Elmotorer i ekstreme eller farlige miljøer

Senest opdateret: 31/1/2024

Når elmotorer arbejder i ekstreme eller farlige miljøer, er der flere overvejelser og løsninger til designet som man skal tage stilling til. I mange tilfælde er det nemlig motoren selv der arbejder i det ekstreme miljø, mens drevelektronikken er beskyttet mod farer.

I dette indlæg kommer vi ind på udfordringerne med motorens ydelse og de designmæssige overvejelser og løsninger der er nødvendige, når en motor arbejder i ekstreme miljøer.

Typer af miljøer

Ekstreme temperaturer

Elmotorer er typisk klassificeret til et industrielt miljø med en omgivelsestemperatur på 40^o C. Driftstemperaturer kan dog variere fra -10^o C til 50^o C. I visse applikationer, som køling og køleopbevaring, kan temperaturerne være endnu lavere, helt ned til -40^o C eller lavere.

Alle motorer er klassificeret efter den maksimale temperaturstigning, som motorviklingerne kan tåle i forhold til omgivelsestemperaturen. Denne klassificering angives ofte som f.eks. F, H eller J.

I varme omgivelser er motorens drejningsmoment begrænset af dens evne til at aflede varme for at forhindre overophedning af motorviklingerne. For at tilpasse motoren til dette miljø kan man bl.a.:

Justere motorens ydeevne baseret på forskellen mellem nominel og aktuel omgivelsestemperatur.
Forbedre isoleringssystemet med en højere klassificeret isolering, hvilket giver mulighed for en højere temperaturstigning.
Anvende luftkøling ved at lede luft over eller gennem motoren.
Anvende væskekøling ved at tilføre væske gennem et skræddersyet motorhus.

I kolde omgivelser påvirkes motoren på andre måder. Lejefedtet kan blive tykt og stift, hvilket kan forringe motorens ydeevne. Derudover kan motormaterialerne blive skrøbelige, hvilket kan føre til brud. For at imødekomme disse udfordringer kan man bl.a.:

Vælge motormaterialer, der er egnede til lave temperaturer.
Anvende fedt med lav viskositet til lejerne.

Vakuum

Standardmotorer er designet til at fungere i et begrænset atmosfærisk tryk på ca. 1 bar. I visse applikationer, såsom bearbejdning, kritiske enheder og rumfart, er det nødvendigt at operere motoren i et vakuum.

I et vakuum er der ingen luftmolekyler til at overføre varme ved konvektion. Dette kan føre til overophedning af motoren, da varme kun kan spredes ved ledning og stråling. For at forhindre overophedning af motoren i et vakuum kan man bl.a.:

Begrænse motorens ydeevne, hvilket reducerer den mængde varme, der produceres.
Anvende varmeledere til at overføre varme fra motoren til en kølefinne eller væskekølesystem.
Vælge motormaterialer, der har gode varmeledningsevner.

Valg af motormateriale og lejer er også vigtigt i et vakuum. Motormaterialerne skal være modstandsdygtige over for vakuumrelaterede udfordringer som afgasning og nedbrydning. Lejerne skal desuden være designet til at fungere under vakuumforhold, da lejefedtet kan miste sin effektivitet.

Se vores løsning til Ørsteds Satellitten her, hvor vi hos GCM udviklede et differentiale der skulle fungere under både store centrifugalkræfter og i et miljø med totalt vakuum.

Renrum

Renrum er kontrollerede miljøer, der er designet til at begrænse indholdet af partikler i luften. De bruges ofte i industrielle vakuumapplikationer, hvor selv små mængder forurening kan have en negativ indvirkning på processen.

Valget af materialer til en motor, der anvendes i et renrums miljø, er afgørende for at sikre, at motoren ikke bidrager til forureningen.

Man skal være særligt opmærksom på motormaterialets afgasningsegenskaber. Materialer kan udgasse molekylære partikler, når de udsættes for varme eller et vakuum. Disse partikler kan indeholde urenheder, der kan forurene renrumsmiljøet. Afhængigt at renrums klasseniveauet skal materialer, der anvendes i motorkonstruktionen, undersøges for afgasningsegenskaber. Klassen er et tal, der angiver mængden af partikler, der er tilladt i luften. Jo højere klasse, jo mindre forurening er tilladt.

Materialer med høje afgasningsegenskaber som blytråd, lejefedt og akseltætninger, bør undgås i motorer til renrum. Disse materialer kan nemlig udgasse partikler, der kan forurene miljøet.

Alternative materialer som kobbertråd, silikonecit og gummi, har derimod lavere afgasningsegenskaber. De er derfor bedre egnede til anvendelse i renrum.

Vand

Elektriske motorer og vand er som regel ikke en god kombination. Standardmotorer er klassificeret til støv- og fugtforsegling baseret på en IP-klassificering, hvor de fleste design er fastlagt til IP40-IP54. Våde miljøer kræver derimod klassificeringer på IP65 eller højere.

I fødevareindustrien er der ofte behov for beskyttelse mod vandsprøjt og korrosion. Dette kan skyldes, at motorerne er placeret i nærheden af vandrette overflader, som kan sprøjte vand på motorerne. I andre tilfælde kan motorerne være udsat for højtryksspuling eller perioder med nedsænkning i vand.

Nedsænkelige applikationer kræver ikke kun beskyttelse mod vandindtrængning, men også hensyn til højere trykforhold. Dette skyldes, at trykket i vandet stiger, jo dybere motoren er nedsænket.

Forskellige tætningsmetoder forhindrer uønsket vandindtrængen, der kan forårsage korrosion af indre materialer. En tilføjelse af tætninger resulterer ikke altid i et robust vandafvisende design. En motor, der anses for at være godt forseglet, kan nogle gange opleve udfordringer relateret til internt tryk i kombination med motoropvarmning og -afkøling.

Når motortemperaturen stiger, påvirker det indre tryk tætningerne udad. Når motoren afkøles, reduceres det indre tryk, hvilket trækker tætningerne indad. Denne kontinuerlige bøjning af tætningerne vil over tid få dem til at svigte. Hvis motoren får lov til at ”ånde”, når dens temperatur stiger, vil det indre tryk ikke stige og forårsage slid på tætningerne. Dette kan opnås ved at tilføje en luftsluse til motoren.

Nedsænkelige elektriske motordesigns inkluderer ofte en intern, ikke-ætsende væske og en trykblære, der kan absorbere trykændringer, når motoren er nedsænket i større dybder.

Hygiejnisk

Hygiejniske miljøer, som dem der findes i fødevareindustrien, kræver strenge krav til rengøring og desinfektion for at forhindre spredning af sygdomme. Dette gælder også for elmotorer, der bruges i disse miljøer.

Standardmotorer der er fremstillet af aluminium eller stål, er ikke egnede til brug i hygiejniske miljøer. Dette skyldes, at disse materialer kan oxidere og danne uregelmæssigheder på overfladen, som kan fremme væksten af patogener.

Rustfrit stål er derfor det foretrukne materiale til motorer, der anvendes i hygiejniske miljøer. Rustfrit stål er modstandsdygtigt over for korrosion og har en glat overflade, der er vanskelig for patogener at vokse på.

Ligesom i våde miljøer er tætning vigtig i hygiejniske applikationer for at forhindre patogener i at trænge ind i motoren. Motoren skal derfor være tætnet mod vand, olie og andre væsker.

Motorens design generelt er også vigtigt for at fremme hygiejne. Motorhuset skal have afrundede kanter for at undgå, at væsker ophobes. Der må heller ikke være samlinger eller forbindelsesdele, der kan opsamle væsker. Eventuelle flade områder skal være skrånede for at sikre, at væsker kan løbe af.

Tætningskravet for motorer i hygiejniske miljøer er typisk IP69K. Dette betyder, at motoren er beskyttet mod højt tryk, høj temperatur og ætsende kemikalier.

Eksplosive miljøer

Eksplosive miljøer som dem der findes i kornelevatorer, melmøller, tekstilmøller og andre faciliteter, hvor brændbare gasser, støv, dampe eller fibre kan forekomme, kræver særlige motordesigns for at forhindre eksplosioner.

Eksplosive risici kan opstå, når brændbare materialer kommer i kontakt med ilt og en gnist eller flamme. I en elmotor kan en kortslutning i viklingerne skabe en gnist, der kan antænde brændbare materialer i miljøet.

Der findes forskellige typer eksplosionssikre motorer, der er designet med en række funktioner, der hjælper med at forhindre eksplosioner. Disse funktioner omfatter:

Tætning: Motoren er tætnet for at forhindre, at brændbare materialer trænger ind i motoren.
Isolering: Motoren er isoleret for at forhindre, at kortslutninger forårsager gnister.
Gnistbegrænsning: Motoren er designet til at begrænse spredningen af gnister eller flammer, hvis de opstår.

Motorer i eksplosive miljøer er klassificeret baseret på den type eksplosive risiko, de er designet til at håndtere. Disse klasser er underlagt forskellige sikkerhedsstandarder, som UL i USA, ATEX i Europa og CCC i Kina.

Stråling

Stråling kan være en udfordring for elektriske motorer, der anvendes i miljøer med høje strålingsniveauer, som f.eks. i nærheden af atomreaktorer eller i det ydre rum. Stråling kan forårsage nedbrydning af motorens materialer, hvilket kan føre til funktionsfejl eller endda nedbrud.

Strålingsniveauet i et miljø måles typisk ved at se på den samlede mængde stråling, der er absorberet over en bestemt tidsperiode.

Standard motormaterialer, som aluminium og stål, er ikke egnede til anvendelse i miljøer med stråling. Disse materialer nedbrydes af stråling på meget kort tid. En strålingshærdet motor er derimod designet til at modstå de skadelige virkninger af stråling. Disse motorer anvender materialer, der er modstandsdygtige over for stråling som kobber, keramik og kulstoffiber.

Strålingshærdede motorer er dog typisk dyrere end standardmotorer og kræver regelmæssig vedligeholdelse for at sikre, at de fungerer korrekt.

Høje vibrationer og stød

Standard elmotorer er designet til at håndtere vibrationer, der typisk forekommer i industrielle miljøer. Men for høje gentagne vibrationsniveauer eller pludselige stødvibrationer kræver yderligere motor-overvejelser.

Retningen for stødet og vibrationsfrekvensen bestemmer, hvilke muligheder der er bedst for at afbøde potentielle motorskader.

En almindelig løsning involverer valg af lejesystem. Lejer er en vigtig komponent i en motor, da de understøtter rotoren og reducerer friktion. Lejer kan være udsat for betydelig belastning fra vibrationer og stød.

For at forbedre vibrationsafbødningen kan man vælge lejer med følgende egenskaber:

Lav friktion: Lejer med lav friktion kan hjælpe med at reducere vibrationer.
Høj stivhed: Lejer med høj stivhed kan hjælpe med at modstå stød.
Dæmpning: Lejer med dæmpning kan hjælpe med at absorbere vibrationer.

I et miljø med højt stød er det også vigtigt at vælge en robust feedback-enhed, der kan modstå stød. Feedback-enheder er bl.a. vigtige for at sikre, at motoren kører korrekt. En encoder med skrøbelig glasskive er ikke et godt valg i et sådant miljø. I stedet kan man vælge en resolver, der er mere robust.

Ud over lejesystem og feedback-enhed kan der være andre muligheder for at afbøde vibrationer og stød. Disse kan omfatte:

Motorophæng: Motorophæng kan hjælpe med at absorbere vibrationer.
Motordæmpning: Motordæmpning kan hjælpe med at reducere vibrationer.
Motorskærm: Motorskærme kan hjælpe med at beskytte motoren mod stød.

Konklusion

Elmotorer kan sagtens fungere i udfordrende miljøer, selvom det kan være svært at finde det rette design. Der findes dog adskillige motorer der med succes fungerer i de nævnte miljøer.

Hos GCM hjælper vi gerne med at finde den rette motortype til dit projekt eller din applikation. Vi har over 35 års erfaring inden for motor- og gearteknologi og har i løbet af årene hjulpet flere virksomheder fra forskellige brancher og industrier. Tag gerne et kig på nogle af de cases som vi har hjulpet med at løse.

Kontakt os ved at oprette en henvendelse i formularen eller ring til os på tlf. 74 42 18 64 for en uforpligtende snak om mulighederne for et samarbejde, så vi sammen kan finde den bedste løsning.

Du er også velkommen til at sende os en mail på info@gearcentralen.dk med specifikationerne på dit projekt, så vender vi tilbage hurtigst muligt.