Verhinderung elektrischer Erosion von Lagern in Elektroantriebssträngen

Jun 24, 2023

Der Lagerhersteller NSK entwickelt derzeit eine neue und kostengünstige Möglichkeit, elektrische Erosion in den Antriebssträngen von Elektrofahrzeugen (EVs) zu verhindern. Basierend auf einer einzigartigen Methode zur Herstellung einer patentierten Kunststoffumspritzung für Rillenkugellager werden Elektrofahrzeughersteller Berichten zufolge erhebliche Einsparungen im Vergleich zu teuren „Hybrid“-Lagern erzielen, die über isolierende Komponenten aus Keramik verfügen.

Parasitärer Strom kann aufgrund von Umständen wie dem Vorhandensein eines Wechselrichters, der häufig über mehrere Phasen schaltet, viele Wege durch einen Elektrofahrzeugmotor nehmen. Bestimmte Arten der Architektur von Elektromotoren können auch eine Vielzahl von Lagerstromflüssen verursachen, darunter Rotorbodenlagerströme, zirkulierende Lagerströme und EDM-Ströme (elektrische Entladungsbearbeitung).

Insbesondere Erodierströme stellen ein ernstes Risiko für Lager dar, vor allem aufgrund der Lichtbogenbildung, die bei bestimmten Spannungen auftritt. Diese Lichtbogenbildung (Lastladung) führt zu einer unkontrollierten Entladung bei relativ hohen Amperewerten, wodurch sich die Morphologie der Stahllagerringe und -kugeln grundlegend verändert. Dabei schmilzt das Material und verfestigt sich wieder auf der Metalloberfläche, sodass auf den Lagerlaufbahnen des Innen- und Außenrings mehrere Mikrometer tiefe Wellen entstehen. Übermäßiger Lärm ist oft der erste Hinweis auf dieses Problem. Bei Elektrofahrzeugen, die mit der fortschreitenden Entwicklung immer leiser werden, ist Lärm höchst unerwünscht.

NSK kam zu dem Schluss, dass es an der Zeit war, eine Lösung für dieses seit langem bestehende Problem zu entwickeln. Zunächst sollten die Bedingungen bewertet werden, die die elektrische Erosion begünstigen, darunter: Betriebsbedingungen wie Last, Drehzahl, Temperatur und Schmierstoffviskosität; der Zustand der resultierenden Schmierung (hydrodynamisch, gemischt, Grenzschmierung); und elektrische Eigenschaften wie Widerstand (materiell und kapazitiv).

Etablierte Methoden zur Verhinderung elektrischer Erosion umfassen im Wesentlichen entweder Isolierung oder Leitung. Wenn die Ladungen nicht zu hoch sind, kann es ausreichend sein, ein leitfähiges Fett oder ausreichend dimensionierte Erdungselemente zu verwenden. Für bestimmte Lagerstellen, wie beispielsweise das antriebsseitige Lager vor dem Getriebe, ist jedoch eine Isolierung in Form von Lagerkomponenten aus Keramik oder Kunststoff erforderlich. Beispielsweise kann NSK Keramik als Beschichtung der Außen- oder Innenringe verwenden oder die gesamten Wälzkörper und Kugeln aus Keramik fertigen. Obwohl diese „Hybrid“-Lager eine optimale Gegenmaßnahme gegen elektrische Erosion darstellen, sind sie auch teuer.

Der Bedarf an einer kostengünstigeren Lösung ist dringend, da die Hochspannungsarchitektur von Elektrofahrzeugen im Begriff ist, sich von den heute vorherrschenden 400-V-Systemen auf 800 V zu ändern. Letztere werden möglicherweise bereits im Jahr 2030 einen Marktanteil von 50 % erreichen, was das Problem lediglich verdoppelt und noch bessere Schutzmaßnahmen für Lager erfordert.

NSK schlägt daher die Verwendung einer Kunststoffumspritzung aus einem leistungsstarken PPS-Polymer (Polyphenylensulfid) vor, das eine hohe Beständigkeit gegen Hitze und eine Vielzahl von Chemikalien sowie eine stabile elektrische und mechanische Leistung (auch bei Temperaturen) bietet bis 150°C). Darüber hinaus weist das Material im Gegensatz zu vielen anderen Polymertypen eine geringe Wasseraufnahme auf und sorgt so für Formstabilität.

Umfangreiche NSK-Tests zeigen die Leistung der umspritzten Lager im Vergleich zu den Standardlagern des Unternehmens. Beispielsweise zeigten Standardlager bei 24 V Spannung und 15 kHz Frequenz eine deutliche elektrische Erosion der Innen- und Außenringe. Im Gegensatz dazu zeigten die neuen umspritzten NSK-Lager keine Anzeichen dieses Phänomens. Das gleiche Ergebnis ergab sich bei verschiedenen Drehzahlen.

Die Herstellung der Umspritzung erfolgt mithilfe eines innovativen Spritzgussverfahrens in einer NSK-Anlage in Europa, um die Versorgung der Elektrofahrzeugindustrie zu optimieren. Spezielle Formmerkmale sorgen für eine homogene Verteilung und Ausrichtung der Moleküle und Glasfasern, um die mechanische Leistung zu optimieren. Bemerkenswert ist, dass aufgrund der Präzision des Überformens kein Schleifen erforderlich ist und ein „strukturiertes“ Finish entsteht. Dadurch besteht kein hundertprozentiger Kontakt zwischen dem Gehäuse und dem Außendurchmesser des Lagers, wodurch mit Luft gefüllte Spalte entstehen. Luft ist ein guter Isolator und kostet nichts. Diese Innovation sorgt für eine Marktdifferenzierung der NSK-Lösung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die strukturierte Oberfläche das bekannte Problem des Lagerkriechens innerhalb von Gehäusen überwindet, da sie aufgrund mehrerer Kontaktpunkte (je nach Anwendungsfall) möglicherweise eine bessere Passform bietet.

Die patentierte Isolierschicht ist am Innen- und Außenring anwendbar und hat normalerweise eine Dicke von 0,7 bis 1,2 mm. Um das zusätzliche Material unterzubringen, kann NSK raumneutrale Lösungen anbieten. Dies ist am einfachsten, wenn mit einer neuen Lagerkonstruktion begonnen wird, obwohl NSK auch Material vom Außendurchmesser bestehender Lager entsprechend bearbeiten kann. Diese Lösung ist jedoch mit Kosten verbunden. Als alternativen Vorschlag können OEMs versuchen, das Gehäuse, in dem das Lager untergebracht ist, zu öffnen, was bedeutet, dass NSK seinen Prozess nicht ändern muss. Durch diesen Weg können Hersteller von Elektrofahrzeugen die erheblichen Kosteneinsparungen im Vergleich zu Hybridlagern voll ausnutzen.

Endlich verfügt die Elektrofahrzeugindustrie über eine kostengünstige Lösung, die die elektrische Erosion von Lagern in elektrifizierten Antriebssträngen verhindert. Das Umspritzen gilt derzeit für die Rillenkugellagerserie 6008 von NSK und bald auch für die Rillenkugellagerserie 6206 (abgedichtet und nicht abgedichtet), die für EV-Anwendungen geeignet sind. NSK verfügt außerdem über eine modulare Testform, die Außendurchmesser von 55–95 mm (bis zu 30 mm Breite) abdeckt, und möchte Tests im Auftrag von Kunden mit Anforderungen in diesem Bereich durchführen.