Coixinets aïllats elèctricament

Protecció contra els danys del rodament causats pel pas de corrent elèctric

Steyr, Àustria, març de 2015.Els coixinets enrotllats elèctricament presenten un aïllament elèctric integrat al coixinet, proporcionant una protecció fiable contra el corrent i la corrosió elèctrica. Les aplicacions típiques són motors elèctrics, generadors i altres màquines elèctriques. El fabricant austríac NKE Austria GmbH ofereix rodaments de rodament aïllats elèctricament en diverses versions. En aquest article, Klaus Grissenberger, enginyer d'aplicacions amb NKE, explica les causes del pas del corrent elèctric a través de coixinets rodants, símptomes de dany i contrapesos, propietats i processos de producció de coixinets aïllats elèctricament.

Rodament de boles NKE SQ77E profund amb aïllament a l’anell interior.

Una diferència de potencial elèctric entre l’anell exterior i l’interior d’un rodament rodant pot provocar un corrent elèctric perjudicial que danyi de manera permanent les vies del rodament i deteriori les seves característiques de funcionament. Un flux de corrent dóna lloc a descàrregues elèctriques a la zona de contacte entre els elements de rodament i l’anell interior o exterior. Al seu torn, això provoca un desgel local de les superfícies. El resultat: picat, transferència de materials i danys microestructurals locals per tensió tèrmica. Es torna a endurir almenys una capa molt fina de la superfície erosionada, cosa que la fa extremadament dura i propensa a les esquerdes. Aquest procés s’anomena corrosió elèctrica i afecta sovint els coixinets en aplicacions electromecàniques, com ara generadors i motors elèctrics, però també màquines que funcionen amb motors elèctrics, com ara bombes i caixes d’engranatges. A més, la descàrrega elèctrica fa que el lubricant sigui inútil. L’oli base i additius continguts en el oxidant del lubricant, donant lloc al característic color negre del lubricant. L’envelliment prematur perjudica de manera permanent la capacitat del lubricant de formar una capa separadora entre les superfícies metàl·liques. Les superfícies funcionals danyades del rodament i la pèrdua d’acció de lubricació produeixen una pèrdua ràpida de la funcionalitat del coixinet.

Possibles causes de pas indesitjables de corrent elèctric a través de coixinets

Fig 1a

Fig. 1b

El pas actual ha donat lloc a una formació de cràters / flautes a la pista interna de l'anell (Fig. 1a) i a la superfície lateral dels elements de rodament (Fig. 1b) d'un rodament cilíndric.

Es coneixen els principals motius de l’alta actual. Les asimetries del flux magnètic d’una màquina elèctrica donen lloc a un voltatge de baixa freqüència entre l’eix i l’allotjament, el que dóna lloc a un flux de corrent a través dels coixinets rodants. Aquest pas de corrent també pot resultar de l’ús de cables elèctrics asimètrics no protegits si la connexió a terra de la màquina no és efectiva. Una altra causa és l’ús de convertidors de freqüència: el principi de funcionament de molts convertidors de freqüència es basa en la modulació d’amplada d’impulsos (PWM) i genera una tensió de mode comú d’alta freqüència, que també produeix un pas de corrent pels rodaments rodants. Per últim, també és possible la càrrega electrostàtica de l’eix i l’allotjament després de la descàrrega a través dels coixinets.

Símptomes de dany i possibles contramesures

Els signes típics de la corrosió elèctrica inclouen pistes grises i embrutades a les vies i a les superfícies de l'element rodant. Els cràters de fusió (fig. 1a i 1b) o el flutatge també són discernibles, principalment a les superfícies de la pista. Els danys deguts a la descàrrega actual es manifesten en un augment del soroll en marxa.

Per evitar danys d’aquest tipus, és recomanable aïllar el seient del coixinet a la carcassa o a l’eix. Tanmateix, això comporta mesures addicionals de disseny de les peces circumdants. Una solució senzilla i econòmica en aquest cas és utilitzar rodaments de rodament aïllats elèctricament de NKE. Atès que les dimensions clau i les dades de rendiment dels coixinets aïllats són idèntiques a les dels models corresponents no aïllats, no cal modificar el disseny global.

Rodaments d’aïllament elèctric - propietats i aplicació

Els coixinets aïllats elèctricament de NKE, designats amb el sufix SQ77, estan proveïts d’una capa d’aïllament ceràmic d’òxid. A la taula es mostra una visió general de les diverses variants de disseny de la capa d’aïllament. Els coixinets aïllats elèctricament de NKE ofereixen exactament les mateixes dimensions exteriors i característiques tècniques que els tipus aïllats corresponents.

Els avantatges més importants d’aquests coixinets són una major fiabilitat de funcionament, que s’assegura amb una protecció òptima contra la corrosió elèctrica. Els coixinets aïllats elèctricament són menys costosos que, per exemple, aplicar aïllament a carcasses o eixos. Són intercanviables amb coixinets convencionals, ja que tenen les mateixes dimensions clau i característiques tècniques. També ofereixen un risc reduït de danys i, per tant, una vida útil més llarga que els coixinets convencionals quan s’utilitzen en màquines elèctriques. Si es maneguen adequadament els coixinets aïllats elèctricament, no hi ha risc de danyar el recobriment.

La gamma principal de coixinets aïllats elèctricament consisteix en coixinets de rodets cilíndrics i rodaments de boles de ranura profunda, però tots els altres tipus de rodaments també es poden aïllar elèctricament. Les àrees d’aplicació inclouen motors de tracció de vehicles ferroviaris, motors elèctrics i generadors, especialment en relació amb convertidors de freqüència de commutació ràpida.

Procés de producció i principi de funcionament de coixinets aïllats elèctricament

Per als rodaments aïllats elèctricament de NKE, la capa aïllant s’aplica a l’anell exterior (SQ77 o SQ77C - Fig. 2a) o a l’anell interior (SQ77E o SQ77H - Fig. 2b) mitjançant polvorització de plasma, una tecnologia de pel·lícula fina. Durant el raig de plasma, es crea un arc elèctric entre dos elèctrodes amb un subministrament de gas adequat. El raig de plasma serveix de medi portador per aplicar l’òxid d’alumini en pols (Al2O3) ja sigui a l’anell exterior o intern a alta velocitat. Per obtenir una protecció òptima, la capa d’òxid també cobreix les cares laterals dels anells ruixats. En el següent pas del procés, la capa es segellarà per evitar que hi penetri la humitat.

Fig. 2a Fig. 2b

Figues. 2a i 2b: Per als rodaments aïllats elèctricament de NKE, la capa aïllant s’aplica a l’anell exterior (SQ77 o SQ77C - Fig. 2a) o a l’anell interior (SQ77E o SQ77H - Fig. 2b) mitjançant polvorització de plasma, un fina- tecnologia del cinema.

L’efecte físic de la capa d’aïllament depèn de la freqüència de la tensió que provoquen els corrents nocius en els coixinets. En el cas de la tensió de corrent continu, el coixinet aïllat té resistència òrmica. Com més alta sigui aquesta resistència, menor serà el corrent elèctric. El valor de resistència dels coixinets aïllats és superior a 50 MΩ, limitant així el corrent elèctric a un nivell que no pot causar danys al rodament.

En el cas de la tensió de CA, la naturalesa capacitiva del rodament aïllat és avantatjosa. El rodament es comporta aproximadament de la mateixa manera que un circuit paral·lel format per una resistència i un condensador amb una resistència que depèn de la freqüència, anomenada impedància. La impedància determina la magnitud del corrent altern que flueix a través del rodament per a valors donats de tensió i freqüència. També la impedància hauria de ser el més alta possible per reduir el corrent a un nivell que sigui incapaç de danyar el rodament.

Per assolir valors d'alta impedància, la resistència de la capa aïllant ha de ser alta i la seva capacitança ha de ser baixa. Es pot aconseguir fent la capa aïllant el més gruixuda possible i reduint la superfície d'aïllament total. Quan es transfereix als coixinets, això vol dir que aquesta capa s'ha d'aplicar preferentment al forat de l'anell interior. Tot i això, el recobriment s’aplica generalment al diàmetre exterior per raons de costos i a causa de les restriccions del procés de fabricació. En la majoria dels casos, això encara resulta en una protecció més que adequada contra els danys causats per la corrosió elèctrica. Una altra propietat important del revestiment és la seva resistència dielèctrica. En funció de la seva versió, els coixinets de NKE tenen una resistència dielèctrica d'almenys 1000 V o 2000 V.

Autor:

Klaus Grissenberger, enginyer d'aplicacions, NKE Austria GmbH.

Taula:

Visió general de les variants de disseny dels coixinets de rodament NKE aïllats elèctricament:

Informació de la companyia:

NKE Austria GmbH és un fabricant de rodaments amb seu a Steyr, Àustria. L’empresa amb uns 140 empleats va ser fundada el 1996 per un grup de personal superior de l’antiga empresa Steyr Wälzlager. NKE produeix coixinets estàndards i especials per a totes les aplicacions industrials. Enginyeria, desenvolupament de productes, producció i processament final de components, muntatge modular, assegurança de la qualitat, logística, vendes i màrqueting - estan centralitzades a la seu de NKE a Steyr, Àustria. La fàbrica de Steyr està certificada amb ISO 9001: 2008, ISO 14001: 2004 i OHSAS 18001. La seva àmplia gamma de coixinets està disponible en estoc o en temps de producció reduïts. NKE també proporciona solucions i productes a mida. A més del desenvolupament de productes i l'enginyeria d'aplicacions, NKE ofereix una àmplia gamma de serveis tècnics, de consultoria, documentació i formació. Els productes de NKE es distribueixen a través de 15 oficines de representació internacionals i més de 240 punts de distribució de 60 països.