Являются ли двигатели BLDC водонепроницаемыми? Классы IP, герметизация и реальные ограничения по эксплуатации в условиях влажной среды

Спецификатор попросил нас указать «водонепроницаемый двигатель BLDC» для испарительного охладителя. Двигатель будет находиться прямо в потоке влажного воздуха, напряжение 220 В, мощность около 850 Вт, и работать по десять часов в день влажным летом. На последовавшей за этим встрече выяснилось, что «водонепроницаемый» для пяти человек означает пять разных вещей: защищенный от дождя, защищенный от шланга, способный погружаться в воду, устойчивый к коррозии и «он выжил в прошлом сезоне».

Именно этот разрыв между словом и требованием определяет большинство неисправностей двигателя, работающего в условиях влажной среды, задолго до того, как первая капля воды достигнет подшипника. Итак, давайте ответим на вопрос напрямую, а затем выясним, куда на самом деле уходит вода и сколько стоит ее не допустить.

Являются ли двигатели BLDC водонепроницаемыми? Короткий ответ

Ни один стандартный бесщеточный двигатель постоянного тока не является водонепроницаемым просто потому, что он бесщеточный. Два утверждения верны одновременно:

• Голый двигатель BLDC с открытой рамой, штампованным стальным валом, экранированными подшипниками и открытой платой датчика Холла не является водонепроницаемым. Заливайте его ежедневно, и он может проработать неделю, а затем выйти из строя без предупреждения.
• Двигатель BLDC с корпусом IP67 или IP68, герметизированными обмотками, контактно-герметизированными подшипниками и герметичным кабельным вводом можно погружать в воду, промывать каждую смену или устанавливать в потоке насыщенного воздуха.

«Бесщеточный» описывает, как работает двигатель. Ничего не говорится о защите от проникновения, материалах, уплотнениях подшипников или кабельных вводах. Именно они решают, попадет ли вода.

На форумах любителей циркулирует и золотая середина: негерметичный бесщеточный двигатель часто может работать под водой, особенно при низком напряжении с бессенсорным управлением, поскольку в нем нет щеток, которые могут вызвать искрение или изнашиваться. Это технически точно и коммерчески бесполезно. В этом случае вы действительно покупаете короткий и непредсказуемый срок службы подшипников и магнитов, а также гарантию на коррозию, которую никто не может обеспечить. Это работает для прототипа, который промывается пресной водой после десятиминутной работы. Он не подойдет для двигателя вентилятора, который должен работать 4000 часов за сезон в птичнике.

Полезный вопрос никогда не звучит так: «Является ли двигатель BLDC водонепроницаемым?» Вопрос в том, что этому мотору нужно, чтобы выжить, сколько лет и сколько я готов заплатить за это выживание?

Почему бесщеточный дизайн помогает при работе на мокрой дороге

Бесщеточная архитектура действительно имеет преимущество во влажной и влажной среде, и стоит понять, почему, поскольку она объясняет, какие неисправности вы больше не увидите, а какие — увидите.

Отсутствие щеток означает отсутствие искрения в самый неподходящий момент.

Коллекторный двигатель постоянного тока переключается механически. Каждый раз, когда щетка пересекает сегмент коллектора, контакт замыкается и разрывается, и образуется небольшая дуга. В чистом, сухом моторе управляемый. Добавьте влагу, конденсат или проводящую пыльную пленку, и путь дуги станет путем утечки через коммутатор. Двигатель работает с перебоями, затем замыкается. Пыль от угольной щетки усугубляет ситуацию: она слабо проводит ток, прилипает во влажном состоянии и оседает точно в точке электрического контакта.

Двигатель BLDC коммутируется электронным способом путем переключения обмоток статора. Ротор несет постоянные магниты, статор — обмотки, а скользящий электрический контакт внутри корпуса отсутствует. Это означает, что узел обмотки можно покрывать лаком, пропитывать или полностью герметизировать без потери каких-либо механических функций. Это также означает, что внутри двигателя не образуются остатки износа, поэтому внутренняя атмосфера остается чище.

Меньшие потери означают меньшее образование конденсата

Бесщеточные двигатели, как правило, более эффективны, чем эквивалентные коллекторные двигатели, поэтому при той же выходной мощности вала из корпуса должно выходить меньше тепла. Более холодный двигатель работает в меньшем температурном диапазоне, что означает меньшее «дыхание», меньшее образование конденсата на холодных обмотках и более медленное старение смазки, уплотнений и изоляции. В насыщенном воздушном потоке эта разница увеличивается с годами.

А вот слабые места просто сдвинулись

В бесщеточных двигателях щетки заменяются электроникой и редкоземельными магнитами, и оба они уязвимы. Датчик Холла, который обнаруживает влагу, производит неустойчивую коммутацию; Затем контроллер либо отключается, либо двигатель глохнет и перегревается. Неодим-железо-борные магниты теряют свое защитное покрытие из-за коррозии, а затем трескаются и крошятся; окислившийся магнит ремонту не подлежит, только замена вместе с ротором. Стандартный стальной подшипник с щитками из легкого металла ржавеет во влажном сарае, даже если на двигатель не попадает видимая вода.

Таким образом, бесщеточная конструкция устраняет два режима отказа, которые доминируют в коллекторных двигателях при работе в мокром режиме, и вводит три, которые легче спроектировать, но только в том случае, если проектирование действительно указано и действительно оплачено.

Шесть мест, где вода атакует двигатель BLDC

Когда двигатель BLDC для влажной эксплуатации возвращается с поля, неисправность редко становится неожиданностью, если корпус открыт. На эти же шесть мест приходится большая часть доходов.

Стоит отметить две закономерности. Во-первых, отказы электроники и подшипников обычно возникают до выхода из строя обмотки, поэтому двигатель, который «все еще работает» после сезона дождей, не является свидетельством того, что он защищен. Во-вторых, самой рискованной обязанностью является не постоянный бег в воде; это прерывистая работа во влажном воздухе, когда двигатель между сменами проводит долгие часы в холодном и мокром состоянии.

Что действительно обещают IP-рейтинги, а что нет

Код IP взят из стандарта IEC 60529 и отвечает на заведомо узкий вопрос: насколько хорошо этот корпус защищает от попадания твердых предметов и воды в определенных условиях испытаний? Первая цифра охватывает твердые вещества от 0 до 6; второй охватывает воду от 0 до 9К. Для двигателей цифра воды имеет значение.

Три предостережения имеют большее значение, чем сам код.

Рейтинг принадлежит установленному узлу, а не только двигателю. Двигатель IP65 с неподходящим сальником, кабелем недостаточного сечения, отсутствующей прокладкой клеммной коробки или невыпавшим запасным болтом крышки больше не является двигателем IP65. Этот двигатель имеет маркировку IP65 и ведет себя как IP23. Всякий раз, когда исследуется отказ в условиях влажной эксплуатации, сальник и кабельный ввод заслуживают такого же внимания, как и обмотка.

Рейтинг — это проверка типа, а не пожизненное обещание. Уплотнения затвердевают, уплотнительные кольца подвергаются постоянному сжатию, смазка вымывается из подшипников, а пленка краски теряет адгезию при царапинах. Двигатель, прошедший класс защиты IP66 в день изготовления, может получить степень IP44 три сезона спустя.

Защита от проникновения ничего не говорит о коррозии. Солевой туман, аммиак, щелочные чистящие средства и накипь от жесткой воды — это отдельные проблемы с отдельными решениями: выбор материала, класс покрытия, химический состав лака и марка фурнитуры. Если вы покупаете только по коду IP, вы все равно можете потерять двигатель из-за коррозии, хотя все размеры уплотнений полностью соответствуют техническим характеристикам.

Если ваши чертежи соответствуют практике Северной Америки, NEMA 4 и 4X примерно соответствуют IP65 и IP66, а NEMA 6 и 6P — рядом с IP67 и IP68. Детали испытаний незначительно различаются, поэтому не рассматривайте их как взаимозаменяемые, когда в них участвуют клиент, страховщик или аудитор по безопасности пищевых продуктов.

Как двигатель BLDC на самом деле становится водонепроницаемым

Каждый метод защиты — это компромисс между стоимостью, тепловыми характеристиками и удобством обслуживания. Знание того, какой рычаг вы тянете, облегчает чтение цитаты.

Обработка статора: лак, VPI, герметизация

Лак однократного погружения заполняет некоторые зазоры между витками магнитного провода. Вакуумная пропитка под давлением заполняет их гораздо полнее и является нормальной характеристикой для двигателей, работающих во влажных или влажных условиях. Полная герметизация эпоксидной или полиэфирной смолой идет еще дальше: концевые витки и область пазов становятся одним твердым, негигроскопичным блоком, в который не может проникнуть влага. Это добавляет немного термического сопротивления, но в насыщенном воздушном потоке зачастую это разница между трехлетним и десятилетним сроком службы. Для испарительного охладителя или вытяжного вентилятора птичника VPI с концевой обмоткой, покрытой смолой, является разумным минимумом.

Конструкция корпуса и уплотнений

Полностью закрытые конструкции являются стандартными для влажных помещений. Полностью закрытый двигатель с вентиляторным охлаждением обеспечивает циркуляцию внутреннего воздуха и использует внешний вентилятор; Полностью закрытый невентилируемый двигатель зависит только от площади поверхности рамы. Оба зависят от прокладок, уплотнительных колец и уплотнений вала, а не от вентиляционных отверстий. Уплотнение вала – это то место, где выигрывают или проигрывают большинство конструкций: манжетное уплотнение является нормальным для IP55, лабиринтное уплотнение обычно используется для тяжелых промывок, а там, где уплотнение невозможно установить, строповочный диск сбрасывает воду с вала до того, как она достигнет подшипника.

Подшипники и смазка

Подшипники с металлическим экраном подходят для сухой работы. Для работы в условиях влажной среды используйте подшипники с контактным уплотнением, водостойкую смазку на основе литиевого комплекса или полимочевины и, если позволяет бюджет, шарики из нержавеющей или гибридной керамики. В прибрежных установках гибридные керамические подшипники часто обходятся дешевле, чем простой замены ржавого стандартного подшипника в середине сезона.

Датчики и коммутация

Плата датчика Холла является наиболее распространенной электронной неисправностью двигателей с мокрым двигателем. Есть два честных ответа: полностью герметизировать узел датчика вместе с его жгутом или полностью удалить его, используя бездатчиковую коммутацию, которая считывает обратную ЭДС с обмоток. Бездатчиковое управление теряет некоторую точность на очень низкой скорости и требует более мощного контроллера, но оно удаляет всю поверхность отказа: нет датчика, нет разъема датчика, нет проводки датчика, нет пути влаги в полость обмотки.

Термическое снижение номинальных характеристик

Герметичный корпус – худший радиатор, чем открытый. Возьмите двигатель с открытым корпусом, загерметизируйте его и ожидайте, что сопротивление обмотки увеличится на 10–20 К при той же нагрузке. Либо уменьшите номинальные характеристики двигателя, обычно на 5–15 процентов от номинальной мощности для полностью закрытого корпуса и больше для герметизированного статора, работающего в непрерывном режиме, либо укажите более высокий класс изоляции и примите более короткий срок службы. Изоляция класса F с повышением температуры класса B — это распространенный способ получить этот запас, и это законная причина платить больше, а не способ скрыть слабую конструкцию.

Соответствие защиты реальной окружающей среде

Большинство поломок при работе на мокрой дороге происходит из-за неправильного выбора условий окружающей среды: слишком слабой защиты для ежедневной мойки или настолько сильной, что двигатель перегревается, а электроника все равно выходит из строя. Приведенное ниже отображение примерно соответствует тому, что мы используем при цитировании.

В нашей собственной линейке двигатели с воздушным охлаждением BLDC с внешним ротором созданы специально для этого первого ряда: платформа DC149 на 220 В мощностью 600 Вт, 650 Вт, 700 Вт и 850 Вт, а также DC198 на 220 В и 1500 Вт. Они устанавливаются в потоке влажного воздуха испарительных охладителей, где обработка обмотки и характеристики подшипников имеют гораздо большее значение, чем отделка рамы.

DC198 220 В 1500 Вт Внешний двигатель воздушного охладителя BLDC Мощный двигатель BLDC с внешним ротором для мощных испарительных охладителей и крупных систем вентиляции; IP55, класс F, 1500 Вт при 220 В, подходит для работы во влажной и пыльной среде. Посмотреть продукт →

Для систем вентиляции, в которых наблюдается туман, конденсат или периодические промывки, семейства двигателей вентиляторов EC и стандартных двигателей воздушного охлаждения рассчитаны на напряжение от 220 В/350 Вт до 380 В/2200 Вт, и применяется та же логика герметизации: выберите уровень защиты из таблицы окружающей среды, а не по привычке покупать самый дорогой вариант в списке.

Конденсация: режим отказа, на который не распространяется степень IP

Мотор во влажном сарае остывает за ночь. Воздух внутри корпуса сжимается, и если корпус не герметичен, влажный воздух втягивается вдоль жил кабеля и мимо сальника. К утру обмотка мокрая. Двигатель может отлично работать в горячем состоянии и отказываться запускаться после холодных и влажных выходных, что является классическим признаком конденсации, а не прямого попадания воды.

Вот почему прерывистый режим работы тяжелее для двигателя, чем непрерывный режим. Несколько практических мер помогают:

• Установите мембранную сапунную заглушку, например вентиляционное отверстие из расширенного ПТФЭ, чтобы корпус мог выравнивать давление, не пропуская жидкую воду.
• Установите антиконденсационный нагреватель или небольшой обогреватель в клеммную коробку для двигателей, которые простаивают в течение длительного времени.
• Следите за тем, чтобы дренажные отверстия в самой нижней точке рамы были чистыми. Закрашивание их во время технического обслуживания является распространенной ошибкой на объекте, которая превращает защищенный двигатель в водоотделитель.
• Установите двигатель так, чтобы клеммная коробка находилась ниже оси вала, и сформируйте капельную петлю на кабеле под сальником, чтобы вода стекала, а не попадала во вход.
• В охладителях включите вентилятор на минуту или две после остановки водяного насоса, чтобы обмотка высохла, пока двигатель еще теплый.

Полностью герметичный двигатель со степенью защиты IP68 также не застрахован автоматически. Влага, попавшая при сборке, остается внутри, и даже небольшая утечка становится постоянной. Если вам нужен одновременно высокий класс проникновения и контроль конденсации, скажите об этом на этапе предложения; это меняет конструкцию сапуна, герметик, а иногда и геометрию рамы.

Что написать в спецификации покупки

Большинство споров о двигателях для влажной эксплуатации — это споры о формулировках, а не о качестве производства. Эти пункты должны быть указаны в любом порядке для двигателя, который будет работать с водой, туманом или промывкой.

1. Требуемый класс защиты от проникновения, указанный в стандарте испытаний, и конфигурация в состоянии установки, включая сальник и кабель.
2. Доказательства: протокол типовых испытаний IEC 60529 или, как минимум, протокол плановых испытаний сопротивления изоляции и диэлектрической прочности.
3. Критерий приемлемости сопротивления изоляции, например, 100 МОм или выше, измеренный при 500 В постоянного тока до и после выдержки во влажности.
4. Условия диэлектрической стойкости, обычно 1500 В переменного тока при частоте 50/60 Гц в течение одной минуты, с указанным током срабатывания.
5. Класс изоляции и допустимое превышение температуры, а также предполагается ли номинальный режим работы в непрерывном или повторно-кратковременном режиме и при какой температуре окружающей среды.
6. Тип подшипника с указанием полного обозначения, спецификации смазки и возможности замены подшипников в полевых условиях.
7. Тип уплотнения вала и материал вала, поскольку вал из нержавеющей стали меняет как коррозионную стойкость, так и цену.
8. Способ коммутации: бездатчиковый или Холла, а если Холла, то датчики герметизированы.
9. Уровень обработки обмотки: однократное погружение, двойное погружение, пропитка под давлением или полная герметизация.
10. Длина кабеля, тип и номинал сальника, а также то, поставляется ли кабель и загерметизирован производителем двигателя.
11. Класс покрытия и материал оборудования, особенно для прибрежных зон, птицеводства и пищевой промышленности.
12. Монтажная ориентация принята в характеристиках. Двигатель, рассчитанный на форсунки с горизонтальным валом, в вашей установке может быть не защищен, если вал направлен вверх.
13. Плановые испытания: ток холостого хода, сопротивление изоляции, испытание высоким потенциалом, проверка вибрации и короткая обкатка.

Затем протестируйте образец, а не доверяйте документам. Двухнедельное замачивание с ежедневным измерением сопротивления изоляции практически ничего не стоит и выявляет большинство недостатков конструкции. Испытание солевого тумана по стандарту ISO 9227 с 5-процентным раствором хлорида натрия оправдывает затраты времени на прибрежные объекты. Термический цикл между рабочей температурой и температурой окружающей среды выявляет поведение конденсации гораздо лучше, чем любой тест на статическое погружение, поскольку он воспроизводит дыхательный цикл, который фактически разрушает двигатели в полевых условиях.

Стоимость завышенных характеристик водонепроницаемости

Завышение спецификации не является безопасным вариантом по умолчанию. Полностью герметичный двигатель со степенью защиты IP68 может нагреваться на 15–25 К выше, чем его открытый эквивалент при той же нагрузке, что приводит к более быстрому старению обмотки и со временем ослабляет магниты. Вы можете заплатить больше за защиту и при этом получить более короткий срок службы, а также вы получите двигатель, который трудно или невозможно перемотать, если он выйдет из строя по какой-либо другой причине. Сроки поставки также растягиваются, а определенная спецификация погружения может существенно повысить цену за единицу продукции.

Если реальным воздействием является ежемесячная промывка из шланга в закрытом помещении, степень защиты IP55 с правильно затянутым сальником будет выполнять свою работу годами. Сэкономьте бюджет на герметизацию испарительного охладителя, обмотка которого находится в насыщенном воздухе.

Недостаточная спецификация еще хуже, потому что она выходит из строя медленно и в самый неподходящий момент. Сбой обычно не драматичен: это постепенное увеличение рабочего тока и неприятный выезд в самую жаркую неделю года, когда производственная линия, теплица или птичник не могут позволить себе остановиться. В животноводческом помещении в середине лета вышедший из строя вытяжной вентилятор не является требованием технического обслуживания; это мероприятие, направленное на благо стада. Именно из-за этой асимметрии уровень защиты следует выбирать из худшей реалистичной недели года, а не из среднего.

Отремонтировать, заменить или купить лучше: общая стоимость владения

Когда двигатель BLDC для влажной эксплуатации выходит из строя, конкурируют три варианта.

Перемотка часто возможна, если ротор цел, и для большого двигателя это может быть самый дешевый способ. Но если магниты подверглись коррозии, перемотка ничего не даст: ротор — дорогая деталь, и никакое количество новой меди не восстановит силу магнита. Подшипники можно заменить в полевых условиях на двигателях с открытыми корпусами подшипников и стандартными размерами рамы; в некоторых полностью герметичных конструкциях до них невозможно добраться без разрезания корпуса, что превращает полевой ремонт в заводское восстановление.

Взаимозаменяемость — это тихая стоимость. Двигатель, который сегодня имеет степень защиты IP55, но конструкция уплотнения которого изменится в следующем году, представляет собой риск при поставке, поэтому попросите заморозить конструкцию, сохраните золотой образец и запишите тип сальника и крутящий момент. Хранить два процента установленных двигателей в качестве запасных частей на полке обычно дешевле, чем переправлять через границу специальную опломбированную единицу в июле.

Для производителей оборудования арифметика проста. Двигатель часто является одним из наименее дорогих компонентов в перечне материалов, но является одним из наиболее частых гарантийных претензий во влажных средах. Доплата разницы на этапе проектирования обходится дешевле, чем оплата ее на этапе рекламации, и намного дешевле, чем репутационные издержки вентилятора, который остановился в установке заказчика.

Наш подход к двигателям для влажной эксплуатации

Мы производим двигатели переменного и постоянного тока, а также микродвигатели в Шэнчжоу, провинция Чжэцзян, в центре одного из самых густонаселенных кластеров производства двигателей в Китае. С 2014 года мы имеем сертификат ISO 9001. Наши двигатели поставляются клиентам в более чем 60 стран, в основном для экологического оборудования, промышленной вентиляции и гидравлических систем. Две наши семьи здесь имеют прямое отношение:

• Двигатели воздушного охлаждения BLDC с внешним ротором, обеспечивающие описанный выше режим работы с потоком влажного воздуха, от 600 Вт до 1500 Вт при 220 В.
• ЕС-двигатели вентиляторов, двигатели испарительного воздушного охлаждения, двигатели вентиляторов для скотоводческих помещений, двигатели вентиляторов из стекловолокна и двигатели бетоносмесителей, закрывающие вентиляционное, охлаждающее и небольшое смесительное оборудование, где туман, конденсат или шланги являются обычным явлением.

DC149 220 В 850 Вт Внешний двигатель воздушного охладителя BLDC Двигатель BLDC с внешним ротором мощностью 850 Вт для мощных воздухоохладителей, обеспечивающий эффективность 85–95 %, бесступенчатую регулировку скорости, защиту IP55/класса F и длительный срок службы без технического обслуживания. Посмотреть продукт →

Для OEM-проектов мы строим изделия в соответствии с установленным классом проникновения, а не с общими требованиями «водонепроницаемости», а сопротивление изоляции является предметом плановой проверки, а не специальным запросом. Там, где шум имеет такое же значение, как и влажность, малошумный двигатель BLDC В этой линейке используется та же технология намотки и подшипников. В низковольтных системах Двигатель воздушного охлаждения 12 В постоянного тока Платформа следует той же логике уплотнения при меньшем размере рамы.

ECF160 380 В 1500 Вт EC-вентиляторный двигатель для испарительных охладителей Высокоэффективный EC-двигатель вентилятора для испарительных воздухоохладителей с выходным напряжением 380 В, 1500 Вт, бесшумной бесщеточной работой, защитой IP55/класса F и сроком службы 30 000–50 000 часов. Посмотреть продукт →

Одно предостережение, которое мы повторяем каждому клиенту: мы можем изготовить двигатель с учетом класса защиты, но не можем контролировать способ его установки. Если сальник ослаблен, кабель заходит в клеммную коробку или сливное отверстие закрашено, номинальные характеристики на этикетке не будут соответствовать двигателю, который на самом деле установлен на стене.

Краткий контрольный список перед заказом

1. Запишите наихудший случай воздействия: струя, брызги, погружение, пар, соль или химическое вещество.
2. Преобразуйте это воздействие в класс IP и добавьте глубину и продолжительность, если речь идет о погружении.
3. Убедитесь, что сальник, кабель и разъем находятся внутри номинального узла.
4. Решите, как двигатель остается сухим, когда он не работает.
5. Укажите в письменном виде обработку обмотки, тип подшипника и стратегию работы датчика.
6. Требуются данные регулярных испытаний: сопротивление изоляции, испытание высоким потенциалом, ток холостого хода.
7. Замачивайте образец и ежедневно измеряйте сопротивление изоляции, прежде чем размещать объемный заказ.
8. Заморозьте проект, чтобы в следующем году в поставку попал тот же двигатель, который вы прошли проверку.

Честный ответ на исходный вопрос заключается в том, что архитектура двигателя — это только половина дела. Бесщеточная коммутация устраняет необходимость использования щеток, коллектора и дуги, что является настоящим преимуществом при работе в условиях влажной среды. Но обмотка, подшипники, магниты, датчики и кабельный ввод по-прежнему должны проектироваться с учетом воды, с которой они фактически встречаются. Решите, где будет стоять мотор, что и как часто будет его ударять; затем выберите класс защиты, метод пропитки и подходящие подшипники. Именно это решение, а не этикетка на заводской табличке, определяет, прослужит ли двигатель три сезона или десять лет.