Większość awarii silników elektrycznych wynika ze zniszczenia łożysk bądź uszkodzenia uzwojeń stojana. Niedostateczne smarowanie, przesmarowania, niewspółosiowości oraz prąd elektryczny przepływający przez łożyska (wały) zazwyczaj powodują przedwczesne zużycie łożysk. Przyczyną uszkodzeń uzwojeń stojana są natomiast przeciążenia mechaniczne lub termiczne, niedostateczna wentylacja oraz nieustalone przebiegi napięcia w silnikach elektrycznych z urządzeniami regulacji prędkości obrotowej. Na szczęście większość z tych problemów może być rozwiązana przy zastosowaniu bezpośrednich metod chroniących łożyska oraz uzwojenia stojana.
Awarie łożysk
Łożyska są małymi komponentami w stosunku do pozostałych elementów silnika, podatnymi na uszkodzenia i zatarcia. Statystycznie więcej niż 50% wszystkich awarii silników elektrycznych pochodzi od awarii łożysk, spowodowanych zbyt małym lub zbyt dużym smarowaniem. Kluczem do uniknięcia podobnych sytuacji jest ustalenie programu smarowniczego na bazie wytycznych pochodzących od producentów łożysk i silników. Należy określić częstotliwość oraz ilość podawanego smaru z uwzględnieniem warunków otoczenia, warunków pracy, rodzaju silnika elektrycznego oraz rozmiaru łożysk.
Inną znaczącą przyczyną awarii łożysk jest niewyosiowanie, efekt, który rośnie do potęgi sześciennej w stosunku do zachodzących zmian. Wartość osiowania wychodząca dwukrotnie poza tolerancje spowoduje zredukowanie żywotności łożysk ośmiokrotnie. Rozwiązanie jest bardzo proste: wyosiuj silnik z elementem napędzanym do wartości tolerancyjnych, a nawet lepszych.
Prąd przepływający przez łożyska jest zazwyczaj spowodowany niesymetrycznością ramy silnika lub zasilaniem go za pośrednictwem urządzenia do częstotliwościowej regulacji obrotów. Kilkanaście lat temu prądy łożyskowe były zagadnieniem występującym tylko dla bardzo dużych silników. Związane to było z niesymetrycznością wytworzonego pola magnetycznego. Urządzenia do regulacji prędkości obrotowej silnika narażają ten silnik na zakłócenia. Powstała dyssymetria magnetyczna generuje przepływ prądu elektrycznego poprzez ramę stojana, wałek, a na łożyskach kończąc.
Pomimo tego, że obecnie nie wymyślono rozwiązania na obecność prądu w łożyskach, istnieją pewne metody zapobiegawcze. Pośród tych metod najpopularniejsze to zaizolowanie obudów łożysk, ceramiczne elementy składowe łożysk oraz szczotki uziemiające wał. Zastosowanie filtrów lub dławików elektrycznych w urządzeniu regulacji prędkości obrotowej również może pomóc, zmniejszając amplitudę natężenia prądu na łożyskach.
Uszkodzenie uzwojeń
Uszkodzenie uzwojeń silników to druga najczęściej występująca usterka silników elektrycznych. Jednak zakres uszkodzenia, koszt naprawy oraz czas przestoju jest o wiele większy niż w przypadku łożysk.
Przeciążenia mechaniczne są główną przyczyną uszkodzeń uzwojeń stojanów. Pracujący silnik przeciążony o 15% od nominalnych obciążeń (równy 1,15 współczynnikowi serwisowemu dla wielu silników) potrafi zredukować żywotność uzwojenia o 25%. Powszechne niezrozumienie zagadnienia polega na ciągłym obciążaniu silników do poziomu współczynnika serwisowego. Faktyczna zdolność współczynnika serwisowego jest przeznaczona do pracy krótkotrwałej o charakterze przerywanym. Rozwiązaniem mechanicznego przeciążenia jest ograniczenie obciążenia silników do wielkości nie większej niż jego moc znamionowa.
Przeciążenia termalne to skutek nadnapięcia, podnapięcia oraz napięcia asymetryczne. Wahania w napięciu większe niż 10% w stosunku do napięcia znamionowego lub asymetria napięcia większa niż 1% od średniego doprowadza do nadmiernego nagrzewania uzwojeń. Rozwiązaniem jest zapewnienie napięcia zasilającego silnik mieszczące się w jego tolerancjach. Może to wymagać zastosowania specjalnych transformatorów lub regulatorów mocy na każdej z faz.
Silniki elektryczne wymagają wewnętrznego i zewnętrznego przepływu powietrza, aby odprowadzić ciepło wytworzone w uzwojeniach. Gromadzenie się zanieczyszczeń na uzwojeniach stojana lub zewnętrznie na ramie i osłonie wentylatora hamuje przepływ powietrza. Rozwiązaniem jest naprawa albo wymiana uszkodzonego bądź brakującego wentylatora oraz gruntowne czyszczenie silnika. Jeśli silnik ma otwartą obudowę i pracuje w zabrudzonym otoczeniu, wymień go na model TEFC. Łatwiej i szybciej usunąć kurz i brud z zewnątrz silnika typu TEFC niż z wewnątrz konwencjonalnego silnika z otwartą obudową.
Nieustalony przebieg napięcia sięga wartości bezwzględnej kilkakrotnie
w przedziale kilku mikrosekund. Idealnym rozwiązaniem dla przebiegów nieustalonych jest niedopuszczenie do ich wystąpienia. W praktyce oznacza to zabezpieczenie instalacji przed napięciem nieustalonym w elektrycznej skrzynce zaciskowej silnika. Jedynym prawidłowym rozwiązaniem dla powtarzalnych przebiegów nieustalonych pochodzących od urządzenia do regulacji obrotów jest zniwelowanie tego zjawiska na wyjściu z urządzenia. Dopóki nie będzie to możliwe, powszechne jest stosowanie konwencjonalnych metod zapobiegawczych, jak instalacja filtrów, dławików elektrycznych i falowników.
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Kamila Żarów
Autor: Thomas H. Bishop
