Welke impact heeft de nabijheid van rotor en stator op warmteopwekking?

Invloed van de afstand tussen rotor en stator op verhitting

Bij elektromotoren heeft de afstand tussen de rotor en de stator (bekend als de luchtgap) een aanzienlijke invloed op de verhittingsprestaties van de motor. De grootte van de luchtgap beïnvloedt direct de elektromagnetische, mechanische en thermische eigenschappen van de motor. Hieronder staan de specifieke effecten van de luchtgap op verhitting:

1. Invloed op elektromagnetische prestaties

• Verandering in fluxdichtheid: De grootte van de luchtgap beïnvloedt direct de magnetische fluxdichtheid in de motor. Een kleinere luchtgap betekent dat de magnetische flux gemakkelijker kan doorstromen, waardoor de magnetische weerstand afneemt en de fluxdichtheid toeneemt. Een grotere luchtgap vergroot de magnetische weerstand, wat leidt tot een afname van de fluxdichtheid.

• Verminderde kracht van het magnetisch veld: Bij een grotere luchtgap wordt de kracht van het magnetisch veld verminderd, wat resulteert in een slechtere elektromagnetische koppeling tussen de rotor en de stator. Dit vermindert de efficiëntie van de motor en vergroot energieverliezen, wat leidt tot meer warmteopwekking.

• Toegenomen opwekkingsstroom: Om dezelfde fluxdichtheid te behouden, is bij een grotere luchtgap een hogere opwekkingsstroom nodig. De toename van de opwekkingsstroom zorgt voor grotere koperverliezen (I²R-verliezen), wat op zijn beurt leidt tot meer verhitting.

2. Invloed op mechanische prestaties

• Toegenomen trillingen en geluid: Als de luchtgap ongelijkmatig of te groot is, kan dit leiden tot misaligning tussen de rotor en de stator, wat resulteert in toegenomen mechanische trillingen en geluid. Trillingen beïnvloeden niet alleen de stabiliteit van de werking van de motor, maar versnellen ook de slijtage van lagers en andere mechanische componenten, wat mogelijk extra verhitting veroorzaakt.

• Risico op wrijving: Als de luchtgap te klein is, bestaat er een risico op contact of wrijving tussen de rotor en de stator, vooral bij hoge snelheden of fluctuerende belastingen. Deze wrijving genereert aanzienlijk veel warmte en kan de motor ernstig beschadigen.

3. Invloed op thermische prestaties

• Gereduceerde efficiëntie van warmteafvoer: Een grotere luchtgap vergroot de thermische weerstand binnen de motor, waardoor het moeilijker wordt voor warmte om vanuit het interieur van de motor naar de externe omgeving te worden geleid. Dit leidt tot hogere interne temperaturen, vooral in de windingen en kern, wat de veroudering van isolatiematerialen versnelt en de levensduur van de motor verkort.

• Lokale oververhitting: Als de luchtgap ongelijkmatig is, kunnen bepaalde gebieden een extreem kleine gap hebben, wat leidt tot lokale concentratie van magnetische flux en lokale oververhitting. Dit versnelt de degradatie van isolatiematerialen in die regio's, waardoor het risico op storingen toeneemt.

• Toegenomen temperatuurstijging: Door de verminderde kracht van het magnetisch veld en de toegenomen opwekkingsstroom die door een grotere luchtgap worden veroorzaakt, nemen zowel koper- als ijzerverliezen toe, wat leidt tot een hogere algemene temperatuurstijging. Excessieve temperatuurstijging kan de efficiëntie en betrouwbaarheid van de motor beïnvloeden en kan zelfs de oververhittingbescherming van de motor activeren, waardoor deze wordt uitgeschakeld.

4. Invloed op efficiëntie en cosinus phi

• Gereduceerde efficiëntie: Een grotere luchtgap leidt tot meer energieverliezen, voornamelijk door de toegenomen opwekkingsstroom en de verminderde magnetische fluxdichtheid. Deze verliezen manifesteren zich als warmte, wat de algehele efficiëntie van de motor verlaagt.

• Verlaagde cosinus phi: Een grotere luchtgap vergroot de reactieve vermogenvraag van de motor, wat leidt tot een lagere cosinus phi. Een lage cosinus phi betekent dat de motor meer stroom nodig heeft om hetzelfde uitvoervermogen te produceren, wat lijnverliezen en de belasting op transformatoren vergroot, wat de verhittingsproblemen nog verder verergert.

Samenvatting

De afstand tussen de rotor en de stator (luchtgap) heeft een aanzienlijke invloed op de verhitting van een elektromotor. Een kleinere luchtgap verbetert de magnetische fluxdichtheid en de efficiëntie van de elektromagnetische koppeling, vermindert de opwekkingsstroom en energieverliezen, en daarmee de verhitting. Echter, een luchtgap die te klein is, kan leiden tot mechanische wrijving en risico's op lokale oververhitting. Een grotere luchtgap verzwakt de kracht van het magnetisch veld, vergroot de opwekkingsstroom en energieverliezen, wat leidt tot meer warmteopwekking, en vermindert de efficiëntie en cosinus phi van de motor. Daarom is het ontwerpen en controleren van de grootte van de luchtgap cruciaal voor het waarborgen van een efficiënte en betrouwbare werking van de motor en het verlengen van diens levensduur.