Roulements à roulement isolés électriquement

Protection contre les dommages causés aux roulements par le passage du courant électrique

Steyr, Autriche, mars 2015.Les roulements isolés électriquement sont dotés d'une isolation électrique intégrée au roulement, offrant une protection fiable contre le passage du courant et la corrosion électrique. Les applications typiques sont les moteurs électriques, les générateurs et autres machines électriques. Le fabricant autrichien NKE Austria GmbH propose des roulements à isolation électrique en plusieurs versions. Dans cet article, Klaus Grissenberger, ingénieur d'application chez NKE, explique les causes du passage du courant électrique à travers les roulements, les symptômes de dommages et les contre-mesures, les propriétés et les processus de production des roulements isolés électriquement.

Roulement à billes rigides NKE SQ77E avec isolation sur la bague intérieure.

Une différence de potentiel électrique entre la bague extérieure et intérieure d'un roulement peut conduire à un courant électrique dommageable qui endommage de façon permanente les chemins de roulement du roulement et altère ses caractéristiques de fonctionnement. Un flux de courant entraîne une décharge électrique dans la zone de contact entre les éléments roulants et la bague intérieure ou extérieure. Ceci, à son tour, provoque une fusion locale des surfaces. Le résultat: piqûres, transfert de matière et dommages microstructuraux locaux par contrainte thermique. Au moins une très fine couche de la surface érodée est à nouveau durcie, ce qui la rend extrêmement dure et sujette à la fissuration. Ce processus est appelé corrosion électrique et affecte souvent les roulements dans les applications électromécaniques, telles que les générateurs et les moteurs électriques, mais également les machines alimentées par des moteurs électriques, telles que les pompes et les boîtes de vitesses. De plus, la décharge électrique rend le lubrifiant inutile. L'huile de base et les additifs contenus dans le lubrifiant s'oxydent, ce qui donne la couleur noire caractéristique du lubrifiant. Le vieillissement prématuré nuit de façon permanente à la capacité du lubrifiant à former une couche de séparation entre les surfaces métalliques. Les surfaces fonctionnelles endommagées du roulement et la perte de l'action de lubrification entraînent une perte rapide de la fonctionnalité du roulement.

Causes possibles de passage indésirable du courant électrique à travers les roulements

Fig. 1a

Fig. 1b

Le passage du courant a conduit à une formation de cratères / cannelures sur le chemin de roulement de la bague intérieure (Fig. 1a) et la surface latérale des éléments roulants (Fig. 1b) d'un roulement à rouleaux cylindriques.

Les principales raisons de la décharge de courant sont connues. Les asymétries du flux magnétique d'une machine électrique donnent lieu à une tension basse fréquence entre l'arbre et le carter, ce qui se traduit par un flux de courant à travers les roulements. Un tel passage de courant peut également résulter de l'utilisation de câbles électriques asymétriques non blindés si la mise à la terre de la machine est inefficace. Une autre cause est l'utilisation de convertisseurs de fréquence: le principe de fonctionnement de nombreux convertisseurs de fréquence est basé sur la modulation de largeur d'impulsion (PWM) et génère une tension de mode commun haute fréquence, qui se traduit également par un passage de courant à travers les roulements. Enfin, une charge électrostatique de l'arbre et du logement suivie d'une décharge à travers les roulements est également une cause possible.

Symptômes de dommages et contre-mesures possibles

Les signes typiques de corrosion électrique comprennent des pistes grises et ternies dans les chemins de roulement et sur les surfaces des éléments roulants. Des cratères de fonte (figures 1a et 1b) ou des cannelures sont également visibles, principalement sur les surfaces des chemins de roulement. Les dommages dus à la décharge de courant se manifestent généralement par un bruit de fonctionnement accru.

Afin d'éviter de tels dommages, il est conseillé d'isoler le siège du roulement dans le logement ou sur l'arbre. Cependant, cela implique des mesures de conception supplémentaires des pièces environnantes. Une solution simple et économique dans ce cas consiste à utiliser des roulements isolés électriquement de NKE. Étant donné que les dimensions clés et les données de performance des roulements isolés sont identiques à celles des modèles non isolés correspondants, aucune modification de la conception globale n'est requise.

Roulements isolés électriquement - propriétés et application

Les roulements isolés électriquement de NKE, désignés par le suffixe SQ77, sont pourvus d'une couche isolante en céramique oxyde. Un aperçu des différentes variantes de conception de la couche isolante est donné dans le tableau. Les roulements à isolation électrique de NKE offrent exactement les mêmes dimensions extérieures et les mêmes caractéristiques techniques que les types non isolés correspondants.

Les avantages les plus importants de ces roulements sont une plus grande fiabilité de fonctionnement, qui est assurée par une protection optimale contre la corrosion électrique. Les roulements isolés électriquement sont moins chers que, par exemple, l'application d'une isolation aux logements ou aux arbres. Ils sont interchangeables avec les roulements conventionnels car ils ont les mêmes dimensions clés et caractéristiques techniques. Ils offrent également un risque réduit de dommages et donc une durée de vie plus longue que les roulements conventionnels lorsqu'ils sont utilisés dans des machines électriques. Lorsque les roulements isolés électriquement sont manipulés correctement, il n'y a aucun risque d'endommagement du revêtement.

La gamme principale de roulements isolés électriquement se compose de roulements à rouleaux cylindriques et de roulements rigides à billes, mais tous les autres types de roulements peuvent également être isolés électriquement. Les domaines d'application comprennent les moteurs de traction des véhicules ferroviaires, les moteurs électriques et les générateurs, en particulier en association avec des convertisseurs de fréquence à commutation rapide.

Processus de production et principe de fonctionnement des roulements isolés électriquement

Pour les roulements NKE isolés électriquement, la couche isolante est appliquée sur la bague extérieure (SQ77 ou SQ77C - Fig. 2a) ou la bague intérieure (SQ77E ou SQ77H - Fig. 2b) par projection plasma, une technologie à couche mince. Pendant la projection au plasma, un arc électrique est créé entre deux électrodes avec une alimentation en gaz appropriée. Le jet de plasma sert de support pour appliquer la poudre d'oxyde d'aluminium (Al2O3) sur la bague extérieure ou intérieure à grande vitesse. Afin d'obtenir une protection optimale, la couche d'oxyde recouvre également les faces latérales des anneaux projetés. Dans l'étape suivante du processus, la couche est ensuite scellée pour empêcher toute pénétration d'humidité.

Fig. 2a Fig. 2b

Figues. 2a et 2b: Pour les roulements isolés électriquement de NKE, la couche isolante est appliquée sur la bague extérieure (SQ77 ou SQ77C - Fig.2a) ou la bague intérieure (SQ77E ou SQ77H - Fig.2b) par projection plasma, une technologie cinématographique.

L'effet physique de la couche d'isolation dépend de la fréquence de la tension qui provoque les courants nocifs dans les roulements. Dans le cas d'une tension continue, le roulement isolé a une résistance ohmique. Plus cette résistance est élevée, plus le courant électrique est faible. La valeur de résistance des roulements isolés est supérieure à 50 MΩ, limitant ainsi le courant électrique à un niveau qui ne peut pas endommager le roulement.

Dans le cas d'une tension alternative, la nature capacitive du palier isolé est avantageuse. Le palier se comporte alors à peu près de la même manière qu'un circuit parallèle constitué d'une résistance et d'un condensateur avec une résistance dépendante de la fréquence, appelée impédance. L'impédance détermine la magnitude du courant alternatif qui traverse le roulement pour des valeurs données de tension et de fréquence. Ici aussi, l'impédance doit être la plus élevée possible afin de réduire le courant à un niveau incapable d'endommager le roulement.

Pour atteindre des valeurs d'impédance élevées, la résistance de la couche isolante doit être élevée et sa capacité doit être faible. Ceci peut être réalisé en rendant la couche isolante aussi épaisse que possible et en réduisant la surface isolante globale. Lorsqu'elle est transférée sur les roulements, cela signifie que cette couche doit de préférence être appliquée sur l'alésage de la bague intérieure. Cependant, le revêtement est généralement appliqué sur le diamètre extérieur pour des raisons de coût et en raison des contraintes du procédé de fabrication. Dans la plupart des cas, cela se traduit toujours par une protection plus qu'adéquate contre les dommages dus à la corrosion électrique. Une autre propriété importante du revêtement est sa rigidité diélectrique. Selon leur version, les roulements de NKE ont une rigidité diélectrique d'au moins 1000 V ou 2000 V.

Auteur:

Klaus Grissenberger, ingénieur d'application, NKE Austria GmbH.

Table:

Vue d'ensemble des variantes de conception des roulements NKE isolés électriquement:

Informations sur la société:

NKE Austria GmbH est un fabricant de roulements dont le siège est à Steyr, en Autriche. L'entreprise, qui compte environ 140 employés, a été fondée en 1996 par un groupe de cadres supérieurs de l'ancienne société Steyr Wälzlager. NKE produit des roulements standard et spéciaux pour toutes les applications industrielles. L'ingénierie, le développement de produits, la production et le traitement final des composants, l'assemblage modulaire, l'assurance qualité, la logistique, les ventes et le marketing - sont centralisés au siège de NKE à Steyr, en Autriche. L'usine de Steyr est certifiée ISO 9001: 2008, ISO 14001: 2004 et OHSAS 18001. Sa large gamme de roulements standard est disponible sur stock ou avec des délais de production courts. NKE propose également des produits et des solutions sur mesure. En plus du développement de produits et de l'ingénierie des applications, NKE propose une gamme complète de services techniques, de conseil, de documentation et de formation. Les produits NKE sont distribués à travers 15 bureaux de représentation internationaux et plus de 240 points de distribution dans 60 pays.