Cuscinetti ibridi in ceramica, lunga vita ai motori delle auto elettriche

I tradizionali cuscinetti in acciaio montati sui motori delle auto elettriche vanno incontro a un degrado maggiore, che si manifesta con rumorosità anomala, vibrazioni ad alta frequenza e cedimento prematuro delle piste di rotolamento. Questo comporta l’interferenza del rotore con lo statore ed conseguente danneggiamento del motore stesso. Il segno più evidente è l’erosione elettrica, una forma di usura nota come fluting (o “effetto lavatoio”), caratterizzata da microscopiche scanalature trasversali e parallele e dal rapido annerimento del grasso lubrificante, degradato dal calore localizzato.

Cos’è il fluting e come nasce l’erosione elettrica dei cuscinetti

All’origine del problema ci sono le elevate frequenze di commutazione degli inverter moderni (fino a oltre 20 kHz, PWM – Pulse Width Modulation) e i regimi di rotazione sempre più spinti dei powertrain elettrici. Il rapido switching dei transistor genera tensioni parassite capacitive e differenze di potenziale tra lo statore e il rotore. Quando il potenziale accumulato supera la rigidità dielettrica del velo d’olio, si innescano continue micro-scariche ad arco (EDM – Electrical Discharge Machining) tra le sfere e le piste degli anelli, che a ogni passaggio fondono localmente il metallo.

Col tempo, la sequenza continua di queste micro-scariche crea una caratteristica ondulazione regolare a scanalature trasversali visibile sulle piste, nota in tribologia come fluting (o “effetto lavatoio”). Il fluting incrementa drammaticamente le vibrazioni ad alta frequenza e la rumorosità del powertrain, degrada la struttura chimica del grasso/olio lubrificante e porta rapidamente alla vaiolatura (spalling) e al cedimento catastrofico del cuscinetto molto prima della sua vita nominale teorica.

Lunga durata per i cuscinetti dei motori delle auto elettriche

Per risolvere questa criticità, SKF ha trovato una soluzione che abbina anelli in acciaio di alta qualità a elementi volventi (sfere o rulli) in nitruro di silicio (Si₃N₄), una ceramica ad altissime prestazioni che elimina la necessità di isolanti esterni e garantisce una stabilità meccanica superiore.

Specifiche e vantaggi della tecnologia ibrida

L’impiego della ceramica avanzata negli elementi volventi offre vantaggi cinematici ed elettrici diretti per le applicazioni automotive ad alte prestazioni:

1. Isolamento elettrico intrinseco. Il nitruro di silicio è un isolante dielettrico naturale: interrompe il passaggio di corrente tra statore e rotore, azzerando l’erosione da arco elettrico e prolungando la vita utile di lubrificante e componente.
2. Attrito ridotto fino al 50%. La finitura superficiale della ceramica e il minor coefficiente di attrito riducono le perdite parassite, aumentando l’efficienza complessiva del powertrain e l’autonomia del veicolo.
3. Masse e forze centrifughe ridotte. La densità del nitruro di silicio (circa 3,2 g/cm³) è inferiore di oltre il 50% rispetto a quella dell’acciaio (circa 7,8 g/cm³). Questo abbassa le forze centrifughe che le sfere esercitano sulle piste a regimi elevatissimi, oltre i 20.000 giri/min.
4. Resistenza termica e tribologica. Ottimo comportamento in condizioni di lubrificazione limite o critica e buona resistenza alle variazioni termiche estreme.

Vantaggi

La gabbia in PEEK: +60% di regime e -80% di peso

Oltre alle sfere in nitruro di silicio (Si₃N₄), un contributo essenziale alle prestazioni alle alte velocità arriva dalla tecnologia delle gabbie. SKF adotta gabbie in due metà realizzate in PEEK (Polietereterechetone), un polimero avanzato più leggero dell’80% rispetto all’ottone tradizionale. Questo design elimina la deformazione radiale dovuta alla forza centrifuga (effetto ombrello) e consente di spingere il limite di rotazione oltre il 60% in più rispetto ai cuscinetti convenzionali, riducendo al contempo le temperature d’esercizio e prolungando fino a 8 volte la vita del grasso lubrificante.

Il nuovo cuscinetto verrà prodotto da SKF a Houten, nei Paesi Bassi, presso il C-Pro Lab (Ceramic Process Laboratory), un centro di R&D dedicato al controllo end-to-end della produzione di cuscinetti ibridi avanzati.

Il nuovo centro di competenza permette a SKF di gestire internamente tutte le fasi della tecnologia ceramica: dalla formulazione e compattazione delle polveri alla sinterizzazione e alla lappatura di precisione. Questo approccio verticale consente di ingegnerizzare le microstrutture del materiale in funzione dei carichi specifici dei motori elettrici, accelerando i tempi di prototipazione e il successivo passaggio alla produzione su larga scala.

Perché sui normali motori elettrici i cuscinetti durano una vita

Nei classici motori trifase industriali alimentati direttamente dalla rete a 50 Hz, le tre fasi sinusoidali si bilanciano in modo quasi perfetto e la tensione parassita sull’albero è pressoché nulla. Senza stress elettrici ad alta frequenza, i cuscinetti in acciaio lavorano in condizioni di lubrificazione idrodinamica e possono durare decenni.