Способы охлаждения электродвигателей: IC411, IC416, IC410 и влияние места установки

Двигатель мощностью 22 кВт при работе с полной нагрузкой потребляет из сети более 22 кВт. Для класса IE3 у 4-полюсного двигателя этой мощности предельное значение КПД составляет 93,0 %; то есть двигатель потребляет около 23,7 кВт, а разницу в 1,66 кВт превращает в тепло. Это всё равно что внутри корпуса постоянно работает небольшой электрический обогреватель. Если это тепло не удаётся отвести от обмотки, ротора и пакета стали к корпусу, а оттуда в воздух, температура повышается и срок службы изоляции сокращается.

Способ охлаждения — это описание того, как это тепло отводится наружу. Код IC в каталоге даёт это описание в сокращённом виде. Однако одного кода недостаточно; место установки двигателя определяет, будет ли охлаждение работать так же хорошо, как на бумаге.

Откуда берётся тепло и куда оно уходит?

Большая часть потерь в асинхронном двигателе складывается из потерь в меди обмотки статора, потерь в роторе и потерь в стали магнитопровода. Небольшую долю составляют также трение в подшипниках и сам вентилятор. В двигателе с закрытым корпусом путь этого тепла следующий: обмотка и пакет стали передают тепло корпусу, рёбра на наружной поверхности корпуса отдают тепло воздуху, а вентилятор сзади непрерывно прогоняет воздух между этими рёбрами.

С повышением класса энергоэффективности количество тепла, которое необходимо отвести, уменьшается. Для того же 4-полюсного двигателя 22 кВт предел IE4 составляет 94,5 %, и потери снижаются примерно до 1,28 кВт. Для IE5 при 95,5 % они снижаются примерно до 1,04 кВт. Эта разница облегчает работу системы охлаждения, но не делает её ненужной. Энергетический расчёт классов энергоэффективности рассмотрен в инвестиционном сравнении IE3 или IE4.

Как читать код IC?

Цифры после букв IC описывают, как воздух циркулирует по двигателю и что обеспечивает это движение. Три кода, чаще всего встречающиеся на практике:

• IC411: закрытый корпус, рёбра снаружи, вентилятор на заднем конце вала. Воздух, направляемый кожухом вентилятора, проходит вдоль рёбер. Поскольку вентилятор вращается вместе с двигателем, охлаждение зависит от частоты вращения. Это стандартный способ охлаждения в трёхфазных сериях HEM Motor.
• IC416: конструкция корпуса та же, однако вентилятор вращает отдельный небольшой двигатель. Расход воздуха не зависит от частоты вращения основного двигателя.
• IC410: вентилятора нет. Корпус охлаждается естественной конвекцией или потоком воздуха, создаваемым приводимым оборудованием. Например, такая конструкция применяется в некоторых двигателях осевых вентиляторов, установленных в воздушном потоке.

Код важен как строка заказа потому, что номинальная мощность двигателя указывается для определённого допущения об охлаждении. Мощность в каталоге для IC411 определена для температуры окружающей среды не выше 40 °C, высоты не более 1000 m и условий монтажа, при которых вентилятор может свободно забирать воздух.

Как место установки ухудшает охлаждение?

В большинстве случаев перегрева, с которыми мы сталкиваемся на практике, код охлаждения двигателя правильный, но двигатель установлен там, где он не может получать воздух. Частые примеры:

• Кожух вентилятора упирается в стену: чтобы вписать двигатель в раму машины, его устанавливают так, что сторона вентилятора почти касается металлической панели. Вместо забора воздуха вентилятор гоняет собственный горячий воздух. За кожухом вентилятора необходимо оставлять зазор, указанный в инструкции по монтажу.
• Закрытый шкаф: для снижения шума двигатель помещают в шкаф, но шкаф не вентилируется. Воздух внутри шкафа за несколько часов нагревается до 50–55 °C. Двигатель работает уже не в среде с температурой 40 °C, а в собственном выделяемом тепле.
• Пыль и волокна на рёбрах: на мельницах, текстильных, деревообрабатывающих и комбикормовых предприятиях промежутки между рёбрами забиваются, и поверхность покрывается теплоизолирующим слоем. Ток не меняется, но температура обмотки растёт.
• Прямые солнечные лучи: корпус, установленный на крыше или на открытой площадке, особенно тёмного цвета, летом в полдень заметно горячее окружающего воздуха.
• Рядом с источником горячего воздуха: если на всасывание вентилятора направлены устье печи, выход компрессора или отработанный воздух другого двигателя, фактическая температура окружающей среды выше.

Ни одна из этих ситуаций не отражается на заводской табличке двигателя. Тепловое реле в большинстве случаев также ничего не замечает, поскольку ток нормальный. Если вы хотите измерять температуру внутри обмотки, опциональный датчик PTC или PT100 следует указать на этапе заказа.

За пределами 40 °C и 1000 m

Каталожные номинальные значения действительны для температуры окружающей среды от −15 °C до +40 °C и высоты до 1000 m. С увеличением высоты воздух становится более разреженным, и тот же вентилятор отводит меньше тепла. Когда же температура окружающей среды превышает 40 °C, разница температур между воздухом и обмоткой уменьшается. В обоих случаях есть два варианта: нагружать двигатель ниже номинальной мощности или выбрать двигатель на ступень большей мощности. Какой путь правильный, зависит от профиля нагрузки. О среде с температурой выше 40 °C следует сообщать до оформления заказа. Роль класса изоляции и материала корпуса в жаркой и пыльной среде описана в статье о выборе двигателя для жаркой и пыльной среды.

Когда нужен принудительный вентилятор?

В двигателе IC411 вентилятор вращается с той же скоростью, что и двигатель. Для двигателя, работающего напрямую от сети, это не проблема. Однако если частота вращения длительно снижается преобразователем частоты, а момент нагрузки остаётся постоянным, ток тоже остаётся почти прежним; при этом поток воздуха от вентилятора заметно уменьшается. Конвейер, экструдер и объёмный насос — типичные примеры такой ситуации. В таком применении может потребоваться вентилятор с отдельным питанием, то есть исполнение IC416; этот вариант следует уточнить на этапе заказа. У центробежных насосов и вентиляторов при снижении частоты вращения момент также быстро уменьшается, поэтому проблема обычно не возникает. Это различие в зависимости от типа нагрузки подробно описано в сравнении постоянного и переменного момента, а выбор кода охлаждения при низкой частоте вращения — в статье о кодах охлаждения IC411 и IC416.

Краткая проверка перед монтажом

1. Есть ли за кожухом вентилятора и вокруг рёбер панель или стена, препятствующая циркуляции воздуха?
2. Если двигатель находится внутри шкафа, предусмотрены ли в шкафу вход и выход воздуха?
3. Не поступает ли всасываемый воздух от другого источника тепла?
4. Превышает ли температура окружающей среды в летние месяцы 40 °C, а высота — 1000 m?
5. Есть ли в среде пыль или волокна, способные забить рёбра? Если есть, предусмотрена ли периодичность очистки в плане обслуживания?
6. Будет ли двигатель работать от преобразователя частоты, при постоянном моменте и длительно на низкой частоте вращения?

При вертикальном монтаже, особенно в положении валом вниз и вентилятором вверх, падающие сверху на кожух вентилятора предметы и вода также могут перекрыть вход воздуха. Такие ситуации следует рассматривать вместе с монтажным исполнением.

Заключение

При выборе способа охлаждения вопрос должен звучать не столько «какой код IC?», сколько «куда в этом месте денется тепло, выделяемое этим двигателем?». Стандартное исполнение IC411 подходит для широкого спектра применений, пока перед ним и за ним есть доступ воздуха. Такие условия, как шкаф, солнце, пыль и низкая частота вращения, следует обсуждать до оформления заказа. Для тяжёлых условий можно рассмотреть электродвигатели с чугунным корпусом. Если вы поделитесь с нами местом установки и условиями работы, мы вместе определим подходящее исполнение.

Часто задаваемые вопросы

Если корпус двигателя настолько горячий, что его нельзя держать рукой, он неисправен?

Не всегда. Корпус двигателя, работающего с полной нагрузкой, вполне может нагреваться до 60–70 °C, и это значение ниже температуры обмотки. Для сравнения сопоставьте с вашими предыдущими измерениями при той же нагрузке; при заметном росте проверьте рёбра, кожух вентилятора и нагрузку.

Улучшает ли охлаждение снятие кожуха вентилятора и работа двигателя в открытом виде?

Нет, ухудшает. Кожух вентилятора направляет воздух между рёбрами; без кожуха воздух рассеивается и не достигает большей части корпуса. Кроме того, открыто вращающийся вентилятор создаёт серьёзную угрозу безопасности труда.

Что делать с двигателем в закрытом шкафу?

Для шкафа следует спроектировать систему входа и выхода воздуха, отводящую горячий воздух наружу, и обеспечить, чтобы двигатель забирал воздух снаружи шкафа. Если это невозможно, следует измерить фактическую температуру внутри шкафа и выбрать двигатель с учётом этой температуры — со снижением мощности или на ступень большей мощности.

Можно ли использовать двигатель IC410 без вентилятора везде?

Нет. Двигатель без вентилятора спроектирован так, чтобы получать необходимое охлаждение от внешнего воздушного потока. Без этого потока он не может длительно отдавать ту мощность, которую выдаёт двигатель с вентилятором в том же корпусе.