Срок службы электродвигателя: почему обмотка и подшипники изнашиваются преждевременно и как продлить срок службы?

Представьте два двигателя по 15 кВт, купленных в один день по одному заказу. Один годами работает в насосной резервуара для воды, в прохладной и сухой среде, примерно на три четверти полной нагрузки. Подшипник в нём меняли один раз, в остальном его не трогали. Другой приводит конвейер в карьере. Основание немного податливое, центровка муфты несколько раз сбивалась, кожух вентилятора каждую неделю забивается пылью, а конвейер часто запускается загруженным. Второй двигатель на третьем году сгорел по обмотке. Двигатели были одинаковыми; различались условия, в которых работал каждый из них.

На вопрос «сколько лет прослужит двигатель?» нет единого ответа, потому что срок службы определяется не на заводской табличке, а на месте эксплуатации. Тем не менее, что определяет этот срок, вполне ясно: ресурс асинхронного двигателя расходуют две части — изоляция обмотки и подшипники. Остальная часть двигателя, то есть литой корпус, пакет стали и вал, при правильной эксплуатации живёт намного дольше этих двух.

Первые «часы»: изоляция обмотки и тепло

Изоляционные материалы обмотки постепенно стареют под действием температуры. В общей инженерной практике часто используется правило: если изоляция постоянно работает при температуре примерно на 10 °C выше допустимой для её класса, ожидаемый срок службы сокращается примерно вдвое. Верно и обратное: обмотка, работающая при меньшей температуре, служит дольше. Это правило — не точный расчёт, а показатель тенденции; однако оно хорошо показывает, насколько сильно тепло влияет на срок службы.

Как используется тепловой запас, можно увидеть на примере. В трёхфазных сериях HEM Motor класс изоляции стандартно F (155 °C). Эталонная температура обмотки — не более 110 °C, а целевое значение превышения температуры — ниже 75 K; точное значение приводится в протоколе испытаний модели. Это означает, что обмотка будет работать с заметным запасом относительно предела класса F. Этот запас позволяет двигателю выдерживать и непредвиденные условия. Однако каждый неблагоприятный фактор на объекте расходует часть этого запаса:

• Постоянная перегрузка, то есть работа с током выше значения на заводской табличке.
• Забитые пылью рёбра или кожух вентилятора, не получающий воздуха.
• Температура окружающей среды выше 40 °C или высота над уровнем моря более 1000 м.
• Несимметрия напряжений между фазами; даже небольшая разница напряжений вызывает непропорциональный рост тока и нагрева.
• Частые пуски и остановы; при каждом пуске через обмотку проходит ток, в несколько раз превышающий номинальный.
• Длительная работа с преобразователем частоты на низкой частоте вращения при постоянном моменте.

Эти воздействия суммируются. Каждое по отдельности может быть недостаточным, чтобы сжечь двигатель, но когда два или три из них действуют одновременно, запас быстро исчерпывается. История второго двигателя именно такова: сошлись пыль, частые пуски под нагрузкой и небольшая перегрузка.

Вторые «часы»: подшипники

Ресурс подшипников можно рассчитать по нагрузке, частоте вращения и условиям смазки. Ресурс подшипника в каталогах действителен для правильно отцентрованного, чистого и правильно смазанного подшипника. Факторы, сокращающие этот ресурс на практике, чаще всего находятся вне двигателя:

• Несоосность: Смещение осей двигателя и машины создаёт постоянную дополнительную нагрузку на подшипниковую опору. Упругая муфта как будто «допускает» это смещение, но нагрузка передаётся на подшипник. Как выполняется центровка, описано в статье о выборе муфты и центровке валов.
• Чрезмерное натяжение ремня: в ременных передачах создаёт радиальную нагрузку на передний подшипник; перетянутый ремень быстро сокращает срок службы подшипника.
• Нежёсткое основание: не гасит вибрацию, а усиливает её. Подшипник постоянно воспринимает эту вибрацию.
• Смазка: проблемы создаёт как недостаток, так и избыток смазки. Избыточная смазка перемешивается внутри подшипникового узла и вызывает нагрев.
• Влага и грязь: вода или пыль, проникающие через уплотнение, портят смазку и изнашивают дорожки качения.
• Подшипниковые токи: в двигателях больших габаритов, работающих от преобразователя частоты, при отсутствии соответствующих мер на поверхности подшипника могут появиться следы электроэрозии. В этом случае может потребоваться изолированный подшипник или заземление вала.

Отказ подшипника чаще всего влечёт за собой и второе повреждение. Разрушающийся подшипник смещает ротор от центра, ротор может задевать статор, и это трение может сжечь и обмотку. Поэтому часть отказов, зарегистрированных как прогорание обмотки, на самом деле начинается с подшипника.

Решения, принимаемые до того, как двигатель попадёт на объект

Срок службы во многом определяется выбором, сделанным на этапе закупки. Самая частая ошибка здесь — выбрать двигатель, который будет работать на пределе своих возможностей. Двигатель, ровно покрывающий расчётную нагрузку, при первой же неожиданности на объекте, то есть при чуть более тяжёлом материале, загрязнённом фильтре или жарком летнем дне, начинает расходовать свой тепловой запас. Обратная ситуация — выбор двигателя значительно большей мощности, чем нужно, — снижает КПД и коэффициент мощности. Правильный баланс — когда в нормальном режиме двигатель нагружен ниже номинальной мощности, но в разумной степени. Эта тема разобрана в цифрах в статье о коэффициенте загрузки двигателя и правильном подборе мощности.

Условия среды также входят в выбор. Если речь идёт об открытой площадке, мойке, пыли, химических парах или морском воздухе, степень защиты (IP55 стандартно, IP56 и IP65 опционально), материал корпуса и система окраски должны определяться с учётом этого. В продолжительных и тяжёлых режимах чугунный корпус обеспечивает более прочную конструкцию, устойчивую к ударам и вибрации. Такие условия эксплуатации, как частые пуски и остановы, длительный пуск или работа на низких оборотах от преобразователя частоты, также должны быть чётко указаны в заказе, поскольку эта информация определяет, как двигатель будет использовать свой тепловой запас.

Привычки при монтаже и эксплуатации, сохраняющие срок службы

Первый пуск — один из самых определяющих дней за весь срок службы двигателя. Если в этот день правильно выполнены центровка, обеспечена жёсткость основания, правильно сделаны подключение и настройка защиты, большая часть последующих лет пройдёт гладко сама собой. Эти шаги последовательно приведены в контрольном списке ввода в эксплуатацию. Для двигателей, долго пролежавших на складе, перед первым пуском особенно важна проверка на влагу.

В процессе эксплуатации несколько регулярных действий замедляют оба «часовых механизма»:

• Содержать в чистоте рёбра охлаждения и кожух вентилятора.
• Время от времени измерять ток и сравнивать его со значением на заводской табличке; медленно растущий ток — первый признак изменения нагрузки.
• Прослушивать или измерять шум подшипников и вибрацию; если изменение замечено рано, подшипник можно заменить до того, как он повлияет на обмотку.
• В двигателях с пресс-маслёнкой соблюдать интервал и количество смазки.
• Убедиться, что уставка тепловой защиты выполнена по току двигателя.

С какой периодичностью выполнять эти работы, а также подробности ежедневных, ежемесячных и ежегодных проверок приведены в статье график периодического обслуживания. При соблюдении этого графика темп обоих «часовых механизмов» заметно замедляется.

Есть ещё один момент, о котором нельзя забывать: журнал обслуживания. Если измеренные значения тока, температуры и вибрации нигде не записываются, медленно развивающиеся изменения остаются незамеченными.

Где искать качество?

При выборе двигателя значимыми с точки зрения срока службы являются характеристики, определяющие, насколько медленно будут идти оба «часовых механизма»: проводник обмотки и метод пропитки, класс изоляции и тепловой запас, качество балансировки ротора, конструкция корпуса, степень защиты и приёмо-сдаточные испытания, проводимые производителем. В сериях HEM Motor используются обмотка из 100 % электролитической меди, вакуумная пропитка, изоляция класса F, динамическая балансировка G2.5 / G6.3 и чугунный корпус GG20. Приёмо-сдаточные испытания включают измерение сопротивления обмотки, сопротивления изоляции и испытание повышенным напряжением, измерение шума и вибрации, а также проверку работы на холостом ходу и под нагрузкой. Эта информация даёт конкретную основу для сравнения различных коммерческих предложений с точки зрения срока службы.

Заключение

Срок службы электродвигателя измеряется двумя «часовыми механизмами»: тепловым старением обмотки и усталостью подшипника. Большинство факторов, ускоряющих эти два механизма, находятся вне двигателя; среди них прежде всего неправильный подбор мощности, некачественный монтаж, загрязнённый путь охлаждения и недостаточная защита. Правильно выбранный и правильно установленный двигатель служит в разы дольше, чем его «близнец» той же модели в тяжёлых условиях. Для тяжёлых условий вы можете ознакомиться с электродвигателями с чугунным корпусом, а поделившись с нами условиями вашего применения, — вместе с нами сделать подходящий выбор.

Часто задаваемые вопросы

Сколько лет в среднем работает электродвигатель?

Называть одну среднюю цифру было бы неверно, поскольку срок службы во многом зависит от условий эксплуатации. Двигатель в прохладной, чистой среде и при правильной нагрузке может работать очень много лет с заменой подшипников; в жаркой, пыльной среде и при перегрузке тот же двигатель может выйти из строя за несколько лет.

Большинство отказов двигателей вызвано обмоткой или подшипником?

На практике отказы, связанные с подшипниками, очень распространены, и часть из них со временем переходит в повреждение обмотки. Разрушающийся подшипник может привести к задеванию ротора о статор; поэтому некоторые отказы, зарегистрированные как «сгорела обмотка», на самом деле начались с подшипника.

Продлевает ли срок службы выбор двигателя на ступень большей мощности?

При тяжёлых или переменных нагрузках, в жаркой среде или при частых пусках разумный запас мощности позволяет обмотке работать при более низкой температуре и положительно влияет на срок службы. Однако выбор двигателя значительно большей мощности, чем нужно, снижает КПД и коэффициент мощности; цель — работа не на пределе, а при разумной нагрузке.

Служит ли перемотанный двигатель так же долго, как новый?

Это зависит от качества обмотки, использованных материалов и от того, был ли повреждён пакет статора при демонтаже. Обмотка, выполненная в хорошей мастерской, может работать долго, однако КПД и срок службы не всегда будут такими же, как у нового двигателя; решение следует принимать, учитывая одновременно стоимость и критичность.