Prevención de la erosión eléctrica de los rodamientos en los trenes motrices de vehículos eléctricos

Jun 01, 2023

El fabricante de rodamientos NSK está desarrollando actualmente una forma nueva y rentable de prevenir la erosión eléctrica en las transmisiones de los vehículos eléctricos (EV). Basado en un método único para producir un sobremoldeado de plástico patentado para rodamientos rígidos de bolas, los fabricantes de vehículos eléctricos lograrán ahorros significativos en comparación con los costosos rodamientos 'híbridos' que cuentan con componentes aislantes hechos de cerámica.

La corriente parásita puede tomar muchos caminos a través de un motor EV debido a circunstancias como la presencia de un inversor que cambia con frecuencia entre múltiples fases. Los tipos específicos de arquitectura de motores eléctricos también pueden causar una variedad de flujos de corriente en los cojinetes, incluidas las corrientes en los cojinetes de tierra del rotor, las corrientes en los cojinetes circulantes y las corrientes EDM (mecanizado por descarga eléctrica).

Las corrientes EDM, en particular, presentan un grave riesgo para los rodamientos, en gran parte debido a la formación de arcos que se produce a voltajes específicos. Este arco (carga de carga) conduce a una descarga incontrolada a valores de amperaje bastante altos, cambiando esencialmente la morfología de los anillos y bolas de acero del cojinete. Aquí, el material se derrite y vuelve a solidificarse en la superficie del metal, de modo que comienzan a aparecer ondas de varias micras de profundidad en las pistas de rodadura del rodamiento, tanto en el anillo interior como en el exterior. El ruido excesivo suele ser el primer indicador de este problema. Para los vehículos eléctricos, que se están volviendo más silenciosos con el desarrollo continuo, el ruido es muy indeseable.

NSK decidió que era hora de comenzar a desarrollar una solución a este problema de larga data, primero evaluando las condiciones que promueven la erosión eléctrica, incluidas: condiciones de operación como carga, velocidad de rotación, temperatura y viscosidad del lubricante; la condición de la lubricación resultante (hidrodinámica, mixta, límite); y propiedades eléctricas como resistencia (material y capacitiva).

Los métodos establecidos para ayudar a prevenir la erosión eléctrica comprenden esencialmente aislamiento o conducción. Si las cargas no son demasiado altas, puede ser suficiente emplear una grasa conductora o elementos de puesta a tierra bien dimensionados. Sin embargo, para posiciones específicas de los cojinetes, como el cojinete del extremo de transmisión antes de la caja de engranajes, se requiere aislamiento en forma de componentes de cojinetes de cerámica o plástico. Por ejemplo, NSK puede utilizar cerámica como revestimiento en los anillos exterior e interior, o puede fabricar todos los elementos de los rodillos y las bolas de cerámica. Aunque estos rodamientos 'híbridos' proporcionan una contramedida óptima para la erosión eléctrica, también son caros.

El requisito de una solución más rentable es apremiante porque la arquitectura de alto voltaje de los vehículos eléctricos está a punto de cambiar de los sistemas de 400 V que dominan hoy en día a 800 V. Este último controlará potencialmente el 50% del mercado tan pronto como en 2030, lo que simplemente duplicará el problema y requerirá medidas de protección aún mejores para los rodamientos.

Por lo tanto, NSK propone el uso de un sobremoldeado de plástico fabricado con un polímero PPS (sulfuro de polifenileno) de alto rendimiento que ofrece una alta resistencia al calor y a una gran variedad de productos químicos, así como un rendimiento eléctrico y mecánico estable (incluso a temperaturas hasta 150°C). Además, el material proporciona un bajo nivel de absorción de agua, a diferencia de muchos otros tipos de polímeros, lo que garantiza la estabilidad dimensional.

Las exhaustivas pruebas de NSK revelan el rendimiento de los rodamientos sobremoldeados en comparación con los rodamientos estándar de la empresa. Por ejemplo, con un voltaje de 24 V y una frecuencia de 15 kHz, los rodamientos estándar mostraron una clara erosión eléctrica de los anillos interior y exterior. Por el contrario, los nuevos rodamientos sobremoldeados de NSK no demostraron evidencia de este fenómeno. Se obtuvo el mismo resultado a varias velocidades de rotación.

La producción del sobremoldeo es cortesía de un innovador proceso de moldeo por inyección ubicado en una instalación de NSK en Europa para optimizar el suministro a la industria de vehículos eléctricos. Las características especiales del molde aseguran una distribución y orientación homogéneas de las moléculas y fibras de vidrio para optimizar el rendimiento mecánico. En particular, la precisión del sobremoldeo significa que no hay necesidad de esmerilado, dejando un acabado 'estructurado' en su lugar. Como resultado, no existe un contacto del 100 % entre la carcasa y el diámetro exterior del rodamiento, lo que genera espacios llenos de aire. El aire es un buen aislante y no cuesta nada. Esta innovación proporciona una diferenciación de mercado para la solución de NSK. Como beneficio adicional, el acabado estructurado supera el problema establecido del deslizamiento de los cojinetes dentro de las carcasas, ya que potencialmente brinda un mejor ajuste debido a los múltiples puntos de contacto (según el caso de uso).

Aplicable en el anillo interior y exterior, la capa de aislamiento patentada normalmente tendrá un grosor de 0,7 a 1,2 mm. Para acomodar el material adicional, NSK puede ofrecer soluciones neutrales en cuanto al espacio. Esto es más fácil cuando se inicia un nuevo diseño de rodamiento, aunque NSK también puede mecanizar material a partir del diámetro exterior de los rodamientos existentes en consecuencia. Sin embargo, hay un elemento de costo en esta solución. Como propuesta alternativa, los OEM pueden buscar abrir la carcasa que acomoda el rodamiento, lo que significa que NSK no tendrá que cambiar su proceso. Tomar este camino permite a los fabricantes de vehículos eléctricos aprovechar al máximo los importantes ahorros de costos disponibles en comparación con los rodamientos híbridos.

Por fin, la industria de los vehículos eléctricos tiene una solución rentable que niega la erosión eléctrica de los rodamientos en los trenes de transmisión electrificados. El sobremoldeo es aplicable actualmente al 6008 de NSK y pronto a su serie de rodamientos rígidos de bolas 6206 (sellados y no sellados), que son adecuados para aplicaciones EV. NSK también tiene disponible un molde de prueba modular que cubre diámetros exteriores de 55 a 95 mm (hasta 30 mm de ancho), y está buscando realizar pruebas en nombre de los clientes con requisitos en este rango.