NKE Austria GmbH presenta i cuscinetti dotati di isolamento elettrico integrato disponibili in diverse versioni. Le applicazioni tipiche sono i motori elettrici, i generatori e altre macchine elettriche.
Qualora su un cuscinetto volvente vi sia una tensione elettrica tra l'anello esterno e quello interno, ciò può provocare un passaggio di corrente dannoso con conseguente danneggiamento durevole delle piste del cuscinetto e peggioramento delle caratteristiche di funzionamento. In caso di passaggio di corrente si verificano scariche elettriche nella zona di contatto tra i corpi volventi e l'anello interno ed esterno. Di conseguenza, le superfici vengono unite localmente per fusione e si creano crateri, riporto di materiali e danni localizzati ai giunti a causa di sollecitazioni termiche del materiale. Almeno uno strato sottile della superficie erosa viene temprata nuovamente indurendosi e diventando pertanto sensibile agli strappi.
Questo procedimento viene definito "elettrocorrosione" e riguarda molto spesso cuscinetti montati all'interno di applicazioni elettromeccaniche quali, ad esempio, generatori e motorini elettrici, ma anche macchine da lavoro azionate da motorini elettrici quali, ad esempio, pompe e trasmissioni. Inoltre, il flusso di corrente contribuisce anche a rendere inutilizzabile il lubrificante.
L'olio di base e gli additivi contenuti nel lubrificante si ossidano e ne consegue la tipica colorazione nera. A causa dell'invecchiamento precoce viene compromessa a lungo termine la capacità del lubrificante di separare le superfici metalliche. Dal danneggiamento delle superfici funzionali del cuscinetto e dalla perdita in termini di effetto della lubrificazione risulta una perdita rapida della funzionalità del cuscinetto.
Possibili cause di flussi elettrici indesiderati dovuti a cuscinetti volventi
Le cause principali di un passaggio di corrente sono note. Le asimmetrie nel flusso magnetico di una macchina elettrica causano una tensione a bassa frequenza tra l'albero e l'alloggiamento che provoca un flusso di corrente attraverso i cuscinetti volventi. Anche l'impiego di cavi asimmetrici non schermati può portare a un flusso di corrente attraverso i cuscinetti volventi nel caso di messa a terra insufficiente.
Un'ulteriore causa è costituita dall'impiego di invertitori di frequenza: il principio di lavoro di molti invertitori si basa sulla modulazione dell'ampiezza degli impulsi e richiede una tensione isofase ad alta frequenza con un conseguente flusso di corrente. Infine, occorre citare la carica elettrostatica dell'albero e dell'alloggiamento con conseguente scarico tramite i cuscinetti volventi.
Danni e possibili contromisure
Una cosa tipica dell'elettrocorrosione sono le tracce grigie e opache nelle piste e sulle superfici dei corpi volventi. Inoltre, principalmente sulle superfici delle piste sono visibili scanalature delle superfici e dei crateri di fusione (figure 1a e 1b) o una scanalatura.
I danni in seguito al passaggio di corrente si notano in genere a causa di un rumore durante il funzionamento. Per prevenire tali danni è ideale procedere all'isolamento della sede del cuscinetto all'interno dell'alloggiamento o sull'albero. Ovviamente ciò è legato a interventi costruttivi aggiuntivi eseguiti sui componenti periferici.
I cuscinetti volventi isolati elettricamente di NKE costituiscono una soluzione semplice ed economica. Non sono necessari adeguamenti costruttivi, poiché le dimensioni principali e i dati relativi alle prestazioni dei cuscinetti isolati sono identici a quelli dei cuscinetti non isolati.
Cuscinetti elettricamente isolati: proprietà e applicazione
I cuscinetti elettricamente isolati di NKE sono dotati di uno strato isolante in ossido ceramica e sono contrassegnati dal suffisso SQ77. I cuscinetti elettricamente isolati di NKE presentano misure d'ingombro esterne e dati relativi alle prestazioni identici a quelli dei cuscinetti non isolati. I vantaggi più importanti sono una maggiore sicurezza di funzionamento che viene garantita attraverso una protezione ottimale contro l'elettrocorrosione.
I cuscinetti elettricamente isolati hanno un rendimento migliore rispetto a un isolamento sugli alloggiamenti o sugli alberi. Possono essere sostituiti con cuscinetti convenzionali, poiché le misure principali e le caratteristiche tecniche corrispondono a quelle dei cuscinetti convenzionali.
I cuscinetti offrono un rischio ridotto di provocare danni e di conseguenza anche una durata utile prolungata a differenza dei cuscinetti convenzionali nelle macchine elettriche.
In caso di utilizzo appropriato dei cuscinetti elettricamente isolati non sussiste alcun rischio di danneggiamento del rivestimento. L'assortimento principale di cuscinetti elettricamente isolati è costituito da cuscinetti radiali e a rulli cilindrici. Tuttavia, è possibile isolare elettricamente anche tutti gli altri tipi di cuscinetti.
I campi d'impiego sono in particolare i motori di trazione dei veicoli a rotaia, i motori elettrici e i generatori soprattutto in combinazione con gli invertitori di frequenza ad accensione rapida.
Procedimento di realizzazione ed effetti dei cuscinetti elettricamente isolati
Nel caso di cuscinetti elettricamente isolati di NKE, l'isolamento viene applicato con il procedimento di spruzzatura al plasma, una tecnica di applicazione di un rivestimento sottile, sull'anello esterno (SQ77 o SQ77C, fig. 2a) o sull'anello interno (SQ77E o SQ77H, fig. 2b).
Nel caso del procedimento di spruzzatura al plasma tra gli elettrodi si crea un arco elettrico e viene aggiunto del gas in quantità adeguate. ll fascio di plasma serve da mezzo di supporto per applicare l'ossido di alluminio in polvere (Al2O3) con elevata velocità sull'anello interno o esterno.
Lo strato di ossido di alluminio che si crea di conseguenza si estende oltre la superficie piana e frontale degli anelli dei cuscinetti volventi. In un passo successivo, lo strato viene isolato in modo da evitare che penetri umidità. L'effetto dello strato isolante dipende dalla frequenza della tensione che provoca le correnti dannose nei cuscinetti. Nel caso di tensione continua il cuscinetto isolato costituisce una resistenza ohmica. Maggiore è la resistenza e minore sarà il flusso di corrente.
Il valore di resistenza dei cuscinetti isolati si trova su oltre 50 MΩ e limita la corrente elettrica su un valore non compromettente per il cuscinetto. In caso di tensione alternata entra in gioco il carattere capacitivo del cuscinetto isolato. Il cuscinetto si comporta in questo caso come un collegamento in parallelo composto da resistenza e condensatore con una resistenza che dipende dalla frequenza, la cosiddetta impedenza.
L'impedenza definisce le dimensioni della corrente alternata che scorre ad una determinata tensione e frequenza attraverso il cuscinetto. Anche qui vale il discorso che l'impedenza deve essere possibilmente grande per ridurre la corrente a una dimensione non critica per il cuscinetto. A questo punto, per raggiungere un elevato grado di impedenza è necessario che la resistenza dello strato isolante sia grande e che la sua capacità sia ridotta. Ciò può essere raggiunto mediante uno strato d'isolamento possibilmente spesso con una superficie contenuta. Applicato ai cuscinetti ciò significa che lo strato deve essere applicato in modo vantaggioso sul foro dell'anello interno. Per motivi di costi e a causa di procedimenti produttivi viene tuttavia rivestito il diametro esterno. Nella maggior parte dei casi anche in questa situazione si crea una protezione più che sufficiente di danni da elettrocorrosione.
Un'ulteriore caratteristica del rivestimento è la sua resistenza alla perforazione. Nei cuscinetti di NKE la tensione di perforazione è pari ad almeno 1000 V o 2000 V, a seconda della versione.
