Целостность любой электрической системы обеспечивается ее корпусом, который является очень недооцененным компонентом, играющим очень важную роль в защите хрупкой электроники от эксплуатационных рисков, рисков, связанных с окружающей средой, и физических повреждений. Правильно выбранный корпус будет надежным и прослужит долго, но неверное решение может оказаться губительным. Данное руководство представляет собой подробный справочник по изучению процесса проектирования, включая основные принципы этого процесса, такие как определение размеров, выбор материала и отраслевые стандарты (NEMA/IP). Далее мы перейдем к более сложным проблемам, связанным со сложными промышленными условиями, и предоставим инженерам и дизайнерам опыт для разработки надежных решений, которые защитят жизненно важные элементы.
Основные соображения перед началом работы
Перед расчетом размеров или выбором материала необходимо провести тщательный анализ предполагаемого использования. Все проектные решения определяются условиями эксплуатации. Это предварительное исследование играет решающую роль в обеспечении того, что неучет одного аспекта может подорвать всю систему.
Применение в помещениях и на улице
Сначала определите место и тип корпуса. Устройствам, устанавливаемым вне помещений, приходится сталкиваться с большим количеством факторов окружающей среды, таких как дождь, снег, прямое солнце и ветер. Это требует особого внимания к погодоустойчивости, устойчивости материалов к ультрафиолетовому излучению и надежной герметизации от проникновения воды. С другой стороны, у внутреннего блока могут быть и другие проблемы, включая пыль в воздухе из-за производственного процесса, капающие жидкости или промывку под высоким давлением в стерильном помещении.
Химическое и коррозионное воздействие
Затем определите наличие коррозионных агентов. Будет ли корпус подвергаться воздействию промышленных растворителей, агрессивных чистящих средств, соляного тумана в морской среде или других агрессивных химических веществ? Это одна из основных причин выбора материала, поскольку коррозионная стойкость имеет первостепенное значение для предотвращения разрушения конструкции на ранней стадии и обеспечения стабильности корпуса и его внутренних элементов при эффективном блокировании радиочастот. Ответ на этот вопрос позволит принять решение об использовании углеродистой стали с покрытием, алюминия и некоторых сортов нержавеющей стали.
Диапазон рабочих температур
Еще одним важным фактором является диапазон температур окружающей среды, в которой работает электронное устройство. Корпус в литейном цехе будет подвергаться сильному внешнему нагреву, в то время как корпус в холодильной камере должен работать при отрицательных температурах. Термическая стабильность зависит не только от материала корпуса, но и от характеристик прокладок (которые могут стать хрупкими или деградировать), а также от общей эффективности любых систем управления теплом.
Отсутствие адекватного учета этих основополагающих факторов напрямую приводит к типичным и дорогостоящим отказам системы, таким как:
- Перегрев: Ненадлежащий термоконтроль снижает производительность и значительно сокращает срок службы электрических компонентов.
- Короткие замыкания: Это происходит из-за попадания влаги или токопроводящей пыли вследствие недостаточной герметизации.
- Структурное разрушение: Это отказ, вызванный коррозией в случае несоответствия между материалом и жесткой химической средой.
- Сигнальные помехи: Уязвимость к электромагнитным помехам (EMI), которые могут нарушить работу чувствительного электронного оборудования и соответствие нормативным требованиям.
Определение размера корпуса для успеха
Правильный выбор размера электрического шкафа - это компромисс между требованиями к току, терморегулированием и масштабируемостью, особенно для защиты чувствительных электронных компонентов. Маленький корпус сразу же вызовет проблемы с отводом тепла и доступностью обслуживания, в то время как большой корпус приведет к лишним производственным затратам и нерациональному использованию пространства. Определение размеров производится систематически, чтобы гарантировать функциональность и эффективность.
Расчеты начинаются с внутренних компонентов промышленных панелей управления. Разработайте подробную спецификацию материалов (BOM), содержащую все детали, которые будут установлены в шкафу: ПЛК, источники питания, клеммные блоки, печатные платы, DIN-рейки и трансформаторы. Определите фактический размер каждого компонента и суммарную площадь, которую он займет на подпанели или задней панели. Важно учитывать не только сами компоненты, но и необходимые безопасные зазоры между ними, как того требуют промышленные стандарты, чтобы избежать электрической дуги и обеспечить безопасный доступ.
Во-вторых, следует подумать о терморегулировании электронных корпусов. Главный враг электронных компонентов - тепло. В корпусе должно быть достаточно места для естественной конвекции воздуха. Другое эмпирическое правило гласит, что после установки всех компонентов всегда должно оставаться не менее 25 % свободного пространства. Если тепловыделение внутренних компонентов превышает возможности пассивного охлаждения корпуса, необходимо использовать активные методы охлаждения, такие как вентиляторы, радиаторы или кондиционеры. Эти устройства занимают физическое пространство и должны быть учтены при первоначальном расчете размеров.
И наконец, подумайте о возможности роста в будущем, особенно в сфере бытовой электроники. Дополнительное пространство гораздо дешевле включить в первоначальную конструкцию, чем заменять весь корпус на более позднем этапе. Разумный подход к проектированию заключается в том, чтобы предусмотреть дополнительное пространство 15-25% для будущих компонентов, изменений или обновлений. Такая концепция позволяет сделать корпус жизнеспособным компонентом системы на протяжении всего запланированного жизненного цикла.
Выбор подходящего материала для корпуса
Выбор материалов для изготовления корпуса - это критически важное решение, которое напрямую влияет на долговечность устройства, его вес, стоимость и эффективность защиты от воздействия факторов окружающей среды. Выбор должен быть осознанным и зависеть от требований к применению, которые были определены в ходе предварительной оценки. Оба материала имеют свои сильные и слабые стороны.
Углеродистая сталь: Широко используется в помещениях общего назначения, поскольку отличается высокой механической прочностью и дешевизной. Из нее можно легко изготовить корпуса по индивидуальному заказу. Ее основной недостаток - низкая коррозионная стойкость, поэтому ее нельзя использовать во влажной или химически загрязненной среде, если не нанесено стойкое порошковое покрытие.
Нержавеющая сталь: обладает высокой устойчивостью к коррозии и поэтому является выбором для таких востребованных отраслей, как пищевая промышленность, медицинское оборудование и судостроение.
- Нержавеющая сталь 304 обеспечивает достаточную степень коррозионной стойкости в большинстве условий мойки и на открытом воздухе.
- Нержавеющая сталь 316/316L Содержит молибден, который обеспечивает ему лучшую устойчивость к хлоридам и другим тяжелым промышленным химикатам, и необходим на химических заводах и в прибрежных зонах. Это дорогое сырье, которое еще дороже в производстве.
Свойства алюминий К числу достоинств этого материала относятся легкость, устойчивость к коррозии и хорошая теплопроводность, способствующая пассивному отводу тепла. Он обладает высоким соотношением прочности и веса, что делает его пригодным для применения в тех случаях, когда вес является проблемой. Корпуса телекоммуникационного и портативного испытательного оборудования обычно изготавливаются из алюминия.
ПоликарбонатПластиковый корпус, изготовленный методом литья под давлением. Он обладает превосходной ударопрочностью, умеренной влагостойкостью и устойчивостью к ультрафиолетовому излучению в стабилизированных сортах. Он является электроизолятором, что может быть преимуществом с точки зрения безопасности. Тем не менее, он может быть менее термостабильным и устойчивым к химическим веществам, чем металлы.
Стекловолокно(Fiberglass Reinforced Polyester или GRP) представляет собой прочное решение, обладающее высокой устойчивостью к коррозии и химическим веществам, и поэтому может использоваться в качестве альтернативы нержавеющей стали в самых суровых условиях. Он легкий и прочный, хотя со временем может подвергнуться расслоению или распусканию волокон под воздействием ультрафиолета, если на него не нанесено соответствующее покрытие.
В следующей таблице приведено наглядное сравнение этих распространенных материалов для корпусов:
| Материал | Относительная стоимость | Устойчивость к коррозии | Вес | Механическая прочность |
| Углеродистая сталь | Низкий | Низкий | Heavy | Очень высокий |
| Нержавеющая сталь 304 | Средний | Высокий | Heavy | Очень высокий |
| Нержавеющая сталь 316 | Высокий | Превосходно | Heavy | Очень высокий |
| Алюминий | Средний | Очень хорошо | Свет | Средний |
| Поликарбонат | Средний-низкий | Хорошо | Очень легкий | Высокий (влияние) |
| Стекловолокно | Средний | Превосходно | Свет | Высокий |
Номинальные параметры корпусов NEMA и IP
Для стандартизации степени защиты, обеспечиваемой корпусом, используются две основные системы: рейтинги NEMA, которые устанавливаются Национальной ассоциацией производителей электрооборудования в Северной Америке, и рейтинги IP, которые устанавливаются Международной электротехнической комиссией (IEC). Эти рейтинги важны для понимания соответствия нормативным требованиям и пригодности корпуса к окружающей среде. Выбор правильного стандарта требует понимания основных различий в Номинальные значения NEMA и IP дебаты.
Рейтинги NEMA охватывают более широкий спектр стандартов, чем рейтинги IP, например, защиту от проникновения твердых предметов и воды, коррозии и конструктивных особенностей. К числу распространенных рейтингов относятся:
- NEMA 3R: Предназначен для использования на открытом воздухе. Защищает от осадков; не повреждается внешним образованием льда в корпусе. Не устойчив к воздействию пыли, разносимой ветром. (Примерно эквивалентно IP24).
- NEMA 4: Он предназначен для использования как в помещении, так и на улице. Защищает от пыли и дождя, брызг воды и воды, направляемой из шланга. (Примерно эквивалентно IP66).
- NEMA 4X: Обеспечивает тот же уровень защиты, что и NEMA 4, но обладает большей коррозионной стойкостью. Это стандарт для промывочной среды, морской среды и химических заводов. (Примерно эквивалентно IP66).
- NEMA 12: Предназначен для использования в закрытых помещениях. Защищает от капающих некоррозионных жидкостей, падающей грязи и циркулирующей пыли. (Примерно эквивалентно IP54).
Степень защиты IP состоит из двух цифр. Первая цифра (0-6) обозначает степень защиты от твердых предметов, начиная с крупных частей тела и заканчивая микроскопической пылью. Вторая цифра (0-8) показывает устойчивость к проникновению воды, от капель до полного и длительного погружения. Чем больше число, тем выше степень защиты. Корпус со степенью защиты IP66, например, такой, как этот, абсолютно пыленепроницаем (6) и выдерживает сильные струи воды (6).
Выбор фурнитуры для обеспечения безопасности, герметичности и долговечности
Несмотря на то, что корпус шкафа является основной защитой, его функциональность определяется фурнитурой, то есть способностью закрываться, застегиваться и сохраняться. Защелки, петли, ручки и замки это не аксессуары, а скорее активные механические детали, которые чаще всего становятся причиной отказа в конструкции электрического шкафа. Выбор подходящей фурнитуры - один из важнейших инженерных процессов, который напрямую влияет на безопасность, герметичность и долговременную надежность.
Именно здесь сотрудничество с экспертом в области промышленного оборудования, таким как KUNLONG, станет стратегическим преимуществом. KUNLONG предлагает решения, направленные на решение трех основных задач с сильным акцентом на проектирование и производство этих важнейших элементов:
1. Гарантия идеальной герметичности: Не имеет смысла иметь высокий класс защиты IP или NEMA, если дверь не прилегает к уплотнителю идеально. Для этого используются высококачественные компрессионные защелки и многоточечные системы запирания, которые оказывают равномерное давление по всему периметру двери. Такая конструкция гарантирует, что уплотнение не будет нарушено, а пыль и вода не попадут внутрь устройства в течение тысяч циклов открывания-закрывания.
2. Обеспечение надежной безопасности: Первоначальной защитой от несанкционированного доступа является фурнитура. Сложность заключается в том, что необходимо выбрать запорные механизмы, которые не только будут устойчивы к взлому и проникновению, но и адаптированы к условиям работы. Это может быть как простой замок с ключом, так и более продвинутые электронные ручки доступа, которые могут быть включены в систему безопасности всего объекта, что обеспечит не только физическое сдерживание, но и электронный контроль.
3. Управление высокой вибрацией и механическими нагрузками: Корпуса для железнодорожного транспорта, транспортных средств и тяжелой промышленности, например, станков с ЧПУ или штамповочных прессов, подвержены вибрации и могут в любой момент испытать физическое воздействие. Такое постоянное механическое воздействие может со временем привести к ослаблению стандартных крепежных элементов и фурнитуры, что нарушает герметичность и целостность. Ответ заключается в спецификации фурнитуры, предназначенной для работы в таких условиях. Примеры высокопроизводительных компрессионных защелок включают в себя постоянное давление для противодействия ослаблению под воздействием вибрации. Кроме того, петли должны быть прочными и тяжелыми, чтобы избежать провисания дверей, а также для того, чтобы запорный механизм был идеально выровнен. Фурнитура должна не только подходить, но и выдерживать особые динамические нагрузки.
При выборе оборудования в процессе проектирования инженеры могут избежать наиболее распространенных отказов и обеспечить успешную работу шкафа в течение всего срока службы.
Обеспечение целостности экранирования и герметизации EMI/RFI
Помимо защиты компонентов от физических рисков, основная задача большинства современных корпусов - оградить хрупкую электронику от невидимых рисков: электромагнитных (EMI) и радиочастотных (RFI) помех. Это окружающий электронный шум, создаваемый всеми предметами, такими как линии электропередач, двигатели, беспроводные сигналы и т. д., который может ухудшить производительность, испортить данные и даже привести к полному отказу устройства. Таким образом, хорошее экранирование является одним из основных требований при проектировании приложений в области телекоммуникаций, медицинского оборудования и промышленной автоматизации. Для достижения этой цели необходимо глубокое понимание принципов, лежащих в основе эффективного экранирования. Экранирование электромагнитных помех.
Этот принцип защиты - клетка Фарадея, непрерывный проводящий экран, который окружает компоненты. Естественно, что клетка Фарадея состоит из хорошо продуманного металлического корпуса, однако целостность ее экранирования зависит только от самого слабого места. Чтобы создать эффективный экран, необходимо обратить внимание на два аспекта:
1. Электрическая непрерывность: Экран должен быть электрически непрерывным. Любой разрыв или нарушение в проводящем пути может служить антенной и способствовать утечке или прохождению помех. Это означает, что все панели, двери и точки доступа должны быть электрически соединены с основным корпусом шкафа. Для этого обычно используются проводящие прокладки, обычно из проволочной сетки или проводящих эластомеров, которые устанавливаются на стыке дверей и других отверстий для герметизации любых возможных зазоров в проводящем экране.
2. Целостность уплотнения к экрану: Герметичность в данном случае заключается не только в способности не пропускать пыль и воду, но и в завершении цепи клетки Фарадея. Самым большим возможным нарушением является дверь. Многоточечная система защелкивания необходима для обеспечения постоянного и стабильного давления на проводящую прокладку, чтобы обеспечить непрерывный и низкоомный путь между дверью и корпусом шкафа. Любые другие отверстия, включая кабельные или вентиляционные, также должны быть закрыты экранированными кабельными вводами, сотовыми вентиляционными панелями или другими специальными элементами, обеспечивающими проход без ущерба для экрана.
И наконец, корпус должен быть хорошо заземлен. Клетка Фарадея предотвращает помехи, проводя их по внешней стороне корпуса. Надежное заземление обеспечивает безопасный путь, по которому эта захваченная энергия может быть рассеяна, чтобы она не накапливалась и не излучалась вновь, делая экран бесполезным.
Основные проблемы проектирования шкафов для критической инфраструктуры
Проектирование шкафов для размещения критически важных объектов инфраструктуры, таких как центры обработки данных, электросети и телекоммуникационные сети, представляет собой особую категорию задач с высокими ставками, в которых отказ системы недопустим. Акцент делается не на простой защите, а на комплексной стратегии, охватывающей следующие фундаментальные проблемы:
- Многоуровневая безопасность: Конструкция не должна быть просто замком, она должна быть интегрирована для обеспечения защиты от современных угроз. Это включает в себя усиленную конструкцию, многоточечный замок и, во многих случаях, электронный контроль доступа с мониторингом и аудиторскими записями.
- Терморегуляция высокой плотности: В таких шкафах размещается оборудование высокой мощности, выделяющее интенсивное и концентрированное тепло. Проблема заключается в разработке высокоэффективных и надежных систем охлаждения с замкнутым циклом, которые позволят эффективно избежать теплового удара и гарантировать оптимальную производительность.
- Долгосрочная надежность: Поскольку требуемый срок службы обычно исчисляется десятилетиями, все детали должны быть выбраны с максимальной долговечностью. Конструкция должна быть направлена на сокращение объема технического обслуживания и использование фурнитуры, включая петли и уплотнения, которая доказала свою способность выдерживать нагрузки окружающей среды и высокие циклы использования без сбоев.
- Масштабируемость и защита на будущее: Технологии в этих шкафах меняются с большой скоростью. Одна из главных задач - разработать модульную и гибкую платформу с возможностью регулировки стоек и подвижных точек ввода кабелей, чтобы в шкафу можно было разместить будущее оборудование без необходимости его замены на более дорогое.
Ваш основной контрольный список для проектирования электрических шкафов
Этот контрольный список представляет собой структурированную основу для руководства процессом проектирования от замысла до завершения.
- Этап 1: Анализ требований
- Определите применение: Внутреннее или наружное использование?
- Оцените факторы окружающей среды: Температурный режим, влажность, воздействие солнечной радиации.
- Определите химические/коррозионные агенты: Солевые брызги, масла, чистящие растворы и т. д.
- Определите соответствие нормативным требованиям: NEMA, IP, UL, отраслевые стандарты.
- Оцените физические нагрузки: Риски вибрации, ударов или сотрясений.
- Оцените потребности в безопасности: Уровень защиты от несанкционированного доступа.
- Этап 2: Выбор компонентов и материалов
- Завершите составление спецификации материалов (BOM) для всех внутренних компонентов.
- Рассчитайте площадь основания компонентов и зазоры.
- Выберите материал корпуса в зависимости от условий окружающей среды и условий применения.
- Укажите рейтинг NEMA/IP, который соответствует или превосходит требования.
- Этап 3: Планировка и тепловое планирование
- Планируйте компоновку компонентов для логичного подключения и доступа к обслуживанию.
- Рассчитайте общую тепловую нагрузку (в ваттах) от внутренних компонентов.
- Определите стратегию терморегулирования: Конвекция, принудительный воздух или активное охлаждение.
- Окончательно определите размеры корпуса, включая пространство для терморегулирования и будущего расширения.
- Планирование кабельного хозяйства: Прокладка кабелей, точки ввода и разгрузка от натяжения.
- Этап 4: Оборудование и аксессуары
- Выберите петли, рассчитанные на вес двери и условия окружающей среды.
- Выбирайте защелки/замки, обеспечивающие надлежащее сжатие и надежность уплотнения.
- Укажите прокладочный материал, совместимый с температурой и химическим воздействием.
- Выберите необходимые аксессуары: DIN-рейки, комплекты окон, шпильки заземления.
- Этап 5: Обзор и проверка
- Проведите анализ проекта, чтобы убедиться, что все требования соблюдены.
- Проверьте сертификаты материалов и технические паспорта компонентов.
- В случае создания прототипа проведите испытания на допуск и верификационные испытания IP/NEMA.
- Обеспечьте полноту и точность окончательной проектной документации.
Заключение
Эффективная конструкция электротехнического шкафа - это результат строгой, систематической процедуры. Она начинается с тщательного изучения условий применения и проходит через процесс осознанного принятия решений в отношении размеров, материаловедения и соблюдения установленных отраслевых стандартов. В случае применения в сложных отраслях промышленности, как мы уже видели, стандартных решений не всегда достаточно, и проектирование переходит к специализированным и индивидуальным решениям.
Окончательная надежность шкафа - это совокупное качество, в котором прочность металлического листа, стойкость порошкового покрытия и целостность фурнитуры объединяются в единую прочную систему. Это комплексное отношение, сочетание фундаментальных принципов с адаптацией к окружающей среде и отличным выбором компонентов - вот что делает простой корпус укреплением жизненно важных электрических систем.
Чтобы гарантировать, что ваш следующий проект будет соответствовать самым высоким стандартам, сотрудничайте с экспертами в области промышленного оборудования, которые знают толк в этих сложностях. Широкий выбор 3D-моделей и опыт из первых рук КУНЛОНГ Команда инженеров может обеспечить инженерам легкий путь к решению сложной задачи и созданию прочного, стабильного и безопасного конечного продукта.
