Экраны для двигателя

Экраны для двигателя: назначение, типы, конструкция и применение

Экраны для двигателя, также известные как экранированные двигатели или двигатели с экранированной обмоткой, представляют собой специализированный класс электрических машин, предназначенных для работы в условиях воздействия сильных электромагнитных полей или для минимизации собственного электромагнитного влияния на окружающее оборудование. Основная функция экрана — создание электромагнитного барьера между статором и ротором или между двигателем и внешней средой. Это достигается за счет использования дополнительных проводящих или магнитных слоев в конструкции машины.

Принцип действия и физические основы экранирования

Электромагнитный экран работает на принципах, описанных законами Фарадея и Ленца. При изменении магнитного потока, пронизывающего проводящий материал (например, медь или алюминий), в нем индуцируются вихревые токи (токи Фуко). Создаваемое этими токами магнитное поле направлено навстречу изменяющемуся внешнему полю, тем самым компенсируя его внутри экранируемого объема. Эффективность экранирования зависит от частоты поля, толщины и удельной проводимости материала экрана, а также от наличия магнитных материалов (например, электротехнической стали) для ослабления постоянных или низкочастотных полей.

В двигателях экранирование решает две ключевые задачи: защита ротора от проникновения гармоник поля статора, что критично для специфических режимов работы, и предотвращение излучения паразитных электромагнитных помех (EMI) от двигателя в питающую сеть и на чувствительную аппаратуру.

Типы экранов в конструкции двигателей

Конструктивно экраны интегрируются в различные части двигателя, что определяет их тип и функциональное назначение.

1. Экранированный асинхронный двигатель (с экранированными полюсами)

Это наиболее распространенный тип, часто применяемый в однофазных двигателях малой мощности. На части полюса статора размещается короткозамкнутый виток из меди — экран. Сдвиг по фазе магнитных потоков в экранированной и неэкранированной частях полюса создает вращающееся магнитное поле, необходимое для пуска двигателя. Такие двигатели просты, надежны, но имеют низкий КПД и пусковой момент.

2. Двигатели с электромагнитным экраном (EMI-фильтром)

Предназначены для подавления кондуктивных электромагнитных помех, излучаемых в питающую сеть. Экран в данном случае — это не конструктивный элемент активной части, а дополнительный компонент: фильтрующие дроссели, конденсаторы, а также экранирующая оплетка или оболочка силовых кабелей и корпуса двигателя. Часто используются в частотно-регулируемом электроприводе (ЧРП) для соответствия нормам EMC (электромагнитной совместимости).

3. Двигатели с экранированным ротором (с полым ротором)

Используются в системах точного позиционирования и в качестве исполнительных элементов в автоматике. Ротор выполнен в виде полого тонкостенного цилиндра из немагнитного проводящего материала (медь, алюминий), который является экраном. Вращающееся поле статора индуцирует в нем токи, взаимодействие которых с полем статора создает вращающий момент. Такие двигатели обеспечивают плавный, безынерционный ход без вибраций.

4. Взрывозащищенные двигатели с экранированными уплотнениями

В контексте взрывозащиты (маркировка Ex e, Ex d, Ex p) термин «экран» часто относится к лабиринтным или вентилируемым уплотнениям между корпусом и валом, которые предотвращают передачу искры или пламени из внутренней полости двигателя во внешнюю взрывоопасную среду. Это механический, а не электромагнитный экран.

Материалы для изготовления экранов

Выбор материала определяется требуемым типом экранирования, частотой и экономическими соображениями.

Медь и алюминий: Высокая проводимость делает их идеальными для экранирования от переменных магнитных полей высокой частоты (помехи от ЧРП, коммутационные гармоники). Медь эффективнее, но дороже. Алюминий легче и дешевле.
Электротехническая сталь (динамная сталь): Используется для экранирования от постоянных и низкочастотных магнитных полей. Высокая магнитная проницаемость материала перенаправляет и замыкает на себе силовые линии магнитного поля.
Пермаллой и другие магнитомягкие сплавы: Применяются для экранирования в прецизионном оборудовании и измерительных приборах благодаря исключительно высокой начальной магнитной проницаемости.
Композитные материалы: Многослойные экраны (например, чередование слоев стали и меди) используются для комплексной защиты от полей в широком частотном диапазоне.

Конструктивное исполнение и монтаж

Экран может быть выполнен в виде:

Сплошного цилиндра (гильзы), запрессованного в пазы статора или надетого на ротор.
Наборного пакета из изолированных друг от друга стальных laminations для снижения потерь на вихревые токи.
Экранирующей оплетки кабеля, соединенной с заземленным корпусом двигателя и частотного преобразователя.
Внутреннего покрытия (напыления) на корпусе двигателя.

Критически важным аспектом является обеспечение надежного электрического контакта экрана с точкой заземления. Некачественное заземление сводит на нет эффективность даже самого совершенного экрана и может само стать источником помех.

Области применения экранированных двигателей

Отрасль / Применение	Тип экрана / Конструкция	Цель применения
Медицинское оборудование (МРТ, КТ)	Полная магнитная экранировка корпуса (сталь, пермаллой)	Исключение влияния внешних полей на сверхчувствительные датчики и наоборот.
Судостроение и авиация	EMI-экранирование обмоток и кабелей	Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС)密集ного электронного оборудования.
Промышленные ЧРП-приводы	Выходные дроссели, экранированные кабели двигателя, фильтры	Подавление высокочастотных гармоник, защита сети и чувствительной электроники.
Лабораторное и измерительное оборудование	Двигатели с экранированным ротором, магнитные экраны	Достижение высокой точности и плавности хода, исключение паразитных наводок.
Химическая и нефтегазовая промышленность	Взрывозащищенные исполнения с экранированными уплотнениями вала	Предотвращение воспламенения взрывоопасной атмосферы.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

Снижение уровня электромагнитных помех (EMI) и соответствие стандартам EMC (ГОСТ Р, IEC, EN).
Повышение надежности работы сопутствующей электронной аппаратуры.
Улучшение характеристик двигателя в специфических режимах (пуск, плавность хода).
Обеспечение безопасности во взрывоопасных зонах.
Возможность работы в условиях сильных внешних магнитных полей.

Недостатки:

Увеличение массы, габаритов и стоимости двигателя.
Появление дополнительных потерь в экране (нагрев), что снижает общий КПД машины.
Усложнение конструкции, ремонта и обслуживания.
Необходимость строгого соблюдения правил монтажа и заземления.

Стандарты и нормативная база

Проектирование и применение экранированных двигателей регламентируется рядом международных и национальных стандартов:

ГОСТ Р МЭК 60034-1 / IEC 60034-1: Вращающиеся электрические машины. Часть 1. Номинальные данные и характеристики.
ГОСТ Р 51317.3.2 / IEC 61000-3-2, IEC 61000-6-4: Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока, индустриальные стандарты по излучению.
ГОСТ Р МЭК 60079-0 / IEC 60079-0: Оборудование взрывозащищенное. Часть 0. Общие требования.
ГОСТ Р 50571.18 / IEC 60364-5-51: Электроустановки низковольтные. Защита от помех.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается экранированный двигатель от обычного асинхронного?

Обычный асинхронный двигатель не имеет специальных элементов для подавления электромагнитных излучений или защиты от внешних полей. Экранированный двигатель содержит в конструкции дополнительные проводящие или магнитные элементы (экраны), выполняющие эти функции, что отражается на его характеристиках, стоимости и области применения.

Обязательно ли использовать экранированный кабель с частотным преобразователем?

Да, это является стандартной рекомендацией и часто обязательным требованием для соответствия нормам ЭМС. Длинные неэкранированные кабели между ЧРП и двигателем работают как антенны, излучая мощные высокочастотные помехи. Экранированный кабель с правильным заземлением оплетки с обоих концов значительно снижает уровень излучаемых и кондуктивных помех.

Как правильно заземлить экран кабеля двигателя?

Экранирующая оплетка кабеля должна быть подключена к клемме заземления (PE) с обоих концов: на выходе частотного преобразователя и на клеммной коробке двигателя. Соединение должно быть выполнено с максимальной площадью контакта (через специальные кабельные наконечники или зажимы). Корпусы ЧРП и двигателя также должны быть надежно заземлены на общую шину заземления.

Вызывает ли экран дополнительные потери в двигателе?

Да. В проводящем материале экрана под действием переменного магнитного поля наводятся вихревые токи, что приводит к его нагреву и отбору части энергии от основного поля. Эти потери снижают КПД двигателя и требуют учета в тепловом расчете. В двигателях с экранированными полюсами эти потери являются конструктивной особенностью, обеспечивающей сдвиг фаз для пуска.

Можно ли модернизировать существующий двигатель, добавив экран?

Как правило, нет. Интеграция эффективного электромагнитного экрана (например, гильзы в зазор или магнитного корпуса) требует глубокого изменения конструкции активных частей и корпуса, что возможно только на этапе проектирования и изготовления. Внешнее экранирование корпуса специальными кожухами возможно, но его эффективность ограничена и требует сложных инженерных расчетов.

Как выбрать между медным и алюминиевым экраном?

Выбор основан на компромиссе между эффективностью, стоимостью и массой. Медный экран при равной толщине эффективнее алюминиевого на 20-30% на высоких частотах, но значительно тяжелее и дороже. Алюминиевый экран легче и дешевле, что критично для крупных машин и авиакосмической отрасли. Для низкочастотного магнитного экранирования оба материала малоэффективны, здесь применяется сталь.

Заключение

Экраны для двигателя являются неотъемлемым элементом современного электропривода, обеспечивающим его корректную работу в сложных электромагнитных условиях и соответствие жестким нормам безопасности и совместимости. Понимание физических принципов экранирования, типов конструкций, материалов и правил применения позволяет инженерам-энергетикам и проектировщикам корректно выбирать и эксплуатировать экранированные двигатели, минимизируя риски выхода из строя оборудования и повышая общую надежность и эффективность электротехнических систем. Технологии экранирования продолжают развиваться, следуя за ростом мощности и быстродействия силовой электроники, что делает эту тему постоянно актуальной для профессионального сообщества.