Problemele maşinilor electrice, cu scurgeri de antigel în electromotoare, au explicaţii fizice şi tehnice

În ultimul timp, am ajuns să vorbim tot mai des despre o problemă care iese la iveală la tot mai multe maşini electrice — cea a scurgerilor de antigel din zona rotorului în spaţiul interior al electromotorului, ajungând la stator şi producând coroziune sau chiar scurtcircuite. Chiar acum câteva zile scriam că un mecanic din Finlanda a aflat cu stupoare că Audi şi Mercedes au gândit intenţionat problemele electromotoarelor lor, cu scurgeri de lichid de răcire. Acolo mecanicul şi presa scandinavă aflase că mai mulţi producători germani ai maşinilor electrice de acum 7-10 ani au prevăzut aceste scurgeri minuscule de lichid de răcire în interior, doar că n-au prevăzut şi o cale de a scoate lichidul adunat în motor, iar astfel au implantat practic o durată de viaţă limitată la aceste electromotoare. Acum două zile şi renumitul service EV Clinic din Croaţia a făcut direct un apel la producătorii auto şi furnizori să înceteze să mai folosească etanşările mecanice care produc aceste scurgeri pentru că acestea duc inevitabil la defecţiuni. Apelul public al celor de la EV Clinic şi informaţiile lor parţiale despre etanşările de tip SiC ne-a făcut pe noi să cercetăm mai profund problema şi să găsim explicaţii fizice şi tehnice de ce aceste etanşări ajung să cedeze în timp şi apoi duc la probleme majore cu aceste electromotoare.

Problema e una deosebit de gravă, şi abia acum începe se să manifeste pe larg în lumea auto. În primii 5-7 ani, toate aceste maşini cu asemenea etanşări în construcţia lor erau acoperite de garanţie. Cu toţii mai auzeam despre cazuri în care un electromotor cedează prea devreme la un Audi sau un Mercedes, dar proprietarii mergeau la service, şi aceste piese li se schimbau acolo de obicei, în mare parte pe garanţie. Iar motivele adevărate ale defecţiunilor nu erau investigate decât de inginerii acestor producători pe intern. Acum, însă, toate aceste maşini încep a pătrunde pe piaţa la mâna a doua sau pur şi simplu nu mai au garanţie, iar astfel ele ajung în ateliere independente. Pe lângă asta, şi uzura lor ajunge într-un punct în care la 140-200 mii km e mult mai mare şansa ca aceste motoare să cedeze, chiar dacă n-au făcut-o în garanţie.

Aşadar, care e marea problemă şi cum se manifestă ea? Maşinile electrice de acum 5-10 ani aveau în mare parte electromotoare unde rotorul era răcit cu antigel. Antigelul circulă în interiorul rotorului, pentru că acolo, în miezul electromotorului se generează cea mai mare căldură, iar odată ce electromotoarele de maşini electrice au devenit mai compacte şi mai puternice, era nevoie de răcire activă intensă a rotorului.

Foto: Construcţia sistemului de răcire a rotorului la un electromotor de pe Audi e-tron

În lumea maşinilor, componentele se răcesc de obicei fie cu ulei, fie cu antigel. Producătorii auto şi furnizorii care produceau aceste maşini, au considerat că răcirea cu antigel e mai logică şi mai raţională. Şi Tesla a folosit acest tip de răcire la început, şi producătorii germani şi mulţi alţii.

Dar întrucât rotorul e o componentă în mişcare circulară, era nevoie de o etanşare potrivită, ca lichidul din interiorul lui să nu iasă în spaţiul din afara rotorului şi să nu ajungă pe stator sau circuitele electrice din interiorul electromotorului.

Foto: Aşa arată o etanşare care a cedat pe un electromotor Audi

Atunci inginerii au aruncat o privire în multitudinea de soluţii care existau deja în lume pentru asemenea etanşări. Era nevoie de o etanşare mecanică foarte bună şi rezistentă, care să reziste la temperaturi extreme şi medii neprielnice. Etanşările mecanice cu carbură de siliciu (SiC) sunt cunoscute în lumea ingineriei pentru proprietăţi excelente. Au o construcţie bazată pe principiul de simering, iar de multe ori mecanicii le şi numesc simeringuri, deşi materialele de inginerie profundă fac distincţie şi atenţionează că acestea nu sunt simeringuri. Totuşi, aceste etanşări mecanice SiC se folosesc cu succes în cele mai solicitante medii şi aplicaţii — pompe de apă sărată marină, pompe geotermale, pompe pentru circuite de ape fierbinţi, abur, gaz, sulfuri, ba chiar şi mulţi alţi compuşi chimici, inclusiv acizi, solvenţi. Sunt folosite la compresoare de mare frecvenţă, în industria petrochimică şi peste tot unde fluidele care trec sunt în esenţă nocive pentru multe alte materiale, şi totodată combină temperaturi extreme. Aceste etanşări au de obicei şi componente ceramice pentru stabilitate termică şi rezistenţă.

Foto: Aşa arată etanşările mecanice SiC folosite la Mercedes EQC

Aşadar, etanşările mecanice SiC erau printre cele mai durabile metode de etanşare cunoscute în lume, şi aplicaţiile anterioare vaste demonstraseră că acestea sunt excelente. Prin urmare, era logic ca inginerii să le aleagă şi pentru motoarele maşinilor electrice.

Dar în scurt timp au intervenit paradoxurile tehnice neaşteptate, iar istoria a început cu Tesla Model S de primă generaţie. Acel model a fost primul care a arătat că aceste etanşări mecanice atât de lăudate anterior cedează neaşteptat de repede pe electromotoarele maşinilor electrice. Nu se putea înţelege de ce se întâmplă asta. Mediul e unul relativ izolat acolo. Toate circuitele funcţionau aparent corect, temperaturile erau cele prevăzute, dar totul ele cedau. Aşa s-a ajuns la cazuri precum cel al germanului cu Tesla de 2,6 milioane de km, care a schimbat 13 electromotoare din Tesla de primă generaţie, până cei de la EV Clinic i-au rezolvat problema.

Tesla s-a chinuit vreo 4 ani cu aceste etanşări până când a decis că va trece la răcirea cu ulei, pentru că nu putea rezolva problema. Producătorii germani, însă, s-au inspirat de la ingineria mai timpurie Tesla şi au considerat că ei vor proiecta mai bine aceste etanşări, blamând Tesla că n-o fi avut componente calitative sau precizia necesară. Ba chiar germanii au prevăzut că în timp aceste etanşări mecanice ar putea dezvolta uşoare scurgeri şi au proiectat locul unde să se adune lichidul în interiorul electromotorului. Doar că n-au prevăzut şi operaţiuni de scurgere.

Marea surpriză, însă, a fost că şi etanşările germanilor au început a ceda în masă. Nu se întâmpla atât de devreme ca şi la Tesla, dar oricum, în timp, aceste etanşări cu formă de simering cedau şi generau scurgeri, iar electromotoare au început a se defecta în număr mare la modele precum Mercedes EQC sau Audi e-tron.

De curând, cei de la EV Clinic au arătat că electromotorul problematic de pe puntea faţă de la Mercedes EQC este fabricat, de fapt, de furnizorul german ZF pentru Mercedes. Şi tot de la ZF ar venit şi alte electromotoare similare.

Între timp, mulţi producători germani şi-au înţeles în mare parte greşeala şi au început şi ei a aplica fie răcire combinată, fie răcire cu ulei. Motorul AP550 de la grupul VW, lansat în 2023, spre exemplu, are răcire combinată, cu accent ai mare pe ulei şi etanşări diferite care nu mai au această vulnerabilitate.

Dar în producţie mai există şi azi electromotoare proiectate mai demult, care mai au aceste tip de etanşări mecanice cu SiC. Asta i-a făcut pe cei de la EV Clinic să facă un apel la toţi producătorii să renunţe total la aceste etanşări mecanice SiC, spunând că ele cedează inevitabil şi nu sunt o soluţie bună. Ei mai spuneau că la Tesla ei au rezolvat probleme prin etanşări pe bază de grafit şi ceramică, care rezistă mult mai bine. Dar la Audi şi Mercedes aceste soluţii sunt imposibile de proiectat, din cauza zonei foarte compacte e etanşării, care nu lasă suficient de mult spaţiu pentru grosimea corectă a noului material.

Noi am căutat explicaţiile de ce aceste etanşări pe bază de SiC cedează, totuşi. Sau, mai degrabă de ce ele cedează pe maşinile electrice, dar rezistă pe submarine, în pompe de apă sărată, acizi, produşi chimici şi multe alte condiţii mult mai dure?

Ei bine, se pare că electromotoarele le aduc acestor noi provocări şi stres fizic şi mecanic, care nu erau întâlnite anterior. Rotorul pe care acestea îl etanşează e un component cu circuit electric în el, iar micile imperfecţiuni în izolarea şi împământarea lui dau „scurgeri” de curent de frecvenţă înaltă, care ajung în aceste etanşări. Construcţia lor interioară duce la apariţia micro arcurilor care accelerează schimbările structurale în carbura de siliciu, ceea ce duce la formarea micro crăpăturilor. Aceste micro crăpături devin sursa micilor scurgeri în timp.

O altă sursă de stres mecanic e schimbarea mult mai bruscă de temperatură. Un motor pe benzină, spre exemplu, dacă e pornit la 0 grade sau la -30, va avea nevoie de 15-30 minute să ajungă la temperatura normală de funcţionare de circula 100 grade a uleiului şi simeringului arborelui cotit, spre exemplu. Electromotorul poate porni acum de la 0 sau -30 grade Celsius, iar la o putere de 150 kW, spre exemplu, chiar dacă are doar 5% pierderi energetice, circa 7 kW se pierd în căldură, iar această căldură e concentrată exact în zona rotorului. Asta îl face să se încălzească în 2-3 minute până la 100 grade. În practică, doar acea zonă centrală se încălzeşte şi în practică va exista deja circulare de antigel, dar exact în zona de etanşare mecanică acea căldură se face în mare parte resimţită. Asta induce un stres termic neştiut de mare pe aceste etanşări, când ele suportă schimbări de temperaturi de câteva zeci de grade Celsius pe minut. Iar asta le accelerează degradarea structurală şi asta, la fel ca şi curenţii electrici, nu se întâmplă în celelalte aplicaţii de succes ale acestor etanşări.

Pe lângă asta, la unele electromotoare circulaţia de antigel încetează când motorul staţionează, ceea ce mai dă mici pauze de lubrifiere la pornire. De asemenea, la unele maşini chiar şi compoziţia antigelului, pe bază de etilen şi glicol, putea accelera degradarea acestor etanşări, mai generând şi depuneri în ele. Deci, pe lângă fizică erau şi probleme chimice.

Aşa cum spuneam, mulţi producători şi-au analizat rapid problemele şi au schimbat construcţia electromotoarelor, azi mult mai multe maşini având motoare răcite cu ulei, care ating un management termic mult mai bun. Dar din păcate aceste maşini de acum 5-8 ani şi chiar şi unele motoare încă fabricate în prezent, mai au aceste probleme implantate în ele. Şi judecând după motivele care creează eşuarea în timp a acestor etanşări, aproape că nu prea puteau fi prevăzute, pentru că şi pentru ingineri a fost un domeniu nou de aplicare, cu un mediu pe care nu-l experimentaseră anterior.

Problema e că până învaţă inginerii şi industria auto să rezolve aceste probleme cu maşinile electrice, proprietarii vor fi cei care vor avea de suferit cu maşini defecte şi facturi uriaşe în service. Prin urmare, dacă vrei să cumperi o maşină electrică la mâna a doua, ar fi minunat să te informezi ce tip de electromotor are şi ce tip de răcire a rotorului există în el. Ştim, acum 5-10 ani ni se spunea tuturor că maşinile electrice sunt o minune tehnologică, fără necesitatea de mentenanţă tehnică, unde „nu are ce să se strice” la acel electromotor. Ei, acum se vedem că practica bate gramatica şi există multe probleme, iar mentenanţa şi verificările trebuie făcute cu regularitate, dacă nu vrei să te trezeşti cu motoare defecte şi facturi uriaşe pentru înlocuirea lor.