Prevenir a erosão elétrica dos rolamentos em transmissões de veículos elétricos

Jun 24, 2023

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

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

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

A NSK decidiu que era hora de começar a desenvolver uma solução para este 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 elevadas, pode ser suficiente utilizar graxa condutiva ou elementos de aterramento bem dimensionados. No entanto, para posições de rolamento específicas, como o rolamento da extremidade motriz antes da caixa de engrenagens, é necessário isolamento na forma de componentes de rolamento de cerâmica ou plástico. Por exemplo, a NSK pode usar cerâmica como revestimento nos anéis externos ou internos, ou pode fabricar todos os elementos dos rolos e esferas em cerâmica. Embora esses rolamentos “híbridos” forneçam uma contramedida ideal à erosão elétrica, eles também são caros.

A necessidade de uma solução mais económica é premente porque a arquitectura de alta tensão dos veículos eléctricos está prestes a mudar dos sistemas de 400 V, actualmente dominantes, para 800 V. Este último comandará potencialmente 50% do mercado já em 2030, o que simplesmente duplicará a questão e exigirá medidas de protecção 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 a uma grande variedade de produtos químicos, bem como desempenho elétrico e mecânico estável (mesmo em temperaturas até 150°C). Além disso, o material proporciona baixo nível de absorção de água, diferentemente de muitos outros tipos de polímeros, garantindo estabilidade dimensional.

Testes abrangentes da NSK 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 rolamentos sobremoldados da NSK não demonstraram nenhuma evidência deste 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 à indústria de veículos elétricos. As características especiais do molde garantem distribuição e orientação homogênea 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 o alojamento e o diâmetro externo do rolamento, criando lacunas preenchidas com ar. O ar é um bom isolante e não custa nada. Esta inovação proporciona diferenciação de mercado para a solução NSK. Como outro benefício, o acabamento estruturado supera o problema estabelecido de deformação do rolamento dentro das caixas, pois proporciona potencialmente um melhor ajuste devido aos múltiplos pontos de contato (dependendo do caso de uso).