Print

Bezkartáčové motory s permanentními magnety

-- 21.03.07

Střídavé motory s velkými permanentními magnety (PM) jsou stále více vidět v náročných průmyslových a vojenských aplikacích, i když je jejich počet omezen spíše tržními silami než technologií. Jsou atraktivní zejména pro svou vysokou hustotu výkonu a účinnost.

Bezkartáčové motory s permanentními magnety (PM) jsou více známy v relativně malých fyzických velikostech a určeny pro aplikace s nižším výkonem, avšak je možno je vyrobit téměř v jakékoli velikosti, bez jakýchkoli vážných technologických omezení. Velké bezkartáčové PM motory nejsou ničím novým. Nabízejí je vybraní výrobci, kteří nyní usilují o překonání dřívějších ekonomických potíží, jež dříve omezovaly jejich počet.

Velké bezkartáčové PM motory nabízejí četné výhody, mimo jiné vysokou hustotu výkonu a vysokou účinnost bez rotorových ztrát. Vzhledem k tomu, že náklady na výrobu a materiál, včetně velmi silných magnetů, rychle narůstají, tyto přínosy něco stojí. Bezkartáčové PM motory je také nutno řídit pohonem s frekvenčním měničem. Přesto poměr nákladů a přínosů upřednostňuje PM motory před jinými alternativními technologiemi (viz níže) pro stále více aplikací v průmyslu, pohonech námořních lodí, v armádě a dalších odvětvích.

Pro obhájení poměru ceny a přínosů je nutná důkladná analýza potenciálního použití. Nedávný vývoj může být v tomto nápomocen. Široká dostupnost pohonů společně s výrazně klesajícím trendem cen pohonů a materiálů magnetů naznačuje, že v blízké budoucnosti bude těchto motorů nasazeno více. Tento vývoj by ještě posílila větší informovanost uživatelů o velkých PM motorech.

Pohony a magnety ženou vývoj kupředu

Významný konstruktér a výrobce velkých bezkartáčových PM motorů, společnost DRS Technologies Inc., začal využívat svých zkušeností se systémy pohonů ve vojenském sektoru u průmyslových, námořních a dopravních aplikací. Díky vývoji v oblasti magnetů a pohonů s frekvenčním měničem (variable-frequency drives – VFD), potřebných pro spouštění a provoz bezkartáčových PM motorů, je nyní možno vyrobit tyto motory ve velkých rozměrech. Souvisejícími pohony společnosti DRS jsou jednotky pro střední napětí (1,5–6,6 kV) s modulací šířkou pulsu (pulse-width modulation PWM) a vektorovým nebo bezsnímačovým vektorovým řízením.

Edgar S. Thaxton, hlavní technik a ředitel pro systémové inženýrství společnosti DRS Power Technologies, poukazuje na dramatické zlepšení spolehlivosti VFD za poslední desetiletí a na hodnoty výkonu, které mohou dosáhnout i více než 60 MW. Vyšších hodnot výkonu bylo částečně dosaženo díky novějším bezkontaktním spínacím prvkům, jako jsou bipolární tranzistory s izolovaným přechodem (IGBT) a integrované tyristory s komutovaným přechodem (IGCT). „PM motory vynikají v aplikacích, které vyžadují VFD, nebo kde pohony s proměnlivou frekvencí poskytují výkonnostní přínosy, které ospravedlňují náklady na VFD,“ říká.

„Pokud jde o materiály magnetů, výrazně se zlepšily také jejich odolnost vůči korozi, mechanické vlastnosti a teplotní limity, v důsledku čehož máme k dispozici PM stroje schopné nasazení v náročných průmyslových a vojenských aplikacích. Cena za kilogram permanentních magnetů vyrobených ze slitin prvků vzácných zemin se za posledních 10 let pětkrát snížila a odpovídající magnetická síla na kilogram se zvýšila třikrát,“ vysvětluje Thaxton. Představuje to zlepšení poměru cena/výkon v poměru 15:1, a to má zásadní význam pro současnou „komerční dostupnost.“

Společnost Powertec Industrial Motors Inc. je další firmou s historií výroby vysoce výkonných bezkartáčových PM motorů a jejich standardní produkty mají v současnosti výkon až 400 HP (298 kW). Jejich zkušenosti se soustřeďují na aplikace pro armádu, těžký průmysl a výbušné prostředí. V jednom období společnost vyráběla stejnosměrné bezkartáčové motory o výkonu až 600 HP (447 kW). Tyto stroje o vnějším průměru okolo 64 cm využívaly feritové permanentní magnety a byly nabízeny ve verzích s chlazením vzduchem a kapalinou. Jsou zakázkovým produktem, který se v současnosti sériově nevyrábí. V roce 2006 se objevilo nové provedení o výkonu až 1 000 HP (745 kW).

Společnost Powertec potvrzuje vztah mezi motory a pohony. Dříve nebyly velké, vysoce výkonné IGBT pohony dostupné za přijatelné ceny. „V posledních pěti letech se tato situace podstatně změnila a tyto pohony jsou již dostupnější za přijatelnější cenu,“ říká ředitel společnosti Powertec, Ed Lee. Pro řízení motorů tato společnost používá pohony pro nízké napětí (do 600 V).

Avšak Powertec přičítá vzácnost velkých PM motorů spíše tržním než technologickým faktorům. „I když jsou velké PM motory dostupné, jsou dražší než běžné motory a není-li v aplikaci důležitá účinnost, menší rozměry (vysoká hustota výkonu) a vyšší dynamický výkon, zákazník si nepřiplatí,“ konstatuje Lee. Proto stále existuje jen velmi málo výrobců těchto motorů.

V současnosti jsou pro výrobu průmyslových motorů dostupné dva materiály ze slitin prvků vzácných zemin – neodym-železo-bor (NdFeB) a samarium-kobalt. Mají podobnou magnetickou hustotu, ale samarium má lepší charakteristiku při vysokých teplotách (i když za vyšší cenu),“ poznamenává Lee. Přestože cena magnetů NdFeB za posledních pět až sedm let významně poklesla, jsou stále dražší než ekvivalentní materiály používané v konstrukci střídavých indukčních rotorů. „Cena magnetů a nízký objem výroby ovlivňují vyšší cenu bezkartáčových PM motorů, a tím i možnost jejich nasazení pro danou aplikaci,“ uzavírá Lee.

Úkolem je vysoký krouticí moment

Z pohledu společnosti Siemens AG, divize automatizace a pohonů, se velké PM motory používají zejména pro aplikace s vysokým krouticím momentem – tyto motory jsou v provedení s přímým pohonem (bez převodovky). Souvisí to s rostoucím zájmem zákazníků o snižování nákladů na údržbu jejich výrobních prostředků z důvodu tlaků na celkové výrobní náklady,“ vysvětluje Robert Lehning, produktový manažer pro velké střídavé motory společnosti Siemens, divize A&D Large Drives. „Odstranění převodovek díky použití technologie přímého pohonu (direct-drive) je jedním z kroků tímto směrem,“ říká Lehning. „Převodovky vyžadují větší pozornost věnovanou údržbě a monitorování než motory a jejich celková dostupnost je nižší.“

Dále poukazuje na nízkorychlostní provedení motorů Siemens s vysokým krouticím momentem. „Velké PM motory se jmenovitými rychlostmi mezi 800 a zhruba 5 000 ot./min podle našeho názoru nemají skutečnou výhodu ve srovnání s běžnými indukčními stroji,“ pokračuje Lehning. Technologie PM může být „zajímavá“ také pro vysokorychlostní motory, například s 10 000 a více ot./min, kde je účinnost vyšší než u střídavých indukčních strojů. „Nicméně aplikace v této oblasti jsou obvykle velmi specializované,“ dodává.

Robert Lehning ze společnost Siemens obdobně zmiňuje pokles cen velmi silných magnetů, které zatraktivňují technologii PM motorů. Avšak celková technologie je stále nákladnější ve srovnání s indukčními motory. „Proto PM motory v dohledné budoucnosti nenahradí běžné indukční motory ve standardních aplikacích,“ říká. Lehning také upozorňuje na zlepšení konstrukčních nástrojů a knowhow při vývoji PM motorů, které stojí za novou popularitou této produktové řady.

Společnost Yaskawa Electric potvrzuje, že neexistují technické překážky pro výrobu větších bezkartáčových PM motorů o výkonu v řádu stovek kW. Je to pouze ekonomická otázka. Diskuse se zákazníky a cenové poptávky na tyto větší jednotky jsou stále častější, ale stále nejde o typický „pultový“ produkt. Společnost Yaskawa již několik let přináší hospodárnost a spolehlivost technologie motorů s interními permanentními magnety (IPM) pro potřeby vyššího výkonu a zároveň používá IPM servomotory ve vlastních výrobních strojích.

Na dřívější dodávání produktů na trh (timeto- market) se na všechny výrobce se zvyšuje ekonomický tlak. Společnost Yaskawa ve svých výrobních závodech rozšířila použití technologie IPM na motory s ještě vyšším jmenovitým výkonem. Její zákazníci si tak mohou lépe ověřit výhody digitálních servosystémů u procesů a strojů s vyšším výkonem.

Italská společnost Oemer Motori Elettrici Spa je dalším výrobcem, jehož nabídka obsahuje velké bezkartáčové PM motory. Jsou mezi nimi torzní motory s výkonem až 300 kW pro bezpřevodovkové aplikace s přímým pohonem až do 500 ot./min, kapalinou chlazené, třífázové servomotory s výkonem až 318 kW při 5 000 ot./min a vysoce výkonné jednotky s výkonem až 1 MW při jmenovité rychlosti až 2 600 ot./min pro dynamické průmyslové aplikace. Produktová řada společnosti Oemer byla představena na veletrhu SPS/IPC/Drives v Německu v listopadu 2005.

Nadílka výhod

Podle společnosti DRS Technologies mají PM stroje při plném zatížení o 1–2 % vyšší účinnost než odpovídající střídavé indukční nebo synchronní motory a o 10–15 % vyšší účinnost při částečném zatížení. Účinnost je dána plným rotorovým vybuzením bez proudu a bez souvisejících ztrát při všech rychlostech. Thaxton dává jako příklad nízkootáčkový lodní pohon dosahující neuvěřitelné účinnosti 99,3 %!

Chlazení motoru je jednodušší, protože rotor nevytváří téměř žádné teplo. Pouze stator potřebuje chlazení, a protože spočívá na vnější konstrukci, vodní chlazení se stává atraktivnější. Jednodušší provedení chlazení také umožňuje flexibilní geometrii motoru. „Stroje PM umožňují mnohem větší variabilitu rozměrů než běžné motory. Je možno vyrábět krátké motory o velkém průměru nebo dlouhé, úzké motory, které mohou mít provedení vzduchové mezery radiální (konvenční) nebo axiální (plochá cívka) se vzduchovou mezerou.“

Kompaktní bezkartáčové PM motory mají o třetinu až polovinu menší velikost a hmotnost než běžné motory a nabízejí jednoduchost vinutí jednoho statoru, což má příznivý vliv na spolehlivost. Indukční motory mají naproti tomu vinutí rotoru a statoru a synchronní vinuté motory (wound-field synchronous – WFS) mají ještě složitější konstrukci. Obsahují hlavní stator, hlavní rotor, budicí rotor, budicí vinutí statoru a obecně, rotující komutátor,“ vysvětluje Thaxton.

Společnost DRS Technologies představila prototyp PM motorů, které dosahují vyššího výkonu při dané rychlosti než běžné stroje a umožňují více flexibilní sladění zatížení a omezení převodů (u motorů s přímým pohonem). „Motory PM jsou cenově srovnatelné s běžnými motory. Pokud aplikace vyžaduje VFD, je jen málo důvodů, proč zvolit běžný stroj,“ pokračuje Thaxton.

Společnost Powertec vidí jako přínosy velkých bezkartáčových motorů vyšší účinnost, vyšší hustotu výkonu (menší velikost vzhledem k výkonu) a vyšší dynamický výkon, přičemž rozdíl v účinnosti je v rozmezí 3 % ve prospěch bezkartáčových PM motorů oproti střídavým indukčním motorům. Lee zdůrazňuje, že rozdíl by nemusel být tak velký, pokud by se věnovala maximální pozornost minimalizaci ztrát u indukčních motorů (jako u určitých provedení zaměřených na úsporu energie).

„Nebude však praktické provozovat tyto indukční motory s malým skluzem napojené přímo na silové vedení bez řízení pohonu, a to z důvodu velmi vysokého záběrného proudu a nízkého počátečního krouticího momentu,“ dodává Lee. „Bezkartáčové PM motory nelze provozovat napojené přímo na vedení vůbec, neboť ty musí mít komutovanou polohu hřídele.“

Společnost Siemens vidí jako hlavní přínosy velkých bezkartáčových PM motorů nižší provozní náklady, vyšší celkovou dostupnost systému a nižší nároky na prostor. Odstranění převodovky je užitečné z několika důvodů: nižší náklady na údržbu a vyšší účinnost systému díky menším ztrátám výkonu a nižší složitosti systému.

Řídicí úlohy, větší počet pólů

U velkých bezkartáčových PM motorů existuje několik úloh v oblasti řízení. Pohony s modulací šířkou pulsu nyní nabízejí úroveň řízení přizpůsobenou pro náročné průmyslové aplikace, společně s omezenými harmonickými kmity systému pohonů a zlepšeným účinkem.

Vyšší hustota výkonu bezkartáčových PM motorů je do značné míry dána vyšším počtem pólů než mají běžné motory, tvrdí Edgar S. Thaxton ze společnosti DRS. „Obecně platí, že PM motory mohou mít třikrát více pólů než vinutý motor (WFS) o stejném průměru.“ Umožňuje to lehčí, menší a flexibilnější geometrii motoru.

Vyšší počet pólů však znamená nutnost VFD, které jsou schopné poskytovat vyšší elektrické frekvence. Pro určitou rychlost a PM motor není neobvyklý požadavek vstupu 415 Hz. „V aplikacích s vysokou rychlostí a velkým výkonem to může být rozhodující faktor pro návrh topologie VFD pohonů a rozsahu řízení,“ dodává.

Společnost Powertec doplňuje, že kromě potřeby poziční komutace bezkartáčového PM motoru nejsou vyžadovány žádné speciální řídicí úlohy nad rámec úloh platných pro indukční stroje o stejném výkonu. „Zhruba polovina dnes dostupných pohonů může pracovat s oběma typy motorů prostřednictvím softwarových algoritmů – řízení komutace pro bezkartáčové motory a řízení skluzu pro indukční motory,“ říká Lee.

„To vše je redukováno na jednoduchý výběr v nabídce.“ Zmiňuje se o schopnosti bezkartáčového motoru fungovat jako PM generátor a produkovat výstup bez buzení. „V aplikacích, kde může z důvodu vysokých rychlostí při generálce dojít k rychlostem motoru nad „základní rychlost“, může generované napětí dosáhnout úrovní vysoko nad projektovaný napěťový rozsah sběrnice,“ říká Lee. Ovlivňuje to pouze několik neobvyklých aplikací, avšak při instalaci je to zapotřebí vzít v úvahu.

Siemens potvrzuje, že otázky řízení se příliš neliší od případu indukčních motorů. Bezkartáčové PM motory jsou provozovány s VFD pohony, pouze softwarový algoritmus je mírně odlišný.

Příklady uplatnění

Společnost DRS Technologies nedávno testovala při plném výkonu hnací lodní motor o výkonu 36,5 MW a otáčkách 127 ot./min určený pro americké námořnictvo, který dodává krouticí moment přes 2 000 000 lb-ft (2 708 559 Nm). Společnost Canopy Technologies LLC, společný podnik s polovičními účastmi DRS a Elliott Company Inc. (přední výrobce vysokorychlostních rotačních zařízení), testovala průmyslový motor o výkonu 11,4 MW (6 225 ot./min) (hlavní fotografie). Jsou považovány za dva nejsilnější PM motory na světě. Aplikace velkých lodních pohonů jsou zvláště atraktivní pro vysoce účinné PM motory, vezmeme-li v úvahu rostoucí ceny paliva. DRS rovněž vyrábí vysoce výkonné PM motory, které mají údajně dosahovat hodnot přes 1 HP/lb v rozsahu 500–1 000 HP.

Z mnoha aplikací uvádí společnost Powertec jako příklad nový dělostřelecký systém amerického námořnictva AGS (Advanced Gun System) pro program Stealth Destroyer, který využívá řadu velkých vysoce dynamických bezkartáčových PM motorů. Zdvihací motor dodává krouticí moment přes 800 lb-ft při špičkových otáčkách 2 000 ot./min (špička přes 300 HP) a je zabudovaný do jednotky o průměru pouze 12,5“. „Námořnictvo nařizuje použití bezkartáčových motorů v případě nových aplikací nebo výměny všude tam, kde je to možné, z důvodu malých rozměrů a nižší hmotnosti,“ uvádí společnost Powertec.

K dalšímu uplatnění patří řízení azimutu a sklonu a zajištění redundance u obří antény o hmotnosti 4 miliony liber (1 814 tun) pro anténní systém protiraketové obrany. Tato aplikace vyžadovala použití motorů s vysokým výkonem a dynamikou, které dodává osm bezkartáčových motorů o výkonu 225 HP řídících azimut a čtyři motory o výkonu 50 HP řídící zdvih, což představuje celkový instalovaný výkon 2 000 HP.

Výše vyobrazený vzduchem chlazený motor Powertec NEMA 3213T o výkonu 400 HP (vnější průměr 16“) ilustruje, jak kompaktní tyto stroje jsou. Pro srovnání rozměrů vlastního motoru jsou zobrazeny ventilátor a rozvodná skříň. Rozvodná skříň se zdá být obrovská z důvodu objemového požadavku NEMA na ukončení velkých vodičů.

Situaci v oblasti technologie bezkartáčových PM motorů vystihuje hádanka. Před několika lety časopis Control Engineering poznamenal, že s rostoucí poptávkou se budou vyrábět stále větší modely a ptal se: „Když je vyrobí, objeví se jejich uživatelé?“ Ed Lee ze společnosti Powertec to říká ještě jinak: „Když je bude chtít více uživatelů a budou je kupovat, bude jich nabízeno více a ve větších rozměrech.“

ce

Pro více informací navštivte:

www.drs.com

www.elliot-turbo.com

www.oemer.it

www.powertecmotors.com

www.siemens.cz

www.yaskawa.cz

 

Autor: Frank J. Bartos, Control Engineering


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Technical Computing Camp 2019
2019-09-05 - 2019-09-06
Místo: Hotel Fontána, Brněnská přehrada
Moderní technologie ve farmacii
2019-09-24 - 2019-09-24
Místo: Brno
Moderní technologie v potravinářství
2019-09-25 - 2019-09-25
Místo: Brno
Mezinárodní strojírenský veletrh 2019
2019-10-07 - 2019-10-11
Místo: Výstaviště Brno
MSV TOUR 2019
2019-10-07 - 2019-10-10
Místo: MSV, Brno

Katalog

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI