Istnieją różne metody chłodzenia silników elektrycznych. Mogą one zostać ulepszone w przypadku wymagających aplikacji silnika.
Zakres dyssypacji ciepła maszyny zależy przede wszystkim od obudowy silnika:
-> TEFC – całkowicie zabudowana obudowa z chłodzeniem wentylatorowym lub zgodna z normą IP52,
-> ODP – kroploszczelność lub IP12,
-> WP – wodoszczelność lub IC01.
W przypadku zastosowania kanałów chłodzących, jak ma to miejsce w większości silników typu ODP i WP, powietrze wciągane jest na końcu wirnika (rotora), siłą odśrodkową przedostaje się przez kanały chłodzące i trafia do kanałów chłodzących w stojanie, po czym jest usuwane na zewnątrz przez obudowę.
Niektóre z usprawnień kanałów wentylacyjnych stojana i wirnika uważa się za oczywiste. Dotyczy to np. belki dystansowej o przekroju I, zapewniającej swobodny przepływ, zwiększając przy tym powierzchnię oddawania ciepła – podobnie jak w przypadku zewnętrznych żeber obudowy stojana typu TEFC.
Jak widać na fot. 1, dodanie profilu dystansowego niemal podwaja powierzchnię oddawania ciepła w stosunku do powierzchni bez profilu, znacznie zwiększając przenikanie ciepła do przepływającego powietrza w kanałach.
Ponieważ naciski powierzchniowe w rdzeniu stojana zwykle osiągają wartość 58 barów, szersze zakończenia belki o przekroju I ściśle przylegają do rdzenia, co utrzymuje kształt prostokątny i maksymalizuje powierzchnie kontaktu. Część środkowa przekroju belki pełni funkcję zwiększającą powierzchnię oddawania
ciepła.
Zablokowane otwory wentylacyjne oraz pokryte grubą warstwą powłoki lakierniczej powierzchnie stojana mogą zredukować przepływ i pogorszyć dyssypację ciepła, powodując wzrost temperatury. Dotyczy to również przypadku, w którym przewody chłodzące są częściowo zatkane lakierem (np. zbyt dużo warstw lakieru proszkowego), pyłem, brudem lub ich mieszaniną. Przed czyszczeniem maszyny o dużych gabarytach należy więc się upewnić, że przewody chłodzące mogą zostać efektywnie oczyszczone bez ryzyka uszkodzenia uzwojenia lub rdzenia.
Uwaga na rdzę/korozję
W wirniku korozja może utworzyć dodatkową warstwę materiału na rdzeniu i ograniczyć prześwit kanałów wentylacyjnych, zwłaszcza ich wewnętrznej średnicy (ID) pomiędzy żebrami umacniającymi, gdzie powietrze wlatuje do kanału. Wykrycie takiej blokady zwykle wymaga sprawdzenia wymiaru ID rotora z użyciem inspekcyjnego źródła światła i lusterka lub sprawdzenia drożności drutem spawalniczym albo grubym przewodem. Pokryte rdzą warstwy laminowane również powodują zmniejszenie przekroju, ograniczając przepływ.
Wraz z postępującą korozją wirnik będzie mieć coraz mniej materiału ferromagnetycznego wytwarzającego strumień elektromagnetyczny, stopniowo zmniejszając moment obrotowy wytwarzany przez silnik. Nastąpi większy poślizg silnika, gdy będzie dążył do wytworzenia wymaganego momentu obrotowego, co spowoduje większe wydzielanie ciepła.
Modernizacja konstrukcji
Istnieje wiele sposobów na uzyskanie odpowiedniego przepływu powietrza i niesionego przez nie ciepła lub nawet lepszego niż wymagany. Jednym z nich jest stosowanie się do porad konstruktorów silników. Na przykład w przypadku silników TEFC dodanie właściwej wielkości i w odpowiedniej pozycji przegrody powietrznej może zredukować temperaturę uzwojenia o 1015°C lub więcej (rys.).
W przypadku wielu kłopotliwych aplikacji silników TEFC, takich jak wytwórnie cementu i wytwórnie papieru, silniki te są podatne na gromadzenie się zanieczyszczeń i osadów na zewnątrz obudowy, co sprawia, że ciężko jest zapewnić odpowiednie chłodzenie. Jednym z rozwiązań w takiej sytuacji jest instalacja stalowej lub wykonanej z włókna szklanego osłony nad żebrami silnika.
Najlepsze rozwiązanie to takie, w którym osłona schodzi się z krawędzią końcową obudowy wentylatora (spoczywa tuż nad jej żebrami) i rozpościera się do końca obudowy. Przy wielokierunkowej aplikacji zmiana wentylatora radialnego na kierunkowy może polepszyć przepływ i zatrzymać przedostawanie się brudu i osadów w rejon żeber.
Rozwiązanie to jest również przydatne w przypadku silników podatnych na uszkodzenia mechaniczne (np. na podajnikach lub stołach wyposażonych w piłę do cięcia), gdzie częstym uszkodzeniem są złamane żebra. W tych wypadkach płyta stalowa o grubości od 4 do 5 mm może zostać zamontowana jako osłona w celu ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi.
Silniki pracujące w piecach
W przypadku silnika pracującego w aplikacjach obsługujących piece w celu zapewnienia trwałości jego pracy stosuje się izolację klasy H i wysokotemperaturowe smary. Wewnętrzne łożyska typu C4 należy wymienić, jeśli są one najsłabszym ogniwem pod względem wytrzymałości na temperaturę. Dodanie radiatora do przedłużenia wału również przyczynia się do redukcji jego temperatury.
Jeśli miejsce jest szczególnie gorące, należy pokryć silnik miedzianym lub wykonanym ze stali nierdzewnej rękawem o przekroju okrągłym, z niewielkimi otworami wywierconymi od strony zwróconej do silnika, i zmniejszać temperaturę silnika poprzez sterowanie przepływem sprężonego powietrza. Zawór typu solenoid może zostać użyty do aktywacji przepływu powietrza, gdy piec jest włączony.
Wentylatory
Otwarta konstrukcja silników synchronicznych oferuje niewielki zakres mieszania się powietrza w strudze, a wiele z nich pracuje tylko z jednym kierunkiem obrotów. Jedną z popularnych metod na schłodzenie tego typu silników jest zwiększenie rozmiarów wentylatora przykręconego do piasty rotora. Innym rozwiązaniem jest zwiększenie przepływu poprzez nastawienie łopatek wentylatora zgodnie z jego obrotami. Na przykład, jeśli silnik jest tak skonstruowany, że wciąga powietrze w kierunku osi obrotu wału, należy wygiąć łopatki zgodnie z kierunkiem obrotu (fot. 2).
Podsumowanie
Znalezienie sposobu na usprawnienie osiągów silnika w danym zastosowaniu przynosi zawsze wiele satysfakcji. Zwykle wiąże się ono z zapożyczeniem jakiegoś sprytnego rozwiązania podpatrzonego u konstruktorów w innym silniku i przerobienie go na potrzeby danej aplikacji. Dlatego warto wiedzieć, że możliwe jest wykonanie bardzo dobrego, niezawodnego silnika elektrycznego i dostosowanie go do trudniejszej aplikacji.
Autor: Chuck Yung jest starszym specjalistą technicznym w Electrical Apparatus Service Association (EASA).
