Aktuality

Iontové kapaliny - inovativní "bleskosvod" pro elektromobilitu

25. March 2020

Iontové kapaliny - inovativní "bleskosvod" pro elektromobilitu

Elektroeroze ve valivých ložiscích elektromotorů je jev, který známe již poměrně dlouhou dobu. Vzhledem k prudkému nárůstu elektromobility se tento problém dostává do nové dimenze.

Toto téma v budoucnu získá na významu, protože rostoucí využívání frekvenčních měničů v moderních systémech přenosu energie pro kontinuální řízení otáček motorů a generátorů povede k většímu poškození způsobenému elektroerozí. Také současné trendy vedoucí k používání vyšších napětí, např. v napájecích systémech motorových vozidel povede v budoucnu k vyšším výbojům energie. Již více než 20 let zkoumá tribologický odborník Klüber Lubrication použití iontových kapalin pro inovativní koncepce maziv, zejména v tomto segmentu.  Tato moderní koncepce promění mazivo v „bleskosvod“, který zabraňuje tvorbě škodlivých potenciálů. Tato nová generace speciálních maziv kromě údajů souvisejících s vozidlem, jako je rychlost, hladký provoz a prodloužená životnost, řeší rovněž otázku elektrické vodivosti.

Poškození způsobené elektroerozí

Elektroeroze ve valivých ložiscích elektromotorů nebo jiných elektrických součástech je způsobena nežádoucím průchodem proudu kontaktní oblastí mezi valivým prvkem a oběžnou dráhou. Vytváří se tedy teplo, které způsobuje lokální natavení povrchu. Vytvoří se malé důlky o velikosti několika mikrometrů. Při následném provozu mohou jako sekundární poškození vzniknout drážky po celé oběžné dráze.  Oba typy poškození vedou nejprve k vytvoření nežádoucího hluku ložiska a nakonec k jeho předčasnému selhání.

K vyřešení tohoto problému existuje několik designových přístupů, např. izolace vnitřních nebo vnějších kroužků nebo použití keramických valivých prvků. Tato opatření však ne vždy přinášejí úspěch, a to navzdory vysokým nákladům, které jsou s nimi spojeny. Jednodušším, ale slibnějším přístupem, je použití maziva s nízkou impedancí, které je tak jako tak konstrukčním prvkem komponentu, k rozptylování vznikajících proudů.

V zásadě však maziva fungují jako izolátory. Právě proto, že blokují průchod elektrických proudů, vedou ke zvýšenému nárůstu napětí v komponentech ložisek vyrobených z kovu. Tradiční řešení zahrnují použití černých maziv na bázi grafitu a uhlíku, které na jedné straně mohou také zabránit parazitním proudům. Na druhé straně obsahují černé pevné částice grafitu, které brání hladkému chodu. Protože jsou tyto částice v průběhu času vytlačovány z bodu tření a podléhají změnám způsobeným mechanickým zatížením, elektrovodivost těchto maziv neustále klesá.

Specifický elektrický odpor jako funkce koncentrace IL

Slibné inovace maziv

Způsob, jak učinit mazivo vodivým přidáním iontových kapalin k rozptýlení vznikajících proudů, ukazuje jasné výhody oproti použití "černých maziv". Vhodným složením maziv  je možné neutralizovat vysokofrekvenční proudy způsobující erozi materiálu ložiska v důsledku elektrických výbojů (EDM).

Společnost Klüber Lubrication je v současnosti jediným výrobcem, který může nabídnout takové řešení a vlastní tři patenty na použití iontových kapalin v recepturách svých maziv. Jeden z těchto patentů předpokládá jejich použití ve formě základního oleje, další dva patenty se vztahují k aditivaci.

Iontové kapaliny – základní informace

Stručně řečeno, iontové kapaliny jsou tekuté soli. Nemají stabilní krystalovou strukturu, protože jejímu vzniku brání delokalizace náboje a sterické účinky.  Podle definice je teplota tání těchto solí nižší než 100 °C a v mnoha případech dokonce hluboko pod tímto bodem, což vede k tomu, že soli jsou již při pokojové teplotě tekuté. Vlastnosti iontových kapalin se mohou podle požadavků měnit úpravou kationtů nebo aniontů. Jsou tedy předurčeny pro použití v mnoha oblastech chemického inženýrství.

Iontové kapaliny a jejich vlastnosti jsou známy již více než sto let, ale po dlouhou dobu se jim věnovala malá pozornost a nebyly využívány ve výrobcích nebo procesech.  Díky své elektrické vodivosti snižují nežádoucí účinky průchodu proudu, což z nich činí zajímavé řešení pro ložiska v elektromotorech.

Standardní plastické mazivo na valivá ložiska, EDM proudy měřené v A znázorněné jako funkce rychlosti a teploty (TU Darmstadt)

Mazivo Klüberlectric BQ 72-72, EDM proudy měřené v A znázorněné jako funkce rychlosti a teploty (TU Darmstadt)

Díky dostatečnému množství kationtů a aniontů nabízejí iontové kapaliny vynikající odolnost proti oxidaci. Jsou tepelně stabilní a lze je použít při teplotách až 150 ° C, jsou téměř nehořlavé, velmi dobře rozpustné a netoxické. Jejich další výhodou je extrémně nízký tlak par. Na rozdíl od speciálních maziv obsahujících vodivé částice nemají iontové kapaliny negativní vliv na hluk. Několik plastických maziv již prokázalo svou vhodnost pro vysoké rychlosti. Aktuálně dosahují rychlostních faktorů přesahujících 1 milión n x dm. Společnost Klüber Lubrication cílí na rychlostní faktory > 2 miliony n x dm.

Iontové kapaliny výrazně zvyšují životnost ložisek, a proto přispívají k udržitelnosti. Protože energetický dopad nežádoucích elektrických proudů vyvolává nejen poškození ložisek, ale také ovlivňuje vlastnosti maziva a rozkládá mazivo v důsledku extrémně vysokých špičkových teplot, dalším pozitivním účinkem je, že pomáhají prodloužit životnost maziva.

Komplexní zkoušky na zkušebním zařízení následované tribologickými analýzami poskytují informace o stavu použitého maziva a stavu ložiska. Důležitým znakem v této souvislosti je souhra výsledků souvisejících s ložiskem a výsledků souvisejících s mazivem. Na základě podrobného zkoumání jednotlivých součástí lze s velkou přesností identifikovat jakékoli možné poškození.

Výsledky testů na zkušebním zařízení ukázaly, že při používání iontových kapalin je značně sníženo poškození ložisek a maziv způsobené elektrickými proudy.

Iontové kapaliny – výhled

Ve spolupráci se silnými partnery z oboru společnost Klüber Lubrication v současné době pracuje na další optimalizaci vodivosti maziv při současném zachování jejich tribologických vlastností pomocí iontových kapalin. V případě velmi vysoké úrovně procházející energie není v této fázi ještě možné vyřešit problém nežádoucího průchodu proudu pouze pomocí maziva.  To by však bylo pro průmysl velmi žádoucí, protože by mohlo být možné snížit velikost ložisek. Zajímavým přístupem je kombinace izolačních ložisek a dalších výbojových prvků obsahujících elektricky vodivá maziva.

Závěr

Jako konstrukční prvek je mazivo rozhodujícím faktorem, pokud jde o účinnost a spolehlivost mechanických součástí. Odborníci jako Klüber Lubrication zkoumají neustálý vývoj maziv, neboť maziva jsou klíčová pro prodloužení životnosti komponent a zvýšení energetické účinnosti a udržitelnosti.