วิธีแก้ไขปัญหาการกัดกร่อนทางไฟฟ้าของตลับลูกปืนมอเตอร์

สาเหตุของแรงดันไฟฟ้าที่เพลา (shaft voltage) ในมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยไดรฟ์ความถี่แปรผัน (Variable Frequency Drives: VFDs) คืออะไร? จะทดสอบกระแสที่ไหลผ่านแบริ่ง (bearing currents) ได้อย่างไร?

แหล่งที่มาของกระแสที่ไหลผ่านแบริ่ง

กระแสที่ไหลผ่านแบริ่งเป็นกระแสปล่อยประจุความถี่สูง ซึ่งเกิดจากแรงดันไฟฟ้าที่เพลาและไหลผ่านแบริ่งของมอเตอร์ สาเหตุหลักอยู่ที่แรงดันแบบโมดูเลตความกว้างของพัลส์ (pulse width modulated: PWM) ที่สร้างขึ้นโดย VFD ซึ่งให้เอาต์พุตเป็นชุดของพัลส์บวกและลบสลับกันอย่างรวดเร็ว แทนที่จะเป็นคลื่นไซนัส ปรากฏการณ์นี้ทำให้เกิดแรงดันเฉลี่ยไม่สมดุลระหว่างเฟสทั้งสาม ซึ่งเรียกว่าแรงดันโหมดร่วม (common-mode voltage) (มักปรากฏในรูปคลื่นสี่เหลี่ยมแบบหกขั้นตอน)

ในมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วย VFD แรงดันโหมดร่วมจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันที่เพลาผ่านการเชื่อมต่อแบบความจุ (capacitive coupling) ภายในโครงสร้างภายในของมอเตอร์ เมื่อแรงดันนี้สูงกว่าค่าความต้านทานฉนวนของฟิล์มหล่อลื่นในแบริ่ง จะเกิดการปล่อยประจุขึ้น ซึ่งก่อให้เกิด กระแส EDM แบบความจุ (capacitive EDM: Electrical Discharge Machining) ที่สร้างร่องเล็กๆ และร่องเกลียวบนผิวสัมผัสของแหวนลูกปืน กระแสไหลเวียนความถี่สูง ซึ่งทำให้ลูกปืนที่ปลายทั้งสองข้างของเพลาเสียหายพร้อมกัน กระแสทั้งสองประเภทนี้เป็นสาเหตุหลักของการเสียหายของลูกปืนจากแรงดันไฟฟ้า

กระแสการปล่อยประจุไฟฟ้าแบบคาปาซิทีฟสำหรับการกัดกร่อนด้วยประจุไฟฟ้า (Capacitive Electrical Discharge Machining Currents)

โครงสร้างภายในของมอเตอร์ไฟฟ้าทำหน้าที่คล้ายกับตัวเก็บประจุ (capacitor) แรงดันไฟฟ้าแบบ common-mode จากอุปกรณ์ควบคุมความเร็วมอเตอร์ (VFD) จะสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ถูกเหนี่ยวนำแบบมีการเชื่อมต่อผ่านตัวเก็บประจุ (capacitively coupled voltage) บนเพลาของมอเตอร์ แรงดันบนเพลานี้จะปล่อยประจุผ่านการอาร์คข้ามลูกปืนไปยังโครงของมอเตอร์ ซึ่งประกอบขึ้นเป็นกระแส EDM แบบคาปาซิทีฟ

สามารถวัดแรงดันบนเพลาได้โดยใช้เครื่องวัดสัญญาณแบบดิจิทัลออสซิลโลสโคป (digital oscilloscope) และ โพรบทดสอบแรงดันบนเพลา VOLSUN การปล่อยประจุจะปรากฏเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้าพุ่งสูงแบบความถี่สูง

อาร์กการปล่อยประจุเหล่านี้ ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้หลายหมื่นครั้งต่อวินาที ส่งผลให้สารหล่อลื่นในแบริ่งเสื่อมคุณภาพ และก่อให้เกิดปรากฏการณ์การกัดกร่อนด้วยประจุไฟฟ้า (Electrical Discharge Machining) จนเกิดเป็นหลุมขนาดจุลภาคจำนวนมากบนผิวทางวิ่งของแบริ่ง (bearing raceways) หลุมเหล่านี้ ร่วมกับสารหล่อลื่นที่เสื่อมคุณภาพ ทำให้แรงเสียดทานเพิ่มขึ้น และก่อให้เกิดปัญหา NVH (เสียง แรงสั่นสะเทือน และความรู้สึกกระแทก)

ผลกระทบของกระแสที่ไหลผ่านตลับลูกปืน

เมื่อเวลาผ่านไป หลุมจุ่มขนาดจุลภาคที่เกิดจากการอาร์คผ่านตลับลูกปืนจะสะสมจนกลายเป็นพื้นผิวด้านที่มองเห็นได้ ซึ่งเรียกว่า "การแต่งผิวแบบฝุ่นแข็ง (frosting)" ตลับลูกปืนที่มีลักษณะฝุ่นแข็งจะมีความเรียบลดลงเมื่อเทียบกับตลับลูกปืนที่อยู่ในสภาพดี ส่งผลให้เกิดแรงเสียดทานเพิ่มขึ้น การสร้างความร้อนสูงขึ้น และการเสื่อมสภาพของรางหมุน (raceways) ของตลับลูกปืนรุนแรงยิ่งขึ้น ทั้งนี้ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างความเสียหายจากไฟฟ้ากับการสั่นสะเทือนจะก่อให้เกิดลวดลายแบบเป็นแถบหรือลักษณะคล้ายรั้วไม้ (picket fence) ซึ่งเรียกว่า "fluting"

เมื่อปรากฏลักษณะ fluting แล้ว การล้มเหลวของตลับลูกปืนจะเกิดขึ้นในไม่ช้า ตลับลูกปืนที่มีลักษณะ fluting จะก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงและเสียงหวีดแหลมเฉพาะตัว แผนภาพด้านล่างแสดงประเภททั่วไปของการกัดกร่อนทางไฟฟ้าที่เกิดกับตลับลูกปืน

แหวนนำไฟรุ่นที่ 3 ของ VOLSUN (แหวนต่อสายดินที่เพลา) ด้วยการออกแบบที่มีน้ำหนักเบาและโครงสร้างแบบกะทัดรัด จึงสามารถติดตั้งโดยตรงบนหน่วยแบริ่งได้ ซึ่งสอดคล้องกับข้อกำหนดที่เข้มงวดด้านพื้นที่และการใช้น้ำหนักของยานยนต์ไฟฟ้า (EV) นอกจากนี้ คุณสมบัติที่ไม่ต้องบำรุงรักษาช่วยลดแรงกดดันต่อการให้บริการหลังการขาย ทำให้เป็นวิธีแก้ปัญหาที่เชื่อถือได้สำหรับปัญหาการกัดกร่อนทางไฟฟ้าของแบริ่ง!