Effektiv motor och drivlina ett totalgrepp för bättre resultat Effektivitet, tillförlitlighet och ägarens totala kostnad väger tillsammans tyngst vid de tekniska bedömningarna, även om de enskilda enheterna var för sig kanske inte ger de största fördelarna. Genom att vidga perspektivet och kombinera de bästa teknikerna från olika områden blir det möjligt att nå större besparingar och skapa effektivare lösningar. Markus Kutny, produktchef för Energy Efficiency Solutions inom Bauer Gear Motor, förklarar. Under de senaste åren har fokus varit på förbättringar av elmotorernas verkningsgrad, delvis på grund av ändrade lagar och förordningar som har styrt tillverkare och kunder åt det hållet. Men om man ser på den totala verkningsgraden för drivsystemen som är kopplade till elektriska motorer, måste även de mekaniska systemen beaktas, eftersom de i betydande utsträckning kan optimeras. Mellan elmotorn och den slutligen drivna enheten finns ofta ett antal mekaniska delar, kugghjul, kopplingar och lager, som överför den mekaniska kraften från motorn. Genom att analysera varje enskild komponents egenskaper inom detta mekaniska avsnitt och optimera totalkonstruktionen, kan ytterligare effektivitet och besparingar uppnås. Förbättrad motoreffektivitet Det är väl känt att 65 % av energin som används i industrin går till elmotorer. Mindre känt är det faktum att 96 % av livstidskostnaden för en elmotor är kopplad till energiförbrukningen. Detta visar hur viktig den totala effektiviteten är jämfört med den initiala inköpskostnaden när man talar om betydelsen av ägarens totala kostnad (TCO). PMSM (permanent magnet synchronous motors, permanentmagnetiserade synkronmotorer) uppfyller redan kraven i den snart gällande klassen IE4 (Super Premium Efficiency). Detta bevisas av deras potential att nå energibesparingar på upp till 40 % jämfört med en IE2 inverter-driven burlindad motor. PMSM synkrona motorer ger avsevärt förbättrad verkningsgrad när de jämförs med induktionsmotorer, även under dellastförhållanden, och extremt hög verkningsgrad vid märklast. De har också avsevärt högre "effektdensitet" vilket för växlade motorer innebär högre systemeffektivitet med minsta krav på utrymme. Att PMSM-motorerna är synkrona innebär inte bara att de är överlägsna när det gäller att omvandla elenergi till mekanisk kraft utan även att de dessutom har fördelen att hålla konstant varvtal oberoende av lasten. Detta innebär att motorns varvtal aldrig ändras, trots last- eller spänningsvariationer, bara spänningens frekvens är konstant. Date: 16/09/2014 Altra273 page 1 / 6
Konstruktionen ger många viktiga fördelar. Den minskar värmeförlusterna från rotorn med 100 %, de totala förlusterna med ca 25 % och ökar den totala verkningsgraden med 10 % eller mer. För PMSManvändaren betyder dessa förbättrade egenskaper sänkt totalkostnad för ägaren, en minskning av CO2- utsläpp och kontinuerliga besparingar inför framtida ökningar av energikostnader. De låga kostnaderna för drift och underhåll för PMSM-motorer innebär att de ger optimal energibesparing vid drift av fläktar, pumpar och kompressorer samt för tillämpningar med konstant moment som hissar och transportband. Från januari 2015 och framåt kommer energieffektivitetsklassen IE3 (Premium Efficiency) att vara gällande standard för motorer med en märkeffekt på 7,5 till 375 kw och från januari 2017 och framåt för motorer med en märkeffekt på 0,75 till 375 kw. Motorer som styrs av frekvensomvandlare är undantagna från dessa regler. För sådana motorer är IE2 fortsatt tillräcklig. Test som visar fördelarna med PMSM De bättre egenskaperna för en PMSM betyder en lägre totalkostnad för ägaren, en minskning av CO2- utsläppen och kontinuerliga besparingar som skydd mot framtida ökningar av energikostnader. Denna bättre teknik och effektivitet betyder högre initiala inköpskostnader, som senare återfås vid driften under hela livslängden av PMSM. För att få fram bevis för detta påstående samtyckte Bauer Gear Motor till att delta i en direkt jämförelse där en inverterdriven asynkronmotor (ASM) och en motor med permanentmagnet monterades för att utföra samma uppgifter. Jämförelsen utfördes i en vattenreningsanläggning för avloppsvatten i Tyskland, där de båda motorerna fick driva en skivförtjockare sju timmar varje dag. Samma frekvensomvandlare som var programmerad till att övervaka belastningen på de båda motorerna, används till att säkerställa att de kördes med optimal effektivitet. För att säkerställa att varje skillnad i effektivitet endast kunde hänföras till motorerna, använde de båda drivsystemen samma växellåda. Sedan de utfört exakt samma uppgift var resultatet enligt tabellen nedan: ASM 2.62 1350 61.5 0.26 2657 PMSM 3.50 1500 87.7 0.16 1635 Försöket visade att PMSM medförde en 40 %-ig besparing av energiförbrukningen jämfört med ASM, vilket sett över en period på 4 år innebär en besparing på 1 022 kw. Eftersom priset på energi fortsätter att stiga, kommer också värdet på denna besparing att stiga. Drivlinans konstruktion Date: 16/09/2014 Altra273 page 2 / 6
Att konstruera moderna drivlinor kräver specialistkunskaper och experterfarenhet för att kunna skapa en produkt som inte bara uppfyller specifikationerna utan även är effektiv, går jämnt och med låg ljudnivå och dessutom är tillförlitlig. Men ytterligare fördelar med en bra konstruktion kan fås genom att säkerställa att drivlinan fungerar problemfritt i tillämpningen, vilket kräver en djup förståelse för förhållandena i den aktuella industrin. Mindre effektiva konstruktioner som motorer med snäckväxel, kan ersättas med motorer med integrerade växlar med spiralskurna, koniska drev, som har betydligt högre verkningsgrad och större livslängd. Med en sådan lösning faller behovet av koppling och lager, vilket ger en effektöverföring med en näst intill perfekt verkningsgrad. I vissa fall kan det vara lämpligt att förfina idén genom att specificera en skräddarsydd lösning, som kan använda befintliga komponenter som helt integreras i maskinen och därigenom innebär den bästa tänkbara lösningen. Genom att engagera konstruktörer redan i början av ett projekt kan man få bättre effektivitet både vad gäller kostnader och energi. Axelkopplingar Som en kritisk länk mellan elmotorn och drivaxeln kan kopplingen ha en avgörande betydelse för utrustningens egenskaper. Beroende på tillämpning, underhållskrav och momentspecifikation måste kopplingens konstruktion granskas noga för att säkerställa tillförlitlighet men också att den ska vara lätt att underhålla. Om en koppling specificeras felaktigt kan det leda till att effektöverföringen blir ineffektiv men också till att underhållskostnaderna blir större. Kopplingar är konstruerade för att kompensera vinkel- och parallellfel, som kan förekomma när en av axlarna har ett sfäriskt lager eller när en mellanaxel utan lager är placerad mellan motor och last. Kopplingar som kan kompensera vinkelfel inkluderar enkla kardanknutar med dess förmåga att klara stora fel och dämpa torsionsvariationer. Om båda axlarna är monterade i sfäriska lager kan noll-fel uppnås, vilket innebär att en fast koppling kan användas som stöder axeln i perfekt uppriktning. Innan en fast koppling monteras kan det vara av intresse att först testa en flexibel koppling. Med maskinen i normal drifttemperatur mäts varvtalet och den ström motorn drar. Skillnaden mellan dessa värden och motsvarande med en fast koppling visar de förluster, som skapas av den flexibla kopplingen. Detta demonstrerar de extra besparingar som kan göras genom att avsätta en del extra tid på att få en bra axeluppriktning. Den grundläggande konstruktionen för flexibla kopplingar består av två flänsar eller nav, som förbinder de två axlar som ska kopplas samman samt ett förbindelseelement som kan vara av metall, som i stållamellkopplingar. Den kan också vara en hylsa av töjbart material, som EPDM-gummi, neopren, Hytrel eller uretan, eller kan den vara mekanisk som i en kardanknut eller kuggkoppling. En totallösning Date: 16/09/2014 Altra273 page 3 / 6
Om man närmare synar de olika synpunkterna ovan inser man vilka energisparmöjligheter som finns i de olika synsätten på drivlinans konstruktion. Genom att kombinera dessa effektivitetshöjande konstruktionssynpunkter i en applikation kan man vinna imponerande resultat, som kan bli ännu bättre när totalkonstruktionen granskas av en fristående specialtillverkare. På så sätt kan varje komponent anpassas och konstrueras för att på bästa sätt fungera tillsammans med de övriga komponenterna, samtidigt som det också innebär en enda kontakt när det gäller utbildnings- och underhållsfrågor. En granskning av komponenternas mekaniska verkningsgrader och införandet av avsevärda förbättringar inom det området, kan leda till en minskning av det totala effektbehovet från elmotorn. Genom att installera en mindre motor, som är ansluten till en effektivare mekanisk drivlina, blir det totala resultatet en mindre energiförbrukning och en höjd tillförlitlighet genom bättre anpassade komponenter. Vid specificering av drivsystem för applikationer med svåra miljöförhållanden är det viktigt att diskutera problemen med en leverantör med erfarenhet för att förstå svårigheterna vid varje enskild situation. Bauer Gear Motor har ingenjörer med många års erfarenhet av konstruktion av skräddarsydda system för effektöverföring inom många olika industrier. Genom erfarenhet har de lärt att det är viktigt att lära av historien inom sina respektive specialistområden för att kunna fortsätta dess utveckling. Till sist erbjuder Bauer Gear Motor genomtänkta lösningar med hög kvalitet och framför allt som är tillförlitliga och effektiva. Företaget har goda tillverkningsresurser, kan tillverka prototyper och har attraktiva leveranstider och dessutom omfattande globala nätverk för försäljning och service, vilket innebär lokala kontakter och lokal support oavsett var i världen användarapplikationen är placerad. Markus Kutny har arbetat för Bauer Gear Motor GmbH sedan 2009. Han har arbetat som Field Sales Engineer under två år och specialiserat sig på energieffektiva drivningstekniker med särskild inriktning på permanentmagnetiserade synkronmotorer. För detta område är Markus Kutny Global Manager för Bauer. Bildtexter: Bild 1: Om man ser på den totala effektiviteten för drivsystemen för elektriska motorer, måste även de mekaniska systemen beaktas, eftersom de i betydande utsträckning kan optimeras Bild 2: De bättre egenskaperna för en PMSM betyder en lägre totalkostnad för ägaren, en minskning av CO2- utdläppen och kontinuerliga besparingar Bild 3: Genom att analysera varje enskild komponents egenskaper inom detta mekaniska avsnitt och optimera konstruktionen, kan ytterligare effektivitet och besparingar uppnås Bild 4: Markus Kutny, Global Manager, Bauer Gear Motor GmbH Date: 16/09/2014 Altra273 page 4 / 6
Om Bauer Gear Motor GmbH Bauer Gear Motor har tillhandahållit lösningar inom området kuggväxelmotorer under mer än en kvarts århundrade. Vi tillhandahåller produkter i högsta kvalitet, och fokus ligger på flexibla lösningar, tillförlitlighet och god förståelse för våra kunders behov. Bauer Gear Motor har ett starkt grepp om marknaden, speciellt inom områdena livsmedel och dryck, alternativ energiproduktion, vattenrening, stålproduktion och materialhantering. Bauer Gear Motor har tillverkningsanläggningar i Tyskland och Slovakien, och säljkontor och sammansättningsenheter runt om i världen. Date: 16/09/2014 Altra273 page 5 / 6
Editor Contact DMA Europa Ltd. : Anne-Marie Genth Tel: +44 (0)1562 751436 Fax: +44 (0)1562 748315 Web: www.dmaeuropa.com Email: anne-marie@dmaeuropa.com Company Contact Bauer Gear Motor GmbH : Philip Crowe Tel: +49 711 3518 276 Web: www.bauergears.com Email: philip.crowe@bauergears.com Date: 16/09/2014 Altra273 page 6 / 6