Vertikal montierter Elektromotor mit Welle nach unten: Auswahl von V1 und V5, Axiallast und Abdichtung

In einem kommunalen Pumpwerk brannte der Motor einer Pumpe mit vertikaler Welle durch. Im Notfall wurde ein horizontaler Flanschmotor aus dem Lager genommen, mit nach unten gerichteter Welle auf die Pumpe gesetzt, und das Pumpwerk lief noch am selben Tag wieder. Sechs Monate später begann ein Brummen am unteren Lager; beim Ausbau zeigten sich Rostspuren rund um den Wellenaustritt und Wassertropfen im Fett. Leistung, Drehzahl und Motorflansch stimmten. Falsch war nur, dass niemand gefragt hatte, in welcher Lage der Motor arbeiten würde.

Ein Motor mit nach unten gerichteter Welle sieht aus wie ein um neunzig Grad gedrehter horizontaler Motor. Mechanisch ändern sich jedoch Lastrichtung, Wasserweg und die Aufgabe der Lager. Im Folgenden erläutern wir diese Unterschiede anhand von Praxisbeispielen und fassen zusammen, was in der Bestellung stehen sollte.

V1 und V5: Die Welle zeigt in dieselbe Richtung, der Motor wird unterschiedlich getragen

Die Einbaulagen sind in IEC 60034-7 mit IM-Codes definiert. Die beiden grundlegenden Anordnungen mit Welle nach unten sind:

• V1 (IM 3011): Die vertikale Ausführung mit großem Flansch (B5), Welle nach unten. Der Motor sitzt mit seinem Flansch auf dem darunterliegenden Pumpengehäuse oder auf einer Laterne (Zwischenstück), und sein gesamtes Gewicht wird über die Flanschschrauben übertragen. Vertikale Kreiselpumpen, Inline-Pumpen und die meisten vertikalen Rührwerke arbeiten in dieser Anordnung.
• V5 (IM 1011): Die Ausführung des Fußmotors (B3) mit Welle nach unten. Der Motor wird mit seinen Füßen an einer Wand oder einer vertikalen Konsole verschraubt. Man findet sie bei vertikalen Maschinen mit Riementrieb und bei kleinen Antrieben, die an einer Konsole hängen.

Der Unterschied liegt nicht nur im Befestigungspunkt. Bei V1 trägt der Flansch das Gehäuse, Füße gibt es nicht; bei V5 halten die Füße – die eigentlich zum Aufstehen auf dem Boden ausgelegt sind – eine an einer seitlichen Fläche hängende Masse. Da die V5-Anordnung bei großen Baugrößen eine Last erzeugt, die die Fußschrauben auf Abscherung beansprucht, wechseln die meisten Konstrukteure ab einer bestimmten Größe zur Flanschlösung. Die Gegenstücke mit Welle nach oben, V3 und V6, behandeln wir im Beitrag zur Montage mit Welle nach oben, die fußlose Anordnung V18 mit kleinem Flansch im Beitrag zu IM V18/V19.

Wie verändert die Schwerkraft die Aufgabe der Lager?

Bei einem horizontalen Motor wirkt das Gewicht des Rotors seitlich, also radial auf die Lager. Wird der Motor aufgestellt, zieht dasselbe Gewicht entlang der Wellenachse nach unten und wird nun als Axiallast auf das Festlager der Lageranordnung übertragen. Bei kleinen Baugrößen bereitet diese zusätzliche Last meist keine Probleme; mit wachsender Rotormasse und steigender Drehzahl wird jedoch die axiale Tragfähigkeit des Lagers entscheidend.

Der eigentlich heikle Teil ist die Pumpe. Das Laufrad einer Kreiselpumpe erzeugt im Betrieb einen eigenen Axialschub. Manche vertikale Pumpen haben ein eigenes Lager, das diesen Schub aufnimmt; bei anderen sitzt das Laufrad direkt auf der Motorwelle, und die Motorlager nehmen den Schub auf. Im zweiten Fall ist der zulässige Axialkraftwert im Motorkatalog zu prüfen; dieser Wert wird je nach Einbaulage und Kraftrichtung getrennt angegeben. Steht im Datenblatt des Pumpenherstellers „vom Motor aufzunehmende Axiallast“, muss diese Zahl unverändert in die Motorbestellung übernommen werden.

Auch bei den Schwingungen gibt es einen Unterschied: Ein vertikaler Motor läuft nur so stabil wie die Laterne oder Konsole, auf der er sitzt. Eine Konsole aus dünnem Blech kann selbst einen gut ausgewuchteten Rotor schwingungsbehaftet erscheinen lassen.

Auf welchem Weg gelangt Wasser in den Motor?

In der Lage mit Welle nach unten entstehen zwei Schwachstellen. Die erste ist die oben liegende Lüfterhaube; die Ansauggitter zeigen zum Himmel. Die Maßnahmen dafür im Freien haben wir im Beitrag zum Regenschutzdach ausführlich beschrieben. Die zweite ist der unten liegende Wellenaustritt. Regen, Reinigungswasser oder Flüssigkeit aus der Pumpenstopfbuchse, die an der Außenfläche des Gehäuses herabläuft, sammelt sich durch die Schwerkraft rund um den Wellenaustritt. Bleibt der Dichtring ständig nass, verschleißt die Dichtlippe mit der Zeit, und Wasser wandert in den Lagersitz.

Bei Motoren mit Welle nach unten werden daher Dichtringtyp, bei Bedarf ein zusätzlicher Spritzring (etwa ein V-Ring) und die Ableitung von Stopfbuchsenleckage auf der Pumpenseite auf den Boden statt auf den Motor gemeinsam betrachtet. Auch Kondenswasser ist zu berücksichtigen: In einem Pumpenraum, der nachts abkühlt und sich tagsüber erwärmt, kann sich im Gehäuse Wasser sammeln. Die Kondenswasserbohrungen müssen an der in dieser Lage tiefsten Stelle am Motor liegen; wird ein horizontaler Motor gedreht, sitzen sie an der falschen Stelle. Bei den Drehstrombaureihen von HEM Motor ist eine Stillstandsheizung eine Option, die bei der Bestellung gewählt werden kann; die Standardschutzart ist IP55, IP56 und IP65 sind auf Anfrage als Sonderausführung erhältlich.

Aufsetzen auf die Pumpe: Flansch, Zentrierung und Wellenende

Damit ein V1-Motor auf das Pumpengehäuse passt, müssen Flanschaußendurchmesser, Lochkreis, Zentrierdurchmesser und Anzahl der Schraubenlöcher genau übereinstimmen. Diese Maße hängen von der Flanschgröße ab, und bei derselben Baugröße kann es unterschiedliche Flansche geben; deshalb genügt in der Bestellung „B5-Flansch“ nicht, auch das Flanschmaß muss angegeben werden. Wellendurchmesser, Wellenlänge und Passfedermaß müssen zur Kupplung oder zum direkt angebauten Laufrad passen. In vertikaler Anordnung lassen sich Ausrichtung und Spalteinstellung der Kupplung schwerer erkennen als in horizontaler; zur Wahl des Kupplungstyps siehe den Vergleich zwischen elastischer und starrer Kupplung.

Leistungs- und Drehzahlwahl sind unabhängig von der Einbaulage. Wie man vom Förderstrom und der Förderhöhe der Pumpe zur Motorleistung gelangt, haben wir im Leitfaden zur Auswahl von Pumpenmotoren Schritt für Schritt beschrieben. Bei vertikalen Pumpen werden am 50-Hz-Netz am häufigsten 2-polige (ca. 3000 U/min) und 4-polige (ca. 1500 U/min) Motoren eingesetzt.

Häufige Fehlentscheidungen in der Praxis

Am häufigsten ist es, wie im ersten Beispiel, einen horizontalen Motor zu drehen und einzubauen. Kurzfristig läuft der Motor; die Probleme bei Lagern, Dichtring und Kondenswasserablauf zeigen sich erst Monate später. Der zweite häufige Fall ist eine Konsole in V5-Anordnung statt V1: Für den Schweißer erscheint das einfacher, bei großen Baugrößen erhöht der Fußanschluss jedoch die Vibration. Der dritte ist, „das Gleiche“ zu bestellen, ohne die Lage anzugeben, weil auf dem Typenschild des alten Antriebs kein Bauformcode steht. Fehlt der Code auf dem Schild, sollten ein Foto des Motors vor Ort, die Wellenrichtung und die Befestigungsart der Bestellung beigefügt werden.

In die Bestellung gehören kurz gesagt:

• IM-Code oder klare Beschreibung: V1 (Flansch, Welle nach unten) oder V5 (Fuß, Welle nach unten)
• Flanschmaß, Wellendurchmesser und Wellenlänge
• Vom Pumpenaggregat auf den Motor übertragene Axiallast, ob die Pumpe ein eigenes Lager hat
• Aufstellort: geschlossener Pumpenraum oder Freifläche; ob gereinigt wird oder Leckage auftritt
• Leistung, Drehzahl, Spannung und gewünschte Schutzart; bei Bedarf Stillstandsheizung und Wicklungstemperaturfühler

Fazit

Bei einem Motor mit Welle nach unten erfordert die richtige Auswahl, neben Leistung und Drehzahl auch Lastrichtung und Wasserweg zu berücksichtigen. Werden der Tragunterschied zwischen V1 und V5, der Axialschub der Pumpe und die Abdichtung am Wellenaustritt von Anfang an besprochen, bleiben die Probleme aus, die ein gedrehter horizontaler Motor innerhalb weniger Monate verursacht. Die Drehstrombaureihen von HEM Motor können je nach Baugröße in den vertikalen Lagen V1, V3, V5, V6 und V15 bestellt werden; die Optionen finden Sie auf der Seite zu den Bauformen, und mit Ihren Pumpendaten können Sie sich an unser technisches Team wenden.

Häufig gestellte Fragen

Kann ein horizontaler Flanschmotor vertikal mit Welle nach unten eingesetzt werden?

Kurzzeitig und bei kleinen Baugrößen kann er laufen; sind Lageranordnung, Dichtring und Kondenswasserbohrungen jedoch auf die horizontale Lage ausgelegt, kommt es mit der Zeit zu Wassereintritt und Lagerproblemen. Bei einer dauerhaften Installation ist es sicherer, den Motor von Anfang an als V1 zu bestellen.

Was ist der Unterschied zwischen V1 und V18?

Beide sind fußlose Flanschanordnungen mit Welle nach unten. V1 ist die vertikale Ausführung mit großem Flansch (B5), V18 die Ausführung mit kleinem Flansch (B14); da Flanschmaße und Verschraubung unterschiedlich sind, lassen sie sich nicht gegeneinander austauschen.

Trägt der Motor den Axialschub der Pumpe?

Das hängt von der Pumpenkonstruktion ab. Bei Pumpen mit eigenem Lager nimmt die Pumpe den Schub auf; bei Pumpen, deren Laufrad direkt auf der Motorwelle sitzt, wirkt die Last auf die Motorlager und muss mit der zulässigen Axialkraft im Motorkatalog verglichen werden.

Reicht IP55 bei einem Motor mit Welle nach unten aus?

In einem geschlossenen, trockenen Pumpenraum meist ja. Im Freien, bei Nassreinigung oder Stopfbuchsenleckage sollten die Option IP56 oder IP65 (auf Anfrage), eine zusätzliche Abdichtung am Wellenaustritt und ein Regenschutzdach für die Lüfterhaube gemeinsam bewertet werden.