Stromisolierte Zylinderrollenlager für Elektromotoren richtig spezifizieren

Kurz erklärt

Wo werden Zylinderrollenlager in einem Elektromotor eingesetzt?

SKF beschreibt Zylinderrollenlager als typische Lagerlösung für mittelgroße bis große Elektromotoren mit Riemen- oder Zahnradantrieb. Sie nehmen die hohen Radialkräfte auf, die durch die Riemenspannung oder den Zahneingriff entstehen.

Auf der Antriebsseite (DE), also am Wellenende, das mit der angetriebenen Maschine verbunden ist, sitzt üblicherweise das Zylinderrollenlager. Es übernimmt die Funktion eines Loslagers und ermöglicht eine geringe axiale Verschiebung der Welle, wenn sich diese im Betrieb erwärmt und ausdehnt. Auf der Nichtantriebsseite (NDE) wird meist ein Rillenkugellager eingesetzt. Im Motorenhandbuch von SKF wird es als das Lager beschrieben, das allein die Axiallasten aufnimmt und die Welle axial festlegt.

Laut ABB ist in der Regel das Lager auf der Nichtantriebsseite isoliert. Das Zylinderrollenlager auf der Antriebsseite ist daher häufig ein Standardlager, während das isolierte Lager auf der Lüfterseite sitzt. Der TFL-Ratgeber zum Vergleich von stromisolierten Lagern und isolierten Lagergehäusen erläutert, wie Wellenströme überhaupt zu Lagerschäden führen.

NTN nennt unter anderem Windenergieanlagen-Generatoren, Fahrmotoren und umrichtergespeiste Motoren als Einsatzgebiete seiner beschichteten Zylinderrollenlager. Schreibt ein Motorenhersteller ein stromisoliertes Zylinderrollenlager vor, ist dies an der Lagerbezeichnung erkennbar. Vor der Bestellung geben die Kennzeichnung des ausgebauten Lagers oder die Ersatzteilliste Aufschluss über die erforderliche Ausführung. Enthält die Bezeichnung ein Isolierungskennzeichen, muss auch das Ersatzlager entsprechend isoliert sein.

NU, NJ oder NUP: Welche Bauform benötigt der Motor?

Die Buchstaben vor der Kennzahl beschreiben die Bordanordnung. Borde sind erhöhte Ränder an den Lagerringen, die die Rollen führen. Ihre Anordnung bestimmt, ob das Lager die Welle axial führt oder eine axiale Verschiebung zulässt:

Risiken einer falschen Bauform

SKF erläutert, dass bei NU- und N-Lagern der bordlose Ring die axiale Verschiebung der Welle gegenüber dem Gehäuse ermöglicht. Ein NJ-Lager lässt diese Bewegung nur in einer Richtung zu. Dabei ist stets der zulässige axiale Verschiebeweg des Lagers einzuhalten. Die Fähigkeit zur axialen Führung bedeutet außerdem nicht, dass das Lager unbegrenzt Axiallasten aufnehmen kann.

Zur Unterscheidung am ausgebauten Lager genügt ein Blick auf den Innenring. NTN bezeichnet den NU-Innenring als „straight inner ring“, also als bordlosen Innenring. Der Innenring eines NJ-Lagers besitzt dagegen auf einer Seite einen Bord.

Welcher Ring ist bei einem Zylinderrollenlager isoliert?

Die Beschichtung kann auf dem Außen- oder dem Innenring aufgebracht sein. Jeder Hersteller verwendet eigene Kennzeichen für die beiden Ausführungen und veröffentlicht die zugehörigen elektrischen Kennwerte:

Die INSOCOAT-Broschüre von SKF aus dem Jahr 2017 nennt diese Werte für Rillenkugel- und Zylinderrollenlager. Sowohl SKF als auch Schaeffler bieten die Innenringbeschichtung ab einem Bohrungsdurchmesser von etwa 70 mm an. Kleinere beschichtete Zylinderrollenlager dieser Hersteller sind daher am Außenring isoliert. Der TFL-Ratgeber zur Innenring- und Außenringisolierung vergleicht beide Varianten.

Die Datenblattangaben hängen auch vom Veröffentlichungszeitpunkt ab. Im SKF-Motorenhandbuch von 2013 wird die INSOCOAT-Standardbeschichtung mit bis zu 1.000 V DC angegeben; jedes Lager wird bei dieser Spannung geprüft. Die Broschüre von 2017 nennt für dieselben Standardkennzeichen VL0241 und VL2071 dagegen 3.000 V DC. Ältere Katalogseiten oder Angaben zu älteren Lagerbeständen können somit trotz identischem Kennzeichen niedrigere Werte ausweisen.

Wie liest man die Bezeichnung eines stromisolierten Zylinderrollenlagers?

Beim Austausch eines stromisolierten Zylinderrollenlagers müssen alle Bestandteile der Lagerbezeichnung berücksichtigt werden. Es reicht nicht aus, lediglich das Isolierungskennzeichen abzugleichen.

Zwei veröffentlichte Beispiele von Schaeffler (FAG) und NTN zeigen, wie sich die Bezeichnungen zusammensetzen:

Wichtige technische Merkmale beim Abgleich

• Bohrungskennzahl: Bei beiden Herstellern ergibt die Bohrungskennzahl ab 04, multipliziert mit 5, den Bohrungsdurchmesser in Millimetern. Das NTN-Beispiel hat einen Bohrungsdurchmesser von 120 mm, einen Außendurchmesser von 260 mm und eine Breite von 55 mm.
• Lagerluft: Die Lagerluftkennzeichen beschreiben das innere Spiel zwischen Rollen und Lagerringen. Die Lagerluft C4 ist größer als C3 und deshalb nicht automatisch die bessere Wahl für ein Ersatzlager.
• Anwendungsspezifische Ausführungen: Bestimmte Nachsetzzeichen wie F1 kennzeichnen besondere Ausführungen, beispielsweise für Fahrmotoren.

Auch SKF verwendet Nachsetzzeichen hinter der Grundbezeichnung. VL0241 kennzeichnet beispielsweise die Außenringbeschichtung. Der TFL-Ratgeber zu Lager-Nachsetzzeichen erläutert gängige Kennzeichen; der Schaeffler-J20-Ratgeber beschreibt die einzelnen J20-Ausführungen.

Beschichtet oder hybrid: Welches Zylinderrollenlager eignet sich?

Zum Schutz vor elektrischen Schäden an Zylinderrollenlagern kommen entweder beschichtete Lager mit keramisch spritzbeschichteten Ringen oder Hybridlager mit keramischen Rollen zum Einsatz. Die erste Auswahlorientierung von Schaeffler in TPI 206 berücksichtigt neben der Lagergröße auch den Motor, den Frequenzumrichter und die Betriebsbedingungen:

Beschichtete Lager

• Funktionsprinzip: Eine keramische Aluminiumoxidschicht wird auf den Außen- oder Innenring aufgespritzt.
• Kennzeichnung: Beispielsweise das SKF-Nachsetzzeichen VL0241 für die Außenringbeschichtung oder die J20-Reihe von Schaeffler.
• Einsatzbereich: Häufig eine Option für größere Lager in industriellen Elektromotoren. Beschichtete Lager sind jedoch auch mit Außendurchmessern unter 120 mm erhältlich.

Hybridlager

• Funktionsprinzip: Keramische Rollen aus Siliziumnitrid unterbrechen den Strompfad zwischen den Stahlringen.
• Kennzeichnung: Bei Schaeffler das Vorsetzzeichen HC, beispielsweise HCNU210. SKF weist darauf hin, dass Hybridlager überwiegend als einreihige Rillenkugellager oder einreihige Zylinderrollenlager eingesetzt werden.
• Einsatzbereich: In der ersten Auswahlorientierung von Schaeffler für industrielle Elektromotoren bei Außendurchmessern unter 120 mm bevorzugt. Die Auswahl richtet sich weiterhin nach der konkreten Anwendung.
• Leistungsmerkmale laut Schaeffler: Gleiche Abmessungen wie Standardlager, 20 % höhere Grenzdrehzahlen und doppelte Fettgebrauchsdauer. Ob diese Angaben für das ausgewählte Lager und die jeweiligen Betriebsbedingungen gelten, ist im Einzelfall zu prüfen; sie sind keine pauschale Zusicherung für jedes Hybridlager.

Welche Kriterien entscheiden über die Auswahl?

Bei schnell schaltenden Frequenzumrichtern empfiehlt Schaeffler entweder Hybridlager oder Beschichtungen mit größerer Schichtdicke. Die Entscheidung bleibt jedoch anwendungsabhängig: Laut Schaeffler bestimmen der Motor und die angrenzenden Bauteile, welche Lösung für den jeweiligen Einsatz besser geeignet ist. Der TFL-Vergleich von Hybridlagern und beschichteten stromisolierten Lagern erläutert die jeweiligen Vor- und Nachteile.

Stromisolierte Zylinderrollenlager: Einbau und Prüfung

Laut SKF werden Innen- und Außenring getrennt montiert. Da die keramische Beschichtung spröde ist, sind dabei fünf Punkte besonders zu beachten:

1. Anwärmen: Bei Verwendung eines Induktionsanwärmgeräts darf die Beschichtung laut SKF nicht durch die Schwingungen des Geräts beschädigt werden.
2. Handhabung: NTN weist für seine MEGAOHM-Lager darauf hin, dass stromisolierte Lager weder fallen gelassen noch mit einem Hammer geschlagen werden dürfen.
3. Einführbereich der Gehäusebohrung: Die MEGAOHM-Darstellung von NTN zeigt zur Erleichterung der Montage eine Einführschräge von 10° bis 15° und ein Mindestmaß von 0,5 mm. Maßgeblich sind die jeweils gültigen Lager- und Gehäusezeichnungen; die dargestellten Maße sind keine allgemeingültigen Vorgaben.
4. Zusammenfügen der Lagerteile: Beim Einschieben der Welle ist der Innenring zum Rollensatz auszurichten, damit die Rollen die Laufbahn nicht zerkratzen.
5. Axiale Verspannung: Wird das Lager durch Federn oder Nutmuttern verspannt, empfiehlt SKF einen Zwischenring aus Stahl.

Der TFL-Einbauratgeber beschreibt geeignete Werkzeuge und Anwärmverfahren.

Wie TFL beim Abgleich der vollständigen Lagerbezeichnung unterstützt

Auf der TFL-Seite zu stromisolierten Motorlagern dienen ABB-Motoren als Referenzbeispiel. Dort sind vier Standard-Zylinderrollenlager von NU 319/C3 bis NU 326/C3 für die Antriebsseite sowie stromisolierte Kugellager von 6316/C3VL0241 bis 6322/C3VL0241 für die Nichtantriebsseite aufgeführt. Dies entspricht der zuvor beschriebenen Lageranordnung. Die Lager für beide Motorseiten lassen sich somit gemeinsam beschaffen. TFL bündelt solche gemischten Lagerlisten in einer Bestellung und einer gemeinsamen Lieferung.

Wenn auch auf der Antriebsseite eine Isolierung erforderlich ist, bietet TFL stromisolierte Zylinderrollenlager der eigenen Marke mit einer Aluminiumoxidbeschichtung (Al₂O₃) auf dem Außen- oder Innenring an. Die Beschichtungsspezifikationen und elektrischen Kennwerte sind modellabhängig; maßgeblich sind die technischen Daten des ausgewählten Lagers. Für die Anfrage sind das ursprüngliche Isolierungskennzeichen, die elektrischen Kennwerte und die zugehörigen Prüfbedingungen relevant. Für kleinere Motoren liefert TFL außerdem Hybrid-Keramiklager.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

1. Hat ein stromisoliertes Zylinderrollenlager die gleichen Abmessungen wie ein Standardlager?

Ja. Die Außenabmessungen entsprechen DIN 616 (ISO 15), und Schaeffler gibt an, dass stromisolierte Lager gegen Standardlager austauschbar sind. Dennoch müssen die Bauform und sämtliche Nachsetzzeichen mit den Anforderungen des ursprünglichen Lagers übereinstimmen.

2. Kann ich ein stromisoliertes NU-Lager durch ein Standard-NU-Lager ersetzen?

Ein Standardlager passt zwar in den Einbauraum, der Motor verliert dadurch jedoch die elektrische Isolierung an dieser Lagerstelle. Unerwünschte Ströme können erneut durch das Lager fließen und elektrische Schäden verursachen. Sofern der Motorenhersteller keine andere Ausführung freigibt, ist das gleiche Isolierungskennzeichen beizubehalten.

3. Darf ein Motor mit Zylinderrollenlager ohne Last zur Probe laufen?

Ein längerer Betrieb ohne Last ist mit Risiken verbunden. SKF weist darauf hin, dass Kugel- und Rollenlager stets eine bestimmte Mindestbelastung benötigen. Ist diese nicht vorhanden, können die Rollen auf der Laufbahn gleiten, statt abzurollen. NSK warnt davor, dass die dadurch entstehenden Laufbahnschäden letztlich zum Festfressen des Lagers führen können. Vor einem Probelauf ist daher die vom Lagerhersteller angegebene Mindestbelastung zu prüfen.

4. Benötigt auch das Zylinderrollenlager auf der Antriebsseite eine Isolierung?

Die Position der Isolierung hängt vom Motor und von der Art des Lagerstroms ab. Bei größeren Motoren unterbricht ein isoliertes Lager auf der Nichtantriebsseite den Stromkreis zirkulierender Lagerströme. ABB ordnet Entladungsströme vor allem Motoren unterhalb der IEC-Baugröße 250 zu und empfiehlt dort den Schutz beider Lager. Weitere Informationen enthält der TFL-Ratgeber zu einem oder zwei stromisolierten Lagern im umrichtergespeisten Motor.

Technische Quellen

1. SKF, Cylindrical roller bearings for large electric motors, PUB BU/P2 14960 EN (April 2015).
2. SKF, Rolling bearings and seals in electric motors and generators, PUB 54/P7 13459 EN (August 2013).
3. SKF, INSOCOAT electrically insulated rolling bearings, PUB BU/P2 17344 EN (Mai 2017).
4. Schaeffler, TPI 206: Current-Insulated Bearings, Ausgabe 03 (Mai 2024).
5. Machinery, Bearings with optimised coating offer improved protection against current passage (Schaeffler J20G-Reihe).
6. NTN Americas, MEGAOHM cylindrical roller bearings for electric motors, Datenblatt 21NTNMOCRB.
7. NTN Americas, 7MC3-NU324EGRBC3 product data.
8. NTN, Insulated Bearings MEGAOHM Series, CAT. No. 3030/E.
9. ABB, Motor bearings: the bearing necessities, Global Cement Magazine (Oktober 2007).
10. ABB, Bearing currents and how to beat them.
11. NSK, BRGCALC: Calculating required minimum load for CRB.

SKF, INSOCOAT, Schaeffler, FAG, X-life, NTN, MEGAOHM, NSK und ABB sind Marken ihrer jeweiligen Inhaber. Ihre Nennung dient ausschließlich der Zuordnung technischer Quellen und Produktbezeichnungen. TFL ist mit diesen Unternehmen nicht verbunden. Aus der Nennung lässt sich keine Gleichheit der Leistungsmerkmale ableiten.