Prevención de la erosión eléctrica de los rodamientos en las transmisiones de vehículos eléctricos

Jun 24, 2023

El fabricante de rodamientos NSK está desarrollando actualmente una forma nueva y rentable de prevenir la erosión eléctrica en las transmisiones de vehículos eléctricos (EV). Según se informa, basándose 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 conmuta con frecuencia en varias fases. Los tipos específicos de arquitectura de motor eléctrico también pueden causar una variedad de flujos de corriente en los cojinetes, incluidas las corrientes de los cojinetes a tierra del rotor, las corrientes circulantes de los cojinetes y las corrientes de electroerosión (EDM) (mecanizado por descarga eléctrica).

Las corrientes EDM, en particular, presentan un riesgo grave para los rodamientos, en gran parte debido a la formación de arcos que se producen con voltajes específicos. Esta formación de arcos (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 rodamiento. Aquí, el material se funde y se vuelve a solidificar en la superficie del metal, de modo que comienzan a aparecer ondulaciones de varias micras de profundidad en las pistas de rodadura de los anillos interior y exterior. El ruido excesivo suele ser el primer indicador de este problema. Para los vehículos eléctricos, que se están volviendo más silenciosos gracias al desarrollo continuo, el ruido es muy indeseable.

NSK decidió que era hora de desarrollar una solución a este problema de larga data, en primer lugar evaluando las condiciones que promueven la erosión eléctrica, incluidas: condiciones de funcionamiento como carga, velocidad de rotación, temperatura y viscosidad del lubricante; el estado 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 elevadas, puede ser suficiente utilizar una grasa conductora o elementos de puesta a tierra de buenas dimensiones. Sin embargo, para posiciones específicas de los cojinetes, como el cojinete del extremo de transmisión antes de la caja de cambios, se requiere aislamiento en forma de componentes de cojinete de cerámica o plástico. Por ejemplo, NSK puede utilizar cerámica como revestimiento en los anillos exterior e interior, o puede fabricar todos los elementos giratorios y bolas de cerámica. Aunque estos rodamientos "híbridos" proporcionan una contramedida óptima a la erosión eléctrica, también son caros.

La necesidad 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 predominan hoy en día a los de 800 V. Estos últimos potencialmente dominarán el 50% del mercado ya en 2030, lo que simplemente duplicará la producción y requerirá medidas de protección aún mejores para los rodamientos.

Por lo tanto, NSK propone el uso de un sobremoldeado de plástico fabricado a partir de 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 diferentes velocidades de rotación.

La producción del sobremoldeado 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 los vehículos eléctricos. Las características especiales del molde garantizan 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 es necesario esmerilar, lo que deja un acabado "estructurado". Como resultado, no hay un contacto total entre la carcasa y el diámetro exterior del rodamiento, lo que crea espacios llenos de aire. El aire es un buen aislante y no cuesta nada. Esta innovación proporciona diferenciación en el mercado para la solución de NSK. Como beneficio adicional, el acabado estructurado supera el problema establecido de la fluencia de los rodamientos dentro de las carcasas, ya que potencialmente proporciona 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 espesor de 0,7 a 1,2 mm. Para acomodar el material adicional, NSK puede ofrecer soluciones que no ocupan espacio. Esto es más fácil cuando se comienza un nuevo diseño de rodamiento, aunque NSK también puede mecanizar material del diámetro exterior de los rodamientos existentes en consecuencia. Sin embargo, esta solución tiene un costo. Como propuesta alternativa, los OEM pueden intentar abrir la carcasa que aloja el rodamiento, lo que significa que NSK no tendrá que cambiar su proceso. Seguir este camino permite a los fabricantes de vehículos eléctricos aprovechar al máximo los importantes ahorros de costes disponibles en comparación con los rodamientos híbridos.

Por fin, la industria de los vehículos eléctricos tiene una solución rentable que elimina la erosión eléctrica de los rodamientos en las transmisiones electrificadas. El sobremoldeado se aplica actualmente al modelo 6008 de NSK y próximamente a su serie de rodamientos rígidos de bolas 6206 (sellados y no sellados), que son adecuados para aplicaciones de vehículos eléctricos. NSK también tiene disponible un molde de prueba modular que cubre diámetros exteriores de 55 a 95 mm (hasta 30 mm de ancho) y busca realizar pruebas en nombre de clientes con requisitos en este rango.