NSK’s lagerontwikkelingen helpen bij het maximaliseen van prestaties en energie-efficiëntie van industriële motoren
Het energieverbruik van motoren die in machines worden gebruikt wordt geraamd op 40-50% van het wereldwijde energieverbruik. Daardoor vormen deze, voor de industrie essentiële, apparaten een belangrijke energiebesparingsdoel. Als gevolg hiervan is er momenteel op de markt sprake van een aanzienlijke toename van industriële motoren die een hogere energie-efficiëntie claimen te hebben.
De wereldwijde inspanningen om het energieverbruik terug te dringen hebben geleid tot regelgeving die verhoging van de motor-efficiëncy vereist. Het energieverlies van een motor bestaat uit drie factoren: ijzerverliezen (warmteontwikkeling door de ijzeren kern); koperverliezen (warmteontwikkeling door de wikkeling) en mechanische verliezen (bijvoorbeeld door het roteren van de lagers). Hoewel de mechanische verliezen slechts 1% van het energieverbruik van de motor kunnen bedragen, komt dit neer op 0,4-0,5% van het globale energieverbruik, waardoor het wereldwijde effect van een verlaging ervan aanzienlijk kan zijn.
Lagers met laag koppel voor hoog-efficiënte motoren
NSK is intensief bezig geweest met het evalueren van het mechanisch verlies van lagers en heeft daarbij gebruik gemaakt van de nieuwste hoog-efficiënte motoren bij reële bedrijfsomstandigheden. Het bedrijf wilde potentiële verlagingen van het energieverbruik identificeren door een testmethode te ontwikkelen waarmee directe evaluatie van mechanische verliezen in lagers mogelijk wordt. De resultaten van deze tests werden gebruikt in NSK's lagerontwikkelingsprogramma voor hoog-efficiënte motoren. Uit de evaluatie van een tweepolige hoog-efficiënte motor met een snelheid van 3000 tpm, bleek bijvoorbeeld dat ongeveer 80% van de mechanische verliezen werd veroorzaakt door de smeerweerstand, te weten de schuif- en wrijvingskrachten van het vet tussen de lagerdelen. NSK startte daarom een project om het type en de hoeveelheid vet te optimaliseren, evenals de kooivorm van het lager.
Verdere tests toonden aan dat optimalisatie van de vethoeveelheid het mechanisch verlies met 60% verlaagde vergeleken met conventionele lagers. Nog een punt van aandacht is dat een verlaging van het vetgehalte in conventionele lagers kan leiden tot het breken van de oliefilm en de levensduur van het vet verkort. Het door NSK ontwikkelde laag-koppel lagersysteem maakt echter gebruik van speciaal vet dat tijdens tests een meer dan 2,7 maal langere levensduur vertoonde. Andere tests toonden aan dat de speciaal door NSK ontwikkelde kunststof kooi het mechanisch verlies met de helft reduceerde ten opzichte van stalen kooien, grotendeels omdat de kunststof kooi de vetwrijvingskracht tussen de kooi en de kogels verlaagt.
De lage-koppel lagers van NSK, die mechanische verliezen beperken en een langere levensduur van het vet in hoog-efficiënte motoren mogelijk maken, zijn beschikbaar in afmetingen van 16 tot 170 mm buitendiameter.
Keramisch gecoate lagers voor frequentiegeregelde motoren
Frequentiegeregelde motoren, waarbij de regeling plaatsvindt door het instellen van de optimale rotatiefrequentie, zijn nuttig als het gaat om energiebesparing bij pompen en ventilatoren. De meest gangbare ontwikkelingstrend is dat de frequentie die geregeld moet worden (draagfrequentie) steeds hoger wordt, zodat de motor nauwkeuriger werkt. Naarmate de draagfrequentie toeneemt, kan echter elektrolytische corrosie optreden als gevolg van hoogfrequente stromen in het lager.
Elektrolytische corrosie is een verschijnsel waarbij vonken ontstaan via de smeeroliefilm tussen het loopvlak en de wentellichamen, waardoor plaatselijk smelten kan optreden en oneffenheden kunnen ontstaan. Dit effect leidt tevens tot vroegtijdige abnormale loopgeluiden en vastlopen.
Sommige lagers voor kleine motoren worden voorzien van keramische kogels die geen stroom doorlaten en zo bescherming bieden tegen elektrolytische corrosie. Echter, de productie van keramische kogels met een grotere diameter voor lagers voor middelgrote en grote frequentiegeregelde motoren, is problematisch. Om dit probleem op te lossen, ontwikkelde NSK een tegen elektrolytische corrosie bestendig, keramisch gecoat lager, speciaal voor toepassing in frequentiegeregelde motoren. Hierbij wordt een keramische spraycoating aangebracht op de buitenring.
Het nieuw ontwikkelde lager biedt een uitstekende elektrische isolatie. Uit tests blijkt een circa tien keer zo hoge isolatie (in geval van gelijkstroomvoeding) dan bij gangbare met keramiek gecoate lagers. Opmerkelijk is dat het NSK lager eveneens een vergelijkbare of net iets betere isolatie vertoont met wisselstroomvoeding en daarmee voldoet aan een impedantie van 100 Ω of meer bij een frequentie van 1 MHz.
Wat de mechanische prestaties betreft, is de slagvastheid van de coating ongeveer driemaal die van een lager met keramische coating. Warmtedissipatie, een nadeel van keramische coatings, kan worden tegengegaan met een relatief dichte coating, vergeleken met conventionele lagers, waardoor zowel de levensduur van het smeermiddel als die van de motor wordt verlengd. Uit tests bleek dat de temperatuurstijging tijdens het roteren van het lager ongeveer 10°C lager was dan die van een algemeen keramisch gecoat lager. De dichtere coating betekent ook minder holtes en een langere levensduur.
De corrosiebestendige, keramisch gecoate lagers van NSK zijn leverbaar in afmetingen van 130 tot 230 mm buitendiameter voor middelgrote en grote frequentiegeregelde motoren.
Lagers met lage deeltjesemissie voor servomotoren
De nauwkeurige positionering van een servomotor is het resultaat van transmissie of reflectie van het lichtemissiesignaal van de LEDs op het op de encoderplaat gegraveerde patroon en de terugkoppeling van het ontvangen signaal naar de motorbesturing. Vervuiling van het oppervlak van de encoderplaat met olie of andere stoffen verstoort echter de signaalontvangst en de terugkoppeling van de positie-informatie naar de motorbesturing, waardoor normale werking wordt verhinderd.
In een servomotor voor een robot is het noodzakelijk om de arm en het werkstuk via een elektromagnetische rem tot stilstand te brengen. Vervuiling van de remplaat met olie of ander materiaal veroorzaakt remvertraging. Servomotoren die in industriële robots en collaboratieve robots (cobots) worden gebruikt, moeten uiterst betrouwbaar zijn, dus moeten de lagers een lage deeltjesemissie hebben om vervuiling van encoders of remmen te voorkomen.
NSK heeft een lager voor servomotoren ontwikkeld dat gebruik maakt van een vet met lage deeltjesemissie en een geoptimaliseerde samenstelling heeft. Het lager is ook voorzien van NSK’s licht-contact DW afdichting, die uitstekend bescherming biedt tegen vervuiling als met koppelniveaus rekening moet worden gehouden.
In een serie simulatietests werd de relatie tussen lagers en encoderremplaten onderzocht wat betreft de verspreiding van vetverontreiniging. De tests bevestigden dat de hoeveelheid verspreid vet afneemt als lagers worden gebruikt met een contactloze afdichting en lage-emissie LGU vet van NSK (vergeleken met lagers met een contactloze afdichting en conventioneel vet). Bovendien vertoonden lagers met LGU vet en DW afdichting met licht-contact nauwelijks vetverspreiding, wat tevens een effectieve tegenmaatregel tegen corrosie van de encoder kan zijn.
De lagers van NSK met lage deeltjesemissie, LGU vet en DW licht-contact afdichtingen, zijn leverbaar in afmetingen van 26 tot 120 mm buitendiameter, zodat ze geschikt zijn voor alle gangbare servomotoren.
1) De mechanische verliezen van verschillende kooimaterialen die worden toegepast in NSK’s lage-koppel kogellagers voor hoog-efficiënte motoren.
2) De keramisch gecoate, corrosiebestendige lagers van NSK voor frequentiegeregelde motoren.
