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Líquidos iônicos: para-raios inovador em mobilidade elétrica

17. March 2020

Líquidos iônicos: para-raios inovador em mobilidade elétrica

A corrosão elétrica em rolamentos de motores elétricos é um fenômeno conhecido há muito tempo. Devido ao forte aumento da mobilidade elétrica, esse problema está tomando uma nova dimensão.

O assunto ganhará ainda mais importância no futuro, pois o crescente uso de conversores de frequência nos sistemas modernos de transmissão de energia para controle contínuo da velocidade de motores e geradores levará a mais danos causados pela corrosão elétrica. Além disso, as tendências atuais rumo ao uso de tensões elevadas, por exemplo, nos sistemas de energia de veículos, resultará em descargas mais altas futuramente. Por mais de 20 anos, a especialista em tribologia Klüber Lubrication vem pesquisando sobre o uso de líquidos iônicos para conceitos inovadores em lubrificantes, principalmente neste segmento.  Esse conceito moderno transforma o lubrificante em um “para-raios” para impedir a geração de situações nocivas. Além dos dados relevantes para o veículo, como velocidade, operação suave e vida útil prolongada, a nova geração de lubrificantes especiais também aborda a questão da condutividade elétrica.

Danos causados pela corrosão elétrica

A corrosão elétrica em rolamentos de motores ou outros componentes elétricos é causada pela passagem indesejada de corrente através da zona de contato entre o elemento rolante e a pista. Assim, gera-se calor, o que derrete a superfície localmente. Formam-se diversos orifícios de alguns micrômetros. Nas próximas operações, podem surgir danos secundários nas pistas, como ranhuras.  Ambos os tipos de danos levam à geração de ruídos indesejáveis nos rolamentos e, por fim, a falhas prematuras.

Há várias abordagens de design para resolver esse problema, por exemplo, isolar os anéis internos ou externos ou usar elementos rolantes de cerâmica. No entanto, tais medidas nem sempre dão certo, mesmo tendo um alto custo. Uma abordagem mais simples, porém mais promissora, é usar um lubrificante de baixa impedância, que é um elemento de design do componente, para dissipar as correntes geradas.

Basicamente, os lubrificantes são isolantes. É justamente por bloquear a passagem de correntes elétricas que eles aumentam o acúmulo de tensão nos componentes de rolamentos de metal. As soluções tradicionais envolvem o uso de lubrificantes pretos à base de grafite e carbono, que, por um lado, também podem impedir correntes parasíticas. Mas, por outro, eles contêm partículas de grafite sólidas que impedem a movimentação suave. Como essas partículas são deslocadas do ponto de atrito ao longo do tempo e permanecem sujeitas a alterações pela carga mecânica, a eletrocondutividade dessas graxas diminui cada vez mais.

Resistência elétrica específica em função da concentração do líquido iônico

Inovações promissoras em lubrificantes

Tornar o lubrificante condutivo ao adicionar líquidos iônicos para dissipar as correntes geradas é um método que demonstra ter vantagens claras em relação ao uso de “lubrificantes pretos”. Correntes de EDM (usinagem por descarga elétrica) de alta frequência podem ser neutralizadas por lubrificantes com design adequado.

Atualmente, a Klüber Lubrication é o único fabricante que pode oferecer essa solução, tendo três patentes para o uso de líquidos iônicos em formulações de lubrificantes. Uma dessas patentes implica seu uso como óleo base, enquanto as outras duas patentes se referem à aditivação.

Líquidos iônicos – Origem

Em termos simples, líquidos iônicos são sais líquidos. Eles não têm uma estrutura cristalina estável, pois ela é impedida pela deslocalização de carga e pelos efeitos estéricos.  Por definição, o ponto de fusão desses sais é inferior a 100°C e, em muitos casos, até abaixo desse ponto – ou seja, os sais já são líquidos à temperatura ambiente. As propriedades dos líquidos iônicos podem variar de acordo com os requisitos, modificando os cátions ou ânions. Por isso, eles são destinados ao uso em muitas áreas da engenharia de processos químicos.

Os líquidos iônicos e suas propriedades já são conhecidos há mais de cem anos; entretanto, receberam pouquíssima atenção durante muito tempo e não eram utilizados em produtos ou processos.  Graças à sua condutividade elétrica, eles reduzem a passagem de corrente indesejada, o que os torna uma solução interessante para rolamentos em motores elétricos.

https://www.klueber.com/ecomaXL/files/G1_Antriebsseite_EN_675.jpg?w=675

Graxa padrão para rolamentos, correntes de EDM medidas em A, mostradas em função da velocidade e temperatura (TU Darmstadt)

Klüberlectric BQ 72-72, correntes de EDM medidas em A, em função da velocidade e temperatura (TU Darmstadt)

Com um número adequado de cátions e ânions, os líquidos iônicos também oferecem excelente resistência à oxidação. São termicamente estáveis, podendo ser utilizados em temperaturas de até 150°C, além de dificilmente inflamáveis, altamente solúveis e não tóxicos. Sua pressão de vapor extremamente baixa é outra vantagem. Diferentemente dos lubrificantes especiais que contêm partículas condutoras, os líquidos iônicos não afetam negativamente o ruído. Várias graxas já comprovaram sua adequação a altas velocidades. Atualmente, elas atingem fatores de velocidade superiores a 1 milhão de n x dm. A Klüber Lubrication visa a fatores de velocidade superiores a 2 milhões de n x dm.

Líquidos iônicos aumentam consideravelmente a vida útil dos rolamentos e, portanto, contribuem para a sustentabilidade. Como o impacto energético de correntes elétricas indesejadas não só provoca danos aos rolamentos, mas também afeta o desempenho do lubrificante e o decompõe devido às temperaturas de pico extremamente altas, outro efeito positivo é que eles ajudam a prolongar a vida útil da graxa.

Inspeções abrangentes seguidas de análises tribológicas fornecem informações sobre as condições do lubrificante usado e do rolamento. Uma característica importante nesse contexto é a interação entre os resultados relacionados ao rolamento e aqueles relacionados ao lubrificante. Devido à inspeção detalhada de cada componente, qualquer possível dano pode ser identificado com grande precisão.

Os resultados dos testes mostraram que os danos ao rolamento e ao lubrificante decorrentes de correntes elétricas são consideravelmente reduzidos ao usar líquidos iônicos.

Líquidos iônicos – Panorama geral

Em cooperação com fortes parceiros da indústria, a Klüber Lubrication atualmente trabalha para otimizar ainda mais a condutividade dos lubrificantes, ao mesmo tempo em que mantém seu desempenho tribológico por meio de líquidos iônicos. Em casos de níveis muito altos de passagem de energia, ainda não é possível resolver o problema da passagem de corrente indesejada apenas por meio do lubrificante.  No entanto, isso seria altamente desejável para a indústria, pois poderia reduzir o tamanho dos rolamentos. Uma abordagem interessante é a combinação de rolamentos isolantes e elementos de descarga adicionais contendo lubrificantes eletrocondutores.

Conclusão

Como um elemento de design, o lubrificante é um fator crucial quando se trata da eficiência e confiabilidade dos componentes mecânicos. Pesquisas de especialistas como a Klüber Lubrication sobre o desenvolvimento contínuo de lubrificantes são essenciais para prolongar a vida útil dos componentes e aumentar a eficiência energética e a sustentabilidade.

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