In un contesto di crisi energetica mondiale e di crescenti preoccupazioni per il riscaldamento globale, i veicoli elettrici hanno acquisito una notevole attrattiva grazie all’efficienza, alla densità di potenza e alla rapida accelerazione di livello superiore rispetto ai veicoli tradizionali con motori a combustione interna [1]. Tuttavia, il problema diffuso dei danneggiamenti da scariche elettriche, comunemente noto come elettroerosione, si presenta quando le correnti parassite fluiscono attraverso i cuscinetti dei motori dei veicoli elettrici [2-4]. Le correnti nei cuscinetti, classificate come circolanti e di dispersione, contribuiscono all’elettroerosione, causando effetti dannosi come la fusione localizzata delle superfici dei cuscinetti, il degrado delle prestazioni in termini di rumorosità, vibrazioni e fenomeni di risonanza in esercizio, il deterioramento del lubrificante e il cedimento prematuro dei cuscinetti [4]. I danneggiamenti morfologici sulla superficie dei cuscinetti includono smerigliature, pitting e ondulazioni, che influiscono negativamente sulle prestazioni dei motori dei veicoli elettrici [4-6]. Le ricerche attuali si concentrano principalmente sull’analisi completa del cuscinetto. Tuttavia, comprendere la natura basilare del comportamento delle scariche elettriche non è semplice, a causa dei numerosi parametri interconnessi che influiscono su di esso [7,8]. Per consentire una migliore comprensione, SKF ha condotto alcune prove con scariche elettriche su un contatto singolo sfera su disco in condizioni di lubrificazione elastoidrodinamica. Lo studio ha rivelato fenomeni di elettroerosione dipendenti dallo spessore del film, comprovati da un modello di energia di scarica singola recentemente proposto, che funge da guida per le strategie di limitazione proposte per prevenire o ridurre l’elettroerosione nei cuscinetti dei motori dei veicoli elettrici.

Lo studio del contatto singolo sfera su disco getta nuova luce sul comportamento delle scariche elettriche

L’obiettivo principale di questa ricerca è indagare e comprendere il comportamento delle scariche elettriche nei cuscinetti dei motori dei veicoli elettrici, concentrandosi sull’analisi di un contatto singolo sfera su disco in condizioni di lubrificazione elastoidrodinamica. Restringendo il campo di applicazione a un singolo punto di contatto, la ricerca si propone di isolare e analizzare i fattori fondamentali che influiscono sul comportamento delle scariche elettriche, fornendo informazioni preziose sulle complesse dinamiche che contribuiscono all’elettroerosione nei cuscinetti dei motori dei veicoli elettrici.

Rispetto alla prova completa dei cuscinetti, il banco di prova per un contatto singolo sfera su disco offre un maggiore controllo sulle condizioni elettriche e di lubrificazione. L’impiego di una mini-traction machine (MTM) commerciale di PCS Instruments (fig. 1), inizialmente progettata per misurare l’attrito del contatto lubrificato e non lubrificato, consente una sperimentazione precisa. Per simulare la scarica elettrica nei cuscinetti dei motori dei veicoli elettrici, il banco di prova con MTM è stato modificato con un’unità a impulsi di propria progettazione (Figura 1), che invia impulsi elettrici a frequenza variabile e regolabili in ampiezza, molto simili a quelli delle reali condizioni di applicazione dei veicoli elettrici. Tali condizioni, caratterizzate da tensione/corrente alternata a frequenza elevata superiore a 10 kHz, sono replicate con una tensione generata dall’unità a impulsi a 12,5 kHz.

Risultati principali

1) Segnale di scarica tipico
La Figura 2 mostra un segnale elettrico ottenuto da una prova condotta su MTM. La linea rossa rappresenta la tensione in ingresso dall’unità a impulsi, mentre la linea nera mostra la tensione di risposta del contatto sfera su disco. Nonostante l’utilizzo di superfici lisce nella prova, le prestazioni elettriche del contatto sfera su disco sono variabili. Nei momenti a e c la tensione della sfera sul disco imita l’ingresso, ovvero il contatto agisce come un condensatore. Tuttavia, al tempo b l’uscita segue inizialmente l’ingresso, ma scende a zero prima che l’impulso in ingresso si concluda, a indicare il comportamento tipico delle scariche elettriche nei cuscinetti dei motori dei veicoli elettrici.

2) Distribuzione dei crateri

La Figura 3 mostra i danneggiamenti da scariche elettriche sulla superficie della sfera osservati in una prova condotta su MTM utilizzando la microscopia ottica e la microscopia elettronica a scansione. Due bande di danneggiamento simmetriche nell’area di contatto (figure 3(a) e 3(b)) suggeriscono che le scariche si verificano principalmente in questa zona. L’area di contatto è suddivisa in tre zone (figura 3(b)), con danneggiamenti superficiali significativi (numerosi crateri sovrapposti causati da scariche elettriche) nelle aree 1 e 3, che sono molto simili ai danneggiamenti superficiali evidenti sui cuscinetti restituiti in uso nei campi di applicazione. L’area 2, invece, presenta danneggiamenti minimi con solo alcuni crateri isolati. Le superfici dei dischi mostrano una distribuzione dei crateri simile a quella delle sfere.

Confrontando le superfici danneggiate con la distribuzione calcolata dello spessore del film, è evidente che le due bande di danneggiamento si allineano perfettamente all’area con spessore minimo del film, come illustrato nelle figure 3(b) e 3(c). Il motivo è che il fattore determinante per l’innesco della scarica elettrica è stato identificato nell’intensità del campo elettrico. L’area con spessore minimo del film presenta la massima intensità del campo elettrico e, di conseguenza, la scarica si manifesta in modo consistente nelle aree caratterizzate da spessore minimo del film, h_min.

3) Modello di energia di scarica elettrica
È stato sviluppato un modello di energia di scarica elettrica (equazione (1)) ispirato alla distribuzione dei crateri,

dove a₁, a₂ e a₃ sono costanti, che dipendono dalla capacità del banco di prova, dai parametri elettrici del lubrificante e dalle condizioni di esercizio (carico, velocità e così via). Per maggiori dettagli su questo modello si rimanda a [9]. Chiaramente, questo modello stabilisce una correlazione diretta tra l’energia di scarica e lo spessore del film. Secondo l’equazione (1), diminuendo h_min è possibile limitare i danneggiamenti causati dalle scariche sulle superfici del disco e della sfera.

4) Modulazione del danneggiamento da scariche elettriche tramite lo spessore del film
Sulla base del modello di energia di scarica elettrica, l’entità del danneggiamento da scariche elettriche nei contatti singoli in condizioni di lubrificazione elastoidrodinamica può essere modulata controllando lo spessore del film. Pertanto, sono stati condotti alcuni esperimenti ed è emerso che la diminuzione del valore dello spessore minimo del film si rivela una strategia efficace per ridurre i danneggiamenti da scariche elettriche.

La Figura 4 mostra i risultati dell’analisi della superficie, che evidenziano una graduale riduzione dei danneggiamenti da scariche elettriche al diminuire dello spessore minimo del film h_min. Queste osservazioni sono in linea con la tendenza prevista dal modello. Nelle prove in cui tutte le condizioni sono identiche, tranne la viscosità del lubrificante, l’energia di ciascuna scarica è influenzata esclusivamente dal rispettivo valore h_min. La prova 23, con i valori h_min più elevati, presenta la maggiore energia di scarica, con conseguenti gravi danneggiamenti sulla superficie del disco (come osservato in figura 4(a)). Al contrario, le prove 24 e 25, con valori h_min molto più piccoli, non mostrano crateri chiaramente visibili sulle superfici dei campioni (come illustrato in figura 4(e-f)). La prova 27, con valori h_min più elevati rispetto alla prova 24, mostra crateri visibili dovuti a un’energia di scarica relativamente più elevata (fig. 4(d)). Tuttavia, la prova 27 presenta valori h_min più bassi rispetto alle prove 26 e 32, con conseguenti crateri più grandi e più sovrapposti sulle superfici di contatto in queste due prove, come illustrato nelle figure 4(b) e 4(c).

 

Lo spessore ottimale del film è fondamentale per ridurre al minimo i danneggiamenti elettrici e meccanici ai cuscinetti.

I risultati sperimentali rivelano che il comportamento delle scariche nei contatti in condizioni di lubrificazione elastoidrodinamica varia in base allo spessore del film, in linea con i lavori precedenti [8] che indicano che uno spessore del film di lubrificante maggiore porta a una tensione di rottura più elevata. Tradizionalmente, la tensione di rottura è stata utilizzata per confrontare la resistenza alla rottura elettrica dei cuscinetti, ma questo studio dimostra che la rottura elettrica è influenzata dallo spessore del film e dalla rigidità dielettrica del lubrificante. Considerare insieme spessore del film, rigidità dielettrica e tensione di rottura è fondamentale per prevedere il comportamento delle scariche elettriche nei cuscinetti dei motori dei veicoli elettrici. Il modello attuale e i risultati delle prove dimostrano che, riducendo al minimo lo spessore del film, è possibile limitare i danneggiamenti elettrici nei cuscinetti grazie alla diminuzione dell’energia di ciascuna scarica.

Tuttavia, va osservato che una riduzione eccessiva dello spessore del film può provocare danneggiamenti meccanici, come l’usura. Ciò comporta una sfida impegnativa per garantire le prestazioni ottimali dei cuscinetti e mette in evidenza la necessità critica di svolgere ulteriori ricerche per determinare con precisione l’intervallo ideale dello spessore del film, in modo da raggiungere un giusto equilibrio tra la riduzione dei danneggiamenti elettrici e la prevenzione dei danneggiamenti meccanici pericolosi. Inoltre, è essenziale scegliere un lubrificante idoneo per preservare questo delicato equilibrio e analizzarne in modo approfondito le proprietà e la compatibilità con le condizioni di esercizio. Questa ricerca può portare a strategie che non solo riducono al minimo i danneggiamenti elettrici, ma proteggono anche in modo efficace dai danneggiamenti meccanici sulle superfici dei cuscinetti. Pertanto, è fondamentale svolgere una ricerca completa in questa direzione, per comprendere in modo approfondito l’interazione tra lo spessore del film, la scelta del lubrificante e le prestazioni complessive dei cuscinetti.

Conclusioni

Questo studio analizza le complesse dinamiche del comportamento delle scariche elettriche nei cuscinetti dei motori dei veicoli elettrici, utilizzando un banco di prova con mini-traction machine a cui sono state apportate alcune modifiche di propria progettazione. L’analisi dei danneggiamenti derivanti dalle scariche elettriche ha portato alla formulazione e alla convalida di un modello di energia di scarica elettrica. Le conclusioni principali di questa ricerca si possono sintetizzare come segue:

1. il banco di prova modificato con mini-traction machine riproduce in modo efficace il fenomeno delle scariche elettriche osservato nei contatti singoli sfera su disco in condizioni di lubrificazione elastoidrodinamica.
2. L’innesco della scarica elettrica dipende per la maggior parte dall’intensità del campo elettrico, che si manifesta costantemente nell’area con spessore minimo del film.
3. Per chiarire l’influenza delle condizioni di lubrificazione sul comportamento delle scariche è stato sviluppato un modello di energia di scarica elettrica, delineato dall’equazione (1).
4. L’entità dei danneggiamenti da scariche elettriche nei contatti singoli in condizioni di lubrificazione elastoidrodinamica può essere regolata manipolando lo spessore del film. La riduzione dello spessore minimo del film comporta la diminuzione dei danneggiamenti causati dalle scariche elettriche.

Questi risultati contribuiscono in misura significativa alla comprensione del comportamento delle scariche elettriche nei cuscinetti dei motori dei veicoli elettrici e forniscono informazioni preziose sulle strategie da adottare per limitare i danneggiamenti da scariche elettriche attraverso la manipolazione dello spessore del film. Le implicazioni si estendono oltre l’ambito accademico, offrendo linee guida pratiche per ingegneri e ricercatori impegnati a migliorare l’affidabilità e la durata delle tecnologie dei veicoli elettrici.

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