Prevence elektrické eroze ložisek u elektromobilů

Společnost NSK vyvinula nový a nákladově efektivní způsob prevence elektrické eroze v hnacích ústrojích elektromobilů (EV). Využitím unikátní patentované technologie plastového výlisku pro kuličková ložiska s hlubokou drážkou dosáhnou výrobci elektromobilů významné úspory ve srovnání s drahými „hybridními“ ložisky, která obsahují izolační součásti z keramiky.

Parazitní proud může v motoru elektromobilu procházet mnoha cestami v důsledku okolností. Významnou příčinou jeho vzniku je přítomnost měniče, který s velkou frekvencí přepíná mezi fázemi. Specifické typy konstrukce elektromotoru mohou také způsobovat různé proudové toky v ložisku, včetně proudů v uzemněném ložisku rotoru, cirkulačních proudů v ložisku a proudů EDM z elektroerozivního obrábění (Electric Discharge Machining).

Zejména proudy EDM představují pro ložiska vážné riziko, protože při specifickém napětí vyvolávají vznik elektrického oblouku. Tento oblouk provázený jiskřením (vybitím akumulovaného náboje) vede k nekontrolovanému vybíjení poměrně velkého proudu a mění tvar ocelových ložiskových kroužků a kuliček. Materiál se zde taví a znovu tuhne na kovovém povrchu, takže se na oběžných drahách vnitřního i vnějšího kroužku ložiska začnou objevovat vlnky hluboké několik mikrometrů. Prvním příznakem tohoto problému bývá nadměrný hluk. Konstruktéři se snaží, aby elektromobily byly stále tišší, a proto je hlučnost ložisek vysoce nežádoucí.

Společnost NSK se rozhodla, že je načase tento dlouhodobý problém vyřešit, a to nejprve posouzením podmínek, které podporují elektrickou erozi, včetně: provozních podmínek, jako jsou zatížení, otáčky, teplota a viskozita maziva. Důležité jsou stav výsledného mazání (hydrodynamické, smíšené, hraniční parametry) a elektrické vlastnosti, jako jsou odpor maziva a materiálů ložisek.

Zavedené metody, které pomáhají zabránit elektrické erozi, v zásadě zahrnují buď izolaci, nebo uzemnění. Pokud nejsou náboje příliš velké, může postačit použití vodivého maziva těsnění nebo jiný uzemňovací prvek. Pro specifické polohy ložisek, jako je například ložisko straně motoru před převodovkou, je však nutná izolace v podobě keramických nebo plastových součástí ložiska. Společnost NSK například dodává ložiska s keramickými povlaky na vnějším nebo vnitřním kroužku nebo může vyrábět celá valivá tělíska z keramiky. I když jsou tato „hybridní“ ložiska optimálním opatřením proti elektrické erozi, jsou také drahá.

Požadavek na cenově výhodnější řešení je naléhavý, protože vysokonapěťová konstrukce elektrických vozidel přechází z dnešních 400 V systémů na 800 V. Ty budou již v roce 2030 pravděpodobně představovat až 50 % trhu, což problém s ložiskovými proudy zdvojnásobí a bude vyžadovat ještě lepší ochranná opatření pro ložiska.

Společnost NSK proto navrhuje použití plastového výlisku z vysoce výkonného polymeru PPS (polyfenylsulfidu), který má velkou odolnost proti extrémním teplotám a široké škále chemikálií, stejně jako stabilní elektrické a mechanické vlastnosti (dokonce i při teplotě až 150 °C). Kromě toho tento materiál, na rozdíl od mnoha jiných typů polymerů, vykazuje malou absorpci vody, což zajišťuje jeho rozměrovou stabilitu.

Komplexní testy, provedené společností NSK, srovnávaly parametry ložisek s plastovými výlisky s parametry standardních ložisek NSK. Například při napětí 24 V a frekvenci 15 kHz vykazovala standardní ložiska zřetelnou elektrickou erozi vnitřních a vnějších kroužků. Naproti tomu nová ložiska NSK s plastovými výlisky se neprokázal ani náznak tohoto jevu. nevykazovala žádné známky tohoto jevu. Stejný výsledek se projevil při různých otáčkách.

Ložiska s plastovými výlisky se vyrábějí inovativní technologií vstřikování v závodě NSK umístěném v Evropě aby se optimalizovaly dodávky pro evropské výrobce elektromobilů. Speciální vlastnosti formy zajišťují homogenní rozložení a orientaci molekul polymeru a výplňových skleněných vláken pro optimalizaci mechanických vlastností plastových výlisků. Přesnost přetavení znamená, že není nutné broušení, takže se uplatňuje „strukturovaný“ povrch výlisku. Výsledkem je, že mezi pouzdrem a vnějším kroužkem ložiska není 100% kontakt, což vytváří mezery vyplněné vzduchem. Vzduch je dobrý izolátor a nic nestojí. Tato inovace odlišuje řešení NSK od jiných dostupných na trhu. Další výhodou je, že strukturovaný povrch zamezuje vzniku prokluzu ložisek v pouzdrech, provázenému vrzáním, protože potenciálně poskytuje lepší slícování díky více kontaktním bodům (v závislosti na případu použití).

Patentovaná izolační vrstva, použitelná na vnitřním a vnějším kroužku, má obvykle tloušťku od 0,7 do 1,2 mm. Pro umístění dodatečného materiálu může společnost NSK nabídnout rozměrově neutrální řešení. To je nejjednodušší při zahájení nové konstrukce ložiska, i když NSK může odpovídajícím způsobem také opracovat materiál z vnějšího kroužku stávajících ložisek. Toto řešení je však spojeno s dodatečnými náklady. Jako alternativní postup mohou výrobci OEM přizpůsobit pouzdro, v němž bude ložisko uloženo, což znamená, že NSK nebude muset změnit svůj výrobní proces a výroba bude levnější. Díky tomu mohou výrobci elektrických vozidel plně využít značné úspory nákladů ve srovnání s hybridními ložisky.

Elektromobilový průmysl tak má konečně k dispozici cenově efektivní řešení, které odstraňuje problém s elektrickou erozí ložisek v elektrifikovaných pohonech. Opatření ložisek plastovými výlisky je v současné době použitelné pro kuličková ložiska řady NSK 6008 a brzy bude také pro ložiska řady 6206 (s těsněním i bez těsnění), která jsou ideální právě pro použití u elektromobilů.

Společnost NSK má k dispozici modulární zkušební formu, která pokrývá vnější průměry od 55 do 95 mm (až do 30 mm šířky). Je proto připravena provádět pro zákazníky testy u ložisek v tomto rozměrovém rozsahu.

Společnost NSK Europe je evropskou pobočkou tokijského výrobce ložisek NSK. Kromě téměř všech druhů valivých ložisek zahrnuje sortiment společnosti také těsněná ložiska, lineární technologie, ložisková tělesa pro kola, ložiska převodovky a motoru a systémy řízení.