CHŁODZENIE SILNIKÓW ELEKTRYCZNYCH STOSOWANYCH W ELEKTRONARZĘDZIACH PRZEWODOWYCH

Efektywność chłodzenia silnika elektrycznego ma bardzo duże znaczenie i w znacznej mierze określa jego obciążalność. Z tychże powodów przyjrzeliśmy się bliżej temu tematowi.

Wielkość momentu obrotowego, jakim może być obciążony silnik elektryczny, zależna jest m.in. od intensywności nagrzewania się części składowych silnika (głównie uzwojenia) i od szybkości, z jaką mogą być te części chłodzone. Ważna rolę odgrywa też współczynnik przewodności cieplnej elementów kumulujących ciepło podczas pracy silnika. Straty ciepła są fizycznie określone przez sprawność silnika i nie mogą być one pominięte przy analizie jego pracy. Im wolniej ciepło będzie odprowadzane na zewnątrz, tym bardziej silnik będzie się nagrzewał. W skrajnym przypadku
może dojść do stopienia się izolacji, a nawet uzwojenia. Są dwie metody stosowane do usuwania powstającego ciepła w silniku, czyli inaczej mówiąc, dwa sposoby chłodzenia silnika: (1) przez promieniowanie (konwekcję), (3) przez przepływ chłodzącego powietrza wymuszony wentylatorem.

Typy wentylatorów promieniowych (źródło: Bosch)

Metoda chłodzenia silnika wykorzystująca promieniowanie polega na przechodzeniu ciepła z elementów bardziej nagrzanych do elementów silnika o niższej temperaturze i do otaczającego powietrza. Efektywność tej metody jest raczej niska, ponieważ silnik najczęściej jest zbudowany w sposób zwarty, tak aby zmieścił się w możliwie małej obudowie (korpusie). Z powodu małej skuteczności chłodzenia metoda konwekcji nie jest w zasadzie stosowana.
Chłodzenie z wymuszonym obiegiem powietrza posiada znacznie wyższą efektywność. Do tego celu stosuje się wentylatory, które mogą posiadać rożne formy i kształty. Intensywność chłodzenia może być optymalizowana za pomocą kierunku i prędkości przepływu powietrza. Ze względów konstrukcyjnych wentylator jest zamontowany na osi wirnika i po włączeniu obrotów silnika obraca się z taką samą prędkością jak wirnik. Wymiary wirnika są tak dobrane, że strumień powietrza usuwa całe ciepło wygenerowane przez silnik, nawet wtedy gdy silnik obciążony jest na 100% swojej pełnej mocy. Chłodzenie silnika może być zintensyfikowane poprzez zwiększenie przestrzeni wokół obracających się części lub poprzez usunięcie fragmentu obudowy. Jednak metody te nie mogą być zastosowane ze względu na bezpieczeństwo obsługi, tzn. z powodu istniejącego wówczas niebezpieczeństwo kontaktu z przewodami pod napięciem lub z obracającymi się elementami mechanizmów elektronarzędzia. Podczas normalnej eksploatacji silnika, czyli gdy silnik obciążony jest momentem nominalnym, nie istnieje ryzyko przegrzania się silnika. Jednak w przypadku gdy silnik jest obciążony ponad wartość dopuszczalną, zostaje wygenerowane dodatkowe ciepło, które nie może być dostatecznie szybko usunięte. W takim przypadku istnieje duże prawdopodobieństwo, że silnik ulegnie przegrzaniu i w związku z tym izolacje przewodów ulegną spaleniu, jeżeli obciążenie silnika nie zostanie szybko zredukowane. Aby uniknąć takiego niebezpieczeństwa, po przeciążeniu silnik powinien pracować na biegu jałowym (bez obciążenia) i na pełnych obrotach przez pewien czas w celu ochłodzenia się.

Wentylator promieniowy

Wadą silnika chłodzonego strumieniem powietrza, wytworzonym przez wentylator zamocowany na osi wirnika, jest to, że w przypadku gdy obroty wirnika maleją z powodu nadmiernego obciążenia to intensywność chłodzenia spada. Jest to spowodowane tym, że wielkość chłodzącego strumienia powietrza jest zależna od ilości obrotów wentylatora. W praktyce wygląda to w ten sposób, że jeżeli obroty wirnika maleją np. dwa razy to wydajność wentylatora ulegnie zmniejszeniu cztery razy.
Większy silnik ma zdolność kumulowania większej ilości ciepła, tj. może pracować w stanie silnego obciążenia przez dłuższy czas. Jednak wymaga on także dłuższego czasu schładzania. Z kolei silnik o mniejszych wymiarach ma większą powierzchnię w stosunku do objętości; dlatego intensywność jego chłodzenia jest większa.
Do chłodzenia silników elektrycznych używane są następujące typy wentylatorów: (1) o osiowym przepływie powietrza i (2) promieniowym przepływie powietrza. Wybór rodzaju wentylatora zależy m.in. od ilości miejsca w chłodzonym urządzeniu. W przypadku
braku tego miejsca, konieczne są wysokie prędkości obrotowe wentylatora, aby zapewnić wystarczającą intensywność chłodzenia. Z tego względu wentylatory silników małej mocy montowane są na osi wirnika.
Wentylatory osiowe podobne są do śmigieł z dużą liczbą łopat obrotowych. Są stosowane w urządzeniach stacjonarnych, także w silnikach elektronarzędzi, w których strumień powietrza musi być przenoszony w kierunku osiowym. Wentylatory tego typu są umieszczone w pobliżu wlotu świeżego powietrza. Ich konstrukcja jest prosta, ale też wydajność przy bardzo wysokich obrotach jest mniejsza z powodu występowania zjawiska kawitacji. Odpowiednio zaprojektowane kierownice strumienia powietrza obniżają współczynnik tarcia i poprawiają skuteczność chłodzenia. Kierownice te mogą być wykonane jako część konstrukcyjna obudowy wentylatora lub jako specjalnie ukształtowane wyloty powietrza na samym wentylatorze.

Wentylator osiowy

Wentylatory promieniowe działają podobnie jak odśrodkowe pompy powietrza. Kierunek przepływu powietrza jest promieniowy w stosunku do osi wału napędowego. Tego typu wentylatory stosuje się w przypadkach, w których przepływ powietrza powinien być kierowany wzdłuż obrzeża koła wentylatora. W celu poprawienia skuteczności pracy tego typu wentylatorów montuje się je w pobliżu wylotu powietrza. Parametry geometryczne (wymiary i kształt) takich wentylatorów muszą być bardzo starannie zaprojektowane i wykonane, aby zoptymalizować kierunek przepływu powietrza i zmniejszyć hałas wywołany zawirowaniami jego chłodzącego strumienia.
Jan Krzos
ZOBACZ TAKŻE

Dodaj komentarz

avatar