Permanent magnet motor equipped with magnetic bearings

Magnetisk metod förbättrar effektiviteten i avloppsreningsverk

I en värld med begränsade resurser är rent vatten en allt värdefullare tillgång. Att använda vatten på ett klokt sätt är en global angelägenhet och SKF har engagerat sig i utvecklingen av effektivare metoder för behandling av avloppsvatten. Företaget bidrar till minskad miljöpåverkan från reningsprocessen genom användandet av permanentmagnetmotor och aktiv magnetlagerteknik.

Författare: Askar Gubaidullin, SKF Magnetic Mechatronics, Vernon, Frankrike

Lagerenheter Tillståndsövervakning Konstruktion El-, gas- och vattenförsörjning Maskiner och inventarier Tillförlitlighet

Sammandrag

Som världsledande aktör inom aktiva magnetlagersystem har SKF utnyttjat denna teknik sedan 1976. Tekniken används redan för en rad avancerade applikationer inom olje- och gassektorn, energi­produktion, halvledartillverkning och verktygsmaskinindustrin.

Den har stor potential att erbjuda effektivare lösningar inom rening av avloppsvatten. De högvarviga PM-motorerna är utrustade med aktiva magnetlager. Detta ger fördelar som lågt underhållsbehov, minskad energiförbrukning, låg ljudnivå och smörjfrihet – med andra ord lägre ägandekostnader. Motorn och magnetlagren är baserade på beprövad teknik som i stor omfattning används i kylaggregat för klimatsystem.

Relaterade länkar

Hannover Messe

SKF Active Magnetic Bearings

 

Försäljning och råd

Askar Gubaidullin, Askar.Gubaidullin@skf.com

För att möta en snabbt ökande efterfrågan på effektiv avloppsreningsteknik har SKF utvecklat en innovativ och hållbar lösning för direktdrivna centrifugalfläkt­baserade blåsmaskiner för luftning. SKF erbjuder en ny serie högvarviga permanentmagnetmotorer (PM-motorer), utrustade med aktiva magnetlager (AMB). Lösningen inkluderar den senaste generationens magnetlagerstyrning (MBC). Märkeffektområdet är 75 kW till 350 kW och varvtalen kan uppgå till 35 000 r/min.

Denna serie högeffektiva oljefria motorer har ett antal funktioner som förbättrar blåsmaskinernas prestanda. Till skillnad från exempelvis konventionella asynkronmotorer behåller PM-motorn sin höga verkningsgrad även vid dellast. SKFs direktdrivande lösning för luftningssystem har också färre mekaniska delar än konventionella drivsystem, vilket innebär högre tillförlitlighet och minskat behov av underhåll. Magnetlager har utmärkta inbyggda funktioner för övervakning och diagnostik, som gör det möjligt för kunderna att upptäcka potentiella problem tidigt och förebygga haverier på utrustningen.

Produkten presenterades vid Hannovermässan i Tyskland i april 2013 och väckte stort intresse hos blåsmaskintillverkare över hela världen. Till följd av sin enastående verkningsgrad ingår den nya lösningen för luftningssystem i produktportföljen SKF BeyondZero.

Utmaningar i biologisk avloppsrening
År 2030 kommer sannolikt nästan hälften av världens befolkning att lida brist på vatten. Efterfrågan på vatten beräknas då överstiga tillgången med 40 procent. Därför finns ett växande behov av att utveckla en mer avancerad och effektiv avloppsrening. Vid biologisk avloppsrening pressar blåsmaskiner in luft i luftningsbassänger. Luften matar miljontals aeroba bakterier som använder syre för att bryta ner organiskt avfall i avloppsvattnet.

Det traditionella blåsmaskinkonceptet bygger på en asynkronmotor med mekanisk växel och oljefilmsmorda lager. Typiskt för lösningen är stor förlust­effekt och problem med slitage. Underhållskostnaderna är höga för denna konventionella teknik. Blåsmaskinernas energiförbrukning uppgår vanligen till minst 50 procent av avloppsreningsverkets totala energianvändning. Faktum är att elförbrukningen står för upp till 80 procent av livscykelkostnaderna för en blåsmaskin. Inköpspriset för utrustningen väger därför lätt i den totala ägandekostnaden. Under tryck av ökande energipriser och med stöd från utvecklingen inom drivteknik har vi sett ett teknikskifte mot effektivare varvtalsreglerade direktdrivna centrifugalkompressorer (blåsmaskiner).

En naturlig synergi
Denna lösning från SKF kombinerar spjutspetsteknikerna synkrona permanentmagnetmotorer och aktiva magnetlager. Systemlösningen drar nytta av det bästa från två världar: hög verkningsgrad som är typiskt för PM-motortekniken, och den oöverträffade tillförlitlighet som erbjuds av AMB.

Permanentmagnetmotorn är en trefasig synkronmotor med statorlindningar och permanentmagneter på rotorn (fig 1). Rotorn fungerar i stort sett som en kompassnål som följer det elektromagnetiska fält som alstras av statorn. Rotorn roterar med samma hastighet som det roterande magnetfältet från statorn. Med andra ord är motoraxelns rotation synkron med den tillförda växeleffektens frekvens. Permanentmagneterna av sällsynta jordartsmetaller är monterade direkt på axeln och fixeras av en kolfiberhylsa. Motorvarvtalet styrs av frekvensomriktaren.

PM-motorteknik ger betydande fördelar jämfört med vanliga asynkronmotorer. Framför allt går det att uppnå högre verkningsgrad, upp till 98 procent, över ett brett driftområde (fig 2). Motorn är kompaktare och lättare. Den har en gynnsam vridmoment-varvtalskurva, lång livslängd och hög effekttäthet. Den kan användas över ett brett varvtalsområde (till exempel mellan 10 000 och 35 000 r/min). Direktdrivningskonfiguration med en impeller monterad direkt på motoraxeln gör att det inte behövs växel och andra mekaniska kringkomponenter som används i konventionella lösningar. Blåsmaskinen blir därmed tillförlitligare och kräver inte lika mycket underhåll.

Ett aktivt magnetlager är en avancerad mekatronisk anordning, som ger kontaktfritt stöd åt en roterande eller stationär axel som svävar i ett magnetfält. Axelns position bibehålls genom att styrsystemet låter exakt portionerade elektromagnetiska krafter verka på rotorn i både radiell och axiell riktning.

Systemet består av både elektro­mekaniska komponenter (lager, sensorer) och elektroniska (styrenhet). Den lösning som utvecklats för blåsmaskinapplikationen består av två identiska lagerkassetter i statorn, som applicerar både radiella och axiella krafter på axeln. Varje kassett innehåller själva lagret, lägesgivare, temperaturgivare och landningslager. Positionsgivare mäter axelns radiella och axiella rörelser med en precision som understiger en mikrometer. Lagret är konstruerat och tillverkat med isolationsklass H (max arbetstemperatur 180 °C). Landningslagret har till uppgift att ge axeln stöd vid stillestånd och under start- och stoppfaser, men det belastas inte under normal drift när magnetlagret är aktivt. I vissa kritiska situationer, när process­belastningen överskrider kapaciteten för AMB, kan landningskullagren komma att bära den roterande axeln och förhindra kontakt mellan rotorn och statorn. I denna tillämpning är det radiella spelet, eller den magnetiska luftspalten, mellan statorn och rotorn cirka 500 mikrometer. Konstruktionen innebär att det inte uppstår någon kontakt, något komponentslitage eller något behov av smörjning.

Den elektroniska magnetlagerstyrenheten (MBC) består i huvudsak av en digital signalprocessor (DSP) som är hjärnan i systemet, samt effektförstärkare, vilka levererar elektrisk ström till magnetlagrets spolar som alstrar magnetfältet. DSP samlar data om axelläget med hög samplingsfrekvens (till exempel 15 kHz) från positionssensorerna, korrigerar fel med hjälp av avancerade algoritmer och reglerar förstärkarnas uteffekt för att axeln ska hållas kvar i önskad radiell och axiell position.

Ett AMB-system ger styvhet och dämpningskrafter, och det kan påverka rotorns dynamiska beteende under drift. Styvheten och dämpningen hos lagren har optimerats utifrån sofistikerade matematiska algoritmer, så att stabil maskindrift kan garanteras under de mest skilda driftförhållanden. En sådan aktiv styrning är en fundamental skillnad mot drift med konventionella lager. Lösningen ger ett antal tillkommande fördelar, som möjligheten att övervaka och kompensera för vibrationer och obalans. Styrsystemet till magnetlager har ytterst lågt effektbehov. Den senaste generationen av styr­enheter för motorer på 75−350 kW drar mindre än 200 W.

Systemet har reservmatning för att upprätthålla magnetisk levitation vid nätfel. Vid matningsavbrott övergår motorn till generatordrift och levererar energi till magnetlagret medan axeln retarderar till lågt varvtal och rullar ut till stopp med stöd av landningslagren, utan att utrustningen skadas.

Motorerna levereras färdigbyggda och behöver bara monteras ihop med kundens impeller och fläkthus (fig 3). Beroende på motorns effekt och kylbehov är motorhuset anpassat för antingen luft- eller vattenkylning. Kylkomponenterna (fläktar, värmeväxlare, pumpar) tillhandahålls av kunden. MBC integreras i blåsmaskinen, tillsammans med frekvensomriktaren och övrig elektronik. Kommunikationen mellan MBC och maskinstyrenheten baseras på protokollet Modbus. Dessutom går det att övervaka driftparametrar och söka fel via en extern dator. Då krävs Ethernet-kommunikation och programsviten MBScope (fig 4). Frekvensomriktaren kan komma från en av flera godkända tillverkare. Motor och elektronik integreras helt i kundens blåsmaskin till en kompakt slutprodukt (fig 5), redo för installation i ett avloppsreningsverk. Leveransomfattningen kan sträcka sig från rena kärnkomponenter till ett komplett paket som ger kunden antingen konstruktionsmässig flexibilitet eller fördelen av att få allt från samma leverantör.

Fördelar
Kombinationen av en högvarvig PM-motor och AMB ger många fördelar:

  • Högre verkningsgrad vid märklast och dellast – 10 procent bättre än konventionella motorer
  • Högre utrustningstillförlitlighet
  • Praktiskt taget underhållsfri lösning
  • Ger användarna kraftfulla diagnostikverktyg
  • Optimerar processtyrningen
  • Förlänger den totala brukbarhetstiden
  • Minskar tillverkningskostnaderna med kompaktare konstruktion
  • Lägre ljudnivå
  • Uppfyller gällande myndighetskrav

Erbjudandet som beskrivs här uppfyller dessa krav och representerar framtidens teknikval.

Fallstudie
Ett reningsverk i Frankrike, som betjänar en stad med 100 000 invånare samt lokal industri, hade arbetat med fyra blåsmaskiner av lobtyp på 80 kW. Utrustningen drabbades ofta av problem, bland annat frekventa haverier, hög energiförbrukning, hög ljudnivå och process­problem. Blåsmaskinerna av lobtyp byttes mot två blåsmaskiner på 120 kW av centrifugalfläkttyp, utrustade med SKFs högvarviga permanentmagnetmotorer. Mycket tillfredsställande resultat uppnåddes omedelbart. De varvtalsreglerade blåsmaskinerna med SKFs tekniska lösning förenklade flödesregleringen och förbättrade därmed behandlingsprocessen avsevärt. Ljudnivån sjönk från 110 dBA till 70 dBA och underhållsbehovet minskade påtagligt. Minskningen av total energianvändning var ännu mer imponerande. Efter bara ett år i drift har fläktarna med SKFs lösning sparat energi motsvarande ett minskat koldioxidutsläpp av 375 ton, och kapat driftkostnaderna med 54 000 euro. Uppgraderingen till effektivare magnetlagrade blåsmaskiner hade kort återbetalningstid (mindre än två år) räknat bara på energibesparingen.

Detta fall är ett bra exempel på en strategi för att minska driftkostnaderna. Ett smart utrustningsval har lett till stora ekonomiska besparingar.

Nytt erbjudande
Några av världens ledande tillverkare av blåsmaskiner för industrin har redan börjat använda SKFs lösning. Som exempel kan nämnas AyrJet® Serie 100, en kompakt blåsmaskin från amerikanska Spencer Turbine Company som drivs av en SKF-motor på 75 kW. Den högvarviga och mycket effektiva enstegs turboblåsmaskinen visades vid WEFTEC, Nordamerikas största vattenkvalitetsmässa, i oktober 2013. Mike Walther, VD och koncernchef för Spencer Turbine, framhåller vikten av företagens samarbete:

− Prestanda, tillförlitlighet och hållbarhet hos våra produkter föds av det starka partnerskap som präglar hela vår leverantörskedja. Spencer samarbetar tätt med alla sina leverantörer för att säkerställa att vår slutprodukt är av högsta kvalitet och uppfyller de specifika behoven hos våra kunder inom vatten- och avloppsreningsindustrin.

Ett annat exempel är Kinas ledande fläkttillverkare Jin Tong Ling Fans Co Ltd i provinsen Jiangsu. Bolaget har tecknat ett avtal om att utveckla flera större blåsmaskiner med SKF-motorer. Fläktarna är avsedda för större luftningsbassänger, som behövs för att leverera rent vatten till landets snabbväxande städer. Efterfrågan i Kina är enorm eftersom flera hundra nya avloppsreningsverk byggs varje år. Kinas 12:e femårsplan (2011−2015) avsätter cirka 46 miljarder euro bara på reningsverk för städer.

SKF levererar integrerade tekniska lösningar som svar på globala utmaningar och lokal efterfrågan. Den nya motorserien på 75 till 350 kW är utformad för att uppfylla förväntningarna från alla stora tillverkare av centrifugalfläktbaserade blåsmaskiner över hela världen.

BeyondZero är ett varumärke som tillhör SKF-koncernen.
MBScope är ett registrerat varumärke som tillhör SKF-koncernen.

Historia:
År 1976 var det franska företaget S2M, då ett delägt dotterbolag till SKF, först i världen med att kommersialisera magnetlager till en turbo­molekylär vakuumpump för halvledarindustrin. Företaget blev en pionjär på området genom att leverera magnetlager till världens första oljefria fossilgaskompressor 1985.

S2M blev ett helägt SKF-bolag 2007. I dag sysselsätter SKF Magnetic Mechatronics drygt 250 personer över hela världen och har en årlig omsättning på 50 miljoner euro. Huvudkontoret ligger i franska Vernon (80 km väster om Paris). Här finns avdelningarna för forskning och utveckling, konstruktion, tillverkning, marknadsföring och service.

Nyligen valdes magnetlager från SKF S2M för de kompressorer och högvarvsmotorer som används i undervattenskompressionssystem i den norska delen av Nordsjön. Inom olje- och gassektorn är varumärket SKF S2M Magnetic Bearings välkänt och högt respekterat. Förutom utrustning till olje- och gasindustrin, levererar företaget oljefria PM-motorer till ledande tillverkare av industriella och kommersiella roterande maskiner.

 

 

Relaterat innehåll