В каких особых сценариях требуются специальные электродвигатели?

Для взрывоопасных и опасных сред требуются взрывозащищенные специальные электродвигатели

Принцип: Взрывозащита путем обеспечения внутренней безопасности и стандарты оболочек (ATEX, IECEx, NEC Class I/II)

Когда двигатели работают в зонах, где присутствуют горючие газы, пары или сгораемая пыль, они требуют специальной защиты от искр, которые могут вызвать пожар. Основная идея проста, но крайне важна: поддерживать уровень электрической и тепловой энергии значительно ниже того, который может вызвать взрыв, и обеспечить, чтобы любые потенциальные искры оставались внутри специально разработанных корпусов. По всему миру такие организации, как ATEX (ATmosphère EXplosible), IECEx и системы Class I и II по стандартам NEC, определяют точные требования к мерам безопасности в зависимости от конкретных опасностей. Класс I в основном касается упомянутых ранее горючих газов, тогда как Класс II ориентирован на ситуации, связанные с горючей пылью. Эти защитные корпуса не просто выглядят эстетично — они проходят интенсивные испытания на способность выдерживать внутренние взрывы при давлении до 1,5 нормального уровня, безопасно выпуская затем охлаждённые газы наружу. И нельзя забывать о последствиях ошибок. Двигатели, не соответствующие этим стандартам, создают серьёзную опасность. Фактически, согласно данным из Safety Journal 2022 года, неисправные установки стали причиной около 37 процентов всех взрывов на нефтеперерабатывающих заводах в прошлом году.

Кейс: конвейеры нефтеперерабатывающего завода с использованием взрывозащищённых (Ex d) асинхронных двигателей с классом защиты IP66/IP68

На нефтеперерабатывающем заводе на побережье Мексиканского залива недавно были заменены обычные двигатели на взрывозащищённые (Ex d) асинхронные модели в системе конвейеров для сырой нефти. Прочные корпуса из чугуна предотвращают выход опасных электрических искр наружу, а классы защиты IP66 и IP68 означают, что внутрь не проникают ни пыль, ни вода, даже в суровых прибрежных условиях. С момента перехода на эти двигатели не было зафиксировано ни одного случая возгорания или взрыва, несмотря на то, что температура на объекте порой достигает около 140 градусов по Фаренгейту. Главное преимущество этих новых двигателей — отсутствие искрообразования благодаря бесщёточной конструкции. Это особенно важно для зон, классифицируемых как Class I Division 1, где взрывоопасные газы присутствуют более чем в 15 % рабочего времени персонала.

Тренд: интеграция умных датчиков в корпуса опасных электродвигателей для мониторинга температуры и утечек газа в реальном времени

Взрывозащищенные электродвигатели сегодня оснащаются встроенными датчиками Интернета вещей (IoT) внутри своих корпусов для отслеживания температуры и уровня газов в режиме реального времени. Датчики срабатывают, когда подшипники нагреваются выше 150 градусов Цельсия или когда содержание сероводорода достигает всего 10 частей на миллион. Вся эта информация передается через специальные цепи, предназначенные для безопасной работы в опасных зонах, прямо на пульты управления, которые при необходимости могут автоматически остановить оборудование. Один из крупных химических предприятий отметил значительное снижение незапланированных простоев после установки таких датчиков в прошлом году — простои сократились примерно на 43 процента. В перспективе производители работают над методами анализа вибрации двигателей, чтобы выявлять потенциальные проблемы с уплотнениями заранее, что особенно важно на объектах, где химические вещества разрушают оборудование или где условия эксплуатации крайне тяжелые. Такие инновации способствуют повышению безопасности работников и обеспечивают бесперебойность производственных процессов.

Точное управление требует специальных двигателей с точностью субмикронного уровня

Проблемы: люфт, резонанс и ошибки квантования в разомкнутых и замкнутых системах

Достижение точности на уровне менее одного микрона наглядно показывает недостатки традиционных систем перемещения. Когда машины меняют направление, механический люфт заставляет их отклоняться от заданной траектории. На определённых частотах резонанс усиливается и увеличивает вибрации вместо их уменьшения, что нарушает реальный путь движения машины. Устройства обратной связи также имеют свои проблемы — они создают ступенчатые, похожие на лестницу движения вместо плавного хода, необходимого для точной работы. Системы с разомкнутым контуром продолжают накапливать ошибки, поскольку нет возможности их исправить, тогда как системы с замкнутым контуром испытывают трудности с поддержанием стабильности при чрезмерных попытках устранить погрешности. Всё это особенно важно в производстве полупроводников, где допуски должны находиться в пределах ±0,1 мкм. Одна из компаний в этой отрасли фактически столкнулась со снижением производства на 37 % в прошлом году из-за постоянного смещения пластин, вызванного коварными резонансами, которых никто не ожидал.

Решение: гибридный шаговый двигатель + энкодер + векторное управление (FOC) для транспортировки полупроводниковых пластин

Специальные двигатели для особых применений решают эти проблемы, объединяя несколько технологий — например, гибридные шаговые двигатели, высокоточные энкодеры с высоким разрешением и так называемое векторное управление (или FOC). Гибридные шаговые двигатели обеспечивают значительный крутящий момент — то есть способность генерировать большое усилие вращения. А что до энкодеров? Их разрешение составляет впечатляющие 512 тысяч точек, что позволяет измерять положение с точностью до 0,045 микрометра. Секрет эффективной работы всей системы заключается в том, как векторное управление постоянно корректирует магнитные поля внутри двигателя. Это позволяет устранить надоедливые вибрации и обеспечивает плавное движение без рывков и резких остановок. Когда все эти компоненты работают вместе, результатом является...

• Устранение люфта путем прямого соединения, исключающего механические передаточные элементы
• Повторяемость на уровне менее одного микрона с проверкой местоположения в реальном времени
• Адаптивное демпфирование которое нейтрализует вибрации в течение 2 мс

В роботах для обработки полупроводниковых пластин система обеспечивает точность ±0,08 мкм при высокоскоростной передаче. Устранение редукторов снижает вероятность механических отказов на 63 % по сравнению с традиционными сервосистемами. Встроенная компенсация теплового дрейфа дополнительно гарантирует долгосрочную стабильность в условиях переменных производственных циклов.

Экстремальные условия окружающей среды требуют индивидуальной инженерной разработки двигателей специального назначения

Тепловые и материальные вызовы: стабильность магнитов в диапазоне от −40 °C до +150 °C и коррозионно-стойкие сплавы

Двигателям требуется специальная инженерная проработка, когда они работают в жестких условиях, где распространены экстремальные температуры и химические воздействия. Обычные постоянные магниты начинают терять силу приблизительно при 150 градусах Цельсия, снижая плотность магнитного потока на 15%. Как сообщалось в журнале «Магнетизм» в прошлом году, они также становятся хрупкими при температурах ниже минус 20 градусов. Именно поэтому в высокопроизводительных двигателях зачастую используются либо магниты из самарий-кобальта, либо специально обработанные неодимовые магниты, которые лучше сохраняют свои свойства. Для решения проблем коррозии оборудование для морского бурения обычно оснащается корпусами из нержавеющей стали, иногда усиленными деталями из алюминия морского сорта и уплотнениями из никелево-медного сплава, устойчивыми к сернистым повреждениям. Рассмотрим геотермальные объекты, где уровень кислотности может опускаться ниже pH 3,0. Там уже стало стандартом применение обмоток с керамическим покрытием, поскольку они не только устойчивы к кислотам, но и хорошо проводят тепло, обеспечивая надежную работу двигателей даже при ежедневном воздействии агрессивных химических сред.

Компромисс: высокая эффективность синхронных релуктансных двигателей и переход от воздушного охлаждения к герметичному масляному погружению

Синхронные релуктантные двигатели (SynRM) могут достигать КПД около 98 %, даже когда становится очень жарко, однако они, как правило, выделяют столько концентрированного тепла, что обычное воздушное охлаждение уже не справляется. Именно поэтому многие операторы начали переходить на герметичные системы масляного погружения. Эти системы позволяют специальным диэлектрическим жидкостям циркулировать внутри полостей двигателя со скоростью около 5 литров в минуту, что повышает тепловые возможности примерно в три раза по сравнению с принудительным воздушным охлаждением. Однако есть и недостатки. При работе в холодную погоду требуются синтетические масла, остающиеся жидкими при температуре до -40 градусов Цельсия, иначе всё станет слишком вязким для нормальной работы. Контакт жидкости также создаёт дополнительное сопротивление ротору, снижая крутящий момент на 8–12 процентов. Кроме того, герметичные камеры подшипников означают более сложные процедуры технического обслуживания. К счастью, достижения в области вычислительной гидродинамики помогают инженерам разрабатывать более эффективные внутренние перегородки. Это позволяет тяжёлой технике, используемой в горнодобывающих работах в пустыне, продолжать работать без остановок, даже когда температура окружающей среды достигает 60 градусов Цельсия, без необходимости снижать выходную мощность.

Применения с высоким крутящим моментом и низкой скоростью предпочтительнее для специальных двигателей прямого привода

Преимущество: устранение коробки передач в экструдерах и системе поворота лопастей ветровых турбин обеспечивает повышенную надежность

Специальные двигатели прямого привода устраняют необходимость в механических коробках передач при работе с высоким крутящим моментом на низких скоростях, что делает всю систему значительно более надежной. Устранение шестерен и муфт, которые часто выходят из строя, сокращает время обслуживания, например, в системах экструзии. Такая конфигурация необходима и в ветрогенераторах. Системы управления поворотом лопастей выигрывают от применения устройств прямого привода, поскольку они обеспечивают стабильный крутящий момент без дополнительных компонентов между двигателем и нагрузкой. Это хорошо работает даже в суровых условиях эксплуатации на местности. Благодаря меньшему количеству движущихся частей в целом теряется меньше энергии, повышается эффективность и увеличивается интервал между техническими обслуживаниями. Для всех, кому требуется стабильная подача мощности на низких скоростях, технология прямого привода сейчас стала практически стандартом во многих отраслях.