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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Isolierung von elektrischen Wellenströmen in elektrischen Maschinen wie AC- und DC-Elektromotoren, Generatoren, Lichtmaschinen und anderen Maschinen mit drehenden Wellen. Insbesondere betrifft die Erfindung Wälzlager, die durch Keramik elektrisch isoliert sind.
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HINTERGRUND
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Die Einführung, Entwicklung und zunehmende Verwendung von elektrischen Maschinen, die mit pulsbreitenmodulierten (PWM) variablen Drehzahlwandlerantrieben unter Einsatz schneller Schaltvorrichtungen wie IGBTs gekoppelt sind, hat zu einer Zunahme der Ausfälle von Wälzlagern in elektrischen Maschinen geführt. Die verringerte Lagerlebensdauer und die erhöhte Rate an Lagerausfällen geht auf Lagerströme zurück, die von der drehenden Welle durch die Lager in den Maschinenrahmen fließen. Solche Lagerströme manifestieren sich durch Elektroerosion (Electrical Discharge Machining oder EDM) zwischen den Lagerlaufringen und den Wälzelementen, was physisch-mechanische Schäden der Lagerlaufringe und Wälzelemente verursacht, die schließlich zu einem vorzeitigen Versagen der Lageranordnung führen.
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Welleninduzierte elektrische Ströme sind bei Elektromotoren und Generatoren aufgrund der mechanischen Asymmetrien in der elektrischen Maschine inhärent vorhanden. Zusätzlich wird durch die sehr hohen Schaltfrequenzen von PWM-Wandlerantrieben die Gleichtaktspannung (Common Mode Voltage oder CMV) im Vergleich zu Maschinen, die ohne PWM angetrieben werden, erhöht. Diese erhöhte CMV verursacht eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der Läuferwelle und dem Ständerrahmen der Maschine. Wenn das CMV-Potential die Impedanz der Lager überschreitet, wird in der Welle ein Strom induziert, und dieser Strom läuft durch die Lager, um sich einen Massepunkt zu suchen, was potenziell Schäden durch Elektroerosion an den Lagern verursacht.
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Während statischer (stationärer) Bedingungen wird das Schmiermittel (z. B. Öl oder Schmierstoff) zwischen den Passflächen des Wälzelements und der Lauffläche in Kontakt und unter Belastung verdrängt, was einen geringen Widerstand für den Fluss elektrischer Ströme zwischen den Wälzelementen und den Laufflächen darstellt.
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Bei transienten (Startbedingungen über ~15 % der Nenndrehzahl) und normalen stabilen Betriebsbedingungen wird eine Schmiermittelfilmdicke zwischen den Wälzelement- und den Lagerlaufflächen erzeugt und aufrechterhalten. Diese elastisch-hydrodynamische Schmiermittelfilmdicke (EHL) veranlasst die Passflächen, sich aus dem Kontakt zu lösen und auf einem Film aus Schmiermittel zu „laufen“.
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Es wurden viele Verfahren eingesetzt, um zu verhindern, dass welleninduzierte Ströme an den Lagern Schäden durch EDM verursachen. Solche Technologien umfassen dielektrische Keramikbeschichtungen wie Aluminiumoxid oder Siliziumoxid, an den äußeren Lagerflächen oder dem Lagergehäuse, die Verwendung von Faraday-Schilden, um den Ladungsaufbau an Wellen zu verhindern, elektrisch leitfähige Lagerschmiermittel, und die Welle kontaktierende Massebürsten aus elektrisch leitfähigen Materialien wie Kupfer, Bronze oder Kohlenstoff.
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Dielektrische keramische Lagerbeschichtungen wurden mit einigem Erfolg eingesetzt, haben jedoch mehrere Nachteile. Die Beschichtung ist sehr hart und spröde und kann beim Einbau oder nach dem Einbau unter mechanischer Belastung brechen. Diese dielektrischen keramischen Lagerbeschichtungen haben aufgrund ihrer Porosität nur eine begrenzte dielektrische Festigkeit.
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In der Regel werden diese isolierenden Keramikbeschichtungen auf das Metallsubstrat durch das Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffflammspritz-Verfahren (HVOF), Niederdruckplasma, oder andere Hochtemperatur-Abscheidungsprozesse aufgebracht. Die resultierende Beschichtung ist aufgrund des nicht perfekten Abscheidungsprozesses inhärent porös. Zusätzlich muss das Keramikmaterial während des Abscheidungsprozesses auf sehr hohe Temperaturen erwärmt werden, was das Metallsubstratmaterial negativ beeinflussen kann (z. B. die Mikrostruktur, Härte, Wärmebehandlung des Materials). Der Metallabscheidungsprozess wie HVOF oder Niederdruckplasma erzeugt auch eine Keramikbeschichtung relativ geringer Reinheit. Die resultierende Beschichtung hat aufgrund der porösen und unreinen Struktur der Beschichtung, die zahlreiche Fehlstellen und Verunreinigungen umfasst, eine begrenzte dielektrische Festigkeit. Bei einem Hochspannungspotential kann Strom durch diese Fehlstellen und Ungenauigkeiten fließen, die der Beschichtungsstruktur inhärent sind, was einen Bogen erzeugt, der die Beschichtung kompromittiert, durch die Beschichtung läuft und potenziell Schäden durch EDM an dem Lager verursacht.
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Die Porosität der Beschichtung kann auch die Rissbildung fördern, wenn eine mechanische Belastung auf die Beschichtung ausgeübt wird. Die resultierenden Risse können Strom durch die Beschichtung fließen lassen, was zu Schäden an dem Lager führt.
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Isolierende Keramikbeschichtungen, die durch HVOF oder Niederdruckplasma-Abscheidungsprozesse aufgebracht werden, haben auch begrenzte Haftungsstärke an dem Substratmaterial.
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Faraday-Schilde wurden mit Erfolg eingesetzt, sind jedoch für die meisten industriellen Anwendungen sehr kostenintensiv in der Implementierung.
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Elektrisch leitfähige Schmiermittel lassen den Strom ständig durch die Lageroberflächen passieren, können jedoch Elemente wie Kupfer, Kohlenstoff oder Phosphor enthalten, die exzessiven Verschleiß der Lageroberflächen verursachen, was zu einem vorzeitigen Versagen des Lagers führt.
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Federbelastete Wellen-Massebürsten neigen ebenfalls zu Problemen wie exzessivem Verschleiß, Materialtransfer und Oxidbildung an der Passfläche. Solche Oxide können dielektrisch werden und können die effektive Übertragung des Stroms von der Welle an Masse verhindern. Dies kann Lichtbögen verursachen und zu einer Beschädigung der Welle führen. Außerdem kann der Strom, sobald die Impedanz der Wellen-Massebürste die Impedanz der Lager überschreitet, sich den Weg an Masse erneut durch das Lager suchen, was potenziell wiederum Schäden an den Lagern durch EDM verursacht. Wellen-Massebürsten können aufgrund von Ungenauigkeiten in der Wellenoberfläche, etwa Unrundheit, auch zu Vibrationen neigen. Wenn die Bürste aufgrund von Vibrationen für einen Moment den Kontakt mit der Welle verliert, kann der Strom von der Bürste auf die Welle überspringen und so EDM-Schäden an der Welle verursachen. Alternativ kann der Strom durch die Lager fließen, wenn das Spannungspotential ausreichend hoch ist, während die Bürste bei Vibrationen den Kontakt mit der Welle verliert. Herkömmliche federbelastete Massebürsten neigen zu schnellem und exzessivem Verschleiß und können schlussendlich den Kontakt mit der Welle verlieren, was den Strom veranlasst, sich den Weg an Masse durch das Lager zu suchen, was potentiell EDM-Schäden in dem Lager verursacht. Schließlich werden Wellen-Massebürsten gewöhnlich nicht in der Nähe des Lagers installiert, was jedoch üblicherweise die Komponente ist, die die größten Bedenken verursacht. Die unmittelbare Nähe der Masseerdung zu dem Lager ist jedoch essenziell, um die Integrität der Lageroberflächen zu schützen.
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Daher wird in der Technik eine elektrisch isolierende Beschichtung mit hoher Dichte, hoher Reinheit, minimaler Porosität und verbesserter Haftungsfestigkeit an dem Substratmaterial benötigt.
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Historisch betrachtet wurden die HVOF-, Niederdruckplasma-, und andere Hochtemperatur-Materialabscheidungsprozesse eingesetzt, um eine Aluminiumoxid-Keramikbeschichtung, oder eine Variante davon auf metallischen Lagersubstraten (innere und äußere Lagerringe aus Stahl) abzuscheiden. Dies geht darauf zurück, dass herkömmliche elektrochemische Abscheidungs- oder Plattierungsprozesse im Säurebad nicht für das Abscheiden von Aluminium auf Stahlsubstraten geeignet ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein nicht herkömmlicher Niedertemperaturprozess zum Aufbringen einer dünnen, elektrisch isolierenden Beschichtungsanordnung mit hoher Dichte, hoher Reinheit, minimaler Porosität, und verbesserter Haftungsfestigkeit wird bereitgestellt. Die Lagerkomponente ist aus Stahl gebildet und maschinell bearbeitet oder auf andere Weise bis zur fast fertigen Form gebildet. Hochreines Aluminium wird zuerst elektrochemisch auf der Stahllagerkomponente unter Verwendung eines nicht wässrigen Elektrolyts wie etwa Toluol in einer inerten Umgebung abgeschieden, um eine hochreine Aluminiumbeschichtung zumindest über einem Abschnitt der Stahllagerkomponente auszubilden. Eine Oberfläche der hochreinen Aluminiumbeschichtung wird dann durch ein Säurebad in ein Aluminiumoxid umgewandelt. Dies wird in der Regel als Säureanodisierung bezeichnet, und dadurch wird eine isolierende Schicht gebildet.
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Optional ist die isolierende Schicht versiegelt.
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Vorzugsweise hat das hochreine Aluminium eine endgültige Dicke von 25 - 200 µm, noch bevorzugter von 50 - 100 µm.
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Vorzugsweise hat die isolierende Schicht eine endgültige Dicke von 25 - 200 µm, noch bevorzugter von 50 - 100 µm.
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Vorzugsweise weisen das hochreine Aluminium und die isolierende Schicht aus Aluminiumoxid weniger als 2 % Fehlstellen oder Einschlüsse auf, und noch bevorzugter weniger als 0,2 % Fehlstellen oder Einschlüsse. Gemäß dem bevorzugten Verfahren gibt es praktisch keinerlei Fehlstellen oder Einschlüsse, wie durch eine Prüfprobe gezeigt wird, die auf einen Maßstab von 2500:1 vergrößert wurde.
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In einer Ausführungsform weist eine Oberfläche der Stahllagerkomponente, die mit dem hochreinen Aluminium beschichtet werden soll, für eine verbesserte Anhaftung des hochreinen Aluminiums eine Oberflächenrauigkeit von mehr als 4 µm auf.
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In einer Ausführungsform wird eine Laufringoberfläche der Lagerkomponente vor der elektrochemischen Beschichtung mit reinem Aluminium und/oder der Säurebadumwandlung der Oberfläche der hochreinen Aluminiumbeschichtung in Aluminiumoxid maskiert.
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Vorzugsweise weisen die isolierende Schicht oder die versiegelte isolierende Schicht einen Widerstand von zumindest 10 MΩ bei 50 VDC auf. Noch bevorzugter weisen die isolierende Schicht oder die versiegelte isolierende Schicht einen Widerstand von zumindest 50 MΩ bei 1000 VDC auf.
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Optional kann die Lageroberfläche der Stahllagerkomponente fertigbearbeitet werden, nachdem die isolierende Schicht ausgebildet wurde.
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Eine Stahllagerkomponente sowie ein Wälzlager, das eine Stahllagerkomponente mit der isolierenden Schicht aufweist, die durch das vorstehende Verfahren ausgebildet ist, wird ebenfalls bereitgestellt. Das Wälzlager umfasst vorzugsweise einen Innenring, einen Außenring und eine Vielzahl von Wälzelementen wie etwa Kugeln oder Walzen auf. Der Innenring und/oder der Außenring umfassen die isolierende Beschichtung, die zumindest entweder auf die äußere Montagefläche des Außenrings oder die innere Montagefläche des Innenrings aufgebracht, oder auf die Montageflächen sowohl des Innenrings als auch des Außenrings. Dadurch wird ein gegen EDM beständiges Wälzlager bereitgestellt.
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Figurenliste
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Die vorstehende Zusammenfassung sowie die folgende detaillierte Beschreibung sind am besten zu verstehen, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden. Darin ist/sind:
- 1 eine Aufrissdarstellung eines Wälzlagers mit einer oder mehreren Lagerkomponenten mit einer isolierenden Beschichtung.
- 2 eine stark vergrößerte Querschnittsansicht durch beide Lagerringe, wie durch die Linien 2-2 in 1 dargestellt, und zeigt die isolierende Beschichtung auf einen oder beide Lagerringe aufgebracht.
- 3 eine stark vergrößerte Querschnittsansicht, die die isolierende Beschichtung auf der Lagerkomponente von 2 zeigt.
- 4 ein Flussdiagramm, welches das Verfahren zum Aufbringen einer isolierenden Beschichtung auf eine Lagerkomponente gemäß einer Ausführungsform zeigt.
- 5 ein Foto mit 500-facher Vergrößerung eines Beispiels der isolierenden Beschichtung auf der Lagerkomponente.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In der folgenden Beschreibung wird nur zur Vereinfachung eine bestimmte Terminologie verwendet, die jedoch keinesfalls einschränkend ist. Die Worte „innere/r“, „äußere/r“, „nach innen“, und „nach außen“ beziehen sich auf Richtungen zu den Teilen in den Zeichnungen hin oder davon weg. Ein Verweis auf eine Liste von Elementen, die als „mindestens eines von a, b oder c“ zitiert werden (wobei a, b und c die Elemente repräsentieren, die aufgelistet werden), bedeutet ein beliebiges einzelnes der Elemente a, b, c oder Kombinationen davon. Die Terminologie umfasst die oben speziell angeführten Begriffe, davon abgeleitete Begriffe und Worte mit ähnlichem Umfang oder Gehalt.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird dort ein Wälzlager 10 mit einem Außenring 12 und einem Innenring 14 gezeigt. Der Außenring 12 und der Innenring 14 sind Lagerkomponenten, die aus Lagerstahl hergestellt sind. Die Wälzelemente 16 sind zwischen dem Außenring 12 und dem Innenring 14 angeordnet. Die Wälzelemente sind vorzugsweise durch einen Käfig 18 voneinander beabstandet.
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Wie in 2 im Detail gezeigt, umfasst zumindest einer von Innenring 14 oder Außenring 12 zumindest auf einem Abschnitt davon eine isolierende Beschichtungsanordnung 30 mit einer Schicht aus hochreinem Aluminium 32, die auf dem Stahl angeordnet ist, der zur Bildung des Innenrings 14 oder des Außenrings 12 verwendet wird. Die hochreine Aluminiumbeschichtung 32 umfasst eine isolierende Aluminiumoxid-Schicht 34 an einer äußeren Oberfläche davon, die aus der hochreinen Aluminiumschicht 32 gebildet ist. Die Schichten in 2 sind nicht maßstabgetreu dargestellt.
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Die hochreine Aluminiumschicht 32 und die isolierende Schicht aus Aluminiumoxid weisen vorzugsweise weniger als 2 % Fehlstellen oder Einschlüsse auf, und noch bevorzugter weniger als 0,2 % Fehlstellen oder Einschlüsse. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform gibt es praktisch keinerlei Fehlstellen oder Einschlüsse, wie durch eine Prüfprobe gezeigt wird, die bei einer Vergrößerung von 500:1 untersucht wurde. Dies ist in 5 dargestellt.
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Wie in 3 dargestellt, kann die isolierende Aluminiumoxid-Schicht 34 versiegelt sein, wie durch die Versiegelungsschicht 36 angezeigt. Diese Versiegelungsschicht kann durch eine Heißwasserversiegelung gebildet werden, in welcher die Aluminiumoxid-Schicht oder zumindest eine äußere Oberfläche davon in eine hydrierte Form umgewandelt wird, welche die Porengröße verringert. Eine weitere Beschichtung, etwa Teflon oder ein beliebiges anderes isolierendes Versiegelungsmittel, kann optional zusätzlich oder anstatt der Heißwasserversiegelung verwendet werden.
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Wie in 2 gezeigt, befindet sich die isolierende Beschichtungsanordnung 30 vorzugsweise an der äußeren Montagefläche 26 des Außenrings 12, und der Lagerring 22 umfasst die isolierende Schicht nicht. Alternativ umfasst die innere Montagefläche 28 des Innenrings 14 die isolierende Beschichtungsanordnung 30, und die Lauffläche 24 des Innenrings 14 umfasst keine isolierende Beschichtungsanordnung 30. Es ist auch möglich, dass sowohl der Außenring 12 als auch der Innenring 14 die isolierende Beschichtungsanordnung 30 umfassen. Die isolierende Aluminiumoxid-Schicht 34 weist vorzugsweise einen elektrischen Widerstand von zumindest 10MΩ bei 50 VDC auf. Noch bevorzugter weist die isolierende Aluminiumoxid-Schicht 34 oder die isolierende Aluminiumoxid-Schicht 34 mit der Versiegelungsschicht 36 einen Widerstand von zumindest 50MΩ bei 1000 VDC auf.
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Vorzugsweise hat die hochreine Aluminiumschicht eine endgültige Dicke von 25-200 µm. Zusätzlich weist die isolierende Aluminiumoxid-Schicht 34 eine endgültige Dicke von 25 - 200 µm auf. Noch bevorzugter weisen die hochreine Aluminiumschicht 32 und die isolierende Aluminiumoxid-Schicht 34 jeweils eine Dicke von 40 - 75 µm auf. Vorzugsweise beträgt die Gesamtdicke der Beschichtung 50-400 µm, und noch bevorzugter in dem Bereich bei 75-125 µm.
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Unter Bezugnahme auf 4 wird dort in dem Flussdiagramm 40 ein Verfahren zur Bereitstellung einer elektrisch isolierenden Beschichtung auf einer Lagerkomponente bereitgestellt, die der Außenring 12 und/oder der Innenring 14 sein kann. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen der Lagerkomponente, die aus Stahl gebildet und maschinell bearbeitet oder auf andere Weise bis zur fast fertigen Form gebildet ist. Wie in dem Kasten 41 gezeigt, ist die halbfertige Lagerkomponente vorzugsweise ein Lagerring, und alle Oberflächen sind auf ihre endgültigen Dimensionen fertig bearbeitet, mit der möglichen Ausnahme der Lauffläche, die nach dem Aufbringen der isolierenden Beschichtungsanordnung 30 ggf. eine Endbearbeitung benötigt. Vorzugsweise werden diese Lagerkomponenten wie in dem Kasten 42 angedeutet gewaschen oder gereinigt. Diese Reinigung erfolgt durch bekannte Verfahren unter Verwendung von Detergenzien und/oder Lösungsmitteln. Falls nötig kann die Oberfläche der Lagerkomponenten, die beschichtet werden soll, wie in Kasten 43 angedeutet aufgeraut werden. Vorzugsweise erfolgt das Aufrauen nur in jenen Bereichen, die beschichtet werden sollen, und nicht auf den Laufflächen 22, 24, und eine Oberflächenrauigkeit von Ra≥ 6 µm wird vorgesehen, um die Haftung des hochreinen Aluminiums auf den Oberflächen der Lagerkomponente, die beschichtet werden soll, zu fördern. Ein Endreinigungsschritt kann vorgesehen werden, wie in Kasten 44 angedeutet, und kann das Spülen mit einem Lösemittel und/oder Detergens umfassen, um jegliche Verunreinigungen zu entfernen, darunter Öle an der Oberfläche, die ein korrektes Anhaften der aufzubringenden Beschichtungen verhindern könnten. Wie in Kasten 45 angedeutet, werden die Laufflächen 22, 24 der Lagerkomponenten in der Form von Lagerringen 12, 14 maskiert. Diese Maskierung kann mit einer Folie oder einem Band aus Polyester und einem geeigneten Klebstoff erfolgen, der auf Silikon basieren kann, oder kann durch Abdeckungen oder Stopfen erfolgen, die gegen die Chemikalien zur Elektroplattierung und/oder die Anodisiersäure beständig sind. Die Maske wird auf bekannte Weise auf Bereiche aufgebracht, die nicht beschichtet oder behandelt werden sollen, etwa die Laufflächen 22, 24.
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Wie in Kasten 46 angedeutet, wird eine Anode an jede der Lagerkomponenten in Form des Außen- und Innenrings 12, 14 angelegt, und die Lagerkomponenten mit reinem, hochdichtem Aluminium wie in Kasten 47 angedeutet vorzugsweise auf eine Dicke von zumindest etwa 50 µm (0,002 in) elektroplattiert. Die aufbeschichtete Dicke kann zwischen 25 und 200 µm variieren, in Abhängigkeit von der Anwendung und der weiteren Bearbeitung, die noch durchgeführt werden soll. Die Elektroplattierung erfolgt unter Verwendung eines nicht wässrigen Elektrolyten, etwa Toluol, in einer inerten Umgebung, die es erlaubt, das reine Aluminium in einem hochreinen und dichten Zustand ohne Einschlüsse oder Fehlstellen auf den Stahl-Lagerkomponenten abzuscheiden. Wie in Kasten 48 gezeigt wird die Dicke des Aluminiums vorzugsweise überprüft.
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Dieses hochreine Aluminium wird dann wie in Kasten 49 angedeutet vorzugsweise auf 50 % bis 60 % der Dicke der hochreinen Aluminiumschicht 32 hartanodisiert, was dann wie in 3 gezeigt die Schicht aus reinem Aluminium 32 sowie die anodisierte isolierende Schicht 34 ergibt, die auf der Stahllagerkomponente in der Form der Lagerringe 12, 14 gebildet sind. Vorzugsweise ist die Anodisierung eine Anodisierung mit schwefeliger Säure, oder alternativ Oxalsäure, wobei die Lagerkomponente die Anode des Stromkreises in dem Anodisierbad bildet. Wie in Kasten 50 gezeigt kann optional ein Farbstoff auf die anodisierte Oberfläche aufgebracht werden, um der Lagerkomponente eine gewünschte Farbe zu verleihen. Die anodisierte isolierende Schicht 34 kann optional versiegelt werden.
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Wie in Kasten 51 gezeigt, wird die Gesamtdicke der anodisierten Schicht 34 und der reinen Aluminiumschicht 32 vorzugsweise zerstörungsfrei überprüft. Die gesamte Schichtdicke für jede Schicht liegt vorzugsweise in dem Bereich von 50 - 200, und noch bevorzugter 40 - 75 µm. Vorzugsweise beträgt die Gesamtdicke der Beschichtung 50-400 µm, und noch bevorzugter in dem Bereich bei 75-125 µm. In einer Ausführungsform beträgt die gesamte Schichtdicke nominell 100 µm (0,004 in).
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Wie in Kasten 52 gezeigt kann dann die Maskierung der Lauffläche entfernt werden, und eine Endbearbeitung der Laufflächen 22, 24 erfolgen. Schließlich erfolgt dann, wie in Kasten 53 angedeutet, eine vorzugsweise elektrische Prüfung der Beschichtung, um sicherzustellen, dass die isolierende Schicht einen Widerstand von zumindest 10 MΩ bei 50 VDC aufweist, noch bevorzugter einen Widerstand von zumindest 50 MΩ bei 1000 VDC.
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Diese Anordnung stellt eine gegen EDM beständige Wälzlagerkomponente, und noch bevorzugter eine gegen EDM beständige Wälzlageranordnung, etwa das in 1 gezeigte Wälzlager 10, bereit, in dem beide Ringe 12, 14 die isolierende Beschichtungsanordnung 30 umfassen.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht als rein der Veranschaulichung dienend und nicht einschränkend zu betrachten, wobei der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die vorstehende Beschreibung angegeben wird; alle Änderungen, die dem Sinn und Umfang der Ansprüche gleichwertig sind, sind daher ebenfalls darin aufzunehmen.
