Permanentmagnet-Synchronmotoren kommen aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihres schnellen Ansprechverhaltens, ihrer präzisen Regelung und ihrer kompakten Bauweise in Elektrofahrzeugen, der Robotik, der Automatisierungstechnik, in HLK-Anlagen, Kompressoren und Hochgeschwindigkeitssystemen zum Einsatz.

Trotz ihrer Vorteile sind PMSMs jedoch häufig mit Problemen durch Lagergeräusche und Vibrationen konfrontiert, die sich direkt auf die Motorleistung, die Lebensdauer und das Benutzererlebnis auswirken.

Warum Lagergeräusche bei PMSM eine Rolle spielen

Lager haben die Aufgabe, den Rotor zu lagern, Reibung zu reduzieren, eine gleichmäßige Drehung zu ermöglichen und die korrekte Ausrichtung aufrechtzuerhalten. In PMSMs, die oft mit hohen Drehzahlen betrieben werden und für den Synchronbetrieb eine präzise Rotorpositionierung erfordern, spielen Lager eine entscheidende Rolle bei:

• Rotorstabilität
• Drehmomentgleichmäßigkeit
• Minimierung von Reibungsverlusten
• Verhinderung der Entmagnetisierung durch mechanische Kollisionen
• Verlängerung der Lebensdauer des Motors

Jede Abweichung im Lagerverhalten – wie Geräusche, Vibrationen oder Überhitzung – führt zu:

• Erhöhtem Energieverbrauch
• Effizienzverlust
• Geringerer Genauigkeit in Servosystemen
• Höhere Geräuschentwicklung (inakzeptabel für Elektrofahrzeuge und Haushaltsgeräte)
• Vorzeitigem Motorausfall

Daher ist die frühzeitige Diagnose von Lagergeräuschen und die Umsetzung von Abhilfemaßnahmen für die Zuverlässigkeit und Leistung von PMSM von entscheidender Bedeutung.

Arten von Lagergeräuschen in PMSM

Lagergeräusche in PMSM werden im Allgemeinen in die folgenden Kategorien eingeteilt:

Mechanische Geräusche

Verursacht durch physikalische Defekte oder Schäden im Inneren des Lagers:

• Oberflächenverschleiß
• Risse oder Lochfraß
• Lockerheit des Käfigs
• Verformung der Kugeln

Mechanische Geräusche klingen in der Regel wie:

➡ Schleifen, Klappern oder Klopfen

Elektromagnetisch induzierte Geräusche

Obwohl Lager mechanische Teile sind, können elektromagnetische Kräfte in PMSM indirekt dazu beitragen:

• Magnetische Radialkräfte
• Unausgeglichene magnetische Anziehungskraft (UMP)
• Vibrationen durch Rastmoment

Dies führt häufig zu:

➡ Brummen, Heulen oder Resonanz

Schmierungsbedingte Geräusche

Treten auf, wenn die Schmierung unzureichend, verunreinigt oder zersetzt ist:

• Trockenlauf
• Ölmangel
• Fettverhärtung

Akustische Symptome:

➡ Quietschen oder Zwitschern

Strukturgeräusche

Mangelhafte Montage oder Unwucht bei umgebenden Bauteilen:

• Fehlausrichtung
• Lose Gehäuse
• Falsche Wellensitzung

Führt zu:

➡ Intermittierende Metallkontaktgeräusche

Häufige Ursachen für Lagergeräusche und Vibrationen bei PMSM

Dieser Abschnitt enthält eine technische Analyse der Faktoren, die zu Lagergeräuschen bei PMSM beitragen.

Überlastung und übermäßige Radial-/Axialkräfte

Lager sind einer höheren Belastung ausgesetzt, wenn:

• Der Motor schwere Lasten antreibt
• Eine Fehlausrichtung die Wellendurchbiegung erhöht
• eine Unwucht des Rotors zu ungleichmäßigen Radialkräften führt
• Riemenantriebe eine übermäßige Axialbelastung ausüben

Hohe Radialkräfte führen zu vorzeitigem Verschleiß.

Hohe Axialkräfte zerstören Axiallager.

Rotorunwucht und unausgeglichene magnetische Anziehungskraft (UMP)

Bei PMSM-Rotoren tritt UMP auf aufgrund von:

• Ungleichmäßiger Luftspalt
• Montagefehlern
• Schwankungen der Magnettoleranzen
• Exzentrizität des Rotors

UMP zieht den Rotor zu einer Seite hin, wodurch die Lagerbelastung zunimmt und Folgendes verursacht wird:

• Vibrationen
• Hörbares Brummen
• Vorzeitige Lagermüdung

Dies tritt besonders häufig bei Rotoren mit oberflächenmontierten Permanentmagneten (SPM) auf.

Verunreinigungen im Lager

Staub, Metallpartikel und Feuchtigkeit führen zu Oberflächenabrieb und Rost.

Typische Verschmutzungsquellen sind:

• Mangelhafte Abdichtung
• Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit
• Bearbeitungsrückstände aus der Fertigung
• Alterung und Zersetzung des Schmiermittels

Verunreinigte Lager erzeugen ein unverkennbares, knirschendes Geräusch.

Schmierversagen

Schmierprobleme treten auf aufgrund von:

• Alterung oder Oxidation des Schmierfetts
• Übermäßige Temperatur
• Über- oder Unterfettung
• Chemische Verunreinigungen

Hochgeschwindigkeitsbetrieb jenseits der Leistungsfähigkeit des Schmierfetts

Wenn die Schmierung versagt, steigt die Reibung, was zu folgenden Problemen führt:

• Quietschgeräusche
• Plötzlichem Temperaturanstieg
• Schneller Verschleiß

Fehlausrichtung zwischen Rotor und Stator

Eine Fehlausrichtung kann folgende Ursachen haben:

• Falsche Montage
• Verbogene Wellen
• Schlechte Bearbeitungstoleranzen
• Verformung des Lagersitzes
• Verformung des Gehäuses durch thermische Ausdehnung

Eine Fehlausrichtung führt zu:

• Vibrationen
• Ungleichmäßige Belastung der Lager
• Erhöhte Geräuschentwicklung

Durch die Lager fließender elektrischer Strom (EDM-Schäden)

Streuströme können durch Lager fließen aufgrund von:

• Unsachgemäße Erdung
• Hochfrequente PWM-Wechselrichter
• Durch Schaltstörstrahlung induzierte Wellenspannung
• Mangelhafte Isolierung

Dies führt zu Lochfraß durch elektrische Entladung (EDM) auf den Lagerflächen.

Symptome:

• Summen
• Vibrationen
• Rillen auf den Lagern

Dynamik von Hochgeschwindigkeits-PMSM-Rotoren

Hochdrehzahl-PMSMs (30.000–120.000 U/min) verstärken:

• Zentrifugalkraft
• Rotor-Durchbiegung
• Resonanz
• Wärmeausdehnung

Diese Faktoren machen Lager anfällig für:

• Unwucht
• Schmierstoffabbau
• Falsche Vorspannung
• Geräuschverstärkung

Diagnosetechniken für Lagergeräusche und -vibrationen

Ingenieure nutzen verschiedene quantitative und qualitative Diagnosemethoden.

Akustische Geräuschprüfung

Eine einfache, aber wirksame Methode.

Bediener achten auf Geräusche:

• Knirschen → mechanischer Schaden
• Heulen → elektromagnetische Erregung
• Zirpen → Schmiermittelmangel
• Klopfen → Lockerung des Käfigs

Wird häufig bei der routinemäßigen Wartung eingesetzt.

Vibrationsspektralanalyse (FFT)

Schwingungssignale werden mittels Fast-Fourier-Transformation (FFT) zerlegt.

Hilft bei der Identifizierung von:

• Fehler bei der Kugeldurchlaufhäufigkeit
• Verschleiß des Innen-/Außenrings
• Defekte am Käfig
• Resonanz
• Unwucht des Rotors

FFT ist für Hochgeschwindigkeits-PMSMs, die in Elektrofahrzeugen und in der Robotik eingesetzt werden, unverzichtbar.

Temperaturüberwachung

Ein ungewöhnlicher Temperaturanstieg deutet auf Folgendes hin:

• Erhöhte Reibung
• Schmierungsausfall
• Überlastung
• EDM-Schäden

Häufig kommen Wärmebildkameras oder eingebettete Sensoren zum Einsatz.

Messung des Wellenschlages

Misst die Abweichung der Rotorwelle mithilfe von:

• Messuhren
• Laserausrichtungswerkzeuge

Hoher Rundlauf → Probleme mit der Lagervorspannung oder Fehlausrichtung.

Akustische Schwingungssensoren (AE-Sensoren)

Akustische Emissionssensoren erkennen Mikrorisse im Inneren von Lagern, bevor es zu einem Ausfall kommt.

Vorteilhaft für:

• PMSM-Servomotoren
• Robotik
• Medizinische Geräte

Öl-/Fettzustandsanalyse

Prüft:

• Partikelverschmutzung
• Feuchtigkeitsgehalt
• Viskosität

Wird hauptsächlich bei der Wartung von Industriemotoren eingesetzt.

Symptome und Ursachen von Lagergeräuschen bei PMSM

Symptom	Mögliche Ursache	Diagnosemethode
Knirschendes Geräusch	Oberflächenverschleiß, Verunreinigungen	Schwingungsanalyse, Demontage
Heulendes/hohtönendes Geräusch	UMP, Unwucht des Rotors, elektromagnetische Kräfte	FFT, Luftspaltmessung
Quietschen	Schmierungsausfall	Fettprüfung, thermische Überwachung
Klopfen	Lockerheit des Käfigs, Fehlausrichtung	Wellenrundlauf, Sichtprüfung
Summen	Schäden durch elektrische Entladung (EDM)	Wellen-Spannungsprüfung
Unregelmäßige Schwingungen	Wellenversatz	Laserausrichtung
Temperaturanstieg	Überlastung, Schmiermittelausfall	Temperatursensoren

Technische Lösungen zur Reduzierung von Lagergeräuschen und Vibrationen

Die Lösungen lassen sich in mehrere Kategorien einteilen: Konstruktionsverbesserungen, Betriebsanpassungen und Wartungsmaßnahmen.

Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit von Rotor und Stator

Fertigungstoleranzen beeinflussen die Lagerleistung von PMSM erheblich.

Maßnahmen:

• Reduzierung der Rotorexzentrizität (<10–20 Mikrometer)
• Gleichmäßigen Luftspalt aufrechterhalten
• Einsatz von Präzisionsschleifen und CNC-Bearbeitung
• Einsatz hochpräziser Stanz- und Stapelverfahren für Lamellen
• Eine höhere Präzision reduziert die UMP, wodurch die Lagerbelastung und Geräuschentwicklung sinken.

Optimieren Sie die Rotorauswuchtung

Dynamisches Auswuchten ist für Hochgeschwindigkeits-PMSMs unerlässlich.

Methoden:

• Auswuchtklasse ISO G2.5 oder G1
• Mehrflächenauswuchten
• Ausgleichsschlitze
• Anpassung des Magnetgewichts

Die Auswuchtkorrektur reduziert die Schwingungsamplitude erheblich.

Verwenden Sie hochwertige Lager

Wichtige Auswahlkriterien:

• Präzisionsklasse: P5, P4, P2
• Material: Chromstahl, Edelstahl, Hybridkeramik
• Dichtungsart: Kontakt-/Halbkontaktdichtung
• Käfigtyp: Polyamid für geräuscharmen Betrieb
• Innenabstand: C3, C4 für schnelllaufende PMSM

Hybridkeramiklager werden bevorzugt eingesetzt für:

• EV-Motoren
• Hochgeschwindigkeitskompressoren
• Medizinische Zentrifugen

Sie reduzieren EDM-Schäden und verbessern die Geräuschentwicklung.

Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Schmierung

Lösungen:

• Hochgeschwindigkeits-Synthetikfett
• Automatische Schmiersysteme
• Tiefkühfett für HVAC-PMSM
• Antioxidationsadditive

In Hochgeschwindigkeits-PMSMs:

• Ölnebel-Schmierung
• Öl-Luft-Schmiersysteme
• werden häufig eingesetzt.

Verhindern Sie den Stromfluss durch Lager

Um EDM-Schäden zu vermeiden:

• Verwenden Sie isolierte Lager
• Bringen Sie Wellenerdungsringe an
• Verbessern Sie die Filterauslegung des Wechselrichters
• Erhöhen Sie die Statorisolierung

Dies verhindert Lochfraß an den Lagern und reduziert Brummgeräusche.

Verbessern Sie den Motor-Montageprozess

Die Montagequalität wirkt sich direkt auf die Geräuschentwicklung aus.

Wichtige Anforderungen:

• Korrekte Vorspannungskontrolle
• Genaue Toleranz der Lagersitze
• Vermeidung übermäßiger Einpresskräfte
• Sicherstellung der Parallelität der Lagergehäuse
• Beseitigung von Graten an der Welle

Montagefehler sind eine Hauptursache für vorzeitigen Lagerausfall.

Reduzieren Sie elektromagnetische Schwingungskräfte

Elektromagnetische Störungen lassen sich reduzieren durch:

• Schräge Anordnung der Rotor- oder Statorschlitze
• Erhöhung der Schlitzanzahl
• Optimierung der Magnetgeometrie zur Reduzierung elektromagnetischer Schwingungen.
• Minimierung der Oberschwingungsströme für einen ruhigeren Motorbetrieb.
• Diese Lösung behebt Heul- oder Brummgeräusche.

Verbesserungen an Struktur und Gehäuse

Um Resonanz oder strukturelle Verstärkung zu vermeiden:

• Verstärken Sie die Gehäusesteifigkeit
• Dämpfungsschichten hinzufügen
• Vermeiden Sie dünnwandige Gehäuse

Finite-Elemente-Analyse (FEA) zur Vorhersage der Resonanzfrequenz

Lösungen für häufige Probleme mit PMSM-Lagern

Lagerproblem	Grundursache	Wirksame Lösung
Verschleiß und Lochfraß	Verunreinigung	Dichtung verbessern, Baugruppe reinigen
Quietschen	Schmierversagen	Geeignetes Fett verwenden, Nachschmierung planen
Summen	EDM-Entladung	Verwenden Sie isolierte Lager und einen Erdungsring
Übermäßige Vibrationen	Unwucht des Rotors	Dynamisches Auswuchten
Überhitzung	Überlastung, Reibung	Last reduzieren, Kühlung verbessern
Resonanzgeräusche	Schwaches Gehäuse	Strukturelle Verstärkung
Heulgeräusche	Elektromagnetische Kräfte	Oberschwingungen reduzieren, Rotor-/Stator-Konstruktion optimieren

Strategien zur vorbeugenden Wartung

Eine ordnungsgemäße Wartung gewährleistet eine lange Lebensdauer des Motors.

Routinemäßige Geräusch- und Schwingungsüberwachung

• Schwingungssensoren installieren
• Vierteljährliche FFT-Analyse durchführen
• Führen Sie Aufzeichnungen über Geräuschentwicklungen

Planmäßige Schmierung

Nachschmierintervalle basierend auf:

• Drehzahl
• Belastung
• Umgebungstemperatur

Regelmäßiger Lagerwechsel

Bei typischen PMSM-Industriemotoren werden die Lager alle

• 8.000 – 20.000 Stunden (allgemein)
• 5.000 – 10.000 Stunden (Hochgeschwindigkeit)
• 2.000 – 5.000 Stunden (extreme Umgebungsbedingungen)

Dichtungsinspektion

Dichtungen austauschen, wenn:

• Risse
• verhärtet
• Ölaustritt auftritt

Anwendungsspezifische Empfehlungen

EV-PMSM-Motoren

Anforderungen:

• Geringe Geräuschentwicklung
• Hohe Drehzahl (bis zu 18.000 U/min)
• Geringe Reibung

Lösungen:

• Hybridkeramiklager
• Präzisionsauswuchtung
• Geräuschoptimierte Rotorschräge

Industrielle PMSM-Motoren

Schwerpunkt:

• Belastbarkeit
• Einfache Wartung

Lösungen:

• C3-Spiellager
• Hochleistungsdichtung
• Verstärktes Gehäuse

Robotik-PMSM-Motoren

Kernanforderungen:

• Extrem geringe Vibrationen
• Präzisionspositionierung

Lösungen:

• Hochpräzise P4- oder P2-Lager
• Wicklungen mit geringen Oberwellen
• Perfekte Ausrichtung

Die Verbesserung der Zuverlässigkeit von PMSM erfordert Technik und Wartung

Lagergeräusche und Vibrationen in Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) entstehen durch eine Kombination aus mechanischen, elektromagnetischen, schmierungstechnischen und montagebezogenen Faktoren. Eine effektive Diagnose erfordert eine Kombination aus:

• Schwingungsanalyse
• Temperaturüberwachung
• Überprüfung der Wellenausrichtung
• Akustische Inspektion
• Prüfung des Schmierstoffzustands

Zu den langfristigen Lösungen gehören unter anderem:

• Bessere Rotorauswuchtung
• Hochwertige Lager
• Verbesserte Schmiersysteme
• Verhinderung elektrischer Entladungen durch Lager
• Hochpräzise Fertigung
• Bessere Montageprozesse

Durch eine umfassende Berücksichtigung dieser Bereiche können Hersteller und Wartungsteams die Leistung von PMSM-Motoren deutlich verbessern, Geräuschpegel senken, die Lebensdauer der Motoren verlängern und die Zufriedenheit der Anwender steigern – insbesondere in geräuschsensiblen Branchen wie Elektrofahrzeugen, Robotik und Haushaltsgeräten.