Rodamientos aislados eléctricamente: protección frente a daños causados por el paso de la corriente eléctrica

Los rodamientos aislados eléctricamente se caracterizan por incorporar un aislamiento eléctrico que protege eficazmente frente al paso de la corriente y a la corrosión eléctrica. El fabricante austriaco NKE Austria GmbH ofrece diferentes versiones de rodamientos aislados eléctricamente. Entre las aplicaciones típicas destaca su uso en motores eléctricos, generadores y otras máquinas eléctricas.

                                                                            Fig. 1a.

En condiciones adversas de funcionamiento, los rodamientos utilizados en máquinas eléctricas pueden dañarse con el paso de corrientes eléctricas. En la zona de contacto entre los rodillos y la pista de rodadura del anillo interior o exterior ocurren descargas eléctricas. Esto provoca fusión en determinadas partes de las superficies que a su vez deriva en la formación de cráteres, la transferencia de material y en daños localizados en la microestructura por estar el material expuesto a tensión térmica. Al menos una capa fina de esta superficie erosionada se somete a un segundo proceso de templado donde adquiere gran dureza y sensibilidad al agrietamiento. Este proceso conocido como electrocorrosión también hace que el lubricante quede inutilizable. Se oxidan el aceite de base y los aditivos contenidos en el lubricante, lo que suele provocar una coloración negra. Este envejecimiento prematuro perjudica permanentemente la capacidad del lubricante para mantener alejadas las superficies metálicas. Al dañarse las superficies funcionales del rodamiento y perderse el efecto lubricante, disminuye rápidamente la operatividad del mismo.

Posibles causas por las que la corriente eléctrica pasa por los rodamientos
Son bien conocidas las principales razones por las que se produce una descarga eléctrica. Las asimetrías en el flujo magnético de una máquina eléctrica hacen que se genere una tensión de baja frecuencia entre el eje y el alojamiento, lo que a su vez puede provocar un flujo de corriente a través de los rodamientos. Este paso de corriente puede ser el resultado del uso de cables eléctricos asimétricos no apantallados cuando la conexión a tierra de la máquina resulta ineficaz. Otra causa podría ser el uso de convertidores de frecuencia: el principio de funcionamiento de los convertidores de frecuencia se basa en la modulación de impulsos en duración (MID) y genera una tensión de modo común de alta frecuencia que podría hacer que la corriente pase por los rodamientos. Por último, también podría deberse a la carga electrostática del eje y del alojamiento, seguida de una descarga a través de los rodamientos.

Síntomas de daños y posibles contramedidas
Entre los signos típicos de corrosión eléctrica se incluyen la suciedad y el agrisamiento de las pistas de rodadura y superficies de los rodillos. También pueden apreciarse cráteres de fusión (figs. 1a y 1b) u ondulaciones en las superficies de las pistas de rodadura.

Los daños por descarga eléctrica suelen manifestarse con un aumento del ruido durante la marcha.
Con el fin de evitar daños de este tipo, se recomienda aislar el asiento del rodillo en el alojamiento o en el eje. No obstante, esto implica realizar cambios en el diseño de las piezas en el entorno.

Una solución sencilla y económica en este caso es emplear rodamientos aislados eléctricamente, ya que pueden sustituir a los rodamientos sin aislamiento sin tener que modificar el diseño general.

Propiedades y aplicación de los rodamientos aislados eléctricamente
Los rodamientos aislados eléctricamente de NKE, designados con el sufijo SQ77, incorporan una capa aislante de cerámica de óxido. Estos rodamientos tienen exactamente las mismas dimensiones exteriores y características técnicas que los no aislados.

Su principal ventaja es la alta fiabilidad operativa, garantizada mediante una protección óptima frente a la corrosión eléctrica. Es más económico emplear rodamientos aislados eléctricamente que, por ejemplo, aplicar aislante a los alojamientos o ejes. Los rodamientos convencionales pueden sustituirse por este tipo de rodamientos porque sus principales dimensiones y características técnicas son iguales. En máquinas eléctricas también reducen el riesgo de daños, aumentando así la vida útil en comparación con los rodamientos convencionales. Siempre que los rodamientos aislados eléctricamente se manejen adecuadamente, no existe riesgo de dañar su recubrimiento.

La gama incluye principalmente rodamientos de rodillos cilíndricos y rodamientos rígidos de bolas. Entre sus ámbitos de aplicación se incluyen los motores de tracción de vehículos ferroviarios, motores eléctricos y generadores, especialmente en combinación con convertidores de frecuencia de conmutación rápida.

Proceso de producción y efecto de los rodamientos aislados eléctricamente
En los rodamientos aislados eléctricamente de NKE, el recubrimiento aislante se aplica mediante pulverización por plasma, bien en el anillo exterior (SQ77 - Fig. 2a) bien en el interior (SQ77E - Fig. 2b). En este tipo de pulverización se crea un arco eléctrico entre los dos electrodos y se suministra una cantidad adecuada de gas. El chorro de plasma actúa como medio portador que aplica, a alta velocidad, el polvo de óxido de aluminio (Al2O3) al anillo exterior o interior. Para conseguir una protección óptima de la capa de óxido, también cubre las caras laterales de los anillos pulverizados. En el siguiente paso la capa se sella para evitar que penetre la humedad.

El efecto físico de la capa aislante depende de la frecuencia de la tensión que genera corrientes perjudiciales en los rodamientos. En el caso de la corriente continua, el rodamiento aislado tiene resistencia óhmica. Cuanto mayor es la resistencia, menor es la corriente eléctrica. El valor de la resistencia de los rodamientos aislados supera 50MΩ y, por tanto, la corriente eléctrica se limita de forma que no pueda dañar el rodamiento.

La naturaleza capacitiva del rodamiento aislado proporciona ventajas en el caso de la corriente alterna. El rodamiento se comporta entonces igual que en un circuito paralelo compuesto por una resistencia y un condensador con resistencia dependiente de la frecuencia, lo que se conoce como impedancia. La impedancia determina la magnitud de la corriente alterna que fluye a través del rodamiento según los valores establecidos para la tensión y la frecuencia. Aquí también la resistencia debería ser lo más alta posible para reducir la corriente a un nivel en el que sea incapaz de dañar el rodamiento.

Con el fin de conseguir unos valores de impedancia más altos, es necesario que resistencia de la capa aislante sea alta y su capacitancia baja. Esto puede obtenerse haciendo que la capa aislante sea lo más gruesa posible y reduciendo el aislamiento general de la zona superficial. Si trasladamos esto a los cojinetes, significa que esta capa debería aplicarse preferiblemente en el agujero del anillo interior. No obstante, normalmente suele recubrirse el diámetro externo por motivos económicos y debido a las limitaciones del proceso de fabricación. En la mayoría de los casos se consigue una protección más que suficiente para evitar los daños derivados de la corrosión eléctrica. Otra característica importante de este recubrimiento es su resistencia dieléctrica. Los rodamientos de NKE tienen una resistencia dieléctrica de 1000 V como estándar.

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