Výzkum a vývoj ložisek NSK pomáhá maximalizovat výkon a energetickou účinnost průmyslových elektromotorů

Udává se, že spotřeba energie elektromotorů používaných ve strojních zařízeních tvoří 40–50 % světové spotřeby elektřiny, což z těchto zařízení nezbytných pro průmysl činí klíčový cíl snižování spotřeby energie. S ohledem na to se na trhu průmyslových motorů objevuje stále více produktů, které podle údajů svých výrobců mají lepší energetickou účinnost. Ke snížení spotřeby energie přispívají také pohony s měniči frekvence, které umožňují přizpůsobit otáčky motoru provozním podmínkám.

Celosvětové úsilí o snížení spotřeby energie vedlo k přijetí opatření, jež vyžadují zlepšení účinnosti motorů. Ztráty energie v motoru mají tři hlavní složky: ztráty v železe (tepelné ztráty v jádru motoru), ztráty v mědi (tepelné ztráty ve vinutí) a mechanické ztráty (například třením v ložiskách). Ačkoli mechanické ztráty jsou přibližně jen 1 % spotřeby energie motoru, představují 0,4–0,5 % celosvětové spotřeby elektrické energie, což znamená, že globální dopad jakéhokoli snížení mechanických ztrát je významný.

Ložiska s malým třecím momentem pro vysoce účinné motory
Společnost NSK vyhodnocuje mechanické ztráty v ložiskách skutečných vysoce účinných motorů v pracovních podmínkách v reálném provozu. Snaží se tak zjistit potenciál snížení spotřeby energie vypracováním zkušební metody, která umožňuje přímo vyhodnotit mechanické ztráty ložisek. Výsledky těchto testů se promítnou do programu dalšího výzkumu a vývoje ložisek NSK pro vysoce účinné motory. Například vyhodnocení ztrát dvoupólového vysoce účinného motoru s 3 000 otáčkami za minutu ukázalo, že příčinou přibližně 80 % mechanických ztrát je odpor maziva, a to odpor ve střihu a odpor vtahování maziva mezi části ložiska. Společnost NSK proto zahájila projekt optimalizace typu a množství maziva, stejně jako tvaru klece ložiska.

Následné testy ukázaly, že optimalizace množství maziva snížila mechanické ztráty ve srovnání s konvenčními ložisky o 60 %. Dalším bodem výzkumu je snižování objemu maziva v konvenčních ložiscích s časem, které vede k přerušení olejového filmu a zvýšení pravděpodobnosti zadření ložiska. Naproti tomu ložisko s malým třecím momentem vyvinuté společností NSK používá speciální mazivo, které při zkouškách prokázalo 2,7krát delší životnost. Další testy ukázaly, že speciálně vyvinutá plastová klec NSK snížila mechanické ztráty o polovinu oproti ocelovým klecím, a to především proto, že plastová klec snižuje odpor maziva proti vtahování mezi klec a kuličky.

Ložiska NSK s malým třecím momentem, která snižují mechanické ztráty a umožňují prodloužit životnost maziva u vysoce účinných motorů, jsou k dispozici ve velikostech od 16 do 170 mm vnějšího průměru.

Keramická ložiska pro motory pohonů s měniči
Pohony s měniči, které umožňují změnou své výstupní frekvence regulovat otáčky motoru, přinášejí úspory energie např. v čerpadlech a ventilátorech. Obecným vývojovým trendem je, že regulovaná frekvence (známá jako nosná frekvence) se zvyšuje, takže motor může pracovat s vyšším stupněm přesnosti. Zvýšená nosná frekvence však může způsobit elektrolytickou korozi v důsledku průchodu vysokofrekvenčního proudu ložiskem.

Elektrolytická koroze je jev, kdy ve vrstvě maziva mezi oběžnou dráhou a valivými tělísky vznikají elektrické výboje způsobující místní natavení materiálu a vznik prasklin. Tento účinek také vede k abnormálnímu hluku při běhu ložiska a předčasnému zadření.

Některá ložiska pro malé motory jsou vybavena keramickými kuličkami, kterými proud neprochází, a tím je ložisko chráněno před elektrolytickou korozí, ale existují problémy s produktivitou výroby keramických kuliček s větším průměrem, které jsou nutné pro střední a velké motory pohonů s měniči. K nápravě tohoto problému vyvinula společnost NSK speciálně pro tyto motory ložiska s optimalizovaným keramickým povlakem, který se vytváří nástřikem na vnějším kroužku ložiska a brání elektrolytické korozi.

Nově vyvinutá ložiska vykazují vynikající izolační vlastnosti: podle testů mají zhruba desetkrát větší hodnotu izolačního odporu (měřeno pomocí stejnosměrného napájecího zdroje) než běžná ložiska s keramickým povlakem. Je třeba poznamenat, že ložiska NSK vykazují také stejnou nebo mírně lepší izolaci i při měření se střídavým napájením, s impedancí 100 Ω nebo více při frekvenci 1 MHz.

Pokud jde o mechanické vlastnosti, nárazuvzdornost povlaku je asi třikrát větší než u běžného ložiska s keramickým povrchem. Oteplení ložiska, které je obecně nevýhodou keramických povlaků, je potlačeno tím, že povlak má ve srovnání s materiálem, který se používá v konvenčních ložiscích, relativně velkou hustotu. Nižší teplota prodlužuje životnost maziva i motoru. Při testech byl nárůst teploty za provozu ložiska o přibližně 10 °C nižší než u běžného keramického ložiska. Povlak s větší hustotou také znamená méně dutin v materiálu a lepší odolnost.

Keramická ložiska NSK odolná proti elektrolytické korozi jsou k dispozici ve velikostech od 130 do 230 mm vnějšího průměru pro střední a velké motory pohonů s měniči.

Ložiska pro servomotory s nízkou mírou uvolňování nečistot
Přesná polohovací schopnost servomotoru je odvozena od průchodu světelného signálu LED rastrem vytvořeným v kódovacím kotouči nebo odrazem od něj. Světelný signál je zpracován a zaveden jako zpětná vazba do řídicí jednotky motoru. Znečištění povrchu měřicího kotouče olejem nebo jinou nečistotou však znemožňuje příjem signálu a ruší polohovou zpětnou vazbu pro řídicí jednotku motoru, čímž zabraňuje jeho řádnému provozu.

V servomotoru pro robot je nutné zastavit rameno a obrobek elektromagnetickou brzdou. Znečištění brzdového kotouče olejem nebo jinou nečistotou způsobuje prokluzování brzd. Servomotory používané v průmyslových a kolaborativních robotech (kobotech) musí být vysoce spolehlivé, takže ložiska musí vykazovat minimální uvolňování maziva a nečistot, aby nedošlo ke kontaminaci snímačů polohy nebo brzd.

Společnost NSK proto vyvinula ložiska pro servomotory, která používají mazivo se složením optimalizovaným pro nízkou míru uvolňování nečistot. Ložiska také využívají lehkého kontaktního těsnění DW, které poskytuje vynikající ochranu proti kontaminaci při malém vlivu na moment odporu ložiska.

Série simulačních testů zkoumala vztah mezi ložisky, brzdovými kotouči a kotouči snímačů polohy s ohledem na jejich možnou kontaminaci mazivem. Testy potvrdily, že při použití ložisek s bezkontaktním těsněním a nízkoemisním mazivem LGU od NSK se množství rozptýlených nečistot ve srovnání s ložisky s bezkontaktním těsněním a běžným mazivem skutečně snižuje. Ložiska s plastickým mazivem LGU a těsněním DW s lehkým kontaktem navíc neprokázala téměř žádnou emisi maziva, což je výsledek, který představuje účinné protiopatření proti znečištění snímače polohy.

Ložiska NSK s nízkou mírou uvolňování nečistot, která obsahují mazivo LGU a těsnění s lehkým kontaktem DW, jsou k dispozici ve velikostech od 26 do 120 mm vnějšího průměru, aby vyhovovala všem běžným servomotorům.

1) Zobrazení mechanické ztráty při použití klecí z různých materiálů v kuličkových ložiscích NSK s nízkým třecím momentem pro vysoce účinné motory




2) Ložiska NSK s keramickým povlakem, odolná proti elektrolytické korozi, která se používají pro motory pohonů s měniči
 

  Vyžádejte si více informací…