DMI ny milstolpe i utvecklingen av likströmsmotorn Christer Söderberg ABB Motors marknadsför en medelstor likströmsmotor med väsentligt bättre prestanda på många viktiga punkter. Några av dessa goda egenskaper är inbördes motstridiga; det har tidigare inte ens varit möjligt att kombinera dem i samma maskin. Användaren har tvingats välja antingen hög effekt, stort varvtalsområde, högt vridmoment, små dimensioner, hög överlastförmåga eller litet tröghetsmoment osv. Men tack vare DMI, som den nya motorserien heter, behöver kunden inte längre försaka viktiga egenskaper utan kan dra nytta av alla samtidigt. Förbättringarna är så markanta att det finns fog för påståenden som: DMI-motorn förändrar förutsättningarna för likströmstekniken i grunden. Likströmsmotorer har funnits i över ett sekel, och minst två gånger under den tiden varit utrotningshotade. Första gången var när den trefasiga växelströmmen kom runt sekelskiftet. Tack vare sina goda regleregenskaper har likströmsmotorn överlevt och under senare decennier varit populärare än någonsin genom tyristorströmriktarna, som gjorde det enkelt och kostnadseffektivt att utnyttja likströmsteknikens attraktiva egenskaper. Under senare år har olyckskor- 1 ABB:s nya likströmsmotor DMI erbjuder bättre prestanda i alla avseenden inklusive minskat underhållsbehov. parna börjat kraxa igen, denna gång eftersom användaren kan komma nära likströmsdrifternas precision och snabbhet i regleringshänseende med frekvensomriktare och vanliga växelströmsmotorer. Men inte heller denna gång verkar profetian slå in; ABB:s försäljning av likströmsmotorer har även under senare år legat på en stabil och betryggande nivå. Och nu, tack vare lanseringen av DMImotorn, räknar ABB med att försäljningen kommer att öka markant, dvs. att likströmsmotorn går en ny vår till mötes 1. 54 ABB tidning 1/2
Utvecklingen av likströmsmotorer Den hårda konkurrensen på likströmsmotorernas område har lett till alltmer pressade konstruktioner. Prestanda som uteffekt, vridmoment och maxvarvtal har visserligen kunnat ökas, men till priset av minskat varvtalsområde vid max effekt och minskade elektriska marginaler. Detta har i sin tur lett till större underhållsbehov för kolborstar och kommutatorer samt till kortare livslängd 2. Utmaningen för DMI-projektet blev därför att återföra utvecklingen av likströmsmotorer till den ideala karakteristiken med stort varvtalsområde vid konstant uteffekt, låga elektriska påkänningar och därmed litet underhållsbehov. Ansatsen i utvecklingsprojektet Försäljningsutvecklingen för föregångaren, DMG-motorn, gav för några år sedan anledning att fundera över hur konstruktörerna skulle gå vidare med engagemanget i likströmsmotorer. Målet blev att bryta trenden på marknaden mot 3 Rotorplåten i den nya DMI motorn. Tack vare större kylkanaler som placerats symmetriskt och närmare lindningsspåren, uppnås bättre kylning och bättre magnetisk balans. P[kW] 2 16 12 8 4 1 2 3 4 5 n[rpm] alltmer pressade konstruktioner och med hjälp av kunskap, erfarenhet och moderna konstruktionshjälpmedel åstadkomma en motor som såväl elektriskt som mekaniskt var mer ideal. Konkret betydde detta högre uteffekt, högre vridmoment, högre varvtal, större varvtalsområde, mindre tröghetsmoment och bättre krypkörningsegenskaper till lägre elektriska och mekaniska påkänningar. Två möjligheter fanns: antingen utgå från befintlig motorserie och förbättra den, eller konstruera en helt ny. Det förra alternativet var naturligtvis mindre riskfyllt och mindre kostnadskrävande, men 1969 1974 1981 1986 1993 1997 1999 DMI 18S 1999 DMI 18P & U 2 Visserligen har likströmsmotorernas prestanda ökat under senare decennier. Priset är minskat varvtalsområde vid max effekt, minskande elektriska marginaler och ökat underhållsbehov. Denna utveckling bröts med den nya DMI-motorn. också mindre lovande, det senare motsatsen i samtliga nämnda avseenden. Efter noggrann analys av de två alternativen valdes det senare, dvs. att konstruera en helt ny motorserie. Den större förbättringspotentialen i det senare fallet uppvägde med god marginal ökade risker och de högre utvecklingskostnaderna. Resultatet - den nya DMImotorn - visade att analysen var riktig; jämfört med föregångaren har den nya motorn cirka: 5 % högre uteffekt 9 % högre vridmoment 3 % högre maxvarvtal 3 % större varvtalsområde 4 Den symmetriska placeringen av kylkanalerna i rotorn relativt lindningsspåren gav bättre balans i magnetflödet mellan rotorns olika härvor. ABB tidning 1/2 55
Nya lösningar Inom ramen för utvecklingsprojektet har ett antal nya tekniska lösningar tagits fram, varav flera är patentsökta. Den enskilt viktigaste uppfinningen är en ny princip för kylning av rotorlindningen, karakteriserad av att kylkanalerna i rotorn flyttats närmare lindningsspåren samtidigt som den sammanlagda kylarean ökats kraftigt. Det vill säga, kylningen har förbättrats avsevärt. Dessutom, tack vare att kylkanalerna placerats symmetriskt relativt lindningsspåren, har den magnetiska balansen i rotorn förbättrats 3. Symmetrin i magnetflödet i rotorkretsen, dvs. att ingen rotorhärva drabbas av högre elektrisk påkänning än de övriga, var en av de aspekter som studerades när den magnetiska kretsen optimerades med datorhjälp 4. Ytterligare åtgärder som vidtagits i rotorn är följande: Tillverkningsprocessen för plåtpaketet i rotorn har förfinats för att jämna ut variationerna i magnetisk polarisation. Detta har 5 Lindningarna i rotorn har förlagts snett relativt motoraxeln. Detta har förbättrat motorns gångegenskaper vid låga varvtal. förbättrat motorns gångegenskaper vid låga varvtal. Lindningarna i rotorn har förlagts snett relativt motoraxeln. Detta har också förbättrat motorns gångegenskaper vid låga varvtal och sänker även ljudnivån 5. Härvändarna i rotorn har fixerats med en stabil stödring i aluminium. Detta har reducerat vibrationerna vid höga varvtal och bidragit till DMI-motorns höga varvtalsgräns. Samtidigt förbättrar stödringen kylningen i rotorhärvänden, en svaghet i många äldre konstruktioner som direkt inverkar på isolationens livslängd 6. Rotoraxeln är överdimensionerad för att ytterligare minska vibrationerna och bidra till motorns höga varvtalsgräns. Även statorn har förbättrats. Den har fått mer plats för lindningarna, bättre magnetisk balans och jämnare temperaturfördelning tack vare datoroptimering av den magnetiska kretsen i kombination med kompaktare spolar och förbättrad tillverkningsteknik 7. Också kommutatorn konstruerades om. Den har blivit mindre till diametern och stabilare. Därmed bidrar också den till 6 Härvändarna i rotorn har fixerats med en stabil stödring i aluminium. Detta reducerar vibrationerna och bidrar till DMI motorns högre varvtal samt förbättrar kylningen. 7 Statorn har förbättrats avsevärt. Den har fått mer plats för lindningarna, bättre magnetisk balans och jämnare temperaturfördelning tack vare kompaktare spolar och förbättrad tillverkningsteknik. 56 ABB tidning 1/2
DMI-motorns höga varvtalsgräns och kommuteringsmarginal, dvs. förmåga att hantera ström utan gnistbildning 8. Dramatiskt förbättrade prestanda Förhoppningen var att ovanstående åtgärder skulle öka motorns effektuttag relativt den gamla motorserien med bibehållen s.k. kommuteringspåkänning, dvs. med bibehållen marginal mot gnistbildning mellan kommutator och kolborstar. Resultaten överträffade målet. Trots en effektökning med upp till 7 % minskade kommuteringspåkänningarna påtagligt. Prestandaökningen relativt på marknaden aktuella likströmsmotorer framgår av 9. Den horisontella delen av respektive kurva visar motorns s.k. shuntområde. Detta ger även en fingervisning om kommuteringsmarginalen vid märkdata. Kommuteringsmarginalen: nyckeln till hög driftsäkerhet Kommuteringsmarginalen är ett mått på en likströmsmaskins förmåga att hantera ström mellan kommutatorn och borstarna utan gnistbildning. Det betyder att denna egenskap är en av de viktigaste för att uppnå hög driftsäkerhet och litet underhåll. Kommuteringsmarginalen påverkas av faktorer som strömrippel, vibrationer, temperatur, belastning och kylluftens renhet, faktorer som alla, på olika sätt, åtgärdas i DMI-motorn. DMI-motorns kommuteringsförmåga har verifierats i prov med strömriktarmatning, dvs. i avsevärt svårare driftsfall än med slät eller glättad likström. Motorn har visat sig ha en extremt stor kommuteringsmarginal och därmed hög driftsäkerhet samtidigt som underhållsbehovet är minimalt 1. Kommutatorn och 8 Kommutatorn har liten diameter och därför låg periferihastighet. Därför klarar den också höga varvtal. kolborstarna ska inte behöva ses till oftare än lagren i stabila driftsmiljöer. Därmed är likströmsmotorns underhållsintervall helt plötsligt jämförbar med den kortslutna växelströmsmotorns. Isoleringen: nyckeln till lång livslängd Isoleringen i DMI-motorn är utförd i olika material för att motorns livslängd ska bli så lång som möjligt. Till exempel används material med höga temperaturindex långt P[kW] 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 n[rpm] högre än klass H där temperaturen är hög, och mekaniskt starkare material där temperaturen är lägre. I detta sammanhang är det viktigt att påpeka att ABB beräknar temperaturmarginalen för DMI-motorn utgående från den verkliga temperaturen i motorn under drift, inte på temperaturen en god stund efter driftstopp, vilket IEC 34-1-standarden ger möjlighet till. Med verklig driftstemperatur menas här dessutom att den är framtagen i prov med strömriktarmatning, dvs. i 9 Effekt- och varvtalsområde för DMI-motorn jämfört med konventionella likströmsmotorer DMI 225X DMI 225U Motor A 225 Motor B 225 Motor C 225 Motor D 225 ABB tidning 1/2 57
1 5 2 3 4 Before modification Target After modification 3 CA P 2 1 I arm F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 F 6 F 7 1 DMI-motorn och dess stora kommuteringsmarginal (CA) höjer driftsäkerheten och minskar underhållsbehovet. Det grå fältet i diagrammets mitt representerar de störningar som alltid finns under normal drift och som påverkar motorns kommuteringsförmåga. 1 DMI motorer I arm Rotorström 2 Andra motorer 3 Otillräcklig kommutering 11 FMEA metoden (Failure Mode and Effect Analysis) användes under hela utvecklingsfasen för att se till att uppsatta mål avseende kvalitet och driftsäkerhet skulle uppnås P Sannolikhetsindex F1 F7 Failure modes avsevärt svårare driftsfall än med slät eller glättad likström. Samtidigt är risken för lokal överhettning i motorn eliminerad tack vare en praktiskt taget ideal elektromagnetisk dimensionering och uppbyggnad samt effektiv kylning. FMEA ett sätt att systematiskt uppnå högsta kvalitet Failure mode and effect analysis (FMEA) är en metod för att systematisk identifiera de åtgärder som krävs för att uppsatta mål vad gäller kvalitet och driftsäkerhet ska uppnås. Denna metod användes under hela utvecklingsfasen av motorn, inklusive tillverkningsberedningen 11. Sammanfattning Konstruktion av elektriska motorer, som så mycket annat konstruktionsarbete, handlar i stor utsträckning om att hitta bästa balansen mellan några goda men inbördes motstridiga egenskaper. I likströmsmotorns fall handlar det om egenskaper som: hög uteffekt, högt vridmoment, högt varvtal, stort varvtalsområde, små dimensioner, låg vikt och litet underhåll. Olika motorer, inte minst från olika leverantörer, har varit bra på olika saker, ingen har varit bra på allt. Men tack vare unika resurser på konstruktionssidan, nya datorbaserade konstruktionshjälpmedel och uppfinningsrikedom har konstruktörerna i DMI-motorn lyckats ta fram en produkt som är väsentligt bättre än tidigare på samtliga punkter. Det bådar gott för samtliga berörda och för likströmsteknikens förmåga att hävda sig på sikt. Författare Christer Söderberg ABB Motors AB SE-721 7 Västerås / Sweden E-post: christer.lj.soderberg@se.abb.com Telefax: +46 21 32 95 15 58 ABB tidning 1/2