten Stelle platziert und alle drei Phasen durch den Ring hindurchgeführt. Für den Gleichtaktstrom stellen die Ringbandkerne dabei zugleich eine Induktivität und eine Impedanz dar. Der Strom, der durch das Kabel fließt, erzeugt ein Magnetfeld, das durch die Ringbandkerne gedämpft wird. Deren Größe ist von der Systemleistung abhängig, so dass die CoolBlue-Ringbandkerne über eine Auswahltabelle in ihrer Größe und Anzahl entsprechend dimensioniert werden, damit sie die Störung bestmöglich absorbieren können und nicht zuvor übersteuern. Die in Größe, Durchmesser und Form auswähl- oder dimensionierbaren Kerne werden ausgesteuert und absorbieren die Störungen, wobei die absorbierte Energie der Gleichtaktstörströme in Wärme umgewandelt wird. Auf diese Weise werden die Kugellager wirkungsvoll vor Elektro-Erosion geschützt – und das dauerhaft ohne jeglichen Wartungs- oder Reparaturaufwand für die Ringbandkerne.

Line Absorber schützen vor symmetrischen Strömen

Als Ergänzung zu den CoolBlue-Ringbandkernen in Umrichter-Motor-Systemen bietet Magnetec Nanoperm-Line-Absorber vom Typ NaLA an. Diese reduzieren zwar nicht primär die Gleichtaktstörungen, welche für die Zerstörung der Kugellager verantwortlich sind, verbessern aber die generellen EMV-Eigenschaften im System und schützen somit auch die umliegenden Geräte. Außerdem verringern sie dadurch auch leitungsgebundene Störungen in Richtung Netz (Bild 3).

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Die Ringbandkerne und Line Absorber bewähren sich durch ihr besonderes Absorptionsverhalten bei Gleichtakt- und Gegentakt-Störströmen, ihre einfache Installation und ihre Wartungsfreiheit als wirtschaftliche Lösung zum Schutz von industriellen Umrichter-Motor-Systemen. Damit bieten sie durch ihre verschleiß- und wartungsfreie Breitband-Filterwirkung auch wesentliche Vorteile gegenüber möglichen Alternativen wie im Betrieb abnutzenden Erdungsbürsten, teuren und nur begrenzt wirksamen, stromisolierten Lagern, unwirtschaftlichen Hybridlagern mit Keramikkugeln oder großen und teuren allpoligen Sinusfiltern.

Fazit: Umrichter in elektrischen Antriebssystemen können hochfrequente, asymmetrische Störströme verursachen, die durch die Lager des Motors abfließen, diese dabei beschädigen und somit einen vorzeitigen Ausfall verursachen. Effizienten Schutz gegen solche leitungsgebundenen Störungen und ihre Folgen bieten stromkompensierte CoolBlue-Ringbandkerne aus dem nanokristallinen Werkstoff Nanoperm. Mit NaLA Line Absorbern aus demselben Werkstoff lassen sich zudem auch symmetrische Störströme signifikant unterdrücken.

Beides zusammen bietet einen optimalen Schutz von Umrichter-Motor-Systemen gegen störstrombedingte Motorlagerschäden und erhöht so signifikant die Verfügbarkeit und die Lebensdauer der elektrischen Antriebe in komplexen industriellen Anwendungen, beispielsweise der Chemie- und der Papierindustrie, in der Bahntechnik und der Schifffahrt oder in der Energiegewinnung mit Solar- und Windkraftanlagen. (cg)

Nanoperm – nanokristalline Eisenbasislegierung mit besonderen weichmagnetischen Eigenschaften

Nanoperm ist eine rascherstarrte Eisenbasislegierung, die nach dem Glühen von einer amorphen in eine nanokristalline Struktur mit Korngrößen von 10 Nanometer übergeht. Diese wiederum ist – in Verbindung mit einem deutlichen höheren Lithiumanteil als bei hartmagnetischen Ferritwerkstoffen mit Kristallgitterstruktur – die Ursache für die außerordentlich guten weichmagnetischen Eigenschaften des Werkstoffs, die zudem durch Wärmebehandlung unter Einwirkung von äußeren Magnetfeldern in weiten Bereichen einstellbar sind. Nanoperm wird in einem speziellen Verfahren als Endlos-Bandmaterial mit einer Stärke von 16 µm bis 20 µm hergestellt und erzielt im Gegensatz zu ferritischen Materialien eine breitbandige Entstörungswirkung bis in hohe Frequenzbereiche. Es ist mit >120 °C extrem hitzebeständig und bleibt über den gesamten spezifizierten Betriebstemperaurbereich von -40 bis +200 °C und seiner Curie-Temperatur von etwa 600 °C in seiner Induktivität stabil. Die Permeabilität liegt bis zu Faktor 10 und die Sättigung bis zu Faktor 3 über der von Ferritwerkstoffen. Nanoperm-Band lässt sich zu beliebigen, leichten und kompakten Größen und Bauformen verarbeiten.

Nanoperm-LM-Ringbandkerne werden besonders bei Anwendungen mit hohem Anteil asymmetrischer Störströme (wie Frequenzumrichtern) eingesetzt, beispielsweise als CoolBlue-Ringbandkerne zur Reduzierung von schädlichen Motorlagerströmen. Nanoperm-LC-Ringbandkerne sind kostengünstige Kerne für die Herstellung der ein- oder mehrphasigen stromkompensierten EMV-Drosseln von Magnetec. Sie bieten somit ebenfalls eine exzellente Alternative zu bestehenden Ferrit-basierten Lösungen. Die weichmagnetischen Kerne der Nanoperm-MR-Serie sind mechanisch kompatibel mit gängigen Ferrit-Designs und können in Entstöranwendungen Ferrite ab einer Baugröße von 56 Millimetern eins zu eins ersetzen.

* Andreas Heim ist Head of Sales Industry bei Magnetec

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