La crisis energética y el calentamiento global han incrementado el atractivo de los vehículos eléctricos (EV) gracias a su mayor eficiencia, densidad de potencia y rápida aceleración, comparados con los vehículos tradicionales con motor de combustión interna [1]. No obstante, el problema generalizado de los daños por descargas eléctricas, conocidos comúnmente como erosión eléctrica, se produce debido al paso de corrientes parásitas por los rodamientos de motores de EV [2–4]. Las corrientes de los rodamientos, clasificadas como no circulantes y circulantes, contribuyen a la erosión eléctrica, lo que causa efectos perjudiciales, como fusión local de las superficies de los rodamientos, degradación del rendimiento por ruidos, vibraciones y aspereza (noise-vibration-harshness, NVH), deterioro del lubricante y fallas prematuras [4]. Los daños morfológicos en la superficie del rodamiento incluyen un aspecto esmerilado, y el picado y estriado, con repercusiones significativas en el rendimiento de los motores de los EV [4–6]. La investigación realizada se ha centrado en un análisis completo del rodamiento, pero comprender la naturaleza fundamental de cómo se comportan las descargas eléctricas es complejo, debido a los muchos parámetros interconectados que les afectan [7,8]. Para profundizar en este análisis, SKF realizó pruebas de descargas eléctricas en un contacto de bola sobre disco (ball-on-disc) individual con lubricación elastohidrodinámica. El estudio reveló fenómenos de erosión eléctrica dependientes del espesor de película, confirmados por un innovador modelo de energía de descarga individual. El modelo desarrollado sirve de guía para las estrategias de mitigación propuestas, a fin de prevenir o disminuir la erosión eléctrica en los rodamientos de motores de EV.

El estudio de contacto de bola sobre disco individual arroja nueva información sobre el comportamiento de las descargas eléctricas

El objetivo principal de esa investigación es analizar y comprender el comportamiento de las descargas eléctricas en los rodamientos de motores de vehículos eléctricos (EV), centrando la atención en el estudio de un contacto de bola sobre disco individual en condiciones de lubricación elastohidrodinámica (EHL). Al reducir el alcance a un solo punto de contacto, la investigación busca aislar y analizar los factores fundamentales que influyen en el comportamiento de las descargas eléctricas, y que proporcionan información valiosa sobre la compleja dinámica que contribuye a la erosión eléctrica de los rodamientos de motores de EV.

En comparación con una prueba de rodamiento completa, un banco de pruebas de bola sobre disco individual proporciona un mayor control sobre las condiciones eléctricas y de lubricación. Puede obtenerse una experimentación precisa adoptando una máquina comercial de minitracción (MTM) de PCS Instruments (fig. 1), diseñada inicialmente para medir la fricción de contacto lubricada y sin lubricar. Para simular la descarga eléctrica en rodamientos de motores de EV, el banco de pruebas con MTM se modifica con una unidad de accionamiento por impulsos (PDU) de diseño propio (fig. 1). La PDU introduce impulsos eléctricos de amplitud ajustable y frecuencia variable, muy parecidos a las condiciones reales de aplicación en EV. Las condiciones de los motores de EV en la vida real, con corriente alterna/voltaje (CA) de alta frecuencia, superior a 10 kHz, se replican con voltaje generado por PDU a 12,5 kHz.

Hallazgos clave

1) Señal de descarga típica
La figura 2 describe una señal eléctrica obtenida de una prueba con MTM. La línea roja representa el voltaje de entrada de la PDU, y la línea negra, el voltaje de respuesta del contacto de bola sobre disco. A pesar de que se usan superficies lisas en la prueba, el rendimiento eléctrico del contacto de bola sobre disco es variable. En los momentos a y c, el voltaje de la bola sobre disco imita el valor de entrada, lo que significa que el contacto actúa como un condensador. Sin embargo, en el momento b, el resultado sigue inicialmente el valor de entrada, aunque desciende a cero antes de finalizar el impulso de entrada, lo que indica el comportamiento de una descarga eléctrica típica en los rodamientos de motores de EV.

2) Distribución de cráteres

La fig. 3 muestra los daños por descargas eléctricas en la superficie de la bola observados en una prueba con MTM usando microscopios ópticos y electrónicos de barrido (SEM). Dos franjas simétricas en el área de contacto (figs. 3[a] y 3[b]) sugieren que las descargas se producen principalmente allí. El área de contacto se divide en tres (fig. 3[b]), con daños significativos en la superficie (numerosos cráteres de descargas eléctricas superpuestos) en las Áreas 1 y 3, similares a los daños en la superficie de rodamientos de devoluciones procedentes de los campos de aplicación. En contraposición, el Área 2 muestra unos daños mínimos con solo algunos cráteres aislados. Las superficies del disco presentan una distribución de cráteres similar a las bolas.

Al comparar las superficies dañadas con la distribución calculada del espesor de película, es evidente que las dos franjas de daños se alinean exactamente con el área de mínimo espesor de película, tal como se describe en las figuras 3(b) y 3(c). El motivo es que el factor determinante fundamental en la iniciación de la descarga eléctrica se identificó como la intensidad del campo eléctrico. El área de mínimo espesor de película tiene los valores máximos de campo eléctrico, intensidad y, por lo tanto, descarga, que se muestran constantemente en regiones caracterizadas por un valor mínimo de espesor de película, h_min.

3) Modelo de energía de descarga eléctrica
Partiendo de la distribución de los cráteres, se desarrolló un modelo de energía de descarga eléctrica (ecuación [1]),

donde a₁, a₂  y a₃ son constantes, y dependen de la capacitancia del banco de pruebas, de los parámetros eléctricos del lubricante y de las condiciones de funcionamiento (carga, velocidad, etc.). En [9], pueden verse más detalles de este modelo, que establece claramente una correlación directa entre la energía de la descarga y el espesor de película. Según la ecuación (1), un menor h_min puede mitigar los daños por descargas en las superficies del disco y la bola.

4) Daños por descargas eléctricas ajustados por el espesor de película
Según el modelo de energía de descarga eléctrica, la extensión de los daños por descargas eléctricas (DE) en contactos individuales de EHL pueden ajustarse controlando el espesor de película. Por lo tanto, se realizó una serie de experimentos, donde se observó que una disminución del valor mínimo del espesor de película demuestra ser una estrategia efectiva para reducir los daños por descargas.

La fig. 4 revela las consecuencias del análisis de la superficie, e ilustra una reducción gradual de los daños por descargas eléctricas y una disminución del valor mínimo del espesor de película h_min. Estas observaciones concuerdan con la tendencia del modelo pronosticado. En pruebas donde todas las condiciones son idénticas, a excepción de la viscosidad del lubricante, las energías de descargas individuales solamente se ven influidas por los valores h_min respectivos. La prueba 23, con los valores h_min más altos, muestra la energía de descargas máxima, lo que da como resultado graves daños en la superficie del disco (tal como se observa en la fig. 4[a]). En contraposición, las pruebas 24 y 25, con valores h_min mucho más pequeños, no presentan cráteres claramente visibles en las superficies de las muestras (tal como se describe en la fig. 4[e–f]). La prueba 27, con valores h_min más elevados que la prueba 24, muestra cráteres visibles debido a una energía de descargas relativamente más alta (fig. 4[d]). No obstante, la prueba 27 presenta valores de h_min menores que las pruebas 26 y 32, lo que genera cráteres más grandes y superpuestos en las superficies de contacto de estas dos pruebas, tal como se describe en las figs. 4(b) y 4(c).

Un espesor de película óptimo es fundamental para minimizar los daños eléctricos y mecánicos en los rodamientos

Los hallazgos experimentales revelan que el comportamiento de las descargas en contactos de EHL varía con el espesor de película, en línea con trabajos anteriores [8], que indican que una película de lubricante más gruesa conduce a un voltaje de ruptura más elevado. Tradicionalmente, el voltaje de ruptura se ha usado para comparar la resistencia de ruptura eléctrica de los rodamientos, pero este estudio muestra la influencia del espesor de película y la rigidez dieléctrica del lubricante sobre la ruptura eléctrica. Teniendo en cuenta el espesor de película, la rigidez dieléctrica junto con el voltaje de ruptura son fundamentales al pronosticar el comportamiento de las descargas eléctricas en rodamientos de motores de EV. El modelo y los resultados actuales de las pruebas muestran que, al reducir el valor mínimo del espesor de película, los daños eléctricos en los rodamientos pueden reducirse gracias a que la energía de descarga individual es menor.

No obstante, hay que señalar que una reducción excesiva del espesor de película puede causar daños mecánicos, por ejemplo, desgaste, lo que representa un reto significativo para un rendimiento óptimo de los rodamientos. Esto subraya la necesidad fundamental de realizar más investigación para determinar, exactamente, el rango de espesor de película ideal, que logra un delicado equilibrio entre mitigar los daños eléctricos y prevenir daños mecánicos perjudiciales. Además, la elección de un lubricante apropiado es central al navegar por este delicado equilibrio. Es esencial realizar un examen minucioso de las propiedades del lubricante y de su compatibilidad con las condiciones operativas. Esta investigación puede conducir a estrategias que no solo minimicen los daños eléctricos, sino que también protejan efectivamente las superficies de los rodamientos contra daños mecánicos. En consecuencia, es vital realizar una amplia investigación en este sentido, a fin de comprender de forma matizada la interacción entre espesor de película, selección del lubricante y rendimiento general del rodamiento.

Conclusión

Este estudio investiga la compleja dinámica del comportamiento de las descargas eléctricas en los rodamientos de motores de vehículos eléctricos (EV), utilizando un banco de pruebas con máquina de minitracción (MTM) propia mejorada. El examen de los daños resultantes de las descargas eléctricas condujo a la formulación y validación de un modelo de energía de descargas eléctricas. Las conclusiones clave de esta investigación se resumen de la siguiente manera:

• El banco de pruebas con MTM modificado replica efectivamente el fenómeno de descargas eléctricas observado en contactos de bola sobre disco individuales en condiciones de lubricación elastohidrodinámica (EHL).
• La iniciación de descargas eléctricas depende, principalmente, de la intensidad del campo eléctrico, y se manifiesta sistemáticamente en la región de mínimo espesor de película.
• Se ha desarrollado un modelo de energía de descargas eléctricas, definido mediante ecuación (1), para esclarecer la influencia de las condiciones de lubricación sobre el comportamiento de las descargas.
• La magnitud de las descargas eléctricas (DE) en contactos de EHL individuales puede ajustarse manipulando el espesor de película. Una reducción del valor mínimo del espesor de película disminuye los daños producidos por descargas eléctricas.

Estos hallazgos contribuyen significativamente a comprender el comportamiento de las descargas eléctricas en los rodamientos de motores de EV, y ofrecen información valiosa para estrategias que mitiguen los daños por DE mediante la manipulación del espesor de película. Las implicaciones se extienden más allá del ámbito académico, y ofrecen directrices prácticas a los ingenieros e investigadores comprometidos con mejorar la confiabilidad y duración de las tecnologías de los vehículos eléctricos.

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