При работе электродвигателя возникают потери, на покрытие которых расходуется часть потребляемой им электрической энергии. Потери возникают в активном сопротивлении обмоток, в стали при изменении магнитного потока в магнитопроводе, а также механические потери на трение в подшипниках и трение о воздух вращающихся частей машины. В конечном итоге вся энергия потерь превращается в тепловую энергию, идущую на нагрев двигателя и рассеивающуюся в окружающей среде.
Потери в двигателе бывают постоянные и переменные. К постоянным относятся потери в стали и механические и потери в обмотках, где ток постоянен, к переменным — потери в обмотках двигателя.
В начальный период после включения большая часть выделяющегося в двигателе тепла идет на повышение его температуры, а меньшая поступает в окружающую среду. Затем по мере увеличения температуры двигателя все большее количество тепла передается в окружающую среду, и наступает момент, когда все выделяемое тепло рассеивается в пространстве. Тогда наступает тепловое равновесие, и дальнейшее повышение температуры двигателя прекращается. Такая температура нагрева двигателя называется установившейся. Установившаяся температура с течением времени остается постоянной, если нагрузка двигателя не изменяется.
Количество тепла Q, которое выделяется в двигателе за 1 с, можно определить по формуле
где η— КПД двигателя; Р2— мощность на валу двигателя.
Из формулы следует, что чем больше нагрузки двигателя, тем больше тепла в нем выделяется и тем выше его установившаяся температура.
Опыт эксплуатации электродвигателей показывает, что основной причиной их выхода из строя является перегрев обмотки. Пока температура изоляции не превышает допустимого значения, тепловой износ изоляции нарастает очень медленно. Но по мере превышения температуры износ изоляции резко возрастает. Практически считают, что перегрев изоляции на каждые 8°С снижает срок ее службы вдвое. Так, двигатель с хлопчатобумажной изоляцией обмоток при номинальной нагрузке и температуре нагрева до 105 °С может работать около 15 лет, при перегрузке и повышении температуры до 145 °С двигатель выйдет из строя уже через 1,5 месяца.
По ГОСТ изоляционные материалы, используемые в электромашиностроении, по нагревостойкости делятся на семь классов, для каждого из которых устанавливается максимально допустимая температура (табл. 1).
Допустимое превышение температуры обмотки двигателя над температурой окружающей среды (в СССР принято + 35 °С) для класса нагревостойкости Y составляет 55 °С, для класса А — 70° С, для класса В — 95° С, для класса Я—145° С, для класса G более 155 °С. Превышение температуры данного двигателя зависит от величины его нагрузки и режима работы. При температуре окружающей среды ниже 35 °С двигатель можно нагрузить выше его номинальной мощности, но так, чтобы при этом температура нагрева изоляции не превышала допустимые нормы.
| Характеристика материала | Класс нагревостойкости | Предельно допустимая температура, °С |
| Непропитанные хлопчатобумажные ткани, пряжа, бумага и волокнистые материалы из целлюлозы и шелка | Y | 90 |
| Те же материалы, но пропитанные связующими | А | 105 |
| Некоторые синтетические органические пленки | Е | 120 |
| Материалы из слюды, асбеста и стекловолокна, содержащие органические связующие вещества | В | 130 |
| Те же материалы в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими веществами | F | 155 |
| Те же материалы, но в сочетании с кремний органическими связующими и пропитывающими составами | Н | 180 |
| Слюда, керамические материалы, стекло, кварц, асбест, применяемые без связующих составов или с неорганическими связующими составами | G | более 180 |
Исходя из известного количества тепла Q, выделенного при работе двигателя, можно подсчитать превышение температуры двигателя τ°С над температурой окружающей среды, т. е. температуру перегрева
где А — теплоотдача двигателя, Дж/град•с; е —основание натуральных логарифмов (е = 2,718); С — теплоемкость двигателя, Дж/град; τо— начальное превышение температуры двигателя при τ.
Установившаяся температура двигателя τу может быть получена из предыдущего выражения, если принять τ = ∞. Тогда τу = Q / А. При τо = 0 равенство (2) примет вид
Обозначим отношение С/А через Т, тогда
где Т — постоянная времени нагрева, с.
Постоянная нагрева — это время, в течение которого двигатель нагрелся бы до установившейся температуры при отсутствии теплоотдачи в окружающую среду. При наличии теплоотдачи температура нагрева будет меньше и равна
Постоянная времени может быть найдена графически (рис.1, а). Для этого из начала координат проводят касательную ОС до пересечения с горизонтальной прямой, проходящей через точку а, соответствующую температуре установившегося нагрева. Отрезок вс будет равен Т, а отрезок ав — времени tу, в течение которого двигатель достигнет установившейся температуры τу. Обычно принимают равным 4T.
Постоянная нагрева зависит от номинальной мощности двигателя, частоты его вращения, конструкции и способа охлаждения, но не зависит от величины его нагрузки.
Рис. 1. Кривые нагрева и охлаждения двигателя: а — графическое определение постоянной нагрева; б — кривые нагрева при различных нагрузках
Если двигатель, после того как он нагреется, отключить от сети, то, начиная с этого момента, он уже не выделяет тепла, а накопленное тепло продолжает рассеиваться в окружающей среде, двигатель охлаждается.
Уравнение охлаждения имеет вид
а кривая показана на рис. 1, а.
В выражении То — постоянная времени охлаждения. Она отличается от постоянной времени нагрева Т, так как теплоотдача двигателя, находящегося в покое, отличается от теплоотдачи работающего двигателя. Равенство возможно в том случае, когда двигатель, отключенный от сети, имеет постороннюю вентиляцию.
Обычно кривая охлаждения идет более полого, чем кривая нагрева. У двигателей с внешним обдувом То больше Т примерно в 2 раза. Практически можно считать, что через промежуток времени от 3То до 5То температура двигателя становится равной температуре окружающей среды.
При правильном выборе номинальной мощности двигателя установившаяся температура перегрева должна быть равна допустимому превышению температуры τдоп, соответствующему классу изоляции обмоточного провода. Различным нагрузкам P1< P2 < P3 одного и того же двигателя соответствуют определенные потери ΔP1<ΔP2<ΔP3 и значения установившейся температуры перегрева (рис. 1, б). При номинальной нагрузке двигатель может работать длительное время без опасного перегрева, тогда как при увеличении нагрузки до допустимое время его включения составит не более t2, а при мощности не более t3.
Исходя из изложенного можно дать следующее определение номинальной мощности двигателя. Номинальная мощность двигателя представляет собой мощность на валу, при которой температура его обмотки превышает температуру окружающей среды на величину, соответствующую принятым нормам перегрева.