September 2019 - Wellenerdungsringe für elektrische Antriebsmaschinen

Quelle: KACO GmbH + Co. KG

Die Elektrifizierung der Antriebsstränge ist in vollem Gange. KACO bietet dafür neben der gezielten Adaption bewährter Technologien aus der Dichtungstechnik seit einigen Jahren neuartige Produktsegmente an. Für die Auslegung elektrischer Antriebsmaschinen hat KACO ein Portfolio an Wellenerdungsringen entwickelt. Damit wird ein hervorragender Schutz der Lager elektrischer Maschinen über die Betriebsdauer gewährleistet. Ein spezifisches, leistungsfähiges Prüffeld zum Nachweis der Funktion unter realen Einsatzbedingungen stellt sicher, dass aktuelle und zukünftige Prüfbedingungen der E-Mobilität abgebildet werden.

Die zunehmende Leistungsdichte bei Hochvoltsystemen für elektrische Fahrzeuge und Hybride verlangt bei elektrischen Antriebsmaschinen nach Lösungen, bei denen die Rotorwelle mit dem geerdeten Motorgehäuse dauerhaft elektrisch verbunden ist. Ist dies nicht gewährleistet, kann es neben Störfrequenzen zu Lagerschäden kommen, wenn sich Spannungspotenziale durch Entla-dungsströme über die Lager der Rotorwelle ausgleichen. Die Potenzialunterschiede können unterschiedliche Ursachen haben, wie beispielsweise ein asymmetrischer Aufbau der Maschine oder die Anregung durch den Frequenzwechselrichter. Aufgrund der ungewollten Lagerströme kommt es zu lokalen Schädigungen an den Laufflächen der metallischen Lagerungen und damit letztlich zum Ausfall der Lagerung. Die Verwendung von isolierten (z.B. keramischen) Lagern verschiebt das Problem erfahrungsgemäß weiter in Richtung der metallischen Getriebeverzahnungen, wodurch das Problem des definierten elektrischen Potenzialausgleichs nicht gelöst ist. Auch Störgeräusche im Mittelfrequenzbereich können durch Isolation der Lager ohne weitere Maßnahmen nicht verhindert werden. Je nach Zulassungsland wird dies sogar als sicherheitsrelevant eingestuft, da der Verkehrsfunk teilweise über Mittelwellen empfangen wird.

Die speziell für die Elektrifizierung der Fahrzeugantriebe entwickelten Wellenerdungsringe der KACO stellen die elektrische Verbindung und somit einen dauerhaften Potenzialausgleich ohne das Risiko schädlicher Lagerströme sicher. Sie vermeiden damit Lagerschäden und beugen Störgeräuschen im Mittelfrequenzbereich vor, indem sie Wellenspannungen und Lagerströme zur elektrischen Masse ableiten. Möglich wird dies durch eine hochleitfähige PTFE-Scheibe mit spezieller Beschichtung. Wellenerdungsringe von KACO sind auf die Spezifikationen elektrischer Antriebsstränge hin optimiert. Applikationen mit Umfangsgeschwindigkeiten von 45 m/s für Umgebungstemperaturen von -40 bis 140°C befinden sich bereits im Serieneinsatz. Optimierungen und weitere Lösungen für höhere Umfangsgeschwindigkeiten sind in der Erprobung, wobei der heutige Serienstand nahezu alle aktuellen Applikationen abdeckt. Im Trockenzustand bewegt sich die elektrische Impedanz im Bereich von 5 Ω zwischen Welle und Gehäuse. Die eigens von KACO entwickelte Technologie bietet somit effektiven Lager- und Verzahnungsschutz, eine signifikante Reduzierung der Impedanz über die gesamte Lebensdauer und ist unabhängig von der Drehrichtung der Welle. Neue Erdungssysteme für den Einsatz im Ölraum von ölnebelgekühlten Maschinen sind in der Entwicklung und stehen in Kürze für den Serieneinsatz von hoch integrierten elektrischen Antriebssträngen zur Verfügung. Aufgrund der Spezialisierung auf die Entwicklung und Produktion von Erdungsringen ist KACO optimaler System- und Entwicklungspartner für derartige Produkte.

Erprobung unter Realbedingungen in spezifischem Prüffeld

KACO hat in enger Zusammenarbeit mit Fahrzeugherstellern und Systemlieferanten die Leistungsfä-higkeit des Portfolios an Wellenerdungsringen auf speziellen und für diesen Zweck gebauten Prüfständen nachgewiesen. Messmethoden und neue Auswertealgorithmen wurden für die spezifischen Anforderungen der E-Mobilität entwickelt. Die Testmöglichkeiten für Wellenerdungsringe bei KACO umfassen applikationsspezifische Prüfungen sowie weiterführende mechanische, chemische und klimatische Tests. Durch die gezielte Investition in spezifische Prüfstände für Wellenerdungsringe können bei KACO heute Lastprofile unter Berücksichtigung sehr hoher Drehzahlen, minimaler und maximaler Temperaturen oder auch Rundlaufabweichungen des Gesamtsystems evaluiert werden. Aufgrund des Expertenwissens über Werkstoffe und Reibungsop-timierung können Radialkraft, Verschleiß und Temperaturentwicklung für die Kontaktierung über Lebensdauer anwendungsbezogen festgelegt werden. KACO ist damit erste Wahl für die Entwicklung von Erdungslösungen für die E-Mobilität.

„Lösungsorientierte Material- und Produktentwicklung in einem eigens dafür geschaffenen Prüffeld waren die Erfolgsfaktoren für die Entwicklung unserer Wellenerdungsringe. Eine tiefgehende Analyse der bisherigen Lösungsansätze zur Wellenerdung brachte uns systematisch zu einem robusten, kompakten und für die Funktion kostenoptimierten Produktbaukasten. Die neue Materialkombination von hochleitfähigem PTFE mit einer Silberbeschichtung löst die bekannten Nachteile alternativer Lösungsansätze zur Wellenerdung. Je nach Anwendung kann das Ergebnis durch eine zusätzliche spezielle Laufhülse noch weiter optimiert werden. Es hat sich als richtig erwiesen, dass wir bereits vor einigen Jahren entsprechende Ressourcen in die Entwicklung und Erprobung unserer Wellener-dungsringe investiert haben. Damit können wir heute als kompetenter Systempartner für die Entwicklung elektrischer Antriebsstränge unseren Kunden einen beachtlichen Mehrwert bieten.“ erläutert Vice President Research & Development Andreas Genesius.

The Expert for Sealing Systems

Die KACO GmbH + Co. KG, ein Tochterunternehmen der Zhongding-Gruppe, ist einer der weltweit führenden Entwickler und Hersteller von hochpräzisen, anwendungsorientierten Dichtungslösungen für die Automobil- und Maschinenbauindustrie. Das Unternehmen mit Sitz in Deutschland zeichnet sich durch höchste Dichtungsqualität sowie Innovationskraft aus und steht für anerkannte Entwicklungs- und Fertigungskompetenz. KACO hat sechs Werke in Deutschland, Österreich, Ungarn, China und den USA und liefert seine Produkte in die ganze Welt. Als enger Partner der Automobil- und Zulieferindustrie hält das Unternehmen seit Jahrzehnten mit den hohen Anforderungen und technischen Veränderungen der Branche Schritt.

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