電気的に絶縁された転がり軸受

電流の通過によるベアリングの損傷に対する保護

シュタイアー、オーストリア、2015年3月。電気的に絶縁された転がり軸受は、軸受に組み込まれた電気絶縁を特徴としており、電流の通過と電食に対する信頼性の高い保護を提供します。典型的なアプリケーションは、電気モーター、発電機、その他の電気機械です。オーストリアのメーカーNKE Austria GmbHは、いくつかのバージョンで電気的に絶縁された転がり軸受を提供しています。この記事では、NKEのアプリケーションエンジニアであるKlaus Grissenbergerが、転がり軸受を流れる電流の原因、損傷の症状と対策、電気絶縁された軸受の特性と製造プロセスについて説明します。

NKE SQ77E内輪に絶縁材を備えた深溝玉軸受。

転がり軸受の外輪と内輪の電位差により、損傷電流が発生し、軸受の軌道が永久的に損傷し、その走行特性が損なわれる可能性があります。電流が流れると、転動体と内輪または外輪の間の接触領域で放電が発生します。これにより、表面が局所的に溶解します。結果：熱応力による孔食、材料の移動、および局所的な微細構造の損傷。侵食された表面の少なくとも非常に薄い層が再硬化され、非常に硬くなり、亀裂が発生しやすくなります。このプロセスは電食と呼ばれ、多くの場合、発電機や電気モーターなどの電気機械アプリケーションのベアリングだけでなく、ポンプやギアボックスなどの電気モーターを動力源とする機械にも影響します。さらに、放電により潤滑剤が役に立たなくなる。潤滑剤に含まれる基油と添加剤が酸化し、潤滑剤の特徴的な黒色をもたらします。早期老化は、金属表面の間に分離層を形成する潤滑剤の能力を永久的に損ないます。ベアリングの機能面が損傷し、潤滑作用が失われると、ベアリングの機能が急速に失われます。

転がり軸受を通る電流の望ましくない通過の考えられる原因

図1a

図1b

電流が流れると、内輪軌道（図1a）と円筒ころ軸受の転動体（図1b）の側面にクレーター/フルートが形成されます。

現在の放電の主な理由は知られています。電気機械の磁束の非対称性により、シャフトとハウジングの間に低周波電圧が発生し、その結果、転がり軸受に電流が流れます。このような電流の流れは、機械のアース接続が無効である場合に、シールドされていない非対称の電気ケーブルを使用した場合にも発生します。もう1つの原因は周波数コンバーターの使用です。多くの周波数コンバーターの動作原理は、パルス幅変調（PWM）に基づいており、高周波コモンモード電圧を生成します。これにより、転がり軸受に電流が流れます。最後に、シャフトとハウジングの静電帯電とそれに続く転がり軸受からの放電も考えられる原因です。

損傷の症状と可能な対策

電食の典型的な兆候には、レースウェイおよび転動体表面の灰色の変色したトラックが含まれます。溶けたクレーター（図1aおよび1b）または縦溝流路も、主に軌道面で識別できます。電流放電による損傷は、通常、ランニングノイズの増加として現れます。

この種の損傷を防ぐために、ベアリングシートをハウジングまたはシャフトに絶縁することをお勧めします。ただし、これには周辺部品の追加の設計対策が必要です。この場合の簡単で経済的な解決策は、NKEの電気的に絶縁された転がり軸受を使用することです。絶縁ベアリングの主要な寸法と性能データは、対応する非絶縁モデルのものと同じであるため、全体的な設計を変更する必要はありません。

電気的に絶縁されたベアリング–プロパティとアプリケーション

接尾辞SQ77で指定されたNKEの電気的に絶縁されたベアリングには、酸化物セラミック絶縁層が付いています。絶縁層のさまざまな設計バリエーションの概要を表に示します。 NKEの電気的に絶縁された転がり軸受は、対応する非絶縁タイプとまったく同じ外形寸法と技術特性を提供します。

これらのベアリングの最も重要な利点は、より高い動作信頼性であり、電食に対する最適な保護によって保証されます。電気的に絶縁されたベアリングは、例えば、ハウジングやシャフトに絶縁を施すよりも安価です。主要な寸法と技術的特徴が同じであるため、従来のベアリングと互換性があります。また、電気機械で使用した場合、損傷のリスクが軽減され、従来のベアリングよりも動作寿命が長くなります。電気的に絶縁されたベアリングが適切に取り扱われれば、コーティングを損傷するリスクはありません。

電気的に絶縁された軸受の主な範囲は、円筒ころ軸受と深溝玉軸受で構成されていますが、他のすべての種類の軸受も電気的に絶縁することができます。応用分野には、特に高速スイッチング周波数コンバーターと組み合わせた、鉄道車両の牽引モーター、電気モーター、発電機が含まれます。

電気的に絶縁された転がり軸受の製造工程と動作原理

NKEからの電気的に絶縁されたベアリングの場合、絶縁層は、薄膜技術であるプラズマ溶射によって外輪（SQ77またはSQ77C –図2a）または内輪（SQ77EまたはSQ77H –図2b）に適用されます。プラズマ溶射中、適切なガス供給により2つの電極間に電気アークが生成されます。プラズマジェットは、酸化アルミニウム粉末（Al2O3）を外輪または内輪のいずれかに高速で塗布するためのキャリア媒体として機能します。最適な保護を得るために、酸化物層は溶射リングの側面も覆います。次のプロセスステップでは、水分が浸透しないように層をシールします。

図2a図2b

イチジク。 2aおよび2b：NKEからの電気的に絶縁されたベアリングの場合、プラズマ溶射によって薄いリングの外側リング（SQ77またはSQ77C –図2a）または内側リング（SQ77EまたはSQ77H –図2b）に絶縁層が適用されます。フィルム技術。

絶縁層の物理的影響は、ベアリングに有害な電流を発生させる電圧の周波数に依存します。 DC電圧の場合、絶縁されたベアリングにはオーム抵抗があります。この抵抗が高いほど、電流は低くなります。絶縁されたベアリングの抵抗値は50MΩを超えるため、電流をベアリングに損傷を与えないレベルに制限します。

AC電圧の場合、絶縁されたベアリングの容量性の性質が有利です。ベアリングは、インピーダンスと呼ばれる周波数に依存する抵抗を持つ抵抗とコンデンサで構成される並列回路とほぼ同じように動作します。インピーダンスは、電圧と周波数の特定の値に対して、ベアリングを流れる交流電流の大きさを決定します。ここでも、電流をベアリングに損傷を与えないレベルまで下げるために、インピーダンスはできるだけ高くする必要があります。

高いインピーダンス値を達成するには、絶縁層の抵抗が高く、その静電容量が低くなければなりません。これは、絶縁層を可能な限り厚くし、全体の絶縁表面積を減らすことによって達成できます。これは、ベアリングに転写されると、この層が好ましくは内輪の穴に適用されることを意味します。しかしながら、コーティングは通常、コストの理由および製造プロセスの制約のために外径に適用されます。ほとんどの場合、これでも電気腐食による損傷に対する十分な保護以上の結果が得られます。コーティングのもう一つの重要な特性は、その絶縁耐力です。バージョンに応じて、NKEのベアリングの絶縁耐力は少なくとも1000 Vまたは2000 Vです。

著者：

NKE Austria GmbHのアプリケーションエンジニア、クラウスグリッセンバーガー氏。

テーブル：

電気的に絶縁されたNKE転がり軸受の設計バリエーションの概要：

企業情報：

NKE Austria GmbHは、オーストリアのシュタイアーに本社を置くベアリングメーカーです。約140人の従業員を抱える会社は、1996年に、元会社SteyrWälzlagerの上級スタッフメンバーのグループによって設立されました。 NKEは、すべての産業用途向けの標準および特殊ベアリングを製造しています。コンポーネントのエンジニアリング、製品開発、製造、最終処理、モジュラーアセンブリ、品質保証、物流、販売、マーケティングは、オーストリアのシュタイアーにあるNKEの本社に集中しています。シュタイアーの工場は、ISO 9001：2008、ISO 14001：2004およびOHSAS 18001の認定を受けています。その幅広い標準ベアリングは、在庫から、または短い製造リードタイムで入手できます。 NKEは、カスタマイズされた製品とソリューションも提供します。 NKEは、製品開発とアプリケーションエンジニアリングに加えて、技術、コンサルティング、ドキュメント、トレーニングサービスを幅広く提供しています。 NKEの製品は、15の国際代理店と60か国の240以上の販売店を通じて販売されています。