Kurzantwort
Ein elektrisch isoliertes Lager und ein elektrisch isoliertes Lagergehäuse bilden jeweils eine physische Barriere, die verhindert, dass elektrische Streuströme durch die Motorlager fließen. Der wesentliche Unterschied liegt darin, wo diese Barriere angeordnet ist.
Ein elektrisch isoliertes Lager trägt die Barriere direkt am Lager, typischerweise als dünne Keramikbeschichtung von 0,1 mm auf dem Innen- oder Außenring. Ein elektrisch isoliertes Lagergehäuse ermöglicht den Einsatz eines Standardlagers. Die Isolierung befindet sich unmittelbar im Lagerschild des Motors oder in der Gehäusebohrung.
Unter den gängigen Verfahren zur elektrischen Isolierung von Motorlagern ist das elektrisch isolierte Lager bei Motoren mit Kugel- und Rollenlagern meist die einfachere Wahl, da es Standardabmessungen aufweist und ohne spanende Nachbearbeitung eingebaut werden kann. Eine Gehäuseisolierung eignet sich für Maschinen mit Gleitlagern sowie für Neukonstruktionen, die eine dickere Isolierbarriere benötigen.
Das Wichtigste im Überblick
- Ein elektrisch isoliertes Lager wird wie ein Standardlager eingebaut und eignet sich deshalb für Reparaturen. Eine Gehäuseisolierung erfordert ein dafür ausgelegtes oder entsprechend bearbeitetes Gehäuse.
- Im Betrieb mit einem Frequenzumrichter sind Dicke und Fläche der Isolierung wichtiger als der Gleichspannungskennwert. Eine dickere Isolierung im Gehäuse bietet häufig ein besseres Verhalten.
- Ein werkseitig eingebautes elektrisch isoliertes Lager ist durch dieselbe Isolierausführung zu ersetzen, abgestimmt auf die vollständige Lagerbezeichnung.
- Keine der beiden Methoden schützt ein mit dem Motor gekoppeltes Getriebe oder eine Pumpe. Der Potentialausgleich zwischen Motorgehäuse und angetriebener Maschine ist die wirksamste Vorsichtsmaßnahme.
Warum benötigen Motorlager eine elektrische Isolierung?
Als leitender Ingenieur haben Sie möglicherweise bereits erlebt, dass ein betriebswichtiger Motor plötzlich ungewöhnliche Geräusche und starke Schwingungen entwickelt und schließlich die Produktionslinie stillsteht. Ursache kann ein winziger, unsichtbarer Funke sein, der elektrische Lagerschäden verursacht.
Motorlager sind dafür ausgelegt, mechanische Lasten aufzunehmen und die rotierende Welle im Gehäuse zu führen. Baut sich an der Welle eine Spannung auf, nimmt der Strom den Weg mit dem geringsten elektrischen Widerstand zum geerdeten Gehäuse – häufig durch die Lager.
In einem Standardlager bildet der Schmierfilm zwischen Kugeln und Laufbahnen die einzige Barriere, die einen direkten Kontakt der Metallflächen verhindert. Laut GAMBICA/BEAMA-Leitfaden tritt bei etwa 30 bis 50 V ein elektrischer Durchschlag dieses Films auf. Untersuchungen von Schaeffler zeigen außerdem, dass der Schmierfilm bei niedrigen Betriebsdrehzahlen sehr dünn wird. Das Schmierfett verhält sich dann eher wie ein Widerstand als wie ein Isolator, sodass Streuströme bereits bei niedrigeren Spannungen fließen können.
Jeder Funke durch den Schmierfilm schmilzt einen mikroskopisch kleinen Krater in den Stahl. Nach Millionen solcher Vorgänge wird die Laufbahn mattgrau und entwickelt ein waschbrettartiges Muster, die sogenannte Riffelbildung. Gleichzeitig verfärbt die entstehende Hitze das hochwertige Schmierfett schwarz.
Diese Schäden können in jedem Motor auftreten; ein wesentlicher Auslöser ist jedoch der Frequenzumrichterbetrieb. Ein Frequenzumrichter regelt die Motordrehzahl, indem er seine Ausgangsspannung mehrere tausend Mal pro Sekunde schaltet. Dabei entstehen hohe Spannungsspitzen. ABB berichtet, dass diese Spitzen ohne Schutzmaßnahmen bereits innerhalb von einem bis sechs Monaten nach Inbetriebnahme des Umrichters zu elektrischen Lagerausfällen führen können. NEMA MG 1 Teil 31 empfiehlt die Isolierung eines Lagers, wenn die Spitzenwellenspannung 300 mV überschreitet, insbesondere bei Motoren ab NEMA-Baugröße 500.
Zwei Arten von Lagerströmen verursachen diese Probleme:
- Kreisströme: Dieser Strom fließt in einem geschlossenen Kreis durch beide Lager und das Motorgehäuse. ABB ordnet ihn hauptsächlich größeren Maschinen ab etwa IEC-Baugröße 280 zu. Zur Abhilfe wird der Stromkreis unterbrochen, üblicherweise durch Isolierung des Lagers auf der lüfterseitigen Nichtantriebsseite (NDE).
- Entladungsströme: Dieser Strom wird durch die schnellen Spannungsimpulse des Frequenzumrichters verursacht. Er fließt bei einem Durchschlag des Schmierfilms von der Welle über eines der beiden Lager zum Gehäuse. ABB empfiehlt bei Motoren unter IEC-Baugröße 250 den Schutz beider Lager und bezeichnet Hybridlager als sichere Lösung.
Was ist ein elektrisch isoliertes Lager?
Ein elektrisch isoliertes Lager lässt sich als hochwertiges Kugel- oder Rollenlager mit integriertem elektrischem Schutz verstehen. Die Isolierung der Lagerringe ist die häufigste Ausführung.
Hersteller versehen ein Standardlager mit einer aufgespritzten Keramikbeschichtung aus Aluminiumoxid auf dem Außen- oder Innenring. Anschließend wird die Keramik versiegelt, damit keine Feuchtigkeit eindringt, die den elektrischen Widerstand beeinträchtigen könnte.
Das beschichtete Lager entspricht der internationalen Maßnorm DIN 616 (ISO 15). Veröffentlicht sind folgende Kennwerte:
- SKF verwendet eine nominale Schichtdicke von etwa 100 µm. Die Beschichtung hält bis zu 3000 V DC stand und weist einen Widerstand von mindestens 200 MΩ auf.
- Schaeffler bietet die Baureihe J20G mit Schichtdicken von 120 µm und 200 µm an, mit einer angegebenen Spannungsfestigkeit von mindestens 3000 V DC und einem Widerstand von 250 MΩ.
Zur Identifikation dieser Lager ist bei der Bestellung das Nachsetzzeichen zu prüfen. SKF verwendet VL0241 für einen beschichteten Außenring und VL2071 für einen beschichteten Innenring. Schaeffler verwendet J20GA (Außenring) und J20GI (Innenring). Der TFL-Leitfaden zum Vergleich von Innenring- und Außenringisolierung erläutert beide Ausführungen.
ABB stattet eigene Motoren ab IEC-Baugröße 280 mit einem elektrisch isolierten NDE-Lager aus. Elektrisch isolierte Lager werden auch in anspruchsvollen Anwendungen wie Windenergieanlagen häufig eingesetzt.
Was ist eine elektrische Lagergehäuseisolierung?
Während elektrisch isolierte Lager den Schutz direkt am Lager vorsehen, befindet sich bei der Lagergehäuseisolierung die Isolierung im feststehenden Lagerträger, üblicherweise im Lagerschild. Dadurch kann ein handelsübliches Standardlager aus Stahl verwendet werden. Diese Isolierbarriere lässt sich auf unterschiedliche Weise realisieren:
- Elektrisch isolierende Lagerhülsen oder -buchsen: Sie werden in die Gehäusebohrung eingepresst; das Lager wird in der Hülse oder Buchse montiert.
- Eingegossene Isolierringe: DuPont beschreibt Polyimidringe, die vor dem Druckgießen eines Aluminium-Motorgehäuses in die Form eingelegt werden. Anschließend wird das Gehäuse auf das erforderliche Maß bearbeitet.
- Beschichtete Lagersitze: Bei großen, hoch belasteten Industrieanlagen mit Steh- oder Gleitlagern bringen Hersteller wie Miba die Isolierbeschichtung unmittelbar auf den Lagersitz auf.
GAMBICA/BEAMA erklärt, dass eine Gehäuseisolierung normalerweise ausreichend dick ist, um Lagerströme zu unterbrechen, und teilweise nachgerüstet werden kann.
Eine spezialisierte Motorenwerkstatt in Kansas City löste ein wiederkehrendes Problem: Häufig wurden vertikale Pumpenmotoren aus Wasser- und Abwasseraufbereitungsanlagen mit zerstörten Lagern angeliefert.
Die Werkstatt begann, diese Motoren nachzurüsten. Dazu wurde der Lagerträger des oberen Axiallagers mit einer kundenspezifischen Keramikschicht versehen; das Lager selbst blieb ein Standardlager. Jeder fertig bearbeitete Lagerträger weist einen Messwert von mehr als 1000 MΩ bei 1000 V.
Bei der Reparatur wurde eine Keramikisolierung am Träger des oberen Axiallagers mit einem Wellenerdungsring in der Nähe des unteren Führungslagers kombiniert. Dem Bericht von 2013 zufolge traten bei Hunderten von Motoren, die mit dieser kombinierten Maßnahme instand gesetzt worden waren, im beschriebenen Zeitraum keine erneuten Lagerausfälle auf.
Elektrisch isoliertes Lager oder isoliertes Lagergehäuse: Ein Vergleich
| Kriterium | Elektrisch isoliertes Lager mit beschichtetem Ring | Elektrisch isoliertes Lagergehäuse |
|---|---|---|
| Dicke der Isolierbarriere | Etwa 100 bis 200 µm | Kann deutlich größer sein, beispielsweise bei Polymerhülsen mit 1 bis 2 mm Wanddicke |
| Einbau | Gleiche Abmessungen wie das Standardlager | Gehäuse oder Welle müssen dafür ausgelegt oder entsprechend bearbeitet werden |
| Späterer Lagerwechsel | Dieselbe Isolierausführung ist erforderlich | Ein Standardlager mit passenden Abmessungen kann eingesetzt werden |
| Verhalten im Umrichterbetrieb | Geringere Schutzwirkung, da die dünne Schicht einen Teil des hochfrequenten Stroms passieren lässt | Häufig bessere Schutzwirkung, da eine dickere Barriere weniger Strom passieren lässt |
| Wichtigstes Risiko | Versehentlicher Einbau eines Standardlagers oder Abplatzungen an der Beschichtung | Bauteile wie Sensoren, Schrauben oder Drehgeber, die die Isolierbarriere elektrisch überbrücken |
| Besonders geeignet für | Motoren mit Kugel- oder Rollenlagern, einschließlich Reparaturen | Maschinen mit Gleitlagern und Neukonstruktionen |
Ist die Isolierdicke im Umrichterbetrieb entscheidend?
Eine dünne Isolierschicht zwischen zwei Metallflächen verhält sich wie ein Kondensator. Während sie einen stationären Gleichstromfluss wirksam blockiert, laden und entladen die sehr schnellen Spannungsimpulse eines Frequenzumrichters die Schicht und treiben hochfrequente Ströme durch sie.
Laut Schaeffler nimmt dieser hochfrequente Leckstrom zu, wenn die isolierte Fläche zu groß oder die Beschichtung zu dünn ist. Oberhalb mehrerer hundert Kilohertz (kHz) bestimmen Schichtdicke und Fläche, wie wirksam das Lager geschützt wird.
Impedanzmessungen von Schaeffler an einem Lager 6314 bei 100 kHz zeigen diesen Effekt:
| Schaeffler-Ausführung | Beschichteter Ring | Schichtdicke | Impedanz bei 100 kHz |
|---|---|---|---|
| J20GA | Außenring | 120 µm | 273 Ω |
| J20GB | Außenring | 200 µm | 428 Ω |
| J20GI | Innenring | 120 µm | 583 Ω |
Die dickere Beschichtung erhöht die Impedanz um etwa 57 %. Die Innenringausführung erzielt den höchsten Wert, da die zu beschichtende Fläche an der Bohrung kleiner ist. Wenn hochfrequente Ströme das Hauptproblem darstellen, bieten Hybridlager ein noch besseres Verhalten.
Sie weisen typischerweise eine Kapazität von 40 pF auf, etwa ein Hundertstel der Kapazität beschichteter Lager. Schaeffler empfiehlt sie außerdem gegenüber beschichteten Lagern bei einem Außendurchmesser unter 120 mm.
Allein hinsichtlich der Dicke bietet eine Gehäusehülse mit 1 bis 2 mm Wanddicke einen physikalischen Vorteil gegenüber einer Beschichtung von 0,1 mm. Der GAMBICA/BEAMA-Bericht weist darauf hin, dass eine dünne Beschichtung allein möglicherweise nicht ausreicht, um hochfrequente Umrichterströme vollständig zu unterbinden.
Welche Lösung eignet sich für welche Anwendung?
| Situation | Übliche Wahl |
|---|---|
| Austausch eines werkseitig eingebauten elektrisch isolierten Lagers | Dieselbe Isolierausführung, abgestimmt auf die vollständige Lagerbezeichnung |
| Größerer umrichtergespeister Motor mit Kreisströmen | Elektrisch isoliertes Lager auf der Nichtantriebsseite (NDE), sofern geeignet |
| Kleiner Motor an einem schnell schaltenden Umrichter | Hybridlager, häufig an beiden Enden, oder ein Wellenerdungsring |
| Maschine mit Gleitlagern | Für die Maschine ausgelegte Gehäuse- oder Lagerbockisolierung |
| Neue Motorkonstruktion mit Bedarf an einer dickeren Isolierbarriere | Gehäuseisolierung |
| Motor mit angekoppeltem Getriebe oder angekoppelter Pumpe | Potentialausgleich zwischen Motorgehäuse und angetriebener Maschine sowie den Bedarf an einer elektrisch isolierten Kupplung prüfen |
Auch bei elektrisch isolierten Motorlagern kann Strom weiterhin über die Kupplung fließen und Lager eines Getriebes oder einer Pumpe beschädigen, während der Motor weiterläuft.
NEMA MG 1 weist darauf hin, dass die Isolierung der Motorlager Schäden an anderen mit der Welle verbundenen Aggregaten nicht verhindert. Der GAMBICA/BEAMA-Bericht bezeichnet den Potentialausgleich zwischen Motorgehäuse und angetriebener Maschine als „die wirksamste einzelne Vorsichtsmaßnahme“.
Wie lässt sich die Wirksamkeit der Isolierung prüfen?
Nach dem Zusammenbau ist die Wirksamkeit der Isolierbarriere nicht einfach vorauszusetzen. Sie wird mit einem Isolationswiderstandsmessgerät, auch Megohmmeter genannt, geprüft. Die Prüfung der Lagerisolierung erfolgt nach dem vom Motor- oder Lagerhersteller vorgegebenen Verfahren. Ein zufriedenstellender Messwert des Gleichstrom-Isolationswiderstands allein belegt keinen ausreichenden Schutz vor hochfrequenten Lagerströmen im Umrichterbetrieb.
Neue elektrisch isolierte Lager weisen jedoch deutlich höhere Werte auf. NTN nennt mindestens 100 MΩ bei 500 V DC, während SKF mindestens 200 MΩ anstrebt. Ein starker Abfall gegenüber diesen Herstellerwerten deutet unmittelbar auf Feuchtigkeit, Verschmutzung, mechanische Schäden oder eine unbeabsichtigte elektrische Überbrückung hin.
Die Grundregel: Bei beiden Verfahren muss ausschließlich über der Isolierung gemessen werden, ohne parallelen Strompfad. Der TFL-Leitfaden zur Prüfung des Isolationswiderstands beschreibt den Prüfaufbau.
Welche Angaben gehören in die Anfrage für ein elektrisch isoliertes Lager?
Die Angabe „isoliertes 6316“ reicht nicht aus, um ein passendes Ersatzlager zu identifizieren. Dazu gehören:
- Die vollständige ursprüngliche Lagerbezeichnung mit sämtlichen Nachsetzzeichen, beispielsweise 6316/C3VL0241.
- Die Angabe, ob Innenring- oder Außenringisolierung oder ein Hybridlager benötigt wird.
- Die Gleichspannungs-Durchschlagspannung und der Mindestisolationswiderstand einschließlich der Prüfbedingungen.
- Motor- und Umrichterdaten, beispielsweise Motorleistung, Baugröße, Umrichtertyp und Lagerposition.
- Die Angabe, ob ein elektrischer Prüfbericht oder andere Produktunterlagen benötigt werden.
Der TFL-Leitfaden zum Vergleich von 1000-V-DC-Angaben und Hochfrequenzverhalten erläutert die Einordnung dieser Werte.
Wie TFL beim Schutz vor Schäden durch Wellenströme unterstützt
TFL bietet unter eigener Marke elektrisch isolierte Lager mit Bohrungsdurchmessern von 40 mm bis über 300 mm und einer Aluminiumoxidbeschichtung von 50 bis 100 µm an. Diese Beschichtung bietet eine Durchschlagspannung von mindestens 1000 V DC; Sonderausführungen erreichen 3000 V DC. Liegt der Spannungskennwert Ihres ursprünglichen Lagers über b, geben Sie diesen Wert in Ihrer Anfrage an.
Für kleinere Motoren an schnell laufenden Antrieben mit schnell schaltenden Umrichtern liefert TFL außerdem Hybrid-Keramiklager, um kapazitätsbedingte Probleme zu verringern.
Wenn bestimmte Zertifikate oder Prüfberichte erforderlich sind, bestätigt TFL vor der Auftragsannahme deren Verfügbarkeit und Gültigkeit für die angebotenen Produkte. Bei Bedarf können Prüfungen durch Dritte veranlasst werden.
Angebotsanfragen werden innerhalb von 24 Stunden beantwortet, und TFLs Termintreue liegt bei 98 %. Für den Einstieg senden Sie Ihre Spezifikationen und Fotos gegebenenfalls beschädigter Lager über die TFL-Kontaktseite.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
1. Soll ein Lager oder sollen beide Lager elektrisch isoliert werden?
Ein elektrisch isoliertes NDE-Lager unterbricht Kreisströme in größeren Motoren. Bei kleineren Motoren mit Entladungsströmen sind beide Lager zu schützen oder eine Wellenerdung vorzusehen. Siehe ein oder zwei elektrisch isolierte Lager in einem umrichtergespeisten Motor.
2. Was ist eine elektrisch isolierende Lagerhülse?
Eine elektrisch nicht leitende Hülse, die zwischen einem Standardlager und dem Gehäuse oder der Welle eingebaut wird. Ihr Einbau erfordert üblicherweise eine spanende Bearbeitung.
3. Lässt sich eine Lagerisolierung mit einem Wellenerdungsring kombinieren?
Ja. Eine in Pumps & Systems beschriebene Reparaturwerkstatt in New Jersey kombinierte bei zwei von sechs vertikalen Motoren mit jeweils 150 hp eine besonders dicke Keramikbeschichtung am oberen Lagerträger mit einem Wellenerdungsring am unteren Ende.
4. Kann ein elektrisch isoliertes Lager durch ein Standardlager ersetzt werden?
Nicht, wenn der Motorhersteller ein elektrisch isoliertes Lager vorgesehen hat. Der Installationsleitfaden von GAMBICA/REMA verlangt für ein solches Lager einen kompatiblen Ersatztyp.
Technische Quellen und weiterführende Literatur
- GAMBICA/BEAMA, Motorwellenspannungen und Lagerströme im PWM-Umrichterbetrieb, technischer Bericht, 3. Auflage (2016).
- GAMBICA/REMA, Installationsleitfaden für elektrische Antriebssysteme, 4. Auflage (2012).
- Schaeffler, TPI 206: Stromisolierende Lager.
- Schaeffler, Gegen den Strom (Baureihe J20G), Januar 2025.
- Hannover Messe, Schutzwall gegen parasitäre Ströme (Schaeffler-Baureihe J20G, 10. Februar 2025).
- SKF, Broschüre zu INSOCOAT-Lagern, PUB BU/P2 17401 EN (Mai 2017).
- SKF Evolution, Vermeidung von Elektroerosion in Wälzlagern.
- NTN, Elektrisch isolierte Lager der MEGAOHM-Serie, CAT. No. 3030/E.
- ABB, Lagerströme und ihre Vermeidung.
- ABB, Lagerströme: Optionen (9AKK107336, 2018).
- ABB, Technischer Leitfaden Nr. 5: Lagerströme in modernen Wechselstrom-Antriebssystemen.
- Machine Design, Lagerschutz: Wie Erdung die Eignung von Motoren für den Umrichterbetrieb unterstützt (NEMA MG 1 Part 31).
- DuPont, Lagerisolierung aus Vespel-Polyimid zur Vermeidung von Schäden in Elektromotoren.
- Miba Industrial Bearings, Katalog der Stehlager ZR/ZG.
- Pumps & Systems, Elektrische Lagerschäden in vertikalen Pumpenmotoren verringern.
