Voorkomen van elektrische erosie van lagers in EV aandrijvingen

NSK heeft een nieuwe en kosteneffectieve manier ontwikkeld om elektrische erosie in de aandrijvingen van elektrische voertuigen (EV’s) te voorkomen. Gebaseerd op een unieke methode voor het produceren van een gepatenteerde kunststof omspuiting voor diepgroefkogellagers, kunnen EV fabrikanten hiermee fors besparen vergeleken met dure ‘hybride’ lagers met isolerende keramische componenten.

Parasitaire stroom kan op vele manieren door een EV-motor lopen, bijvoorbeeld door de aanwezigheid van een omvormer met een hoge schakelfrequentie. Ook kunnen bepaalde typen elektromotoren verschillende soorten lagerstromen veroorzaken, waaronder rotoraardstromen, circulerende lagerstromen en EDM stromen (Electrical Discharge Machining/vonkverspaning).

Vooral EDM stromen vormen een ernstig risico voor lagers, met name als gevolg van vonkvorming die bij bepaalde spanningen optreedt. Deze vonkvorming (oplaadbelasting) leidt tot ongecontroleerde ontlading bij vrij hoge ampèrewaarden, waardoor de morfologie van de stalen lagerringen en -kogels wezenlijk verandert. Hierbij smelt en daarna stolt materiaal op het metaaloppervlak, zodat er ribbels van enkele microns diep ontstaan op de loopvlakken van zowel de binnen- als buitenring. Excessief geluid is vaak de eerste indicatie van dit probleem. Voor EV’s, die steeds stiller worden, is dit lawaai zeer ongewenst.

NSK vond dat het tijd was om een oplossing te ontwikkelen voor dit al langer bestaande probleem, door eerst de omstandigheden te beoordelen die elektrische erosie bevorderen, waaronder de bedrijfsomstandigheden, zoals belasting, rotatiesnelheid, temperatuur en viscositeit van het smeermiddel; de conditie van de resulterende smering (hydrodynamisch, gemengd, grens) en de elektrische eigenschappen, zoals weerstand (materiaal en capacitief).

Gevestigde methoden om elektrische erosie te helpen voorkomen betreffen hoofdzakelijk isolatie of geleiding. Als de ladingen niet te hoog zijn, kan het voldoende zijn een geleidend vet, afdichting of een ander aardingselement te gebruiken. Voor specifieke lagerposities, zoals het eindlager vóór de reductor, is isolatie echter vereist in de vorm van keramische of kunststof lagercomponenten. NSK kan bijvoorbeeld keramiek toepassen als coating op de buitenste/binnenste ringen, of kan de complete rolelementen en kogels uit keramiek vervaardigen. Hoewel deze ‘hybride’ lagers optimale bescherming bieden tegen elektrische erosie, zijn ze ook duur.

De behoefte aan een meer kosteneffectieve oplossing is dan ook groot, aangezien de hoogspanningsarchitectuur van EV’s op het punt staat te veranderen van de huidige dominante 400V systemen, naar 800V. Deze laatste systemen zullen mogelijk al in 2030 een marktaandeel van 50% hebben, waardoor het probleem simpelweg twee keer zo groot wordt en lagers nog betere beschermingsmaatregelen nodig hebben.

NSK adviseert daarom het gebruik van een kunststof omspuiting van een hoogwaardig PPS polymeer (polyfenyleensulfide) dat niet alleen zeer bestendig is tegen hitte en een grote variëteit aan chemicaliën, maar ook stabiele elektrische en mechanische prestaties biedt (zelfs bij temperaturen tot 150°C). Bovendien heeft het materiaal een lage waterabsorptie, in tegenstelling tot veel andere soorten polymeren, waardoor de dimensionale stabiliteit gewaarborgd blijft.

Uitgebreide tests van NSK tonen de prestaties van de omspoten lagers vergeleken met de standaardlagers van het bedrijf. Bij 24V spanning en 15kHz frequentie vertoonden de standaardlagers bijvoorbeeld duidelijke elektrische erosie van de binnen- en buitenringen. De nieuwe, door NSK omspoten lagers vertoonden daarentegen hiervan geen sporen. Ditzelfde resultaat werd bereikt bij verschillende draaisnelheden.

Omspuiten wordt gedaan middels een innovatief spuitgietproces in een NSK fabriek in Europa om de levering aan de EV industrie te optimaliseren. Speciale matrijseigenschappen zorgen voor een homogene verdeling en oriëntatie van de moleculen en glasvezels om de mechanische prestaties te optimaliseren. Met name de nauwkeurigheid van het omspuiten betekent dat er niet geslepen hoeft te worden, zodat een ‘gestructureerde’ afwerking resteert. Daardoor is er geen 100% contact tussen de behuizing en de buitendiameter van het lager, waardoor er spleten ontstaan die met lucht worden gevuld. Lucht is een goede isolator en kost niets. Deze innovatie zorgt voor marktdifferentiatie van de NSK oplossing. Een ander voordeel is dat de gestructureerde afwerking het bekende probleem van kruip in lagerbehuizingen ondervangt, waarschijnlijk omdat het een betere pasvorm biedt door meerdere contactpunten (afhankelijk van de toepassing).

Toegepast op de binnen- en buitenring, varieert de gepatenteerde isolatielaag van 0,7 tot 1,2 mm dikte. Om het extra materiaal op te vangen biedt NSK ruimte-neutrale oplossingen. Dit is het makkelijkst bij de start van een nieuw lagerontwerp, hoewel NSK ook de bewerking van de buitendiameter van bestaande lagers dienovereenkomstig kan uitvoeren. Aan deze oplossing zijn echter kosten verbonden. Als alternatief kunnen OEM’s de behuizing van het lager openen, zodat NSK het proces niet hoeft aan te passen. Op deze manier kunnen EV fabrikanten ten volle profiteren van de aanzienlijke kostenbesparingen vergeleken met hybride lagers.

Eindelijk heeft de EV industrie nu de beschikking over een kosteneffectieve oplossing waarmee de elektrische erosie van lagers in elektrische aandrijvingen tenietgedaan wordt. Het omspuiten wordt momenteel toegepast op NSK’s serie 6008 en binnenkort op serie 6206 diepgroefkogellagers (afgedicht en niet-afgedicht), die ideaal zijn voor EV toepassingen.

Tot slot heeft NSK een modulaire testmatrijs beschikbaar die buitendiameters omvat van 55-95 mm (tot 30 mm breedte). Het bedrijf is hiermee bereid tests uit te voeren voor klanten met specifieke eisen binnen dit bereik.

Meer informatie over NSK