Предотвращение электрической эрозии подшипников в трансмиссиях электромобилей

Jun 01, 2023

Производитель подшипников NSK в настоящее время разрабатывает новый и экономически эффективный способ предотвращения электрической эрозии в трансмиссиях электромобилей (EV). Сообщается, что благодаря уникальному методу изготовления запатентованного пластикового формования радиальных шарикоподшипников производители электромобилей смогут существенно сэкономить по сравнению с дорогими «гибридными» подшипниками, в которых изолирующие компоненты изготовлены из керамики.

Паразитный ток может проходить через электродвигатель по разным путям из-за таких обстоятельств, как наличие инвертора, который часто переключается на несколько фаз. Конкретные типы архитектуры электродвигателей также могут вызывать различные потоки подшипниковых токов, включая токи подшипников заземления ротора, циркулирующие токи подшипников и токи EDM (электроэрозионной обработки).

В частности, токи EDM представляют серьезную опасность для подшипников, в основном из-за искрения, возникающего при определенных напряжениях. Это искрение (заряд под нагрузкой) приводит к неконтролируемому разряду при довольно высоких значениях силы тока, существенно изменяя морфологию стальных колец и шариков подшипников. Здесь материал плавится и вновь затвердевает на поверхности металла, так что на дорожках качения подшипника как внутреннего, так и наружного кольца начинают появляться ряби глубиной в несколько микрон. Чрезмерный шум часто является первым индикатором этой проблемы. Для электромобилей, которые по мере дальнейшего развития становятся все более бесшумными, шум крайне нежелателен.

Компания NSK решила, что пришло время приступить к разработке решения этой давней проблемы, в первую очередь путем оценки условий, способствующих электрической эрозии, включая: условия эксплуатации, такие как нагрузка, скорость вращения, температура и вязкость смазочного материала; состояние образующейся смазки (гидродинамическая, смешанная, граничная); и электрические свойства, такие как сопротивление (материальное и емкостное).

Известные методы предотвращения электрической эрозии по существу включают либо изоляцию, либо проводимость. Если заряды не слишком велики, возможно, будет достаточно использовать проводящую смазку или правильно подобранные заземляющие элементы. Однако для определенных положений подшипника, например, подшипника приводной стороны перед коробкой передач, требуется изоляция в виде керамических или пластиковых компонентов подшипника. Например, NSK может использовать керамику в качестве покрытия на наружных или внутренних кольцах или может изготовить все элементы роликов и шарики из керамики. Хотя эти «гибридные» подшипники обеспечивают оптимальную защиту от электрической эрозии, они также дороги.

Потребность в более экономичном решении актуальна, поскольку высоковольтная архитектура электромобилей вот-вот изменится с систем с напряжением 400 В, которые доминируют сегодня, на системы с напряжением 800 В. Последний потенциально займет 50% рынка уже к 2030 году, что просто удвоит проблему и потребует еще более эффективных мер защиты подшипников.

Поэтому компания NSK предлагает использовать пластиковую накладку, изготовленную из высокоэффективного полимера ППС (полифениленсульфида), который обеспечивает высокую устойчивость к нагреву и широкому спектру химикатов, а также стабильные электрические и механические характеристики (даже при температурах). до 150°С). Кроме того, материал обеспечивает низкий уровень водопоглощения, в отличие от многих других типов полимеров, обеспечивая стабильность размеров.

Всесторонние испытания NSK показывают эффективность формованных подшипников по сравнению со стандартными подшипниками компании. Например, при напряжении 24 В и частоте 15 кГц у стандартных подшипников наблюдалась явная электрическая эрозия внутреннего и внешнего колец. Напротив, новые литые подшипники NSK не продемонстрировали никаких признаков этого явления. Тот же результат приводил к различным скоростям вращения.

Производство формовки осуществляется благодаря инновационному процессу литья под давлением, расположенному на заводе NSK в Европе, чтобы оптимизировать поставки для индустрии электромобилей. Специальные характеристики формы обеспечивают однородное распределение и ориентацию молекул и стекловолокон для оптимизации механических характеристик. Примечательно, что точность формования означает, что нет необходимости в шлифовке, оставляя «структурированную» отделку на месте. В результате не происходит 100% контакта между корпусом и наружным диаметром подшипника, что приводит к образованию зазоров, заполненных воздухом. Воздух является хорошим изолятором и ничего не стоит. Это нововведение обеспечивает рыночную дифференциацию решения NSK. Еще одним преимуществом является то, что структурированная отделка позволяет решить существующую проблему ползучести подшипников внутри корпуса, поскольку потенциально обеспечивает лучшую посадку благодаря множеству точек контакта (в зависимости от варианта использования).