Durata del motore elettrico: perché avvolgimento e cuscinetti si usurano precocemente e come allungarne la vita

Immagini due motori da 15 kW acquistati lo stesso giorno, con lo stesso ordine. Uno lavora da anni nel locale pompe di un serbatoio idrico, in un ambiente fresco e asciutto, a circa tre quarti del carico nominale. Il cuscinetto è stato sostituito una volta, per il resto non è mai stato toccato. L'altro traina un nastro trasportatore in una cava. Il basamento è un po' cedevole, l'allineamento del giunto si è spostato più volte, il copriventola si riempie di polvere ogni settimana e il nastro si avvia spesso a pieno carico. Il secondo motore si è bruciato nell'avvolgimento al terzo anno. I motori erano identici; diverse erano le condizioni in cui ciascuno ha lavorato.

La domanda "Quanti anni dura un motore?" non ha una risposta unica, perché la durata non è scritta sulla targa del motore, ma si decide nel luogo in cui lavora. È però abbastanza chiaro cosa determina questa durata: la vita di un motore asincrono è consumata da due componenti, l'isolamento dell'avvolgimento e i cuscinetti. Il resto del motore, cioè carcassa, pacco lamellare e albero, se usato correttamente dura molto più a lungo di questi due.

Il primo orologio: isolamento dell'avvolgimento e calore

I materiali isolanti dell'avvolgimento invecchiano lentamente con la temperatura. Nella pratica ingegneristica generale si usa spesso una regola: se l'isolamento lavora in continuo circa 10 °C sopra la temperatura ammessa dalla sua classe, la durata attesa si dimezza all'incirca. Vale anche il contrario: un avvolgimento che lavora più freddo dura di più. Questa regola non è un calcolo esatto ma un indicatore di tendenza; spiega però bene quanto sia forte l'effetto del calore sulla durata.

Come viene usato il margine termico si può vedere con un esempio. Nelle serie trifase di HEM Motor la classe di isolamento standard è la F (155 °C). Il riferimento per la temperatura dell'avvolgimento è al massimo 110 °C e l'obiettivo di sovratemperatura è inferiore a 75 K; il valore esatto è riportato nel rapporto di prova del modello. Ciò significa che l'avvolgimento lavora lasciando un margine netto rispetto al limite della classe F. Questo margine permette al motore di resistere anche in condizioni impreviste. Ogni situazione sfavorevole sul campo, però, ne consuma una parte:

• sovraccarico continuo, cioè funzionamento sopra la corrente di targa;
• alette piene di polvere o un copriventola che non riesce ad aspirare aria;
• temperatura ambiente oltre i 40 °C o altitudine superiore a 1000 m;
• squilibrio di tensione tra le fasi: anche una piccola differenza di tensione provoca un aumento sproporzionato di corrente e riscaldamento;
• avviamenti e arresti frequenti: a ogni avviamento nell'avvolgimento passa una corrente pari a diverse volte quella nominale;
• funzionamento prolungato a bassa velocità e coppia costante con inverter.

Questi effetti si sommano. Ciascuno da solo può non bastare a bruciare il motore, ma quando due o tre si presentano insieme il margine si esaurisce rapidamente. È esattamente la storia del secondo motore: polvere, frequenti avviamenti a pieno carico e un leggero sovraccarico si erano sommati.

Il secondo orologio: i cuscinetti

La durata dei cuscinetti si può calcolare in base a carico, velocità e condizioni di lubrificazione. La durata indicata nei cataloghi vale per un cuscinetto correttamente allineato, pulito e ben lubrificato. Sul campo i fattori che la accorciano sono spesso esterni al motore:

• Disallineamento: il disassamento tra motore e macchina impone un carico aggiuntivo continuo al supporto. Il giunto elastico sembra "tollerare" il disassamento, ma il carico si trasferisce al cuscinetto. Come eseguire l'allineamento è spiegato nell'articolo sulla scelta del giunto e sull'allineamento degli alberi.
• Tensione eccessiva della cinghia: negli azionamenti a cinghia carica radialmente il supporto anteriore; una cinghia più tesa del necessario accorcia rapidamente la durata del cuscinetto.
• Basamento cedevole: invece di smorzare le vibrazioni le amplifica. Il cuscinetto sopporta continuamente queste vibrazioni.
• Lubrificazione: sia il grasso scarso sia quello in eccesso creano problemi. Il grasso in eccesso viene sbattuto all'interno del supporto e provoca riscaldamento.
• Umidità e sporcizia: acqua o polvere che filtrano dalla tenuta degradano il grasso e usurano le piste di rotolamento.
• Correnti d'albero: sulle grandezze maggiori alimentate da inverter, senza adeguate misure, sulla superficie del cuscinetto possono formarsi segni di erosione elettrica. In questo caso possono servire cuscinetti isolati o una messa a terra dell'albero.

Il guasto del cuscinetto provoca spesso anche un secondo danno. Il cuscinetto deteriorato fa uscire il rotore dal centro, il rotore può strisciare contro lo statore e questo attrito può bruciare anche l'avvolgimento. Per questo una parte dei guasti registrati come bruciatura dell'avvolgimento inizia in realtà dal cuscinetto.

Decisioni prese prima che il motore arrivi sul campo

La durata si definisce in gran parte con le scelte fatte in fase di acquisto. L'errore più frequente è scegliere il motore in modo che lavori al limite. Un motore che copre esattamente il carico calcolato inizia a consumare il margine termico alla prima sorpresa sul campo: un materiale un po' più pesante, un filtro sporco o una calda giornata estiva. Al contrario, anche scegliere un motore molto più grande del necessario riduce rendimento e fattore di potenza. Il giusto equilibrio è che il motore, nel normale esercizio, sia caricato sotto la potenza nominale ma in una misura ragionevole. L'argomento è trattato con dati numerici nell'articolo su fattore di carico del motore e corretto dimensionamento.

Anche l'ambiente fa parte della scelta. In presenza di installazione all'aperto, lavaggi, polvere, vapori chimici o aria marina, grado di protezione (IP55 standard, IP56 e IP65 su richiesta), materiale della carcassa e ciclo di verniciatura vanno definiti di conseguenza. Nei servizi continui e gravosi la carcassa in ghisa offre una struttura più robusta contro urti e vibrazioni. Anche condizioni di esercizio come avviamenti e arresti frequenti, avviamenti lunghi o bassa velocità con inverter vanno indicate chiaramente nell'ordine, perché queste informazioni determinano come il motore utilizzerà il proprio margine termico.

Abitudini che preservano la durata in montaggio ed esercizio

Il primo avviamento è uno dei giorni più decisivi in tutta la vita del motore. Se quel giorno allineamento, solidità del basamento, collegamenti e taratura delle protezioni sono eseguiti correttamente, gran parte degli anni successivi trascorre regolarmente da sé. Questi passaggi sono elencati in ordine nella lista di controllo per la messa in servizio. Per i motori rimasti a lungo a magazzino è inoltre importante il controllo dell'umidità prima del primo avviamento.

Durante l'esercizio, alcune operazioni regolari rallentano entrambi gli orologi:

• mantenere pulite alette e copriventola;
• misurare di tanto in tanto la corrente e confrontarla con il valore di targa; una corrente che sale lentamente è il primo segnale di una variazione del carico;
• ascoltare o misurare rumore e vibrazioni dei cuscinetti; se la variazione è rilevata per tempo, il cuscinetto si può sostituire prima che danneggi l'avvolgimento;
• nei motori con ingrassatore, rispettare intervallo e quantità di ingrassaggio;
• verificare che la protezione termica sia tarata sulla corrente del motore.

Con quale frequenza eseguire queste operazioni, insieme al dettaglio dei controlli giornalieri, mensili e annuali, è indicato nell'articolo calendario di manutenzione periodica. Rispettando questo calendario il ritmo di entrambi gli orologi rallenta sensibilmente.

C'è un altro punto da non dimenticare: le registrazioni della manutenzione. Se i valori misurati di corrente, temperatura e vibrazioni non vengono annotati, le variazioni che si sviluppano lentamente passano inosservate.

Dove cercare la qualità?

Nella scelta di un motore, le caratteristiche rilevanti per la durata sono quelle che determinano la lentezza dei due orologi: conduttore dell'avvolgimento e metodo di impregnazione, classe di isolamento e margine termico, qualità dell'equilibratura del rotore, struttura della carcassa, grado di protezione e prove di routine eseguite dal produttore. Nelle serie HEM Motor si utilizzano avvolgimento in rame elettrolitico al 100%, impregnazione sotto vuoto, classe di isolamento F, equilibratura dinamica G2.5 / G6.3 e carcassa in ghisa GG20. Le prove di routine comprendono resistenza dell'avvolgimento, resistenza di isolamento e prova ad alta tensione, misura di rumore e vibrazioni e controlli di funzionamento a vuoto e a carico. Queste informazioni offrono un quadro concreto per confrontare diverse offerte dal punto di vista della durata.

Conclusione

La durata di un motore elettrico si misura con due orologi: l'invecchiamento termico dell'avvolgimento e la fatica dei cuscinetti. La maggior parte di ciò che accelera questi due orologi è esterna al motore: dimensionamento errato, montaggio scadente, percorso di raffreddamento sporco e protezioni insufficienti sono i primi della lista. Un motore scelto e installato correttamente dura molte volte di più del suo gemello dello stesso modello in condizioni difficili. Per gli ambienti gravosi può esaminare i motori elettrici con carcassa in ghisa e, condividendo con noi le condizioni della Sua applicazione, possiamo fare insieme la scelta adatta.

Domande frequenti

Quanti anni lavora in media un motore elettrico?

Indicare un'unica media sarebbe fuorviante, perché la durata dipende in gran parte dalle condizioni di esercizio. Un motore in un ambiente fresco, pulito e correttamente caricato può lavorare moltissimi anni con le sostituzioni dei cuscinetti; in un ambiente caldo, polveroso e sovraccarico lo stesso motore può guastarsi in pochi anni.

La maggior parte dei guasti dei motori deriva dall'avvolgimento o dai cuscinetti?

Sul campo i guasti legati ai cuscinetti sono molto diffusi e una parte di essi si trasforma col tempo in danno all'avvolgimento. Un cuscinetto deteriorato può far strisciare il rotore contro lo statore; per questo alcuni guasti registrati come "avvolgimento bruciato" sono in realtà iniziati dal cuscinetto.

Scegliere il motore di una potenza superiore ne allunga la durata?

Con carichi gravosi o variabili, in ambienti caldi o con avviamenti frequenti, un margine di potenza ragionevole fa lavorare l'avvolgimento più freddo e incide positivamente sulla durata. Scegliere però un motore molto più grande del necessario riduce rendimento e fattore di potenza; l'obiettivo è lavorare a un carico ragionevole, non al limite.

Un motore riavvolto dura quanto un motore nuovo?

Dipende dalla qualità dell'avvolgimento, dai materiali usati e dal fatto che il pacco lamellare sia stato danneggiato o meno durante lo smontaggio. Un avvolgimento eseguito in una buona officina può durare a lungo, ma rendimento e durata possono comunque non essere gli stessi di un motore nuovo; la decisione va presa considerando insieme costo e criticità.