Prévenir l'érosion électrique des roulements dans les transmissions EV

Jun 01, 2023

Le fabricant de roulements NSK développe actuellement un nouveau moyen rentable de prévenir l'érosion électrique dans les transmissions des véhicules électriques (VE). Sur la base d'une méthode unique de production d'un surmoulage en plastique breveté pour les roulements à billes à gorge profonde, les fabricants de véhicules électriques réaliseraient des économies importantes par rapport aux roulements « hybrides » coûteux qui comportent des composants isolants en céramique.

Le courant parasite peut emprunter de nombreux chemins à travers un moteur EV en raison de circonstances telles que la présence d'un onduleur qui commute fréquemment sur plusieurs phases. Des types spécifiques d'architecture de moteur électrique peuvent également provoquer une variété de flux de courant de palier, y compris des courants de palier au sol du rotor, des courants de palier en circulation et des courants EDM (usinage par décharge électrique).

Les courants EDM, en particulier, présentent un risque grave pour les roulements, principalement en raison des arcs électriques qui se produisent à des tensions spécifiques. Cet arc (charge de charge) conduit à une décharge incontrôlée à des valeurs d'ampères assez élevées, modifiant essentiellement la morphologie des bagues et billes de roulement en acier. Ici, le matériau fond et se solidifie à nouveau sur la surface métallique de sorte que des ondulations de plusieurs microns de profondeur commencent à apparaître sur les chemins de roulement des bagues intérieure et extérieure. Un bruit excessif est souvent le premier indicateur de ce problème. Pour les véhicules électriques, qui deviennent de plus en plus silencieux avec le développement en cours, le bruit est hautement indésirable.

NSK a décidé qu'il était temps de développer une solution à ce problème de longue date, tout d'abord en évaluant les conditions qui favorisent l'érosion électrique, notamment : les conditions de fonctionnement telles que la charge, la vitesse de rotation, la température et la viscosité du lubrifiant ; l'état de la lubrification résultante (hydrodynamique, mixte, limite) ; et des propriétés électriques comme la résistance (matérielle et capacitive).

Les méthodes établies pour aider à prévenir l'érosion électrique comprennent essentiellement soit l'isolation, soit la conduction. Si les charges ne sont pas trop élevées, il peut suffire d'employer une graisse conductrice ou des éléments de mise à la terre bien dimensionnés. Cependant, pour des positions de roulement spécifiques, telles que le roulement côté entraînement avant la boîte de vitesses, une isolation est requise sous la forme de composants de roulement en céramique ou en plastique. Par exemple, NSK peut utiliser de la céramique comme revêtement sur les bagues extérieures ou intérieures, ou peut fabriquer l'ensemble des éléments de roulement et des billes en céramique. Bien que ces roulements « hybrides » offrent une contre-mesure optimale à l'érosion électrique, ils sont également coûteux.

L'exigence d'une solution plus rentable est pressante car l'architecture haute tension des véhicules électriques est sur le point de passer des systèmes 400 V qui prédominent aujourd'hui à 800 V. Ces derniers occuperont potentiellement 50 % du marché dès 2030, ce qui doublera simplement l'enjeu et nécessitera des mesures de protection encore meilleures pour les roulements.

NSK propose donc l'utilisation d'un surmoulage plastique réalisé à partir d'un polymère PPS (sulfure de polyphénylène) haute performance qui offre une haute résistance à la chaleur et à une grande variété de produits chimiques, ainsi que des performances électriques et mécaniques stables (même à des températures jusqu'à 150°C). De plus, le matériau offre un faible niveau d'absorption d'eau, contrairement à de nombreux autres types de polymères, garantissant une stabilité dimensionnelle.

Des tests NSK complets révèlent les performances des roulements surmoulés par rapport aux roulements standard de l'entreprise. Par exemple, à une tension de 24 V et à une fréquence de 15 kHz, les roulements standard ont montré une nette érosion électrique des bagues intérieure et extérieure. En revanche, les nouveaux roulements surmoulés NSK n'ont montré aucune preuve de ce phénomène. Le même résultat s'est produit à différentes vitesses de rotation.

La production du surmoulage est réalisée grâce à un processus de moulage par injection innovant situé dans une usine NSK en Europe afin d'optimiser l'approvisionnement de l'industrie des véhicules électriques. Les caractéristiques spéciales du moule assurent une distribution et une orientation homogènes des molécules et des fibres de verre pour optimiser les performances mécaniques. Notamment, la précision du surmoulage signifie qu'il n'y a pas besoin de meulage, laissant une finition «structurée» en place. En conséquence, il n'y a pas de contact à 100 % entre le logement et le diamètre extérieur du roulement, créant des espaces remplis d'air. L'air est un bon isolant et ne coûte rien. Cette innovation permet à la solution NSK de se différencier sur le marché. Autre avantage, la finition structurée surmonte le problème établi du fluage des roulements dans les boîtiers, car elle offre potentiellement un meilleur ajustement grâce aux multiples points de contact (selon le cas d'utilisation).

Applicable sur l'anneau intérieur et extérieur, la couche d'isolation brevetée aura généralement une épaisseur de 0,7 à 1,2 mm. Pour accueillir le matériau supplémentaire, NSK peut proposer des solutions neutres en termes d'espace. C'est plus facile lors du démarrage d'une nouvelle conception de roulement, bien que NSK puisse également usiner le matériau à partir du diamètre extérieur des roulements existants en conséquence. Cependant, il y a un élément de coût à cette solution. Comme proposition alternative, les équipementiers peuvent envisager d'ouvrir le boîtier qui accueille le roulement, ce qui signifie que NSK n'aura pas à modifier son processus. Suivre cette voie permet aux fabricants de véhicules électriques de tirer pleinement parti des importantes économies de coûts disponibles par rapport aux roulements hybrides.

Enfin, l'industrie des véhicules électriques dispose d'une solution rentable qui annule l'érosion électrique des roulements dans les transmissions électrifiées. Le surmoulage est actuellement applicable au 6008 de NSK et bientôt à sa série de roulements rigides à billes 6206 (étanches et non étanches), qui sont adaptés aux applications EV. NSK propose également un moule de test modulaire qui couvre des diamètres extérieurs de 55 à 95 mm (jusqu'à 30 mm de largeur) et cherche à entreprendre des tests pour le compte de clients ayant des exigences dans cette gamme.