Origen de las roturas de los rodamientos en los motores de los vehículos eléctricos
Ricardo Berizzo
Origen de las roturas de los rodamientos en los motores de los vehículos eléctricos
En los últimos años, se están reportando con frecuencia fallas en los rodamientos en los motores de vehículos eléctricos, y este problema se ha convertido en un factor clave que limita la vida útil de los sistemas de potencia. Los talleres especializados en reparaciones están indicando este tipo de avería en vehículos norteamericanos, europeos y coreanos (por el momento no hay registro de chinos).
La rotura de los rodamientos acarrea un problema eléctrico, porque cuando el rotor no queda perfectamente centrado roza las paredes del estator, generalmente arrastrando la aislación del bobinado estatorico. Y por ende, producido el corto circuito, el vehículo por seguridad queda parado hasta la reparación.
Tiempo atrás publique un artículo sobre las consecuencias de las corrientes parasitas sobre los rodamiento y su mitigación, en esta oportunidad se tratarán las causas en detalle. El artículo se puede leer en: https://www.editores-srl.com.ar/sites/default/files/ricardo_berizzo_20230428_prevencion_de_danos_en_rodamientos.pdf
Origen de las fallas eléctricas en los rodamientos:
Tensiones en el eje y corrientes en los rodamientos. Para comprender mejor estos fenómenos eléctricos, es necesario un conocimiento básico de las tensiones en el eje que son el origen de las fallas eléctricas. Las tensiones en el eje se dividirán en tres partes para su análisis, según su origen: asimetría del flujo magnético, efectos electrostáticos y efectos de tensión inducidos por el inversor.
1.- Asimetría del flujo magnético
La asimetría magnética surge debido a desviaciones en la distribución de los polos magnéticos o en la posición del eje durante el diseño, la fabricación o la instalación (fig. a). Específicamente, las causas incluyen bobinados asimétricos, excentricidades del rotor, defectos de fundición, permeabilidad desigual, señal de voltaje desequilibrada generada por el inversor, etc.
Como resultado, en comparación con el estado de funcionamiento simétrico (fig. b), el eje generará un voltaje durante el proceso de rotación que corta la línea de inducción magnética (fig. c). Estas ondas de voltaje/corriente suelen ser sinusoidales y de baja frecuencia.
2.- Efectos electrostáticos. Triboelectrificación
El efecto de triboelectrificación se debe al comportamiento de contacto/fricción de materiales diferentes, especialmente en las superficies de materiales dieléctricos, donde las cargas tienden a acumularse y persistir durante un tiempo. En los vehículos eléctricos, para reducir el peso, se utilizan ampliamente materiales compuestos y poliméricos de naturaleza dieléctrica, por ejemplo, piezas estructurales de la carrocería fabricadas con plásticos reforzados con fibra de carbono, sistemas de refrigeración fabricados con polímeros aislantes de alta conductividad térmica y juntas de sellado de caucho. En estos componentes, la triboelectrificación puede inducir una separación de carga significativa entre las superficies y acumular considerables cargas electrostáticas.
Cuando el campo electrostático alcanza la rigidez dieléctrica del aire o del lubricante, las cargas acumuladas se liberan para formar corrientes de descarga, lo que se conoce como el proceso de formación de la corriente de electroerosión (EDM).
3.- Tensión inducida por el inversor
En los vehículos eléctricos, los inversores de modulación por ancho de pulso con dispositivos de conmutación rápida, como el transistor de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor y el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), se utilizan ampliamente en los motores eléctricos para lograr el control de velocidad variable.
La alta frecuencia de conmutación de los inversores induce una tensión de modo común (CMV) de alta frecuencia, definida como la tensión entre el neutro del motor y el núcleo del estator (tierra).
Como se muestra en la figura e, un motor de inducción trifásico es accionado por un variador de velocidad típico que contiene un inversor trifásico, y la CMV (tensión en N en la fig. e es igual a un tercio de la suma vectorial de las tensiones en las tres fases individuales). Si la tensión de salida del inversor es una señal sinusoidal simétrica, la CMV se mantendrá en cero (fig. f). Sin embargo, dado que el inversor suele utilizar una forma de onda de pulsos para simular una forma de onda sinusoidal, la serie de formas de onda de pulsos de un inversor trifásico es asimétrica, lo que genera una tensión de modo común (CMV) escalonada (fig. g). De manera similar, aunque no existe un punto neutro en un motor eléctrico con devanado delta, la salida desequilibrada del inversor aún provoca efectos de modo común.
Además, las tensiones en el eje se inducen por acoplamiento capacitivo y magnético en las posiciones escalonadas de la forma de onda CMV (fig. h). En términos de control, cuanto mayor sea la frecuencia de conmutación, mayor será la conformidad de la CMV con la forma de onda sinusoidal, así como la eficiencia de elevación.
En cuanto a la tensión en el eje, una alta frecuencia de conmutación implica un alto dv/dt en la forma de onda CMV, lo que introduce distorsión armónica de alta frecuencia en el sistema del motor e induce una tensión en el eje de alta frecuencia con gran amplitud. Una tensión de eje de tan alta frecuencia podría atravesar numerosas interfaces, incluso si están aisladas.
Generación de corrientes en los rodamientos
En un motor de inducción típico, existe un sistema capacitivo múltiple complejo debido a la presencia de entrehierros, recubrimiento aislante y lubricantes, que incluye los devanados del estator conectados al bastidor del estator (Cws), al rotor (Cwr), al bastidor del rotor (Crf), a los rodamientos (Cbf, Cbe), al rotor del estator (Csr), al rotor a tierra (Crg), etc. Además, cuando un condensador se avería, se convierte en resistivo. La siguiente figura muestra el esquema físico simplificado y los modelos de circuito correspondientes de un motor eléctrico de inducción, y las posibles trayectorias de corriente causadas por diferentes fuentes de tensión también son muy complejas. En cuanto a las fuentes de corriente, las corrientes en los rodamientos se pueden dividir en "circulantes" y "no circulantes".
Corrientes “no circulantes: Incluyen las corrientes relacionadas con dv/dt y el pulso de corriente de “mecanizado por descarga eléctrica (EDM)” (fig. b). Se denominan “no circulantes” porque estas corrientes atraviesan los rodamientos unidireccionalmente desde el rotor al estator.
Corriente circulante: Es mucho más compleja, ya que involucra inducción magnética, acoplamiento inductivo y acoplamiento capacitivo.
La primera corriente "circulante" se encontró en el motor de CA accionado por onda sinusoidal, también conocida como corriente inductiva clásica en el rodamiento. Este tipo de corriente "circulante" se produce principalmente debido a la asimetría del flujo magnético, y su frecuencia corresponde a la velocidad del eje. Cuando la tensión inducida en el eje es lo suficientemente fuerte como para atravesar la película de aceite/grasa en un rodamiento, la corriente del rodamiento circula en un circuito conductor, es decir, "estator - rodamiento del extremo motriz - eje del rotor - rodamiento del extremo opuesto al motriz - estator". En los últimos años, la corriente inductiva clásica en el rodamiento ya no se considera un componente principal de la corriente debido a la mejora de los procesos de fabricación y ensamblaje.
Según estudios recientes, otro tipo de corriente circulante se deriva de la tensión de modo común (CMV) de los inversores: Las capacitancias parásitas entre las espiras del devanado del estator y la carcasa se excitan por los flancos pronunciados de la CMV de alta frecuencia de conmutación, generando una corriente de modo común de alta frecuencia que fluye a través del núcleo del estator. Por lo tanto, la corriente que entra al devanado del estator es mayor que la que sale. Al considerar una superficie gaussiana dentro del núcleo del estator, perpendicular al eje que encierra todos los devanados, la corriente encerrada no es cero debido a las pérdidas. En otras palabras, existe una corriente neta axial en el devanado del estator. Según la ley de Gauss, debe existir un flujo neto alrededor del eje. Como se muestra en la figura, la corriente neta de alta frecuencia genera un flujo magnético tangencial de alta frecuencia (Φcom) a lo largo y alrededor del eje del motor, induciendo la generación de la tensión en el eje.
Asimismo, las corrientes inducidas en los rodamientos comparten procesos de formación y circulación similares a los del primer tipo de corriente. Sin embargo, a diferencia de este último, la frecuencia de esta corriente puede alcanzar varios megahercios, y la amplitud máxima de este tipo de corriente suele ser de 0,5 a 20 A.
Una solución: Conexión a tierra adecuada y minimización del campo eléctrico.
Una solución patentada consiste en el uso de un anillo de conexión a tierra compuesto de microfibras conductoras, que se instala en el eje fuera del rodamiento. Con las escobillas conductoras conectadas al eje, el anillo de conexión a tierra actúa como un desviador, dirigiendo la tensión del eje a tierra y evitando las corrientes que de otro modo circularían por el rodamiento, siguiente figura. Se ha demostrado que esta técnica funciona bien para las corrientes de electroerosión y las corrientes circulantes de alta frecuencia.
Una idea razonable es suprimir la tensión de modo común (CMV) de la fuente. Simplemente reducir la frecuencia de conmutación del inversor puede disminuir los daños eléctricos; sin embargo, esto limitará el rendimiento del sistema de control de velocidad. Además, un diseño avanzado del inversor también puede ayudar a reducir la CMV: el método PWM (modulación por ancho de pulso) de estado cero activo (AZSPWM) y el método PWM de estado cercano (NSPWM) suprimen eficazmente la tensión neutra de un motor.
Otra estrategia es blindar el campo eléctrico. Se evaluó un motor de inducción modificado, es decir, un motor de inducción con blindaje electrostático, y se observó que las tensiones del eje inducidas por PWM podían suprimirse eficazmente mediante la construcción de un blindaje de Faraday en el entrehierro entre el estator y el rotor. De manera similar, al blindar los cables entre el inversor y el motor, la corriente acoplada capacitivamente se debilitó eficazmente
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Las investigaciones sobre la falla mecánica prematura de los rodamientos constituyen uno de los principales problemas en la motorización de los vehículos eléctricos, junto con las fallas de aislación estanca. Es de esperar que las investigaciones continúen junto con la mejora y reemplazo de materiales superadores.
Este artículo fue escrito con base en el documento:
Electrical bearing failures in electric vehicles
Feng HE, Guoxin XIE, Jianbin LUO
State Key Laboratory of Tribology, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China – 2019
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2026.-