Jasná a nekompromisní fakta o chlazení elektromotorů

Jasná a nekompromisní fakta o chlazení elektromotorů

 Ať už se jedná o staré, či nové konstrukční typy, snížení teploty je založeno na stejných principech.

Přímo fascinující je pohled na všechny ty rozdílné konstruktérské návrhy a řešení, které si kladou za cíl stejnou věc, avšak na druhou stranu to působí docela uklidňujícím dojmem, když si uvědomíme, jak moc toho zůstalo nezměněno po celém jednom století existence elektromotorů. Jeden aspekt týkající se motorů, který je typický pro obě tyto kategorie, je způsob, jakým jsou chlazeny. V průmyslové praxi jsou k dispozici různé metody chlazení motoru, které lze ještě vylepšit pro některé speciální aplikace.

Metody odvodu tepla z elektromotorů závisejí na konstrukci krytu stroje (ODP, WP anebo TEFC, viz KRYTY STROJŮ – TEFC = totally enclosed fan-cooled = zcela uzavřené, chlazené ventilátorem nebo stupeň krytí IP54; ODP = open drip-proof = nekryté, zabraňující však průniku vody nebo stupeň krytí IP12; WP = weatherproof = odolné proti povětrnostním vlivům nebo IC01). Jsou-li použity ventilační kanálky, stejně jako u většiny ODP nebo WP krytů je vzduch nasáván do konců rotoru, odstředivým způsobem prochází jeho ventilačními kanálky do ventilačních kanálků ve statoru a následně dochází k jeho odsání z rámu motoru.

Některé aspekty ventilačních kanálků statoru a rotoru jsou často považovány za samozřejmost. Například jednoduché distanční prvky ve tvaru I profilu, které udržují kanálky v otevřeném stavu, rovněž poskytují větší povrchovou plochu pro odvod tepla stejně jako vnější žebra u rámu statoru typu TEFC.

Obrázek 1: Distanční prvek ve tvaru profilu I přispívá k odvodu tepla zdvojnásobením plochy povrchu v každém ventilačním kanálku. Všechny snímky poskytla společnost EASA.

 

Z obrázku 1 je patrno, že přidání distančního prvku ve tvaru profilu I zhruba zdvojnásobuje obvod příčného průřezu průduchu ve srovnání s konstrukčním provedením bez těchto distančních prvků, což výrazným způsobem zvyšuje přenos tepla do vzduchu proudícího přes ventilační kanálky.

Vzhledem k tomu, že aplikovaný tlak při skládání jádra statoru bývá obvykle v rozmezí 75 až 125 psi, širší přírubové části distančních prvků ve tvaru profilu I jsou v pevném kontaktu s pakety dynamo plechů, tím udržují distanční prvky v kolmém stavu, což maximalizuje kontaktní plochu. Lamelové části distančních prvků ve tvaru profilu I slouží ke zvětšení povrchové plochy výměníku tepla.

Ucpané ventilační otvory a silně povlakované povrchy ventilačních kanálků statoru mohou snížit průtok vzduchu a odvod tepla, čímž dochází ke zvyšování teploty vinutí. Jedná se např. o vzduchové kanálky, které jsou částečně blokovány nátěrem (např. následkem přílišného glazování ponorem), špínou, nečistotami anebo kombinací uvedených činitelů. Než začnete čistit velký elektromotor na strojovně, ujistěte se, že ventilační kanálky a vzduchové mezery lze účinně čistit tímto způsobem, aniž by došlo k poškození vinutí nebo jádra. 


Varování před výskytem rzi/koroze

Vlivem koroze dochází k nabobtnání jádra a k zúžení světlosti kanálků, zejména na vnitřním průměru (ID) mezi ztužovacími žebry, kde vzduch vstupuje do kanálků. Pro odhalení takových míst, kde dochází k ucpávání, je obvykle vyžadována kontrola vnitřního průměru rotoru pomocí kontrolního světla a zrcadla anebo lze provádět prohlídku ventilačních otvorů z vnějšího průměru pomocí tyčky svařovacího drátu nebo jiného kusu pevného drátu. Zkorodované dynamo plechy rovněž stlačují ventilační kanálky, což ještě více snižuje proudění vzduchu.

Postupující účinek koroze má za následek, že rotor má méně železného materiálu pro přenos magnetického toku, čímž se postupně snižuje schopnost motoru vyvíjet točivý moment. Motor má tendenci více prokluzovat, jak se snaží vyvinout požadovaný točivý moment, který však generuje více tepla. 


Vlastní úprava konstrukce

Existuje několik způsobů, jak udržovat dostatečné proudění vzduchu motorem anebo ještě zvýšit účinnost tohoto proudění, včetně nápadů, které si vypůjčíme od samotných konstruktérů motorů. Například u TEFC motorů jsme schopni přidáním správně dimenzovaného a umístěného vzduchového deflektoru snížit teploty vinutí o 10 °C až 15 °C nebo i o více (viz obrázek 2).

Obrázek 2: Správná poloha vzduchové clony vzhledem k lopatkám ventilátoru je velmi důležitá. Rozměr „Y“ by měl být do 1/2 palce (12 mm), přičemž rozměr „X“ by se měl pohybovat ve střední třetině výšky lopatky.

 

Spousta náročných TEFC aplikací, jako jsou cementárny a papírny, je náchylná k hromadění nečistot a úlomků na vnější straně motoru, takže je obtížné udržovat dostatečný výkon chlazení. Jedním z řešení je instalace ochranného krytu z plechu či sklolaminátu přes žebra motoru.

Nejvhodnější je provedení, které se dotýká okraje krytu ventilátoru, spočívá tedy jen na vrcholu žeber a rozšiřuje se směrem ke konci rámu na straně pohonu. U jednosměrných aplikací jsme schopni nahrazením radiálního ventilátoru směrovým ventilátorem zvýšit proudění vzduchu a tím zabránit proniknutí nečistot a úlomků z uzavřených žeber.

Toto řešení je rovněž vhodné pro aplikace, u nichž hrozí poškození způsobené nárazem těžkých předmětů (např. drtiče, pily), kde často dochází ke zlomení žeber motorů. V takových případech aplikujeme kryt z ocelového plechu o tloušťce 4 až 5 mm, čímž zajistíme ochranu proti poškození nárazem těžkých předmětů. 


Aplikace v rámci vypalovacích pecí

U aplikací v rámci vypalovacích pecí přispívá použití izolační třídy H a vysokoteplotních maziv k prodloužení životnosti motoru. Nahraďte stávající ložiska ložisky s vnitřní vůlí C4, pokud jsou ve vaší aplikaci právě ložiska tím teplotně slabým článkem. Přidání chladiče na prodloužení hnací hřídele může rovněž přispět ke snížení tepla, které se přenáší podél hřídele.

V případě, že motor je umístěn ve skutečně velmi horkém prostředí, opatřete motor měděným nebo nerezovým plechem, který má malé otvory vrtané po straně přivrácené k motoru, a snižte teplotu motoru pomocí vhánění tlakově regulovaného stlačeného vzduchu. Můžete použít elektromagnetický ventil pro zapnutí vzduchu, když se pec uvede do provozu. 


Ventilátory

Otevřená synchronní provedení nabízejí jen velmi malé usměrnění přímého proudění vzduchu a většina z nich je provozována pouze v jednom směru otáčení. Obvyklým způsobem, jak zvýšit u těchto motorů výkon chlazení, je zvětšit velikost ventilátorů, které jsou upevněny k náboji rotoru. Další možností je zvýšení proudění vzduchu pomocí naklonění lopatky ventilátoru ve směru otáčení. V případě, že u daného motoru je vzduch nasáván do rotoru v axiálním směru, naklopte lopatky ve směru otáčení (viz obrázek 3).

Obrázek 3: Chlazení synchronních motorů může být vylepšeno přidáním lopatek ventilátoru anebo nakloněním stávajících lopatek ve směru otáčení.

 

Objevování způsobů, jak zlepšit výkon motoru pro určitou aplikaci, je vždy dobrodružná a nakonec i satisfakční činnost. Obvykle se to v praxi dělá tak, že si vypůjčíme důmyslnou metodu, kterou výrobce motorů použil u nějakého jiného konstrukčního provedení, a přizpůsobíme ji specifickým potřebám naší konkrétní aplikace. Ale přesto je užitečné vědět, že je možné používat velmi dobrou a spolehlivou konstrukci elektromotoru a jen trošku ji přizpůsobit potřebám nějaké náročné aplikace. 

Chuck Yung je přední specialista pro technickou podporu v rámci společnosti Electrical Apparatus Service Association (EASA), jež sídlí v St. Louis. EASA je content partnerem společnosti CFE Media.

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz