Metodi di raffreddamento del motore elettrico: IC411, IC416, IC410 e influenza del luogo di montaggio

Un motore da 22 kW che lavora a pieno carico assorbe dalla rete più di 22 kW. In classe IE3, per un 4 poli di questa potenza il limite di rendimento è del 93,0%: il motore assorbe quindi circa 23,7 kW e trasforma in calore la differenza di 1,66 kW. È come se una piccola stufa elettrica funzionasse in continuo all'interno della carcassa. Se questo calore non viene trasferito da avvolgimento, rotore e lamierini alla carcassa, e da qui all'aria, la temperatura sale e la vita dell'isolamento si accorcia.

Il metodo di raffreddamento descrive come questo calore viene smaltito all'esterno. Il codice IC a catalogo riporta questa descrizione in forma abbreviata. Il codice da solo però non basta: è il luogo di installazione del motore a determinare se il raffreddamento funzionerà bene come sulla carta.

Da dove nasce il calore e dove va?

La maggior parte delle perdite di un motore asincrono è costituita dalle perdite nel rame dell'avvolgimento statorico, dalle perdite nella gabbia rotorica e dalle perdite nel ferro dei lamierini. Anche l'attrito dei cuscinetti e la ventola stessa contribuiscono in piccola parte. In un motore a carcassa chiusa il calore segue questo percorso: avvolgimento e lamierini lo trasmettono alla carcassa, le alette sulla superficie esterna lo cedono all'aria e la ventola posteriore fa passare continuamente aria tra le alette.

Con l'aumentare della classe di rendimento diminuisce il calore da smaltire. Nello stesso motore da 22 kW a 4 poli il limite IE4 è del 94,5% e la perdita scende a circa 1,28 kW. In IE5, con il 95,5%, scende a circa 1,04 kW. Questa differenza alleggerisce il sistema di raffreddamento, ma non lo rende superfluo. Il calcolo energetico delle classi di rendimento è trattato nel confronto sull'investimento tra IE3 e IE4.

Come si legge il codice IC?

Le cifre che seguono le lettere IC indicano come l'aria viene fatta circolare sul motore e che cosa genera questo movimento. I tre codici più frequenti sul campo sono:

• IC411: carcassa chiusa, alette esterne, ventola sull'estremità posteriore dell'albero. L'aria scorre lungo le alette, guidata dal copriventola. Poiché la ventola ruota con il motore, il raffreddamento dipende dalla velocità. È il metodo di raffreddamento standard delle serie trifase HEM Motor.
• IC416: la struttura della carcassa è la stessa, ma la ventola è azionata da un piccolo motore separato. La portata d'aria è indipendente dalla velocità del motore principale.
• IC410: senza ventola. La carcassa si raffredda per convezione naturale o grazie al flusso d'aria generato dall'apparecchiatura azionata. Questa soluzione si usa ad esempio in alcuni motori per ventilatori assiali collocati all'interno del flusso d'aria.

Il codice è importante come riga d'ordine perché la potenza nominale del motore è riferita a una determinata ipotesi di raffreddamento. La potenza a catalogo, per IC411, è definita per una temperatura ambiente massima di 40 °C, un'altitudine massima di 1000 m e un montaggio in cui la ventola possa aspirare liberamente l'aria.

Come il luogo di montaggio compromette il raffreddamento

Nella maggior parte dei casi di surriscaldamento che incontriamo sul campo il codice di raffreddamento del motore è corretto, ma il motore è stato collocato dove non riesce a prendere aria. Gli esempi più frequenti sono:

• Copriventola a ridosso di una parete: per farlo stare nel telaio della macchina, il motore viene posizionato con il lato ventola quasi a contatto con un pannello in lamiera. Invece di aspirare aria, la ventola ricircola la propria aria calda. Dietro il copriventola va lasciato lo spazio indicato nelle istruzioni di montaggio.
• Cabina chiusa: per ridurre il rumore il motore viene racchiuso in una cabina priva di ventilazione. L'aria all'interno sale in poche ore a 50–55 °C. Il motore non lavora più in un ambiente a 40 °C, ma immerso nel calore che produce.
• Polvere e fibre sulle alette: in molini, tessiture, lavorazione del legno o mangimifici gli spazi tra le alette si riempiono e la superficie si ricopre di uno strato isolante. La corrente non cambia, ma la temperatura dell'avvolgimento sale.
• Sole diretto: una carcassa installata sul tetto o all'aperto, soprattutto se di colore scuro, a mezzogiorno d'estate è sensibilmente più calda dell'ambiente esterno.
• Vicinanza a una fonte di aria calda: se la bocca di un forno, l'uscita di un compressore o l'aria di scarico di un altro motore sono rivolte verso l'aspirazione della ventola, la temperatura ambiente è di fatto più alta.

Nessuna di queste situazioni compare sulla targa del motore. Spesso nemmeno il relè termico se ne accorge, perché la corrente è normale. Se si desidera misurare la temperatura all'interno dell'avvolgimento, il sensore opzionale PTC o PT100 va indicato in fase d'ordine.

Oltre il limite di 40 °C e 1000 m

I valori nominali a catalogo valgono per temperature ambiente comprese tra −15 °C e +40 °C e per altitudini fino a 1000 m. Con l'altitudine l'aria si rarefà e la stessa ventola trasporta meno calore. Quando la temperatura ambiente supera i 40 °C, invece, si riduce la differenza di temperatura tra aria e avvolgimento. In entrambi i casi le opzioni sono due: caricare il motore al di sotto della potenza nominale oppure scegliere un motore di potenza superiore. Quale sia la strada giusta dipende dal profilo di carico. Gli ambienti oltre i 40 °C vanno segnalati prima dell'ordine. Il ruolo della classe di isolamento e del materiale della carcassa in ambienti caldi e polverosi è descritto nell'articolo sulla scelta del motore per ambienti caldi e polverosi.

Quando serve la ventilazione forzata?

Nel motore IC411 la ventola gira alla stessa velocità del motore. Per un motore alimentato direttamente dalla rete non è un problema. Se però con un convertitore di frequenza la velocità viene ridotta a lungo e la coppia resistente resta costante, anche la corrente rimane quasi invariata; l'aria mossa dalla ventola, invece, diminuisce sensibilmente. Trasportatori, estrusori e pompe volumetriche sono esempi tipici di questa situazione. In un'applicazione del genere può servire una ventola ad alimentazione separata, cioè la struttura IC416; questa opzione va richiesta in fase d'ordine. Nelle pompe centrifughe e nei ventilatori, invece, poiché la coppia cala rapidamente con la velocità, di solito il problema non si pone. Questa distinzione in base al tipo di carico è spiegata nel confronto tra coppia costante e coppia variabile, mentre la scelta del codice di raffreddamento a bassa velocità è approfondita nell'articolo sui codici di raffreddamento IC411 e IC416.

Un breve controllo prima del montaggio

1. Dietro il copriventola e intorno alle alette c'è un pannello o una parete che ostacola la circolazione dell'aria?
2. Se il motore è in una cabina, sono stati progettati ingresso e uscita dell'aria?
3. L'aria aspirata proviene da un'altra fonte di calore?
4. Nei mesi estivi la temperatura ambiente supera i 40 °C o l'altitudine i 1000 m?
5. Nell'ambiente ci sono polveri o fibre che possono intasare le alette? In tal caso, la frequenza di pulizia è prevista nel piano di manutenzione?
6. Il motore funzionerà con azionamento, a coppia costante e a lungo a bassa velocità?

Nel montaggio verticale, soprattutto con albero in basso e ventola in alto, anche oggetti e acqua che cadono dall'alto sul copriventola possono ostruire l'ingresso dell'aria. Queste situazioni vanno valutate insieme alla forma costruttiva.

Conclusione

Nella scelta del metodo di raffreddamento la domanda da porsi non è tanto "quale codice IC?" quanto "dove andrà, in questo luogo, il calore prodotto da questo motore?". La struttura standard IC411 copre un'ampia gamma di applicazioni, purché trovi aria davanti e dietro. Condizioni come cabina, sole, polvere e bassa velocità sono invece aspetti da discutere prima dell'ordine. Per ambienti gravosi si possono valutare i motori elettrici con carcassa in ghisa. Se ci descrive il luogo di montaggio e le condizioni di esercizio, possiamo definire insieme la soluzione adatta.

Domande frequenti

Se la carcassa del motore è troppo calda per toccarla, il motore è guasto?

Non sempre. La carcassa di un motore a pieno carico può raggiungere facilmente 60–70 °C, valore inferiore alla temperatura dell'avvolgimento. Per un confronto, la paragoni con le misure precedenti allo stesso carico; se c'è un aumento evidente, controlli alette, copriventola e carico.

Togliere il copriventola e far girare il motore scoperto migliora il raffreddamento?

No, lo peggiora. Il copriventola convoglia l'aria tra le alette; senza di esso l'aria si disperde e non raggiunge gran parte della carcassa. Inoltre la ventola che gira scoperta costituisce un serio rischio per la sicurezza sul lavoro.

Cosa fare per un motore in una cabina chiusa?

Va progettato per la cabina un sistema di ingresso e uscita che espella l'aria calda, facendo in modo che l'aria aspirata dal motore provenga dall'esterno della cabina. Se non è possibile, occorre misurare la temperatura reale all'interno della cabina e declassare il motore in base a essa oppure sceglierne uno di potenza superiore.

Il motore senza ventola IC410 si può usare ovunque?

No. Un motore senza ventola è progettato per ricevere il raffreddamento necessario da un flusso d'aria esterno. Senza questo flusso non può erogare in continuo la potenza di un motore con ventola della stessa carcassa.