Elektrisk isolerte rullelager

Beskyttelse mot bæreskader forårsaket av elektrisk strøm

Steyr, Østerrike, mars 2015.Elektrisk isolerte rullelager har elektrisk isolasjon som er innebygd i lageret, og gir pålitelig beskyttelse mot strømpassasje og elektrisk korrosjon. Typiske bruksområder er elektriske motorer, generatorer og andre elektriske maskiner. Den østerrikske produsenten NKE Austria GmbH tilbyr elektrisk isolerte rullelager i flere versjoner. I denne artikkelen forklarer Klaus Grissenberger, applikasjonsingeniør hos NKE, årsakene til passering av elektrisk strøm gjennom rullende lagre, skadesymptomer og motmålinger, egenskaper og produksjonsprosesser for elektrisk isolerte lagre.

NKE SQ77E dypsporet kullager med isolasjon på innerringen.

En forskjell i elektrisk potensial mellom ytre og indre ring av et rullende lager kan føre til en skadelig elektrisk strøm som permanent skader lagerets løpebaner og svekker dets kjøreegenskaper. En strømstrøm resulterer i elektrisk utladning i kontaktsonen mellom rulleelementene og den indre eller ytre ringen. Dette fører igjen til lokal smelting av overflatene. Resultatet: pitting, materialoverføring og lokal mikrostrukturell skade gjennom termisk spenning. I det minste er et veldig tynt lag av erodert overflate herdet, noe som gjør det ekstremt hardt og utsatt for sprekker. Denne prosessen kalles elektrisk korrosjon og påvirker ofte lagre i elektromekaniske applikasjoner, for eksempel generatorer og elektriske motorer, men også maskiner som drives av elektriske motorer, for eksempel pumper og girkasser. I tillegg gjør det elektriske utladet smøremiddelet ubrukelig. Basisoljen og tilsetningsstoffene som finnes i smøremidlet oksiderer, noe som resulterer i den karakteristiske svarte fargen på smøremidlet. For tidlig aldring svekker smøremidlets evne til å danne et skillelag mellom metalloverflatene permanent. Lagringens skadede funksjonelle overflater og tap av smørevirkningen resulterer i et raskt tap av lagringens funksjonalitet.

Mulige årsaker til uønsket gjennomføring av elektrisk strøm gjennom rullende lagre

Fig. 1a

Fig. 1b

Nåværende passasje har ført til en dannelse av kratre / fløyter på den indre ringbanen (fig. 1a) og sideoverflaten til rulleelementene (fig. 1b) til et sylindrisk rullelager.

De viktigste årsakene til dagens utslipp er kjent. Asymmetrier i magnetisk strøm av en elektrisk maskin gir opphav til en lavfrekvensspenning mellom akselen og huset, noe som resulterer i en strøm av strøm gjennom valselagrene. En slik strømføring kan også være resultat av bruk av uskjermede asymmetriske elektriske kabler hvis jordforbindelsen til maskinen er ineffektiv. En annen årsak er bruken av frekvensomformere: Driftsprinsippet for mange frekvensomformere er basert på pulsbreddemodulasjon (PWM) og genererer høyfrekvent fellesmodusspenning, noe som også resulterer i en passasje av strøm gjennom rullelagrene. Til slutt er også elektrostatisk lading av skaftet og huset fulgt av utladning gjennom rullelagrene en mulig årsak.

Skadesymptomer og mulige tiltak

Typiske tegn på elektrisk korrosjon inkluderer grå, pletterte spor i løpsbanene og på rulleelementflatene. Smeltekrater (fig. 1a og 1b) eller fløting er også synlig, hovedsakelig på banebanene. Skader på grunn av strømutslipp manifesterer seg vanligvis i økt løpestøy.

For å forhindre skader av denne typen anbefales det å isolere bæresetet i huset eller på akselen. Dette innebærer imidlertid ytterligere designtiltak for de omkringliggende delene. En enkel, økonomisk løsning i dette tilfellet er å bruke elektrisk isolerte rullelager fra NKE. Siden nøkkeldimensjonene og ytelsesdataene for de isolerte lagrene er identiske med de for de tilsvarende uisolerte modellene, er det ikke nødvendig med endringer i den generelle utformingen.

Elektrisk isolerte lagre - egenskaper og anvendelse

Elektrisk isolerte lagre fra NKE, betegnet med suffikset SQ77, er utstyrt med et keramisk isolasjonslag av oksid. En oversikt over de forskjellige designvariantene av isolasjonslaget er gitt i tabellen. Elektrisk isolerte rullelager fra NKE har nøyaktig samme ytre dimensjoner og tekniske egenskaper som de tilsvarende uisolerte typene.

De viktigste fordelene med disse lagrene er høyere driftssikkerhet, noe som sikres ved optimal beskyttelse mot elektrisk korrosjon. Elektrisk isolerte lagre er rimeligere enn for eksempel å påføre isolasjon på hus eller sjakter. De er utskiftbare med konvensjonelle lagre fordi de har samme nøkkeldimensjoner og tekniske egenskaper. De gir også redusert risiko for skade og dermed også lengre levetid enn konvensjonelle lagre når de brukes i elektriske maskiner. Når elektrisk isolerte lagre håndteres riktig, er det ingen fare for skade på belegget.

Hovedområdet for elektrisk isolerte lagre består av sylindriske rullelager og dype spor kulelager, men alle andre lagertyper kan også isoleres elektrisk. Bruksområder inkluderer trekkmotorer for jernbanekjøretøyer, elektriske motorer og generatorer, spesielt i forbindelse med hurtigomkoblende frekvensomformere.

Produksjonsprosess og driftsprinsipp for elektrisk isolerte rullelager

For elektrisk isolerte lagre fra NKE påføres det isolerende laget på den ytre ringen (SQ77 eller SQ77C - Fig. 2a) eller den indre ringen (SQ77E eller SQ77H - Fig. 2b) ved plasmasprøyting, en tynnfilmteknologi. Under plasmasprøyting opprettes en elektrisk lysbue mellom to elektroder med en passende gasstilførsel. Plasmastrålen fungerer som et bæremedium for påføring av aluminiumoksydpulver (Al2O3) enten på ytre eller indre ring med høy hastighet. For å oppnå optimal beskyttelse dekker oksydlaget også sideflatene til de sprayede ringer. I det neste prosesstrinn blir laget deretter forseglet for å forhindre penetrering av fuktighet.

Fig. 2a Fig. 2b

Fig. 2a og 2b: For elektrisk isolerte lagre fra NKE påføres det isolerende laget den ytre ringen (SQ77 eller SQ77C - Fig. 2a) eller den indre ringen (SQ77E eller SQ77H - Fig. 2b) ved plasmasprøyting, en tynn- filmteknologi.

Den fysiske effekten av isolasjonslaget avhenger av frekvensen av spenningen som forårsaker de skadelige strømningene i lagrene. Når det gjelder likespenning, har det isolerte lageret Ohmisk motstand. Jo høyere denne motstanden er, jo lavere er den elektriske strømmen. Motstanden til de isolerte lagrene er større enn 50 MΩ, og begrenser dermed den elektriske strømmen til et nivå som ikke kan forårsake skader på lageret.

Når det gjelder vekselstrømspenning er den kapasitive naturen til det isolerte lageret fordelaktig. Lagret oppfører seg deretter på omtrent samme måte som en parallell krets bestående av en motstand og en kondensator med en frekvensavhengig motstand, kalt impedans. Impedansen bestemmer størrelsen på vekselstrømmen som strømmer gjennom lageret for gitte spennings- og frekvensverdier. Også her bør impedansen være så høy som mulig for å redusere strømmen til et nivå som ikke er i stand til å skade lageret.

For å oppnå høye impedansverdier, må motstanden til det isolerende laget være høy, og dens kapasitans må være lav. Dette kan oppnås ved å gjøre isolasjonslaget så tykt som mulig og ved å redusere det totale isolasjonsoverflatearealet. Når det overføres til lagrene, betyr dette at dette laget fortrinnsvis bør påføres boringen i den indre ringen. Imidlertid blir belegget vanligvis påført den ytre diameteren på grunn av kostnader og på grunn av begrensningene i produksjonsprosessen. I de fleste tilfeller resulterer dette fortsatt i mer enn tilstrekkelig beskyttelse mot skade på grunn av elektrisk korrosjon. En annen viktig egenskap ved belegget er dens dielektriske styrke. Avhengig av deres versjon har lagrene fra NKE en dielektrisk styrke på minst 1000 V eller 2000 V.

Forfatter:

Klaus Grissenberger, applikasjonsingeniør, NKE Austria GmbH.

Bord:

Oversikt over designvariantene av elektrisk isolerte NKE-rullelager:

Firmainformasjon:

NKE Austria GmbH er en bærende produsent med hovedkontor i Steyr, Østerrike. Selskapet med rundt 140 ansatte ble stiftet i 1996 av en gruppe ledende ansatte i det tidligere selskapet Steyr Wälzlager. NKE produserer standard og spesielle lagre for alle industrielle applikasjoner. Ingeniørvitenskap, produktutvikling, produksjon og sluttbehandling av komponenter, modulær montering, kvalitetssikring, logistikk, salg og markedsføring - er sentralisert ved NKEs hovedkvarter i Steyr, Østerrike. Fabrikken i Steyr er sertifisert i henhold til ISO 9001: 2008, ISO 14001: 2004 og OHSAS 18001. Det brede utvalget av standardlager er tilgjengelig på lager eller ved kort produksjonstid. NKE leverer også skreddersydde produkter og løsninger. I tillegg til produktutvikling og applikasjonsteknikk leverer NKE et komplett spekter av tekniske, konsulent-, dokumentasjons- og opplæringstjenester. NKEs produkter distribueres gjennom 15 internasjonale representasjonskontorer og mer enn 240 distribusjonssteder i 60 land.