Die Wellen eines Elektromotors sind durch den Schmierfilm in den Kontaktzonen der Lager und Wellenabdichtungen gegen das Gehäuse elektrisch isoliert. Im Betrieb ändert sich durch Wechselströme und deren elektromagnetische Felder das elektrische Potenzial zwischen Rotor und Stator. Der Rotor lädt sich auf und leitet den Strom über das geerdete Gehäuse ab – hierfür muss jedoch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Welle und Gehäuse bestehen.

Bild 1: Oberflächenschäden der Grade 0 bis 4 (Grad 0 entspricht der Ausgangsoberfläche, die Grade 1 bis 4 sind betriebseinschränkende Schäden zunehmenden Ausmaßes).

Bild 1: Oberflächenschäden der Grade 0 bis 4 (Grad 0 entspricht der Ausgangsoberfläche, die Grade 1 bis 4 sind betriebseinschränkende Schäden zunehmenden Ausmaßes). TU Darmstadt

Gibt es keine leitende Verbindung, fließt der Strom am häufigsten über das Wellenlager ab, die Stelle mit dem geringsten Widerstand. Dabei entlädt sich jedoch schlagartig ein hoher Strom vom Lagerinnenring über die Wälzkörper auf den Außenring. Diese Entladungsströme hinterlassen auf den Lagerflächen streifenartige Oberflächenmuster, die sogenannte Riffelbildung (Bild 1). Zudem führen sie in der Welle zu einer martensitischen Gefügeänderung, die in Verbindung mit der mechanischen Belastung des Lagers die Laufflächen massiv schädigt. Dieser Schadensmechanismus wird auch „Electrical Discharge Machining“, kurz EDM, genannt. Zunächst machen sich die daraus resultierenden Schäden häufig akustisch bemerkbar, später kann es durch Materialausbrüche an der Oberfläche zu Ermüdungsbrüchen und zum Totalausfall des Lagers kommen.

Elektrisch leitfähige Vliese: Konzeptvergleich

Die dargestellten Schäden lassen sich jedoch verhindern: Bei Sicherstellung eines dauerhaften elektrischen Kontakts zwischen Welle und Gehäuse, kommt es nicht mehr zu schlagartigen Entladungen über die Lager. Herkömmliche Simmerringe bieten zwar einen dauerhaften Kontakt zwischen Welle und Gehäuse, leiten aber keinen Strom. Freudenberg Sealing Technologies hat daher einen Wellendichtring mit einer elektrisch leitenden Vliesscheibe kombiniert – so wird kaum zusätzlicher Bauraum benötigt. Die Lösung hat sich bereits seit einigen Jahren in Elektrofahrzeugen im Serieneinsatz bewährt. Obwohl der elektrische Widerstand bereits in der ersten Produktgeneration sehr gering ausfiel, wurden in den letzten Jahren sowohl die Zusammensetzung des Vlieses als auch das Produktdesign weiter optimiert. Das Resultat ist eine neue Generation von Simmerringen, die bei hohen Drehzahlen und großen dynamischen sowie thermischen Belastungen eine wesentlich konstantere Erdungsleistung bei gleichzeitig höherer Lebensdauer bieten.

Bild 2: Vergleich unterschiedlicher Konzepte zur Stromableitung für Elektromotoren.

Bild 2: Vergleich unterschiedlicher Konzepte zur Stromableitung für Elektromotoren. Freudenberg Sealing Technologies

Die leitfähigen Vliese lassen sich in Kombination mit verschiedenen Wellendichtringen einsetzen, funktionieren jedoch auch als Stand-alone-Lösung. Um ein bestmögliches Ergebnis zu erreichen, ist das Grundmaterial des Vlieses durchgängig leitfähig und nicht nur oberflächlich mit einer leitenden Schicht versehen. Zudem ist das Vlies durchgängig imprägniert, um die benötigten mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Einen qualitativen Vergleich der vliesbasierten Lösung mit alternativen Konzepten wie Kohlebürsten oder Faserbündeln zeigt Bild 2.

Eine weitere Möglichkeit, den Stromfluss über das Lager zu verhindern, ist die Verwendung von leitfähigen Schmierstoffen. Fette für Elektromotoren bestehen meist aus einem mineralischen oder synthetischen Öl, einer Seife und einem Additivpaket. Dieses Additivpaket besteht aus leitfähigen Partikeln wie Graphit und einer leitfähigen Flüssigkeit; zudem weist das Öl eine hohe Polarität auf. Durch diese Maßnahmen wird zwar der Widerstand in der Kontaktzone stark reduziert, eventuell weisen solche modifizierten Schmierstoffe jedoch eine ungenügende Verträglichkeit mit den Elastomerwerkstoffen der Dichtungen auf.

Während das Öl den Stromfluss zwischen Welle und Gehäuse optimieren soll, gehen Entwickler mit Keramikhybridlagern einen anderen Weg. Die nicht leitfähige Keramik verhindert, dass Strom zwischen Welle und Gehäuse fließt. Hierbei wird jedoch das eigentliche Problem nicht beseitigt, sondern auf andere Bauteile verlagert: so kann es im nachgeschalteten Getriebe zu den ähnlichen Schadensmustern kommen, als wenn zwischen den Zahnrädern Strom fließt. Auch mit elektrischen Filtern lässt sich ein Stromübergang zwischen Welle und Gehäuse nicht vollständig verhindern. Der Einsatz von Wellenerdungssystemen wie dem leitfähigen Vlies ist daher nach Ansicht von Freudenberg Sealing Technologies zwingend notwendig.

Das richtige Testverfahren

Elektrische Systeme können sowohl Kapazitäten als auch Induktivitäten beinhalten, deren Widerstand sich mit der Frequenz verändert. Ein frequenzabhängiger, elektrischer Widerstand wird auch als Impedanz bezeichnet. Um alle relevanten Frequenzbereiche zu vermessen, geschieht die Charakterisierung der Erdungselemente üblicherweise mittels Impedanzspektroskopie. Mit einer statischen Messung des Widerstands lässt sich jedoch keine belastbare Aussage über die Funktion des Erdungselements (in diesem Fall des Simmerrings) im Betrieb treffen. Versuche bei Freudenberg Sealing Technologies zeigen, dass ein Element, das bei einer statischen Messung eine geringere Impedanz aufweist, im praxisrelevanten dynamischen Betrieb eine um mehr als Faktor 10 höhere Impedanz besitzt – mehr dazu im folgenden Kapitel.

Bild 3: Radialwellendichtring-Prüfstand für Hochdrehzahlmessungen.

Bild 3: Radialwellendichtring-Prüfstand für Hochdrehzahlmessungen. Freudenberg Sealing Technologies

Denn zunächst musste der Hersteller ein Messverfahren entwickeln, mit dem die Funktion von Erdungs- und Stromableiterelementen unter realitätsnahen Bedingungen testbar ist.  Das neue Verfahren ermöglicht nun, die Elemente auf Prüfständen bei verschiedenen Drehzahlen, Stromfrequenzen und Temperaturen zu untersuchen. Den für die Messungen verwendeten Radialwellendichtring-Prüfstand zeigt Bild 3. In der Prüfzelle lassen sich Stromableiterelemente bei Temperaturen von +30 bis +150 °C testen. Die maximale Drehzahl beträgt 36.000/min, der Frequenzbereich des Messsignals liegt derzeit zwischen 5 kHz und 100 MHz.

Ergebnisse der Impedanzmessung

Als Messgerät kommt ein Netzwerkanalysator zum Einsatz, der mit dem Prüfstandsaufbau verbunden ist. Die Erdungselemente werden in einem 240-stündigen Dauerlaufprogramm getestet. Alle 24 Stunden erfolgt eine Impedanzmessung bei unterschiedlichen Temperaturen und Drehzahlen.

Das Bode-Diagramm in Bild 4 zeigt die Messergebnisse für das leitfähige Vlies bei +80 °C vor dem Dauerlauf: Mit steigender Drehzahl nimmt die Impedanz ab, sie sinkt von 200 Ω bei 100/min auf 30 Ω bei 15.000/min. Über die gesamte Testdauer hinweg steigt die Impedanz jedoch leicht an. Vor allem bei niedrigen Drehzahlen steigt sie auf bis zu 600 Ω bei 100/min. Bei 15.000/min erhöht sich die Impedanz lediglich auf 50 Ω.

Zu erkennen ist auch, dass mit höherer Frequenz die Impedanz abnimmt, gleichzeitig wird der Phasenwinkel negativ. Das deutet auf Kapazitäten innerhalb des Erdungselements hin und ermöglicht so, eine Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung bei höheren Frequenzen zu erreichen. Das Verhalten des Phasenwinkels bleibt auch nach dem Dauerlauf gleich – im niedrigen Frequenzbereich beträgt er 0° und zeigt damit ein resistives Verhalten. Es besteht also weiterhin Kontakt zwischen Vlies und Welle, zudem verdeutlicht es den geringen Verschleiß.

Kaum Einfluss auf den Wirkungsgrad

Bild 4: Impedanzmessung vor dem Dauerlauf (links) und Mittelwert der Impedanz über die gesamte Laufzeit (rechts).

Bild 4: Impedanzmessung vor dem Dauerlauf (links) und Mittelwert der Impedanz über die gesamte Laufzeit (rechts). Freudenberg Sealing Technologies

Neben der Impedanz-Messung erfolgt auch eine Validierung der Reibleistung und Dichtheit der verschiedenen Erdungselemente. Im Rahmen der Tests auf Reibmomentprüfständen konnte Freudenberg Sealing Technologies darlegen, welchen Einfluss das leitfähige Vlies auf die Verlustleistung eines Dichtrings hat: Selbst bei hohen Drehzahlen von bis zu 15.000/min beträgt der Unterschied zwischen einem herkömmlichen reibungsarmen Simmerring und dem Dichtring mit Vliesscheibe weniger als 20 Prozent. Aufgrund der Luftdurchlässigkeit der Vliesscheibe bildet sich auch kein gefährlicher Unterdruck, der sonst wegen des Ölpumpvermögens der Simmerringe auftreten könnte. Und trotz der Luftdurchlässigkeit erfüllt das Vlies eine schmutzabweisende Funktion – Staub und Schmutzwasser werden von der Dichtung ferngehalten.

Ausblick

Freudenberg Sealing Technologies zeigt auf, dass sich durch Elektroerosion im E-Motor hervorgerufene Lagerschäden vermeiden lassen, wenn ein dauerhafter Stromfluss zwischen Welle und Gehäuse gewährleistet ist. Das gelingt mit einer leitfähigen Vliesscheibe in Kombination mit dem Simmerring. In einem eigens entwickelten Messverfahren zeigte sich, dass auch nach langer Laufzeit mit hoher Belastung eine dauerhafte Leitfähigkeit erhalten bleibt, bei nur geringfügig höherem Reibmoment. Derzeit untersucht Freudenberg Sealing Technologies, wie sich die Leitfähigkeit des Vlieses weiter erhöhen lässt. Möglichkeiten ergeben sich durch die Kombination verschiedener Materialien, die in das Vlies eingearbeitet werden. Hier bieten sich sehr leitfähige Werkstoffe an wie Kupfer, Silber, Aluminium oder Carbon. Perspektivisch ist auch die Integration leitfähiger Füllstoffe in den Simmerring Gegenstand weiterer Forschung.

Parallel dazu optimiert der Hersteller das aktuelle Produktdesign. So lassen sich etwa durch das verkürzen des Leitwegs die Widerstandswerte senken. Auch eine verminderte Oxidation der Kontaktflächen hat einen positiven Einfluss auf den Widerstand. Messungen zeigen, dass sich die Widerstandswerte durch solche Maßnahmen auch im dynamischen Betrieb in einen Bereich von 1 bis 10 Ω senken lassen.