Zoeken

Stroomdoorgang in kogellagers

In theorie is in een elektrische 3-fasen-machine het magnetisch veld symmetrisch, maar in de praktijk is dat niet zo. Door fabricageprocedures of -beperkingen, of door bewuste keuzes van de ontwerper, kan er asymmetrie in het magnetische circuit ontstaan.

Daarbij moet onderscheid worden gemaakt in twee types destructieve lagerstromen:

  • Circulerende (inductieve) stromen
  • Statische (capacitieve) ontladingsstromen, naar aarde
     

Mogelijk vervroegde lagerschade door verhoogde as-stroom

In de as van de rotor wordt door deze asymmetrie over de uiteinden een wisselspanning geïnduceerd. Vrijwel elke elektrische machine heeft een as-spanning (variërend van 10 mV tot 1 V). Deze as-spanning is geen enkel probleem voor de goede werking van een elektrische machine.

Indien de isolerende werking van het lagervet of de oliefilm niet hoog genoeg is, kan er een (as)stroom (10 mA - 1 A/50 Hz - 1000 Hz) gaan circuleren. Van de as naar het lager aan de aandrijfzijde, naar het motorframe, naar het lager aan de niet-aandrijfzijde en terug naar de as. Indien deze as-stroom ongeveer 100 mA of meer is, dan is vervroegde lagerschade onvermijdelijk.

Aangezien de isolatie van het lagervet of de oliefilm niet betrouwbaar is voor een schadevrij bedrijf van de kogellagers, kan men een geïsoleerd lager toepassen (meestal aan de niet-aandrijfzijde) om de as-stroom permanent te onderbreken.
 

Langzaam optredende lagerschade door capacitieve ontlaadstroom

De rotor is capacitief gekoppeld met de stator-wikkeling. In combinatie met de isolerende smeerfilm in het lager kan hier een spanning opgebouwd worden die over de lagers kan ontladen naar aarde, met als gevolg langzaam optredende lagerschade. Dit fenomeen komt typisch voor bij motoren van 30 kW tot 100 kW.

Deze ontlaadstroom erodeert het metaal in het lager. Een remedie hiervoor is het monteren van twee geïsoleerde lagers of de montage van een koolborstel op de motor-as, waarmee de lagers beschermd worden tegen dit soort lagerstromen.

Een modern alternatief voor de koolborstel is een Aegis-ring.

Het toerental speelt hier nog wel een rol. Hoe hoger het toerental, des te dikker de smeerfilm in het lager en des te hoger daardoor de capaciteit. Zo kan een hogere oplaadspanning ontstaan. Indien vervolgens ontlading plaatsvindt, ontstaat er een grotere beschadiging in het lager.

Ook lagerschade door hoogfrequente ontlaadstroom

Door het wereldwijd grootschalig toepassen van frequentieomvormers (FO‘s) is lagerschade door stroomdoorgang weer prominent op de voorgrond gezet.

Een FO produceert een nieuw 3-fasen-draaistroomnet, met een nieuwe spanning en een nieuwe frequentie, waardoor het toerental van aandrijvingen regelbaar is. De FO realiseert dit door voortdurend en razendsnel gelijkspanning te schakelen tussen de drie fasen (wikkelingen) van een elektromotor.

Dit voedingssysteem is doorgaans wel symmetrisch, maar helaas momenteel niet. Op zich is dit niet erg, maar door inductieve koppeling met de rotor wordt in de motor-as een hoogfrequente pulsvormige as-spanning geïnduceerd.

Door de hoge frequentie van deze as-spanning (2 kHz tot 10 kHz) werken ook hier de smeerfilm of oliefilm en de lagerisolatie niet meer als isolerende weerstand, maar als geleidende condensator. Er kunnen hoogfrequente as-stromen gaan circuleren, met lagerschade tot gevolg (doorgaans na 1000 tot 10.000 draaiuren).

Smeerfilm Lager - Condensator

 

Hoogfrequente circulatiestroom en lekstromen

De werking van een FO is als volgt: eerst wordt de inkomende 3-fasen-spanning gelijkgericht (de’ common mode’-spanning). Door gebruik te maken van snel schakelende componenten (IGBT’s) wordt van deze gelijkspanning een blokvormige 3-fasen-spanning gemaakt. Tijdens dit proces ontstaan er lekstromen, die via de FO naar de motor en via aarde weer terug naar de ingang van de FO circuleren.

Doordat deze lekstromen een zekere stijgtijd hebben en een ‘overshoot’ is een FO feitelijk een continue isolatietester.

Zorg in dit geval wel voor een goede aarding van de stator. Eventueel kan een dU/dt filter ( > 100 kW) hier ook soelaas bieden.

Een andere aanbeveling van groot belang is de juiste symmetrische afscherming en montage van de motorvoedingskabel. Er lekt dan meer ‘common mode’-piekstroom weg via de capaciteit van de kabel dan dat er in de motor terechtkomt.

Common Mode Piekspanning

 

Er bestaat geen gouden combinatie van een elektromotor en FO voor minimale schade aan de lagers door stroomdoorgang. Door de grote spreiding aan isolatiekarakteristieken van de verschillende merken kan het gebeuren dat bij de ene motor wel vervroegde lagerschade optreedt en bij een andere identieke motor niet, of veel later. Pas in ieder geval altijd minimaal een sinusfilter toe.
 

Effect van ‘common mode’-filter op lagerschade

De remedie tegen de as-stroom en de lekstroom naar aarde is een ‘common mode’-filter (chokes). Dit bestaat uit een zogenoemde ferrietkern, die bestaat uit ringen van een hoog magnetisch materiaal. Hierdoor worden de drie fasen gevoerd van de kabel tussen de elektromotor en de FO.

Indien de 3-fasen-stromen gelijk zijn (symmetrisch, waarbij de resultante nul is), dan wordt er geen magnetisch veld opgewekt in de ferrietkern. Indien er een lekstroom naar aarde vloeit, is er geen symmetrie en wordt er een magnetisch veld opgewekt. Hierdoor wordt er in de ferrietkern een spanning opgewekt, die een magnetisch veld opwekt die de heersende ‘common mode’-spanningspiek reduceert, waardoor de standtijd van het lager verlengd wordt.

Naarmate het motorvermogen toeneemt, neemt ook de ‘common mode’-stroom toe en daarmee ook de kans op lagerschade. Daarom worden ‘common mode’-filters bij grote vermogens standaard toegepast (bv. 500 kW).

Door het steeds sneller schakelen van de nieuwste FO’s, waardoor ook weer de ‘common mode’-stroom toeneemt, moet echter wel de kW-grens naar beneden worden bijgesteld (bv. 100 kW). Mede hierdoor ontstaan bij vervanging van oude (tamme) FO’s door moderne ‘snelle’ en compacte versies ineens serieuze bedrijfszekerheidproblemen. Het devies hier is: bezuinig niet op een ‘common mode’-filter!

bearing currents in a nutshell

Neem contact op met de specialisten van Elektromotoren De Vier in Amsterdam voor meer informatie over de stroomdoorgang in kogellagers en mogelijke lagerschade.