Methodik zur Bewertung und Entwicklung plasmagespritzter Schichten zur elektrischen Isolation

Wälzlager in umrichtergespeisten Motoren versagen trotz vorhandener Schutzvorkehrungen frühzeitig aufgrund hoher elektrischer Belastung. Die Applikation von Al2O3-Schutzschichten mit dem Thermischen Spritzen stellt ein etabliertes Verfahren zum Schutz der Lager vor Strom-durchgängen dar. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Schichtentwicklung durchgeführt, um die Isolationsschutz-schichten mit alternativen Werkstoffkonzepten zu verbessern. Die Schichtentwicklung wird von einem neuartigen methodischen Vorgehen begleitet. Dabei werden freistehende Schichten sowie beschichtete Flachproben mit einem neu konstruierten Impedanzmessaufbau unter-sucht. Die Impedanzspektroskopie wird für die genannten Probenarten validiert und geprüft. Es werden Kurvensimulationen und Fittings von Impedanzkurven angewandt, um das Ziel einer verbesserten elektrischen Isolation des Schichtverbunds zu erreichen. Im letzten Schritt werden drei ausgewählte neuentwickelte Schichtverbundsysteme auf Lagerringe appliziert und in einem Demonstrator geprüft. Mit der dargestellten Methodik sowie der Impedanzspektroskopie konnte gezeigt werden, dass Mullit eine Verbesserung der elektrischen Isolation im Vergleich zu Al2O3 als Referenzwerkstoff darstellt. Insbesondere bei Feuchtigkeit aus der Umgebung zeigt Al2O3 eine langsamere Rekonditionierung. Mullit hingegen wird geringfügiger durch die umgebene Luftfeuchtigkeit beeinflusst und stellt damit einen Vorteil für die Anwendung dar. Im Demonstrator konnte gezeigt werden, dass der neuentwickelte Schichtverbund aus Mullit und neuartigem Versiegler eine geeignete Alternative zu der Al2O3-Referenz für den Einsatz als Schutzschicht vor elektrischen Stromdurchgängen darstellt. Die Anzahl der Stromdurchgänge der kritischen Stromstärken konnte in den Demonstratorprüfungen, im Vergleich zum kommerziell erhältlichen Referenzlager, um etwa 50 % reduziert werden. Die Reduktion der kritischen Stromdurchgänge korreliert mit einer Steigerung der Lagerlebensdauer. Ausgehend von der erfolgreichen Schichtentwicklung wird eingeschätzt, dass Kosten und Ressourcen eingespart werden können.