Prévenir l'érosion électrique des roulements dans les transmissions des véhicules électriques

Le fabricant de roulements NSK développe actuellement un nouveau moyen rentable de prévenir l'érosion électrique dans les transmissions des véhicules électriques (VE). Grâce à 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 significatives par rapport aux roulements « hybrides » coûteux comportant 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 divers flux de courants de roulements, notamment des courants de roulements au sol du rotor, des courants de roulements en circulation et des courants EDM (usinage par décharge électrique).

Les courants EDM, en particulier, présentent un risque important pour les roulements, en grande partie dû aux arcs électriques qui se produisent à des tensions spécifiques. Cet arc électrique (chargement de charge) entraîne une décharge incontrôlée à des valeurs d'ampérage assez élevées, modifiant essentiellement la morphologie des bagues et billes des roulements en acier. Ici, le matériau fond et se resolidifie 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 continu, 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 les propriétés électriques comme la résistance (matérielle et capacitive).

Les méthodes établies pour aider à prévenir l’érosion électrique comprennent essentiellement l’isolation ou la conduction. Si les charges ne sont pas trop élevées, il peut suffire d'utiliser une graisse conductrice ou des éléments de mise à la terre bien dimensionnés. Cependant, pour des positions de roulement spécifiques, telles que le roulement du 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 fabriquer l'ensemble des éléments de roulement et des billes en céramique. Bien que ces roulements « hybrides » constituent une mesure optimale contre l’érosion électrique, ils sont également coûteux.

La nécessité 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 dominent aujourd’hui au 800 V. Ces derniers représenteront potentiellement 50 % du marché dès 2030, ce qui ne fera que doubler le problème 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 offrant 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 ainsi une stabilité dimensionnelle.

Des tests NSK approfondis révèlent les performances des roulements surmoulés par rapport aux roulements standard de l'entreprise. Par exemple, à une tension de 24 V et une fréquence de 15 kHz, les roulements standard présentaient une nette érosion électrique des bagues intérieure et extérieure. En revanche, les nouveaux roulements surmoulés NSK ne présentaient aucune preuve de ce phénomène. Le même résultat a été obtenu à différentes vitesses de rotation.

La production du surmoulage est le fruit d'un processus de moulage par injection innovant situé dans une usine NSK en Europe pour 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 aucune nécessité de meulage, laissant une finition « structurée » en place. En conséquence, il n'y a pas de contact à 100 % entre le boîtier 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 résout le problème établi du fluage des roulements dans les boîtiers, car elle offre potentiellement un meilleur ajustement grâce à plusieurs points de contact (en fonction du cas d'utilisation).