Новини

Йонни течности – иновативен мълниепроводник в електрическата мобилност

27. май 2020

Йонни течности – иновативен мълниепроводник в електрическата мобилност

Електроерозията на търкалящите се лагери в електродвигателите е явление, което е отдавна известно. Поради рязкото нарастване на електрическата мобилност този въпрос придобива ново измерение.

Темата ще придобие допълнително значение в бъдеще, тъй като нарастващата употреба на честотни инвертори в съвременните задвижващи системи за безстепенно управление на скоростта на двигатели и генератори ще доведе до увеличаване на щетите, причинени от електрическа ерозия. Също така актуалните тенденции за използване на по-високи напрежения, напр. в бордовите системите на автомобилите, ще доведе до по-големи енергийни разряди в бъдеще. Вече повече от 20 години експертът по трибология Klüber Lubrication проучва използването на йонни течности в иновативни концепции за смазване, особено в този сегмент.  Тази модерна концепция превръща смазочния материал в „мълниепроводник“, който предотвратява образуването на вредни потенциали. Освен за важни критерии за превозното средство като скорост, безпроблемна работа и удължен експлоатационен живот това ново поколение специализирани смазочни материали също решава проблема с електрическата проводимост.

Щети поради електроерозия

Електроерозията на търкалящите се лагери в електродвигатели или други електрически компоненти се дължи на нежеланото протичане на ток през контактната зона между търкалящия елемент и работните повърхности. Така се генерира топлина, която разтопява локално повърхността. Първоначално се образуват малки точици с размер няколко микрометра. При по-нататъшна работа могат да възникнат вторични щети под формата на напречни бразди по работните повърхности.  И двата вида щети водят до генериране на нежелан шум от лагерите в началото и накрая до преждевременна неизправност.

Съществуват различни подходи за конструктивно решаване на проблема, напр. чрез изолиране на вътрешните или външните пръстени или използване на керамични търкалящи елементи. Тези мерки обаче не винаги водят до успех и са свързани и с високи разходи. По-лесен и по-обещаващ подход е да се използва смазочен материал с нисък импеданс, който така или иначе е конструктивен елемент на компонента, за да се разсеят генерираните токове.

По принцип смазочните материали са изолатори. Те увеличават натрупаното напрежение в металните лагерни компоненти, защото блокират протичането на електрически токове. Традиционните решения включват използването на черни смазочни материали на базата на графит и въглерод, които, от една страна, също могат да предотвратят паразитни токове в лагерите. От друга страна, те съдържат твърди черни графитни частици, които възпрепятстват плавния ход. С времето тези частици се изместват от точката на триене и се променят в резултат на механичното натоварване, поради което електропроводимостта на тези греси намалява непрекъснато.

Многообещаващи иновации при смазочните материали

Методът да се правят смазочните материали проводими чрез добавяне на йонни течности и по този начин отвеждане на генерираните токове има явни предимства пред използването на „черни смазочни материали“. По-специално високочестотните EDM (електроерозийна обработка) токове могат да бъдат неутрализирани чрез подходящи концепции на смазочните материали.

Понастоящем Klüber Lubrication е единственият производител, който може да предложи такова решение и притежава три патента за използване на йонни течности в състава на смазочни материали. Един от тези патенти предполага използването им като базово масло, а другите два патента се отнасят за приложението им като добавки.

Йонни течности – произход

Казано по-просто, йонните течности са течни соли. Те нямат стабилна кристална структура, тъй като тя се предотвратява чрез делокализация на заряда и стерични ефекти.  По дефиниция точката на топене на тези соли е под 100 °С и в много случаи дори далеч под това, в резултат на което при стайна температура солите стават течни. Свойствата на йонните течности могат да се променят според изискванията, като се модифицират катионите или анионите. По този начин те получават възможност за приложение в много области на химическата технология.

Йонните течности и техните свойства са известни от над сто години, но дълго време биват пренебрегнати и не се използват в продукти или процеси.  Благодарение на своята електропроводимост те намаляват нежеланото протичане на ток, което ги прави интересно решение за лагери в електродвигатели.

Klüberlectric BQ 72-72, измерени EDM токове в A като функция на скоростта и температурата (Технически университет Дармщат)

С адекватен брой катиони и аниони йонните течности също имат отлична устойчивост на окисляване. Те са термично стабилни и могат да се използват при работни температури до 150 °C, но са трудно запалими, силно разтворими и нетоксични. Още едно предимство е изключително ниското налягане на парата. За разлика от специализираните смазочни материали, съдържащи проводими частици, йонните течности не оказват отрицателно въздействие върху шума. Някои греси вече доказаха своята пригодност за високи скорости. В момента се постигат коефициенти на скорост над 1 милион n x dm. Klüber Lubrication се опитва да постигне коефициенти на скорост > 2 милиона n x dm.

Йонните течности значително увеличават експлоатационния живот на лагерите и следователно допринасят за устойчивостта. Тъй като енергийното въздействие на нежеланите електрически токове води не само до повреда на лагерите, но и до влияние върху ефективността на смазочния материал и неговото разлагане поради изключително високите температури, друг положителен ефект е удължаването на експлоатационния живот на гресите.

Изчерпателните изследвания на тестовите съоръжения, последвани от трибологични анализи, предоставят информация както за състоянието на използвания смазочен материал, така и за състоянието на лагера. Важна характеристика в този контекст е взаимодействието на резултатите, свързани с лагерите и смазочните материали. Благодарение на щателното проучване на всеки компонент възможните повреди могат да бъдат идентифицирани с голяма точност.

Резултатите от тестовите съоръжения показват, че повредите на лагерите и смазочните материали, произтичащи от електрически токове, са намалели значително при използване на йонни течности.

Йонни течности – перспективи

В сътрудничество със силни партньори от бранша Klüber Lubrication понастоящем работи за по-нататъшно оптимизиране на проводимостта на смазочните материали при същевременно запазване на трибологичните характеристики с помощта на йонни течности. В случай на много високо ниво на протичане на енергия в лагерите на този етап все още не е възможно да се реши проблемът с нежеланото протичане на ток само с помощта на смазочния материал.  Това обаче би било голям успех за бранша, защото може да намали конструктивния размер на лагерите. Интересен подход е комбинацията от изолиращи лагери и допълнителни разрядни елементи, съдържащи електропроводими смазочни материали.

Заключение

Като конструктивен елемент смазочният материал е решаващ фактор, що се отнася до ефективността и надеждността на механичните компоненти. Експерти като Klüber Lubrication непрекъснато търсят развитие, тъй като смазочните материали са от ключово значение за удължаване на експлоатационния живот на компонентите и увеличаване както на енергийната ефективност, така и на устойчивостта.