Evitar la corrosión eléctrica de los rodamientos en los sistemas de transmisión de los Vehículos Eléctricos

La corriente parásita puede tomar muchos caminos a través de los motores de vehículos eléctricos debido a circunstancias como la presencia de un inversor que cambia con frecuencia entre múltiples fases. Los tipos específicos de arquitectura de cada motor eléctrico también pueden originar una gran variedad de flujos de corriente en los rodamientos, incluidas las corrientes en los rodamientos derivados a tierra del rotor, las corrientes circulantes en los rodamientos y las corrientes en los EDM (mecanizados por electroerosión).

Las corrientes EDM, en particular, presentan un grave riesgo para los rodamientos, en gran parte debido a la formación de arcos que se producen a voltajes específicos. Este arco voltaico (carga) puede originar descargas incontroladas con unos valores de amperaje bastante elevados, cambiando esencialmente la morfología de los anillos y de las bolas de acero del rodamiento. En estos puntos, el material se derrite y vuelve a solidificarse en la superficie del metal, de modo que comienzan a aparecer ondas de varias micras de profundidad en los caminos de rodadura del rodamiento, tanto en el anillo interior como en el exterior. El ruido excesivo suele ser el primer indicador de este problema. Para los vehículos eléctricos, que cada vez son más silenciosos gracias a un desarrollo continuo, el ruido es un aspecto altamente indeseable. 

NSK decidió que era el momento oportuno para comenzar a desarrollar una solución a este problema ya conocido, primero evaluando las condiciones que facilitan la aparición de la corrosión eléctrica, incluidas: las condiciones de funcionamiento como carga, velocidad de rotación, temperatura y viscosidad del lubricante; las condiciones de la lubricación resultante (hidrodinámica, mixta, límite); y las propiedades eléctricas como la resistencia (del material y capacitativa).

Los métodos establecidos para ayudar a prevenir la corrosión eléctrica son esencialmente el aislamiento o la conducción. Si las cargas no son demasiado altas, podría ser suficiente emplear una grasa conductora, un sellado u otro elemento que facilite la derivación a tierra. Sin embargo, para posiciones específicas de los rodamientos, como el rodamiento del extremo de la transmisión antes de la caja de engranajes, se requiere un aislamiento específico en forma de componentes de cerámica o plástico para los rodamientos. Por ejemplo, NSK puede utilizar cerámica como revestimiento en los anillos exteriores e interiores, o puede fabricar de cerámica todos los rodillos y las bolas. Aunque estos rodamientos "híbridos" proporcionan una contramedida óptima para la corrosión eléctrica, también resultan muy costosos. 

El requisito de una solución más rentable empieza a ser apremiante porque la arquitectura basada en voltajes elevados de los vehículos eléctricos está a punto de cambiar de los sistemas de 400 V que dominan hoy en día a los de 800 V. Se calcula que estos últimos sistemas controlarán potencialmente el 50% del mercado en una fecha tan temprana como 2030, lo que simplemente duplicará el problema y requerirá medidas de protección aún mejores para los rodamientos.

Por lo tanto, NSK propone el uso de un recubrimiento moldeado de plástico fabricado con un polímero PPS (sulfuro de polifenileno) de alto rendimiento que destaca por una alta resistencia frente al calor y frente a una gran variedad de productos químicos, destacando también por un rendimiento eléctrico y mecánico estable (incluso a temperaturas de hasta 150 °C). Además, el material destaca por su bajo nivel de absorción de agua, a diferencia de muchos otros tipos de polímeros, lo que garantiza la estabilidad dimensional.

Las exhaustivas pruebas de NSK demuestran el superior rendimiento de los rodamientos con recubrimiento en comparación con los rodamientos estándar. Por ejemplo, con un voltaje de 24 V y una frecuencia de 15 kHz, los rodamientos estándar mostraron una clara corrosión eléctrica de los anillos interior y exterior. Por el contrario, en los nuevos rodamientos con recubrimiento de NSK no se detectaron evidencias de este fenómeno. Se obtuvo el mismo resultado en distintas velocidades de rotación.

La producción del recubrimiento es el resultado de un innovador proceso de moldeo por inyección ubicado en una instalación de NSK en Europa para optimizar el suministro a la industria de vehículos eléctricos. Las características especiales del molde aseguran una distribución y orientación homogéneas de las moléculas y fibras de vidrio para optimizar el rendimiento mecánico. En particular, la precisión del recubrimiento significa que no hay necesidad de esmerilado, dejando en su lugar un acabado "estructurado". Como resultado de todo ello, no existe un contacto del 100% entre el alojamiento y el diámetro exterior del rodamiento, lo que crea espacios llenos de aire. El aire es un buen aislante y no cuesta nada. Esta innovación consigue una clara diferenciación de mercado para la solución de NSK. Como beneficio adicional, el acabado estructurado supera el problema endémico del deslizamiento de los rodamientos dentro de los alojamientos, ya que potencialmente ofrece un mejor ajuste debido a los múltiples puntos de contacto (según el caso de uso).

Aplicable en el anillo interior y exterior, la capa de aislamiento patentada generalmente variará entre un grosor de 0,7 a 1,2 mm. Para alojar el material adicional, NSK puede ofrecer soluciones neutrales en cuanto al espacio. Todo ello es más fácil cuando se parte de un nuevo diseño de rodamiento, aunque NSK también puede mecanizar material, en consecuencia, a partir del diámetro exterior de los rodamientos existentes. Sin embargo, hay un elemento de coste adicional en esta solución. Como propuesta alternativa, los fabricantes de equipos originales pueden optar por abrir el alojamiento que acomoda el rodamiento, lo que significa que NSK no tendrá que cambiar su proceso. Tomar este camino permite a los fabricantes de vehículos eléctricos aprovechar al máximo los importantes ahorros de costes disponibles en comparación con los rodamientos híbridos. 

Por fin, la industria de los vehículos eléctricos tiene una solución rentable que elimina la corrosión eléctrica de los rodamientos en los sistemas de transmisión electrificados. El sobre moldeado se aplica actualmente a los rodamientos de la serie 6008 de NSK y pronto a la serie de rodamiento de bolas de ranura profunda 6206 (sellados y no sellados), que son los ideales para aplicaciones EV.

Como nota final, NSK dispone de un molde de prueba modular que cubre diámetros exteriores de 55 a 95 mm (y hasta 30 mm de ancho). Por todo ello, la empresa está dispuesta a realizar pruebas para aquellos clientes con necesidades específicas en esta gama. 

Foto 1):  Aplicable en los anillos interior y exterior, el grosor de la capa de aislamiento patentada tiene unos valores comprendidos entre 0,7 y 1,2 mm.