Prevenire l'erosione elettrica dei cuscinetti nelle trasmissioni dei veicoli elettrici

Il produttore di cuscinetti NSK sta attualmente sviluppando un modo nuovo ed economicamente vantaggioso per prevenire l’erosione elettrica nelle trasmissioni dei veicoli elettrici (EV). Basandosi su un metodo unico di produzione di un sovrastampaggio in plastica brevettato per cuscinetti a sfere a gola profonda, secondo quanto riferito, i produttori di veicoli elettrici otterranno risparmi significativi rispetto ai costosi cuscinetti "ibridi" che presentano componenti isolanti in ceramica.

La corrente parassita può intraprendere molti percorsi attraverso un motore EV a causa di circostanze come la presenza di un inverter che commuta frequentemente su più fasi. Tipi specifici di architettura del motore elettrico possono anche causare una varietà di flussi di corrente nei cuscinetti, comprese le correnti nei cuscinetti a terra del rotore, le correnti circolanti nei cuscinetti e le correnti EDM (lavorazione a scarica elettrica).

Le correnti EDM, in particolare, presentano un grave rischio per i cuscinetti, in gran parte a causa degli archi che si verificano a tensioni specifiche. Questo arco (carica del carico) porta a una scarica incontrollata a valori di ampere piuttosto elevati, modificando sostanzialmente la morfologia degli anelli e delle sfere dei cuscinetti in acciaio. Qui, il materiale si scioglie e si solidifica nuovamente sulla superficie metallica, così che sulle piste dei cuscinetti dell'anello interno ed esterno iniziano ad apparire increspature profonde diversi micron. Il rumore eccessivo è spesso il primo indicatore di questo problema. Per i veicoli elettrici, che stanno diventando sempre più silenziosi con lo sviluppo continuo, il rumore è altamente indesiderabile.

NSK ha deciso che era giunto il momento di iniziare a sviluppare una soluzione a questo annoso problema, in primo luogo valutando le condizioni che promuovono l'erosione elettrica, tra cui: condizioni operative come carico, velocità di rotazione, temperatura e viscosità del lubrificante; le condizioni della lubrificazione risultante (idrodinamica, mista, limite); e proprietà elettriche come la resistenza (materiale e capacitiva).

I metodi consolidati per aiutare a prevenire l'erosione elettrica comprendono essenzialmente l'isolamento o la conduzione. Se le cariche non sono troppo elevate potrebbe essere sufficiente l'impiego di grasso conduttivo o di elementi di messa a terra ben dimensionati. Tuttavia, per posizioni specifiche dei cuscinetti, come il cuscinetto del lato comando prima della scatola del cambio, è richiesto l'isolamento sotto forma di componenti del cuscinetto in ceramica o plastica. Ad esempio, NSK può utilizzare la ceramica come rivestimento sugli anelli esterni o interni, oppure può produrre tutti gli elementi volventi e le sfere in ceramica. Sebbene questi cuscinetti “ibridi” forniscano una contromisura ottimale all’erosione elettrica, sono anche costosi.

La necessità di una soluzione più economicamente vantaggiosa è pressante perché l’architettura ad alta tensione dei veicoli elettrici sta per passare dai sistemi a 400 V oggi dominanti a 800 V. Questi ultimi deterranno potenzialmente il 50% del mercato entro il 2030, il che raddoppierà semplicemente la questione e richiederà misure di protezione ancora migliori per i cuscinetti.

NSK propone quindi l'uso di un sovrastampaggio plastico realizzato con un polimero PPS (polifenilene solfuro) ad alte prestazioni che offre un'elevata resistenza al calore e a un'ampia varietà di sostanze chimiche, nonché prestazioni elettriche e meccaniche stabili (anche a temperature fino a 150°C). Inoltre, il materiale fornisce un basso livello di assorbimento d'acqua, a differenza di molti altri tipi di polimeri, garantendo stabilità dimensionale.

Test approfonditi di NSK rivelano le prestazioni dei cuscinetti sovrastampati rispetto ai cuscinetti standard dell'azienda. Ad esempio, con una tensione di 24 V e una frequenza di 15 kHz, i cuscinetti standard hanno mostrato una chiara erosione elettrica degli anelli interno ed esterno. Al contrario, i nuovi cuscinetti sovrastampati NSK non hanno mostrato alcuna prova di questo fenomeno. Lo stesso risultato è risultato a varie velocità di rotazione.

La produzione del sovrastampaggio avviene grazie a un innovativo processo di stampaggio a iniezione presso uno stabilimento NSK in Europa per ottimizzare la fornitura all’industria dei veicoli elettrici. Le speciali caratteristiche dello stampo garantiscono una distribuzione e un orientamento omogenei delle molecole e delle fibre di vetro per ottimizzare le prestazioni meccaniche. In particolare, la precisione del sovrastampaggio fa sì che non sia necessaria la rettifica, lasciando al suo posto una finitura "strutturata". Di conseguenza non vi è un contatto al 100% tra l'alloggiamento e il diametro esterno del cuscinetto, creando spazi riempiti d'aria. L’aria è un buon isolante e non costa nulla. Questa innovazione garantisce la differenziazione del mercato per la soluzione NSK. Come ulteriore vantaggio, la finitura strutturata supera il problema consolidato dello scorrimento dei cuscinetti all'interno degli alloggiamenti, in quanto fornisce potenzialmente un migliore adattamento grazie a più punti di contatto (a seconda del caso d'uso).