Rodamientos de motores para vehículos eléctricos: solución de daños por corriente eléctrica en rodamientos de agujas [Guía de prevención de ondulaciones EDM]

Audiencia:Ingenieros de sistemas de propulsión de vehículos eléctricos, equipos de diseño de motores, líderes de mantenimiento de flotas

TL;DR:Los inversores de frecuencia variable (VFD) en los motores de tracción de vehículos eléctricos inducen voltajes en el eje de modo común que se descargan a través del cojinete de agujas como rayos en miniatura. Cada descarga derrite cráteres microscópicos; Con el paso de los meses, estos se fusionan en la característica.acanaladootabla de lavarpatrón de desgaste, causando fallas prematuras en los rodamientos. DW Bearing aborda esto con tres soluciones de ingeniería: rodillos cerámicos híbridos, revestimientos aislados y conexión a tierra del eje de derivación de corriente.

1. El problema: por qué los rodamientos de motores para vehículos eléctricos fallan de manera diferente a los rodamientos ICE

En los vehículos con motor de combustión interna (ICE) convencionales, los cojinetes de agujas solo soportan cargas mecánicas. En los vehículos eléctricos, el motor de tracción añade un segundo modo de fallo arraigado en la electrónica de propulsión, no en la mecánica.

Los inversores de tracción para vehículos eléctricos modernos utilizan módulos de carburo de silicio (SiC) o transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) que conmutan a 10-20 kHz con velocidades de borde dV/dt que alcanzan 5-10 kV/µs. Estos bordes rápidos se acoplan capacitivamente a través del entrehierro del estator-rotor del motor, induciendo un voltaje de modo común de 5-40 V máximo en el eje del rotor en relación con la carcasa del motor (tierra).

Cuando este voltaje excede la resistencia a la ruptura de la película lubricante dentro del rodamiento (generalmente 3-7 V/μm dependiendo del tipo de grasa y la temperatura), la energía se descarga a través del contacto entre el elemento rodante y la pista de rodadura, un fenómeno conocido comoMecanizado por descarga eléctrica (EDM).

2. Cómo se desarrolla el daño por electroerosión en un rodamiento de agujas

Etapa 1 —Frío(0-50 horas de ciclo de trabajo EV): Aparecen hoyos microscópicos de 1-5 µm de diámetro en la pista de rodadura. Visible sólo bajo SEM a 1000x. Aún no hay ningún impacto medible en el rendimiento.

Etapa 2 —picaduras(50-500 horas): Las fosas se agrandan a 10-20 µm y comienzan a agruparse. El ruido de los rodamientos aumenta entre 3 y 6 dB. La FFT de vibración muestra nuevos picos en las frecuencias del tren de jaula.

Etapa 3 —Estriado / Tabla de lavar(500-2000 horas): Las picaduras se alinean en crestas paralelas perpendiculares al eje del rodamiento, espaciadas igual al paso de aguja a aguja. El ruido se vuelve audible como un gemido agudo. Ondulación del par visible en las huellas del banco de pruebas.

Etapa 4 —Fallo catastrófico: El lubricante se descompone debido al calor generado por el arco (temperaturas locales de más de 10 000 °C en el canal de descarga). El rodamiento se atasca o genera desechos metálicos que contaminan los devanados del motor.

3. Detección: cómo diagnosticar daños eléctricos en los rodamientos

Visual / Microscopía

• Microscopio estereoscópico (40x):Marcas de estrías visibles como bandas transversales grises uniformemente espaciadas

• MEB a 500x:Morfología del cráter con borde elevado característico del derretimiento por arco (frente a picaduras mecánicas, que tienen bordes afilados)

Firma de vibración

• El espectro FFT muestra picos enfrecuencias de paso del tren jaulay armónicos, distintos del desconchado por fatiga mecánica, que muestra la frecuencia de paso de la bola en el anillo interior/exterior (BPFI/BPFO)

• La velocidad rms aumenta entre 2 y 3 veces con respecto al valor inicial dentro de las primeras 200 horas de funcionamiento del vehículo eléctrico.

Medición de voltaje del eje

• Utilice una sonda de alta impedancia (mínimo 10 MΩ, acoplada a CA, ancho de banda de 100 MHz) con un contacto de escobilla en el eje del rotor y retorno a tierra a la carcasa del motor.

• Motor sano: < 1 V pico de modo común

• Umbral de riesgo: > 8 V pico activa la electroerosión en rodamientos de agujas engrasados ​​estándar

4. Soluciones de ingeniería (matriz de compensación)

5. Rodamientos de agujas con clasificación EV de DW Bearing

DW desarrolló tres líneas de productos específicamente para aplicaciones de vehículos eléctricos:

• Serie HK-EV:Rodamientos HK estándar de copa estirada con revestimiento de copa exterior aislado patentado, voltaje soportado nominal de 2000 V, 100 % intercambiables con dimensiones límite estándar HK

• Serie NK-EV-HC:Rodamientos de agujas mecanizados con rodillos cerámicos híbridos de Si₃N₄, para motores de tracción de alto rendimiento

• Serie AXK-EV:Rodamientos axiales de agujas con arandelas aisladas para aplicaciones de reductor planetario EV

Todas las series de vehículos eléctricos probadas paraCEI 60034-25(aislamiento eléctrico para variadores de velocidad) y validado en protocolos de resistencia de 5000 horas con nuestros clientes automotrices.

6. Estudio de caso: Resolución de fallas de campo del fabricante de NEV en 2024

Un programa híbrido enchufable para 2024 de un OEM chino de NEV informó quejas de clientes sobre rodamientos de agujas con un kilometraje de 8.000 a 12.000 km. Investigación de fallas:

1. Los rodamientos desmontados mostraron estrías de etapa 3 en la pista interior.

2. La medición del voltaje del eje en vehículos de prueba mostró un pico de modo común de 18-24 V durante el frenado regenerativo de alta velocidad.

3. Causa principal: el dV/dt del inversor de SiC era de 8 kV/µs, superando la clasificación de rodamiento estándar

DW trabajó con el OEM para implementarHK-EVrodamientos aislados como un cambio continuo en la semana de producción 47. Los retornos de campo por quejas cayeron del 0,8% al <0,05% durante los siguientes 18 meses de producción.

7. Lista de verificación de selección para la especificación de rodamientos para vehículos eléctricos

• Identificar la frecuencia de conmutación del inversor y dV/dt.

• Mida el voltaje del eje en un vehículo prototipo

• Calcular la densidad de corriente aparente del rodamiento (objetivo: <0,1 A/mm2)

• Especifique una solución aislada, híbrida o de puesta a tierra de eje por envolvente de voltaje

• Validar con prueba de resistencia EDM acelerada de 1000 horas (IEC 60034-25)

• Confirme la compatibilidad de la grasa con operación de alta frecuencia

8. Preguntas frecuentes

P1: ¿Puedo utilizar simplemente un rodamiento de agujas HK normal en un motor EV?
Sólo si el eje ya está conectado a tierra externamente (solución OEM más común). Sin conexión a tierra, el daño por estrías comienza entre 50 y 200 horas.

P2: ¿Cuál es la diferencia entre estriado y brinelling?
Ambos crean marcas en las pistas de rodadura, pero las estrías de la electroerosión tienen espacios uniformes (paso de rodillo coincidente), decoloración por el calor del arco y bordes de fusión microscópicos. La formación de brillo debido a la carga de impacto muestra hendiduras individuales, sin decoloración y bordes afilados.

P3: ¿Cuánto tiempo dura el rodamiento DW HK-EV en el ciclo de trabajo de un vehículo eléctrico?
Probado durante más de 5000 horas equivalentes a 200 000 km de servicio del vehículo con un voltaje de eje de 18 V; sin daños medibles por electroerosión en microscopía posterior a la prueba.

P4: ¿Son los rodamientos para vehículos eléctricos compatibles con los diseños de motores existentes?
Las dimensiones límite son 100% idénticas a las de la serie estándar HK/NK. La única diferencia es el revestimiento aislante de la copa exterior, que añade <5 µm al diámetro exterior, dentro de la tolerancia estándar de la carcasa.

P5: ¿Cuánto cuesta un rodamiento con clasificación EV en comparación con el estándar?
Aislamiento HK-EV: +150% precio estándar HK. Cerámica híbrida NK-EV-HC: +200%. Teniendo en cuenta que una falla típica de un rodamiento causa un tiempo de inactividad de 8 000 a 15 000 RMB + reclamo de garantía, el rodamiento con clasificación EV se amortiza dentro de la primera falla evitada.

9. Referencias

• IEC 60034-25:2014 — Máquinas eléctricas rotativas, guía para máquinas alimentadas por convertidor

• IEEE 1551: estándares para corrientes de rodamientos eléctricos en variadores de velocidad ajustable

• NEMA MG1 Parte 31: motores alimentados por inversor de propósito definido

• Muetze, A. (2004)Corrientes de rodamiento en motores de CA alimentados por inversor— Tesis doctoral de la TU Darmstadt

• Informe técnico SKF SKF/EE/2018: Daños eléctricos en rodamientos

Sobre el autor:Equipo de ingeniería de rodamientos de DW. Programa de rodamientos para vehículos eléctricos dirigido por un ingeniero de aplicaciones senior con más de 12 años en confiabilidad de motores alimentados por inversor.

Productos relacionados: Rodamientos de agujas de copa estirada | Rodamientos de agujas mecanizados | Aplicaciones de rodamientos para automóviles

¿Consulta sobre ingeniería de rodamientos para vehículos eléctricos? Correo electrónico[email protected].