Mit Hybridlagern können etwa Elektromotoren, Werkzeugmaschinen, Pumpen und Verdichter beim Vorliegen von Stromdurchgang, hohen Drehzahlen, Verunreinigungen oder Mangelschmierung eine längere Gebrauchsdauer erreichenJeder Elektromotor gewinnt durch die Integration eines Frequenzumrichters: einfachere Konstruktion, variable Drehzahlregelung, weniger Energieverbrauch und höhere Drehzahlen werden möglich. Frequenzumrichter führen jedoch häufig zu Stromschäden in Wälzlagern. Diese Schäden zeigen sich zum Beispiel in Form von Riffel- und Kraterbildung auf den Laufbahnen, grauer Verfärbung der Wälzkörper und Dunkelfärbung des Schmierstoffs. Sie gehen auf Entladungen im Wälzkontakt zurück, die entstehen, weil die Gleichtaktspannung am Umrichterausgang ungleich Null ist und weil aufgrund der sehr kurzen Schaltzeiten Spannungsspitzen auftreten.
In Hybridlagern wirken die Wälzkörper aus dem keramischen Werkstoff Siliziumnitrid elektrisch isolierend. Bei Gleichstrom bietet ein nicht abgedichtetes Hybridlager (ohne Dicht- oder Deckscheiben) einen ohmschen Widerstand von mehreren GΩ. Ein Hybridlager kann also das Fließen von Gleichstrom über den Wälzkontakt wirksam verhindern. Weiterhin wirken die keramischen Wälzkörper bei hochfrequenten Strömen wie ein Dielektrikum zwischen Innen- und Außenring. Die Kapazität des Hybridlagers ist sehr gering (in der Größenordnung von picoFarad). Aufgrund des relativ großen Durchmessers der Wälzkörper, der geringen Größe der Wälzkontakte und der geringen relativen dielektrischen Konstante ε_r des Siliziumnitrids ergibt sich selbst bei einer Frequenz von 1 MHz eine Impedanz von mehr als 1 kΩ. Bei Hybridlagern sind also, insbesondere bei hochfrequenten Strömen, Stromschäden weitgehend ausgeschlossen.

Hochgeschwindigkeitsmotoren
Frequenzumrichter ermöglichen eine einfachere Konstruktion von Elektromotoren und damit entweder höhere Leistung oder höhere Drehzahlen. Die verwendeten Wälzlager müssen für hohe Drehzahlen ausgelegt, mit geeignetem Schmierfett ausreichender Lebensdauer befüllt und elektrisch isolierend sein. Abgedichtete, auf Lebensdauer geschmierte Hybridlager weisen diese Eigenschaften auf und sind einfach im Handling. Bei hohen Drehzahlen hat das Fett im Lager dank der Keramikkugeln eine längere Gebrauchsdauer, es entsteht weniger Reibung aufgrund der geringeren Fliehkräfte, bei niedriger Belastung auch keine Anschmierungen durch Gleiten. Bei vertikalem Einbau der Welle weisen diese Lager ebenfalls eine gute Gebrauchsdauer auf.
Auf Lebensdauer geschmierte Rillenkugellager sollten bei hohen Drehzahlen und hohen Beschleunigungen mit Polymer-Käfigen versehen werden, etwa mit einem glasfaserverstärkten Polyamidkäfig. Eine Hochleistungsvariante ist der Käfig aus glasfaserverstärktem Polyetheretherketon (PEEK). PEEK weist bei hohen Temperaturen eine größere Steifigkeit auf, so dass sich der Käfig weniger aufweitet. Außerdem ist PEEK in hohem Maße chemikalien- und temperaturbeständig und hält den hohen Temperaturen in der Kontaktzone Kugel/Käfig stand.
Bei Rillenkugellagern für hohe Drehzahlen ist es notwendig, das Geräusch aufgrund von Käfigschwingungen zu verringern. Dazu bringt man beispielsweise eine externe Vorspannung durch Tellerfedern auf ein Lager mit größerer Lagerluft als Normal auf. Die erforderliche Vorspannung richtet sich nach der Radiallast, der Drehzahl und den Schmierbedingungen der jeweiligen Lagerung und Anwendung. Die erforderliche Axiallast lässt sich für verschiedene Betriebsbedingungen mit einem Simulationsprogramm wie BEAST bestimmen. BEAST wurde von SKF zur Simulation des dynamischen Verhaltens von Lagern bei unterschiedlichen Belastungen und Drehzahlen entwickelt. Wenn bei einer zu geringen Axialkraft stärkeres Gleiten zwischen Innenring und Wälzkörper auftritt, kann dies beispielsweise zum „Käfigklappern“ führen.

Schmierfett-Gebrauchsdauer
In Hybridlagern hat Schmierfett eine längere Gebrauchsdauer als in Ganzstahllagern. Die Gebrauchsdauer des Schmierfetts wird weiterhin verkürzt, wenn in einem Stahllager Stromdurchgang auftritt. Bei sehr hohen Drehzahlen erreicht das Schmierfett in Hybridlagern die vierfache Gebrauchsdauer gegenüber Stahllagern, bei extremen Drehzahlen kann dieser Wert noch wesentlich überschritten werden. Zunächst wird die Schmierfrist unter Standardbedingungen bestimmt, dann wird die Gebrauchsdauer für die anwendungsspezifischen Bedingungen abgeschätzt. SKF ermittelt die Schmierfristen für Fette in Hybridlagern mit dem ROF Fettprüfautomaten.
Das SKF Fett für einen weiten Temperaturbereich (WT) ist gut geeignet für Elektromotoren, weil es bei hohen Temperaturen und sehr hohen Drehzahlen eine lange Gebrauchsdauer aufweist. Aus der Kombination von Umgebungstemperatur, Verlust in Stator, Rotor und Eisenkern, Streuverlusten und Reibung im Lager ergibt sich eine erhöhte Betriebstemperatur im Motor. Die auf Lebensdauer geschmierten Lager haben im Temperaturbereich von 70 bis 120°C eine hervorragende Fettgebrauchsdauer.
Schwingungen können für stillstehende Wälzlager problematisch sein, weil die Laufflächen durch den Schmierfilm nicht ausreichend voneinander getrennt werden. In manchen Elektromaschinen treten sogar starke Schwingungen auf, etwa in nur zeitweise eingesetzten Anlagen wie Notstromaggregaten in der verarbeitenden Industrie oder in Transportsystemen wie Zügen oder Schiffen. Sichtbar werden die Schwingungen durch Riffelbildung auf den Laufbahnen, die wiederum die Schwingungen verstärkt. Auch bei Anlagen im Schwenkbetrieb, wie etwa Schrittmotoren, können nach längerem ununterbrochenem Betrieb Riffel entstehen. Oft lassen sich diese Probleme durch eine geschickte Konstruktion und gute Schmierung ausschalten. Bei starken Schwingungen ist es erforderlich, ein anderes Lager einzusetzen, etwa ein Hybridlager, das unempfindlich auf schlechte Schmierungsbedingungen bei Vibrationen im Stillstand reagiert.

Das Service-Sortiment
SKF Ceramic Bearings hat ein Service-Sortiment an Hybridlagern für Elektromaschinen vorrätig, im allgemeinen Rillenkugellager der Reihe 60, 62 und 63 mit einem Bohrungsdurchmesser von 5 bis 50 mm. Die Lager mit reibungsarmen Dichtungen (2RZ), einem glasfaserverstärkten Polyamidkäfig (TN9), Keramikkugeln (HC5), einer Lagerluft größer als Normal (C3) und einem Fett für einen weiten Temperaturbereich (WT) sind optimal auf Elektromotoren abgestimmt. Ein solches typisches Lager ist 6205-2RZTN9/HC5C3WT.
Bei diesen Lagern ist Stromdurchgang ausgeschlossen, sie sind für hohe Drehzahlen ausgelegt, und das Schmierfett hat auch bei hohen Drehzahlen und Temperaturen eine lange Gebrauchsdauer.
Das Service-Sortiment ist für Standard-Elektromotoren der Größe von 0,15 bis 15 kW und für andere Elektromaschinen wie Generatoren oder Handwerkzeuge geeignet. Hybridlager werden meist eingesetzt, um die B-Seite eines Standardmotors gegen Stromdurchgang zu isolieren. Es ist anzumerken, dass ausreichend geerdete Motoren und symmetrische und abgeschirmte Verkabelung die Probleme verringern können. Manchmal müssen auch beide Lager isoliert sein. Bei jeder konstruktiven Veränderung an Elektrogeräten und -motoren ist stets der Erstausrüster zu befragen.
SKF INSOCOAT^TM-Lager werden bei Wellendurchmesser ab 55 mm bei Problemen mit Stromdurchgang verwendet. Die Keramikbeschichtung des Außenrings schützt die Lager zuverlässig vor den meisten Problemen in bezug auf Stromdurchgang. Größere Rillenkugellager (Bohrungsdurchmesser bis 110 mm) sind auch als Hybridlager (HC5) vorrätig – für spezielle Anforderungen, wie hohe Taktfrequenzen, starke Schwingungen, verunreinigte Umgebung.

Hybridlagereinheiten
SKF Machinery Specials (MSP) verfügt über umfassende Erfahrung mit anspruchsvollen Elektroanwendungen und in der Entwicklung kundenspezifischer Lager und Lagerungen. Die jüngste Entwicklung von MSP ist beispielsweise eine auf Lebensdauer geschmierte Lagereinheit für Fahrmotoren (TMBU) mit Hybridlagern. TMBUs erfüllen höchste kundenspezifische Anforderungen an Schmierung auf Lebensdauer und Isolierung und sind problemlos in Handling und Einbau. Sie ermöglichen außerdem eine kompaktere Konstruktion und höhere Drehzahlen für Fahrmotoren. Über solche TMBUs mit Hybridlagern für Fahrmotoren konnte SKF erst vor kurzem einen größeren Auftrag abschließen.
SKF kann Kunden aus der Elektroindustrie professionell beim Aufrüsten bestehender Konstruktionen und der Entwicklung neuer Produkte unterstützen. Dabei hat SKF Richtlinien für Konstruktionen mit Hybridlagern entwickelt, und hält die erforderlichen Hybridlager auch vorrätig. Verschiedene Hybridlagerarten und – einheiten sollen die steigenden Anforderungen an Stromisolierung, Schmierung auf Lebensdauer, höhere Drehzahlen und höhere Leistung erfüllen. Weil die Einheiten geringen Wartungsaufwand, große Leistungsfähigkeit und problemloses Handling verbinden, wird ein großes Marktvolumen erwartet.

Lars Kahlman
und Karin A. Nilsson
SKF Ceramic Bearings, Göteborg, Schweden
und Gerwin Preisinger
SKF Industrial Division, Development Centre Steyr, Österreich