Vad har förändrats vad gäller motorkonstruktion?

nov 4, 2022 | Automation, Tillbehör

Under 200 år har elmotorer kommit att bli en av de största enskilda energiförbrukarna i världen, och i dag står de för cirka 45 procent av den globala energiförbrukningen. Här förklarar Marek Lukaszczyk, marknadschef för Europa och Mellanöstern hos WEG, global tillverkare och leverantör av motorer och drivteknik, varför och hur motorkonstruktioner och innovationer alltid inneburit en strävan efter nya effektivitetsnivåer.

Krönika: Marek Lukaszczyk, marknadschef för Europa och Mellanöstern hos WEG

Den globala energiförbrukningen för elmotorer är betydande, men även ett tecken på hur mycket de används över hela världen för att omvandla elektrisk energi till mekanisk energi. Elmotorer används ju i allt från fläktar, kompressorer och pumpar till verktygsmaskiner, hushållsapparater, bilar och elverktyg.

Dessa fakta belyser dock även de utmaningar som tillverkarna ställs inför när det gäller att förbättra motorernas effektivitet och minska deras energiförbrukning. Det är viktigt att motorer konstrueras för att vara så energieffektiva som möjligt, inte bara så att tillverkarna kan bibehålla sin konkurrenskraft, utan även för att uppfylla föränderliga bestämmelser, t.ex. EU:s ekodesigndirektiv (direktiv 2009/125/EG).

Från likström till växelström

Elmotorutvecklingen drivs av behoven av prestanda, överkomliga priser, energieffektivitet och anslutningsmöjligheter. Dessa behov har växt fram under de senaste två seklen och tog sin början 1824 då Moritz Herrmann von Jacobi skapade den första riktiga roterande elmotorn, vilket möjliggjordes tack vare tidigare uppfinningar som batteriet och elektromagneten. 

År 1866 skapade den tyske ingenjören Werner von Siemens möjligheten att tillhandahålla elmotorer med billig energi, varefter olika likströmsmotorer började tillverkas för industri och transport. Det fanns dock fortfarande problem med likströmsmotorer: de var stora och bullriga, och varje gång kommutatorn kortslöts för att vända strömriktningen så uppstod gnistor. 

Sålunda kom växelströmsmotorer till. År 1885 byggde elingenjören Galileo Ferraris en tvåfas växelströmsmotor, men uppfinningens låga avkastning förhindrade kommersiell tillverkning. Samma sak hände 1887, då uppfinnaren Nikola Tesla skapade en tvåfasmotor med kortsluten rotor. 

Det var några år senare, 1889, som elingenjören Michael von Dolivo-Dobrowolsky patenterade en effektiv växelströmsmotor. Den hade tre faser och en rotorbur. Växelströmsmotorns effekt var 80 watt och verkningsgraden 80 procent, och den var enklare, säkrare och tystare med färre underhållsproblem. Efter detta betydande framsteg följde slutligen en era av effektivare elmotorer. Konstruktioner för elmotorer – och innovationer inom området – har drivits av kundernas växande behov av prestanda, överkomliga priser, energieffektivitet och anslutningsmöjligheter ända sedan dess.

Idag är flexibiliteten inom elmotorernas konstruktion väletablerad, och de har en mängd olika användningsområden inom industrier, kraftverk och jordbruksnäring. Utmaningen ligger istället i att förbättra deras effektivitet och minska bördan på elförsörjningen. Beroende på applikation utgör energikostnaderna för elmotorer mellan 95 och 97 procent av deras totala livscykelkostnader – så det är inte konstigt att motorer med låg effektivitet ger begränsad avkastning.

Eko-prestanda

Energieffektiviteten för en elmotor beräknas utifrån förhållandet mellan den mekaniska uteffekten och den elektriska ineffekten, och anges i energieffektivitetsklasser (IE) där IE1 är den lägsta klassen och IE5 den högsta. Enligt EU:s ekodesigndirektiv måste motorer som omfattas av detta från och med juni 2011 uppfylla minst effektivitetsklass IE2, vilket följs av en effektivare IE3-klassificering år 2015 såvida de inte styrs av en varvtalsregulator (VSD). VSD:er varierar varvtalet för en elmotor – normalt ett konstant varvtal – baserat på applikationskraven.

Förutom enorma förbättringar av energiförbrukningen relaterad till motoranvändning innebar dessa regler även påtaglig inverkan på marknaderna. IE1, som representerade 80 procent av den europeiska marknadsandelen 2009, sjönk till bara 17 procent år 2016, medan andelen mer effektiva IE3-premiumklassmotorer steg från 0 procent till 29 procent under samma period. Detta är goda nyheter för slutanvändarna med tanke på kostnadsbesparingar samt för planeten som helhet. 

Då den nuvarande förordningen som innebär att IE2-motorer måste användas med VSD samtidigt har varit svår att genomdriva inom branschen så kommer reglerna att bli strängare. Från 1 juli 2021 måste trefasmotorer uppfylla IE3-standarderna, oavsett eventuella VSD-tillägg. Samma datum införs för första gången även effektivitetsregler för VSD:er. Samtidigt med ytterligare undersökningar i samband med ändringar av nuvarande bestämmelser införs krav på att motorer ska uppfylla IE4-klassificeringen inom en överskådlig framtid, och vid ett senare datum även IE5. 

Att upptäcka bristerna

Nyckeln till att konstruera en effektivare motor är att förstå var förluster uppstår genom att ställa frågan: vilka är de potentiella energibristerna? 

Olika förbättringar av tekniklösningar för elmotorer har införts för att uppfylla de framväxande IE-standarderna, och WEG Industries egna ingenjörer har undersökt åtskilliga metoder. Sedan företaget bildades i Brasilien 1961 har man gjort betydande framsteg vad gäller konstruktion och tillverkning av elmotorer. Framstegen gäller minskad vikt och olika experiment med nya material som plast, aluminium och nya isolatorer för att skapa olika användningsmöjligheter för dessa maskiner. 

En lösning innebär användning av permanentmagnetmotorer (PM), växelströmsmotorer där magneter är inbäddade i eller fästa på motorns rotoryta. Magneternas magnetfält reagerar med magnetfältet som skapas av växelströmmen i statorn, och detta driver motorns roterande ankare. Det magnetiska momentet förenas med reluktansmomentet som verkar på magnetmaterialet och samverkar med det magnetiska flödet som passerar genom motorn. Detta minimerar reluktansen och det roterande magnetfältet som uppstår ger konstant moment utan behov av forcerad ventilation. 

IE4-PM-motorer kan köras mer effektivt än IE4 induktionsmotorer med längre livslängd, och även med 20 procent mindre energiförlust samtidigt som de väger mindre trots att motorn är placerad i samma stomme. Detta innebär att en IE4-PM-motor är mindre än en IE4-induktionsmotor. 

WEG var den första tillverkaren och leverantören av drivenheter och motorer som diskuterade IE4- och IE5-standarderna, och för den sistnämnda utvecklade man en IE5-PM-motor som en del av företagets W22-serie. Den nya W22 var bland de första kommersiellt tillgängliga motorerna som uppfyllde den nyformulerade energieffektivitetsklassen IE5. Med permanenta högprestandamagneter i rotorn ger W22 PM högre effekt i förhållande till stomstorlek och ett brett momentområde, samtidigt som detta hålls konstant utan behov av forcerad ventilation. Den förbättrade varvtalsregleringen innebär högre energieffektivitet och längre livslängd.

Om vi tar kyltornsapplikationer som ett exempel, har det konstaterats att användning av en W22 permanentmagnetmotor (PM) med CFW701 HVAC VSD – vid rätt dimensionering för applikationen – kan ge en energibesparing på upp till 80 procent och genomsnittliga vattenbesparingar på 22 procent, samtidigt som IE5-effektivitetsnivåerna uppfylls. 

Permanentmagneter med hög energidensitet är idealiska för elbilsapplikationer. Kylvätskan strömmar direkt genom motorn för smart spillvärmehantering. Denna konstruktion skyddar magneterna och rotorn mot förskjutning i hög hastighet och klarar motorapplikationens extrema varvtal.

Framåtblick mot IE6

WEG undesöker redan användningen av material för att uppfylla den förväntade IE6-klassificeringen, vilket redan diskuteras som nästa steg för högre effektivitetsnivåer i permanentmagnet och synkronreluktans. PM-motorer för pumpar kommer sannolikt att vara i förgrunden, då vattenindustrin är den största användaren av energieffektiva elmotorer i Europa. Detta kommer sannolikt att vara fallet med IE6. Ett annat viktigt område för utveckling är nya isoleringssystem för att motverka problem relaterade till ammoniak, som orsakar motorskador genom materialkorrosion.

En primär framtida målsättning för WEG är att kunna tillverka en tillförlitlig motor med hög effektdensitet till rimlig kostnad. Vid köp av relativt ny teknik, t.ex. en motor med hög effektdensitet, kommer det alltid att finnas en balans mellan kostnad, tillförlitlighet och effektivitet. 

Ett  av WEG:s forskningsområden handlar om att förstå beteendet hos en rad olika polymerer; material tillverkade av långa, upprepade molekylkedjor. Polymerer har unika egenskaper som kan visa sig användbara i elmotorer, beroende på hur deras molekyler är förbundna för hög hållfasthet och låg vikt. De används alltmer i motorer i stället för metalldelar som inte klarar mekaniska krafter, t.ex. kopplingsboxar och ändskydd, och används redan i konstruktionsdelar som ändkåpor och fötter för små motorer. Då delarna inte riskerar att deformeras kan man sänka både kostnader och vikt genom att ersätta dem med ett polymermaterial.

För andra motordelar där polymerer som hartser, emaljer och isoleringsmaterial används kan även deras egenskaper optimeras för att uppfylla särskilda krav och därmed ytterligare optimera motorkonstruktionen. I t.ex. luftkonditioneringssystem, ventilationssystem och andra hushållsapparater drar man redan nytta av fördelarna med polymerbaserade motorer.

Historiskt sett har det största genombrottet hos WEG och andra tillverkare dock varit användningen av elektronik, både vad gäller konstruktion och tillverkning av elmotorer. Elektronik kan innefatta installation av eftermonterade sensorer som mäter viktiga värden i realtid, t.ex. vibrationer och temperatur, så att eventuella motorproblem kan identifieras innan fel uppstår. Med sensorbaserade applikationer som t.ex. WEG Motor Scan registreras motordata som sedan skickas till en smarttelefon eller datorplatta. 

Var finns energibesparingarna? För det första kan vibrationer i motorn detekteras, då vibrationer vanligtvis motsvarar energi som går förlorad i form av oönskade rörelser eller ljud. Ta till exempel en brasiliansk tillverkningsfabrik där underhållsteamet fick en varning om att motorn hade vibrationsnivåer över det acceptabla tröskelvärdet. Teamet kunde sålunda reducera dessa och därmed undvika en annars nödvändig avstängning. För det andra kan man genom att förhindra avstängningar undvika efterföljande produktionsförluster och ytterligare energibehov för att starta om maskinanläggningen.

Dessa är bara några av möjligheterna, då elmotorteknik bygger på ett 200-årigt arv och fortsätter att utvecklas. I slutänden bär ingenjörerna fortfarande ansvaret för att elmotorkonstruktioner liksom under tidigare sekler ständigt utvecklas och kan tillgodose den moderna tidens föränderliga krav.

Om WEG: 

WEG är en global tillverkare av elektrisk och mekanisk utrustning för industrisektorer på alla kontinenter som grundades 1961. Företaget är verksamt i mer än 135 länder och har tillverkningsenheter i 12 länder med mer än 31 000 anställda globalt och en nettointäkt på över 11,9 miljarder R$ 2018. 

Genom att erbjuda energieffektiva lösningar inom alla sektorer, inklusive bland annat vatten, stål, massa och papper, olja och gas samt gruvdrift, utvecklar WEG kontinuerligt lösningar som följer huvudsakliga trender inom energieffektivitet, förnybar energi, hållbarhet och elektrisk mobilitet.  Besök www.weg.net för mer information

Vill du synas här med en banner för ert företag

 

 

Automatisk materialborttagning med robot
Många slutprocesser kan göras mer exakta, snabbare och effektivare. De pneumatiska spindlarna från SCHUNK får nu sällskap av den elektriska gradspindeln RCE. Den...
Växande intresse för Automationsdagen
Automationsdagen innebär en plats för industri, leverantörer och forskare från tillverkningsindustrin att mötas och nätverka i en mix av seminarier, utställare och...
Nytt CoLab hos SCHUNK i Södertälje nu officiellt invigt!
Nu är CoLab – SCHUNKs robotlab officiellt invigt och nu startar det mycket viktiga arbetet att hjälpa svensk industri med att starta, förnya samt förbättra...
Dynamate optimerar produktionsutrustning
Hos Dynamate träffar vi Lars Davidsson, som är platschef för Dynamates verksamhet i Värnamo.   Artikel från Aktuell Produktion Nummer 4/2022 Skriven av Tord Käck -Att...
United Components startar bolag i Sverige
Niels H. Sörensen (tv) är grundare och CEO hos det danskaUnited Components och Fredrik Petersson (th) blir vd för det nybildade svenska bolaget. Efter betydande...
Gripdon för cobots
SMC lanserar ett antal gripdon baserade på olika tekniker och anpassade för de största robottillverkarna på marknaden. Pneumatiska gripdon samt vakuum- och...
Ökad produktivitet med globalt använd teknik
Förebygg driftstopp, öka din produktivitet och få bättre koll på din energiförbrukning – i Wexoes monter på Elmia Automation diskuteras lösningar för smarta maskiner...
SCHUNK öppnar CoLab och ingår strategiskt samarbete med Örebro universitet
I september öppnar SCHUNK det nationella robotlabbet ”CoLab” i Södertälje som ska hjälpa svensk industri att accelerera och intensifiera framtagandet av...
Trådlös operatörspanel med nödstopp – nu med roaming
Mobila kabelbundna operatörspaneler har sina fördelar men också begränsningar. Kabelns längd och vikt är ett par nackdelar. Man kan snubbla över kabeln, kabeln kan bli...
SCHUNK öppnar CoLab, Sveriges första robotlab för validering av lösningar inom gripsystem och robotiserad materialborttagning.
Sverige ligger långt fram när det gäller att skapa automationslösningar för att öka den svenska industrins konkurrenskraft. Nu tar SCHUNK ett nationellt ansvar och...
Automatisering för alla!
Automatisera enkelt med låg investeringskostnad - på Elmia Verktygsmaskiner blir det världspremiär för OK-Vises nya projekt ELVA (Extra Low Voltage Actuation).  ELVA...
Utökat sortiment av lasersensorer för avståndsmätning
De innovativa lasersensorerna i ILD1900-serien används för krävande automationsuppgifter inom bland annat bilindustrin, 3D-printing och robotapplikationer....
Automatiserad mätning med Smart Station, live på mässan!
MLT Maskin & Laserteknik har tecknat samarbetsavtal med 3D Infotech för försäljning och marknadsföring av konceptet UMA (Universal Metrology Automation).  Ett...
Mer chip:Bosch utökar halvledarproduktion
Som ytterligare ett steg i att bekämpa den globala chipbristen utökar Bosch kapaciteten i sin fabrik i Reutlingen. Detta för att möta den ständigt växande efterfrågan...
Robust 36 mm givare
Wachendorff Automation har nu även en kraftig variant i den mycket kompakta 36 mm-designen i sitt sortiment av inkrementella pulsgivare i WDGP-serien, samt absoluta...
Linjärstyrning där noggrann precision krävs
Linjärstyrningar är ett måste i alla industriella miljöer för att hjälpa till att flytta utrustning och föremål på produktionslinjen. Marcus Schneck, VD för norelem,...
Säker positionsdetektering med endast en sensor
Tidigare behövdes två sensorer och två olika teknologier för att erbjuda säker positionsdetektering. Detta behövs inte längre tack vare det nya...
Gerardi firar 50 år och växer sig allt starkare
Det var 1971 som Ivani Gerardi, efter över 20 år inom skärande bearbetning, startade Gerardi S.p.A. strax utanför Milano. I dag är företaget över 200 anställda och...
ABB lanserar AC500-eCo V3
ABB har i början av Oktober utökat sin AC500-portfölj i och med lanseringen av AC500-eCo V3, en helt ny kompakt PLC-serie i sju olika utföranden. Serien är designad för...
Toplus premium chuck sätter ny standard med sina ≤ 5 μm noggrannhet
Tyska spännutrustningsspecialisten Hainbuch vidareutvecklar sin sexkantiga chuckserie och lanserar Toplus premium chuck. År 2006 såg den första Toplus chucken med...
Hainbuch ökar sitt utbud av spännanordningar för arbetsstycken
Genom förvärvet av Vischer & Bolli Automation, den Tyska tillverkaren av högprecisions spännutrustning för arbetsstycken har Hainbuch inte bara utökat sin expertis...
MRP 8081 Vinkelgivare i modulformat
MRP 8000 är en vinkelgivare som kombinerar många viktiga funktioner som krävs för roterande axlar med krav på hög precision inom mätteknik och elektronik-industrin i en...
Växande industri med innovativ lösning som bidrar till något riktigt stort
Lugnets plantskola ligger i framkant med automatiserade processer inom sin bransch. De arbetar för en fossilfri produktion och med den nya innovativa lösningen med...
ABB:s nya allt-i-ett reläskydd erbjuder innovativ enkelhet
I takt med att elnätet utvecklas är REX610 utformad för att förenkla skydd och kontroll av grundläggande kraftdistributionsapplikationer Då världens energianvändning...
Elektromekanik är framtiden inom automatiserade svetslösningar
Med Ewellix elektromekaniska produkter kan ESAB möta framtidens krav på automation inom avancerade svetslösningar. Tekniken innebär en ökad kvalitetssäkring, är...
Nytt sorteringssystem Split Tray Sorter MT015S
Interroll har breddat företagets framgångsrika sortiment av automatiserade sorteringslösningar med lanseringen av en ny tray sorter. Den nya Split Tray Sorter MT015S är...
KONTEC KSX-C2 ett nytt slimmat 5-axligt skruvstycke
SCHUNK fortsätter sin framgångsresa med det 5-axliga skruvstycket KONTEC KSX-C och erbjuder nu 6-sidig bearbetning med hög precision med sitt nya skruvstycke KONTEC...
Lanserar en ny innovativ verktygsväxlare
Den nya verktygsväxlaren TC1 från DESTACO är ultralätta, kompakt och idealisk för Cobots samt bidrar till mycket enkla gripdons byten. Växlaren har kapacitet att...
Lanserar världens kraftfullaste elektriska vakuumgripdon
Stora, svårhanterliga påsar med hundmat, icke-lufttäta förpackningar för kläder eller konsumentvaror och skrymmande, porösa kartonger. Detta är bara ett fåtal exempel...
Simulator för robotbromssträckor
ABB:s RobotStudio® erbjuder nu oöverträffad noggrannhet vid beräkning av robotstoppsträckor för att optimera operatörernas säkerhet. ABB:s programvara för...
Hantering med bio-inspirerat grepp (gecko)
Gripdonet ADHESO från SCHUNK uppkom efter en närmare titt i naturen. I miljontals år har geckos med hjälp av självhäftande krafter rört sig över släta ytor. Nu används...
En guide till glidstyrningar för robottillämpningar
Ingenjörer och tillverkare vänder sig alltmer till robotar för ökad produktivitet, och nyckeln till dessa tekniska underverk är glidstyrningar. Martin Ahner, chef för...
Ny serie frekvensomriktare för krävande miljöer
Den nya serien frekvensomriktare FR-E800 erbjuder flera nätverksval, utökade underhållsfunktioner med AI och inbyggt varningssystem för aggressiv och korrosiv...
Företag förenklar robotsimulering
 Att dressa robotar är inte helt okomplicerat. Automationsingengörer får ofta brottas med bekymmer när det gäller slangpaket, ventiler och annan utrustning....
Tunn, exakt och med hög prestanda
Den mångsidiga och mekatroniska rotationsenheten ERT från SCHUNK möjliggör flexibla och dynamiskt roterande rörelser i trånga utrymmen och är nästan slitage- och...
Lanserar ett kostnadseffektivt och lättanvänt 2FG7-gripdon
OnRobot har lanserat 2FG7, ett fullständigt, kostnadseffektivt och lättanvänt parallellgripdon som är klart för användning efter leverans och kan användas i...
Släpper ny produktöversikt med över 50 produktnyheter
I 15 år har SMC Automation gett ut produktöversikten i syfte att hjälpa kunderna att hitta rätt automationskomponenter. Nu lanseras Produktöversikt 8.0 med över 50...
Snabbare transport av varor mellan mobila robotar och stationära transportsystem
ROEQ, ledaren inom tillbehör för mobil robotik, lanserar nu GuardCom, som använder robust sensorteknik för direkt och säker kommunikation mellan ROEQs toppmoduler...
Robotnyheter lockade många till digital mässa
Den virtuella robotmässan KUKA Nordic General Industry web expo blev ett väl-besökt event, där kunder, partners och kollegor kunde träffas online, utan några problem...
Rollco utökar med nya produkter
Inom industrin finns i dag en stor efterfrågan på ökad flexibilitet, sänkta kostnader och resurseffektiva lösningar. Man måste kunna göra snabba formatändringar på...
Motordrivet lamellskydd för vertikala applikationer
Damaskus Maskinskydd lanserar nu motordrivna lamellskydd för vertikala applikationer, en separerande vägg mellan arbetsområde och operatör. Deras motordrivna...
Pandemi eller inte – De satsar vidare.
I pandemitider är det viktigt att finna nya effektiva lösningar och satsa på framtiden. Ravema stärker sitt team med ny kompetens inom automation, Kristin Alexandersson...
Robotslipningsverktyg för kostnadseffektiv slutbearbetning
OnRobot Sander är det senaste tillskottet till OnRobots växande utbud av användarvänliga, applikationscentrerade automationslösningar. OnRobot har lanserat OnRobot...
Pålitliga gripdon för medicinska applikationer
Experter i fler och fler branscher upptäcker fördelarna med automatisering och robotik, och detta gäller även inom medicinteknik. Manuella och ibland felbenägna...
Sista delen för automation av slutmontering
Nya kraftkontrollsensorer möjliggör för robotar att precist utföra monteringsuppgifter under slutmonteringen vilket leder till förbättrad produktivitet, ergonomi och...
2D-kodläsare får automatiseringen att rulla
Autarky Automation är en av de ledande brittiska utvecklarna och tillverkarna av automatiserings- och transportbandssystem. För att uppfylla de höga kraven på ett...
Komplett plug-and-play intelligent skruvmejsel
Den nya OnRobot-skruvmejseln kan användas och omplaceras för olika applikationer på bara några minuter och har inbyggda smarta funktioner, bland annat en exakt...
Gripdonet som ger roboten ett lyft
Varje gram i en robotapplikation betyder mycket för att öka last och/eller cykeltider. Därför har SMC utvecklat en serie parallellgripdon JMHZ2, som hanterar högre last...
Maximerar livslängden på robotkablage
 Att kunna öka flexibiliteten hos robotar utan att behöva riskera ett högre slitage på kablar och slangar var utmaningen som fick Robot System Products att ta fram...
Nya verktygssystem till robotar
Robot System Products lanserar en ny serie av kompletta verktygssystem för robotar. De nya systemen är anpassade för ABB:s robotar av modellen IRB6700 och innefattar...

Maskinbetjäning

Robotar

Tillbehör