Zapobieganie erozji elektrycznej łożysk w układach napędowych pojazdów EV

119

Firma NSK opracowała nowy i ekonomiczny sposób zapobiegania erozji elektrycznej w układach napędowych pojazdów elektrycznych (EV). Korzystając z zalet unikatowej metody wytwarzania opatentowanej powłoki z tworzywa sztucznego do łożysk kulkowych poprzecznych, producenci pojazdów elektrycznych mogą uzyskać znaczne oszczędności w porównaniu z kosztownymi łożyskami «hybrydowymi», w których elementy izolacyjne są wykonane z materiałów ceramicznych.

Tzw. prądy błądzące mogą przepływać przez silnik EV wieloma ścieżkami, np. w przypadku obecności falownika, który regularnie przełącza wiele faz. Dodatkowo specyficzne konstrukcje niektórych typów silników elektrycznych także mogą generować różnorodne przepływy prądu w łożyskach, w tym prądy doziemne wirnika, krążące prądy łożyskowe i prądy rozładowania łożyskowego EDM (elektroerozyjne).

W szczególności prądy EDM stanowią poważne zagrożenie dla łożysk, głównie z powodu wyładowań łukowych, które występują przy określonych napięciach. Powstawanie łuków elektrycznych prowadzi do niekontrolowanego rozładowania przy dość wysokich wartościach natężenia prądu, co zasadniczo zmienia strukturę stalowych pierścieni i kulek w łożysku. W tym przypadku dochodzi do powierzchniowego topnienia i ponownego krzepnięcia metalu, a w konsekwencji na bieżniach pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego łożyska zaczynają pojawiać się wżery o głębokości kilku mikronów. Pierwszą oznaką tego problemu jest najczęściej nadmierny szum. W przypadku pojazdów elektrycznych, które ewoluując stają się coraz cichsze, taki szum jest oczywiście wysoce niepożądany.

Testy NSK wykazały poprawę wydajności łożysk formowanych metodą overmoldingu w porównaniu ze standardowymi łożyskami firmy.
Testy NSK wykazały poprawę wydajności łożysk formowanych metodą overmoldingu w porównaniu ze standardowymi łożyskami firmy.

Firma NSK zdecydowała o rozpoczęciu prac nad rozwiązaniem tego długotrwałego problemu, oceniając warunki sprzyjające erozji elektrycznej – w tym warunki pracy, takie jak obciążenie, prędkość obrotowa, temperatura i lepkość środka smarnego; stan wynikowego smarowania (hydrodynamiczny, mieszany, graniczny) oraz właściwości elektryczne, takie jak rezystancja (materiałowa i pojemnościowa).

Popularne metody zapobiegania erozji elektrycznej zasadniczo obejmują wykorzystanie materiałów izolacyjnych lub przewodzących. Jeśli ładunki nie są zbyt wysokie, może wystarczyć zastosowanie smaru przewodzącego, uszczelki przewodzącej lub innego odpowiednio zaprojektowanego elementu uziemiającego. Jednak w przypadku określonej pozycji instalacji łożyska, takiej jak montaż po stronie napędu przed skrzynią biegów, wymagana jest izolacja w postaci ceramicznych lub plastikowych elementów łożyskowych. Przykładowo firma NSK może w tym zakresie zastosować powłokę ceramiczną na pierścieniach zewnętrznych/wewnętrznych lub wyprodukować całe elementy toczne i kulki z materiału ceramicznego. Chociaż te «hybrydowe» łożyska zapewniają optymalną ochronę przed erozją elektryczną, są one jednocześnie drogie.

Potrzeba znalezienia bardziej opłacalnego rozwiązania jest kluczowa, ponieważ konstrukcja wysokonapięciowa pojazdów elektrycznych wkrótce zmieni się z dominujących obecnie systemów 400V na 800V. Te ostatnie potencjalnie obejmą 50% rynku już w 2030 r., co znacząco zwiększy skalę problemu i będzie wymagało jeszcze lepszych środków ochrony łożysk.