Evitando a erosão elétrica dos rolamentos em transmissões EV

Jun 01, 2023

O fabricante de rolamentos NSK está atualmente desenvolvendo uma maneira nova e econômica de prevenir a erosão elétrica nos sistemas de transmissão de veículos elétricos (EVs). Com base em um método exclusivo de produzir uma sobremoldagem de plástico patenteada para rolamentos rígidos de esferas, os fabricantes de veículos elétricos farão economias significativas em comparação com rolamentos 'híbridos' caros que apresentam componentes isolantes feitos de cerâmica.

A corrente parasita pode seguir muitos caminhos através de um motor EV devido a circunstâncias como a presença de um inversor que alterna frequentemente entre várias fases. Tipos específicos de arquitetura de motor elétrico também podem causar uma variedade de fluxos de corrente de rolamento, incluindo correntes de rolamento de aterramento do rotor, correntes de rolamento circulantes e correntes de EDM (usinagem por descarga elétrica).

As correntes EDM, em particular, apresentam um risco grave para os rolamentos, em grande parte devido ao arco que ocorre em voltagens específicas. Este arco (carregamento de carga) leva a uma descarga descontrolada em valores de amperagem razoavelmente altos, alterando essencialmente a morfologia dos anéis e esferas de rolamento de aço. Aqui, o material derrete e solidifica novamente na superfície do metal, de modo que ondulações com vários mícrons de profundidade começam a aparecer nas pistas do rolamento dos anéis interno e externo. O ruído excessivo costuma ser o primeiro indicador desse problema. Para EVs, que estão se tornando mais silenciosos com o desenvolvimento contínuo, o ruído é altamente indesejável.

A NSK decidiu que era hora de desenvolver uma solução para esse problema de longa data, primeiro avaliando as condições que promovem a erosão elétrica, incluindo: condições operacionais como carga, velocidade de rotação, temperatura e viscosidade do lubrificante; a condição da lubrificação resultante (hidrodinâmica, mista, limite); e propriedades elétricas como resistência (material e capacitiva).

Os métodos estabelecidos para ajudar a prevenir a erosão elétrica compreendem essencialmente isolamento ou condução. Se as cargas não forem muito altas, pode ser suficiente empregar uma graxa condutiva ou elementos de aterramento bem dimensionados. No entanto, para posições de rolamento específicas, como o rolamento do lado acionado antes da caixa de engrenagens, é necessário isolamento na forma de componentes de rolamentos de cerâmica ou plástico. Por exemplo, a NSK pode usar cerâmica como revestimento nos anéis externos ou internos, ou pode fabricar todos os elementos de rolos e esferas de cerâmica. Embora esses rolamentos 'híbridos' forneçam uma contramedida ideal para a erosão elétrica, eles também são caros.

A necessidade de uma solução mais econômica é premente porque a arquitetura de alta tensão dos VEs está prestes a mudar dos sistemas de 400 V que são dominantes hoje, para 800 V. Este último potencialmente comandará 50% do mercado já em 2030, o que simplesmente dobrará o problema e exigirá medidas de proteção ainda melhores para os rolamentos.

A NSK está, portanto, propondo o uso de uma sobremoldagem de plástico feita de um polímero PPS (sulfeto de polifenileno) de alto desempenho que oferece alta resistência ao calor e uma grande variedade de produtos químicos, além de desempenho elétrico e mecânico estável (mesmo em temperaturas até 150ºC). Além disso, o material proporciona baixo índice de absorção de água, diferente de muitos outros tipos de polímeros, garantindo estabilidade dimensional.

Testes NSK abrangentes revelam o desempenho dos rolamentos sobremoldados em comparação com os rolamentos padrão da empresa. Por exemplo, na tensão de 24 V e na frequência de 15 kHz, os rolamentos padrão mostraram clara erosão elétrica dos anéis interno e externo. Em contraste, os novos mancais sobremoldados NSK não demonstraram nenhuma evidência desse fenômeno. O mesmo resultado resultou em várias velocidades de rotação.

A produção da sobremoldagem é cortesia de um processo inovador de moldagem por injeção localizado em uma instalação da NSK na Europa para otimizar o fornecimento para a indústria de veículos elétricos. As características especiais do molde garantem distribuição e orientação homogêneas das moléculas e fibras de vidro para otimizar o desempenho mecânico. Notavelmente, a precisão da sobremoldagem significa que não há necessidade de retificação, deixando um acabamento 'estruturado' no lugar. Como resultado não há 100% de contato entre a carcaça e o diâmetro externo do mancal, criando folgas preenchidas com ar. O ar é um bom isolador e não custa nada. Essa inovação fornece diferenciação de mercado para a solução NSK. Como um benefício adicional, o acabamento estruturado supera o problema estabelecido de fluência do rolamento dentro das caixas, pois oferece um ajuste potencialmente melhor devido a vários pontos de contato (dependendo do caso de uso).