Принудительное охлаждение электродвигателя

Автор: Иван Соколов Время прочтения: 8 мин.

Электродвигатель, как и любое энергопреобразующее устройство, не обладает стопроцентным КПД. Часть электрической энергии неизбежно превращается в тепловую. При длительной работе на номинальной мощности или в тяжелых режимах (частые пуски/остановки, работа на пониженных скоростях) собственной системы охлаждения (вентиляционных ребер на станине) оказывается недостаточно. Перегрев становится главным врагом изоляции обмоток, подшипниковых узлов, что приводит к преждевременному выходу оборудования из строя. Единственным эффективным решением в такой ситуации является организация системы принудительного снижения температуры.

Когда необходимо принудительное охлаждение?

Решение о внедрении такого способа принимается на основе теплового расчета и анализа режима работы. Ключевые признаки, указывающие на его необходимость:

• работа с длительной нагрузкой, близкой к номинальной (подробнее о режимах работы электродвигателей S1-S10 можно узнать в ГОСТ Р 52776-2007 (МЭК 60034-1-2004) Машины электрические вращающиеся);
• циклический режим работы с частыми пусками и остановками;
• работа на пониженных скоростях (при частотном регулировании), когда собственный вентилятор неэффективен, т.к. вращается со скоростью вращения вала двигателя;
• высокая температура окружающей среды или работа в замкнутом пространстве с плохой естественной вентиляцией;
• нестандартные условия эксплуатации: повышенная запыленность, влажность, требующие использования защитных кожухов, ухудшающих естественный теплообмен.

Способы организации принудительного охлаждения

Существует две основные схемы организации принудительного снижения температуры, выбор которой зависит от конкретных условий эксплуатации и требований к двигателю.

Принудительное воздушное охлаждение (принцип вентилятора)

Это наиболее распространенный и относительно простой способ. На валу двигателя или отдельно устанавливается вентилятор, который создает мощный направленный поток воздуха. Этот поток обдувает корпус оборудования, интенсивно отводя тепло от ребер станины.

• Встроенное решение: вентилятор размещается на валу двигателя внутри защитного кожуха. Это компактная конструкция, но его эффективность падает с уменьшением скорости вращения.
• Внешнее (независимое) решение представляет собой кожух (как правило, алюминиевый цилиндр) с вентилятором внутри, скорость вращения которого не зависит от скорости вращения вала электродвигателя, что обеспечивает эффективное охлаждение независимо от режима работы электродвигателя.

Важно, что независимая вентиляция устанавливается на место штатного кожуха, крепится штатными винтами и не требует никакой доработки или модернизации электродвигателя.

В ассортименте «РусАвтоматизации» вы найдете проверенное временем решение для двигателей габарита от 63 до 200 – независимая вентиляция INNORED.

Ее преимущества:

• универсальное крепление по стандарту DIN, соответствует отечественным двигателям АИС;
• большая глубина защитного кожуха позволяет монтировать на двигатели с тормозом и датчиком угла положения (энкодером);
• клеммная коробка с классом защиты IP55.

Принудительное жидкостное охлаждение (принцип радиатора)

Это более сложная, но и значительно более эффективная система, используемая в самых тяжелых условиях или в машинах компактного размера. В качестве теплоносителя обычно используется вода или специальные жидкости.

• Принцип действия.
  На корпусе двигателя монтируется рубашка охлаждения (полая оболочка), по которой циркулирует теплоноситель. Нагретая жидкость отводится в внешний теплообменник (радиатор), где охлаждается, и снова подается в рубашку с помощью насоса.
• Преимущества.
  Высокая эффективность отвода тепла, компактность, нечувствительность к температуре окружающей среды, возможность использования тепла двигателя для других нужд (рекуперация).
• Недостатки.
  Сложность конструкции, высокая стоимость, риск утечек и коррозии.

Проблемы и сложности организации принудительного охлаждения

Решение о внедрении принудительного снижения температуры оборудования – это не просто установка вентилятора. Это комплекс инженерных задач, которые несут за собой следующие проблемы:

• Усложнение конструкции и рост затрат: двигатель превращается из простого устройства в сложный агрегат. Требуются дополнительные компоненты: внешний вентилятор (или водяной насос с радиатором), воздуховоды, датчики температуры, система управления. Это увеличивает как начальную стоимость оборудования, так и затраты на его дальнейшее обслуживание.
• Появление новых точек отказа: добавочная мера сама по себе становится объектом повышенного внимания, поскольку содержит новые устройства.
• Проблема загрязнения и необходимость обслуживания: принудительное воздушное охлаждение активно затягивает в двигатель пыль, влагу, масляную взвесь. Эти загрязнения оседают на ребрах статора, создавая теплоизолирующий слой, который резко ухудшает теплоотвод и вызывает перегрев. Это требует регулярной и частой очистки двигателя. В жидкостных системах возникают риски засорения, коррозии и утечек.
• Дополнительное энергопотребление, шум и вибрация: система внешнего охлаждения потребляет электроэнергию, снижая общий КПД установки. Новые вентиляторы – еще одни источники шума, могут создавать большую вибрацию, что не всегда допустимо.

Что грозит производству при отказе от принудительного охлаждения? Риски перегрева

Если для технологического режима работы двигателя принудительное охлаждение необходимо, но им пренебрегли, последствия будут катастрофическими и многократно превысят затраты на организацию охлаждения.

1. Прямое и быстрое разрушение двигателя.

• Деградация и пробой изоляции: это основная угроза. Превышение температуры всего на 10 °C выше допустимой для класса изоляции сокращает ее ресурс вдвое. Последующие перегревы приводят к хрупкости и растрескиванию изоляции, что вызывает межвитковые замыкания и замыкания на корпус. Итог – необходимость дорогой перемотки статора или полная замена двигателя.

Класс изоляции электродвигателя непременно присутствует на шильдике.

Для справки. В соответствии с ГОСТ Р МЭК 60085-2011 существует классификация нагревостойкости изоляции и соответствующая этим классам фактическая температура изоляции: Y (90 °C), A (105 °C), E (120 °C), B (130 °C), F (155 °C), H (180 °C), N (200 °C), R (220°C), 250 (250 °C).

В части буквенного обозначения классов нагревостойкости вышеуказанный ГОСТ схож (но не идентичен) с классификацией, установленной национальной ассоциацией производителей электрооборудования (NEMA).

• Разрушение подшипников. Высокая температура меняет свойства смазки (она вытекает или спекается), вызывает тепловое расширение колец и тел качения, что приводит к заклиниванию подшипникового узла.

2. Остановка производства и финансовые потери. Внезапный выход из строя двигателя, приводящего в действие критический станок, насос или конвейер, останавливает всю технологическую цепочку. Простой производства исчисляется десятками или сотнями тысяч рублей в час из-за невыпущенной продукции.

3. Нарушение технологии и брак. Перегретый двигатель теряет мощность и работает нестабильно. Это приводит к отклонениям в технологическом процессе: изменению скоростей, давлений, усилий. Результат — массовый брак продукции, порча сырья и необходимость переработки.

4. Пожароопасность. Сильный перегрев, искрение при замыкании обмоток могут привести к возгоранию изоляции и последующему пожару, что создает угрозу жизни персонала и целостности предприятия.

5. Рост эксплуатационных расходов. Перегретый двигатель имеет повышенное сопротивление обмоток, что ведет к большим потерям электроэнергии и увеличению счетов за электричество.

Заключение

Организация принудительного охлаждения для электродвигателей, работающих в тяжелых режимах, – это не излишество, а обязательная инженерная мера. Связанные с ее внедрением вопросы (стоимость, обслуживание), являются планируемыми и управляемыми расходами.

Риски же от пренебрежения адекватным охлаждением несут катастрофические последствия. Они приводят к прямым убыткам, многократно превышающим экономию на системе охлаждения. Поэтому корректный тепловой расчет и проектирование эффективной системы охлаждения – это не статья расходов, а стратегическая инвестиция в бесперебойность, безопасность и рентабельность всего производства. Выбор между управляемыми затратами на охлаждение и высокими рисками перегрева очевиден.

Обратитесь к специалистам компании ООО «РусАвтоматизация» для правильного подбора типоразмера кожуха независимой вентиляции.