Warum Wellenstrom in netzfrequenzbetriebenen Motoren auftritt

Die beiden Grundvoraussetzungen für die Stromerzeugung sind Spannung und ein geschlossener Stromkreis. Wellenstrom kann sich nur bilden, wenn entlang einer geschlossenen Leiterbahn Wellenspannung anliegt. Warum entsteht dann bei Motoren, die mit industrieller Netzfrequenz laufen, Wellenspannung? Zwei Grundmechanismen erzeugen Wellenspannung in rotierenden Maschinen: magnetischer Wechselfluss und statische Ladungsakkumulation.

Die durch den magnetischen Wechselfluss induzierte Wellenspannung ist kontinuierlich und periodisch. Unter normalen Betriebsbedingungen dreht sich der Motorrotor in einem symmetrischen sinusförmigen magnetischen Wechselfeld. Die elektromotorische Wechselkraft (EMF), die beim Unterbrechen des magnetischen Flusses durch den Rotor induziert wird, erzeugt ausgeglichene Wechselströme, sodass im Idealfall keine asymmetrische Spannung zwischen den beiden Enden der Rotorwelle besteht. Allerdings erzeugt ein ungleichmäßiger magnetischer Widerstand, der über den Umfang entlang des Statorkerns verteilt ist, eine unausgeglichene Wechsel-EMK, die wiederum eine axial gerichtete Wellenspannung erzeugt. Im Gegensatz dazu ist die durch statische Aufladung verursachte Wellenspannung intermittierend und nicht-periodisch. Während des Motorbetriebs führt die Reibung zwischen Prozessflüssigkeitsladungen und rotierenden Komponenten zu einer statischen Aufladung der Rotorbaugruppe. Durch die kontinuierliche Ladungsakkumulation entsteht anschließend eine Wellenspannung.

Sobald sich bei mittleren und großen Wechselstrommotoren ein geschlossener Stromkreis über der Rotorwellenspannung bildet,WellenstromEs entsteht ein Spannungswandler mit der typischen Charakteristik von Niederspannung und hohem Strom. Welle und Lagerbuchsen sind durch Schmieröl getrennt, die Motorlager stützen sich auf einem Ölfilm ab. Aufgrund der relativ geringen Wellenspannung bleibt der isolierende Ölfilm im Allgemeinen intakt und bricht nicht zusammen.

Bei hoher-Drehzahl des Rotors kommt es aufgrund einer minderwertigen Schmierstoffqualität oder einer unzureichenden Ölversorgung zu Rissen und Zerstörung des Ölfilms, wodurch die Welle und die Lagerbuchse in direkten metallischen Kontakt kommen. Über der Wellenspannung bildet sich sofort ein geschlossener Stromkreis, der einen Niederspannungsdurchschlag auslöst. Der resultierende Wellenstrom erreicht augenblicklich mehrere Hundert oder sogar Tausende Ampere und reicht aus, um den Wellenzapfen und die Lagerbuchsen durchzubrennen.

Durch die Betriebsreibung erzeugte statische Ladung sammelt sich zunehmend auf der Welle an und erhöht das Wellenpotential beim Aufladen kontinuierlich. Die Entladung erfolgt sofort, wenn die rotierende Welle mit einem stationären externen Bauteil in Kontakt kommt. Wenn die Welle von nicht-rotierenden Teilen isoliert bleibt, baut sich die statische Aufladung weiter auf, bis eine übermäßig hohe Spannung entsteht. Sobald diese Spannung die Spannungsfestigkeit des Lagerölfilms überschreitet, kommt es zu einer schnellen EntladungWellenstrom.

Dieser Strom zirkuliert durch einen geschlossenen Kreislauf, der aus der rotierenden Welle, dem Lagerinnenring, dem Lageraußenring und dem Lagergehäuse besteht. Das offensichtlichste Fehlerzeichen ist eine winzige, tiefe kreisförmige Lochfraßkorrosion auf der Lagerzapfenoberfläche und dem Innenring des Lagers, die durch eine elektrische Lichtbogenentladung verursacht wird. Solche Lochfraßbildung destabilisiert die Bildung und Integrität des Ölfilms und zerstört die präzise Passung zwischen Welle und Lager, wodurch das Lager funktionsunfähig wird. In schweren Fällen kommt es durch starke Belastung zu starken Lichtbögen an den Kontaktflächen von Wellenzapfen und LagerbuchsenWellenstrom, wodurch diese Komponenten schwer beschädigt werden. Dies führt zu übermäßigen Motorvibrationen und ungewöhnlichen Geräuschen, was letztendlich dazu führt, dass der Motor nicht mehr normal laufen kann.