Výběr vhodného motoru pro vaše řešení OEM čerpadla

Autoři: Brad Blum a John Batts

Masterflex, součást společnosti Avantor, je známý svou vysokou kvalitou Masterflex^® a Ismatec^® technologií pro čerpání. Mnozí OEM výrobci se obrací na tým Masterflex OEM, pokud potřebují do svého vyvíjeného zařízení integrovat čerpadlo na míru. Při výběru řešení čerpadla je nutné vzít v úvahu nejen styl čerpadla, ale také typ motoru. Při rozhodování, jaký motor zvolit pro vaše řešení OEM čerpadla, mějte na paměti následující faktory výběru.

Typ motoru

Z množství dnes používaných typů motorů existují čtyři technologie, které jsou vhodné pro většinu aplikací, z nichž každá má výhody a omezení, které je nutné vzít v úvahu.

Kartáčové stejnosměrné motory / stejnosměrné motory s permanentními magnety (PMSM)

Kartáčové stejnosměrné motory a PMSM motory bývají z mnoha důvodů preferovanou volbou pro cenově citlivé aplikace. Počáteční náklady na vlastnictví jsou zpravidla nízké. Rozsáhlá sada funkcí je vhodná pro mnoho různých aplikací. Tyto motory obsahují vnitřní kartáče, které převádějí elektrický proud na otáčivý pohyb motoru. Mnoho motorových technologií vyžaduje použití regulátoru, který řídí chod motoru. Kartáčové stejnosměrné motory regulátor nutně nepotřebují – obzvlášť pokud aplikace vyžaduje pouze chod motoru při pevně stanovené rychlosti. Pro aplikace vyžadující regulátor pro pokročilejší ovládání bývá regulátor pro kartáčový stejnosměrný motor levnější než podobné regulátory používané s ostatními technologiemi.

Nedílnou součástí konstrukce kartáčového stejnosměrného motoru je opotřebení vnitřních kartáčů, ke kterému dochází v důsledku dvou hlavních faktorů – otáčky motoru a zatížení motoru. Dva možné výsledky závisí na typu použitého kartáčového stejnosměrného motoru:

• U motorů s pevnými kartáči se životnost kartáčů může obvykle pohybovat mezi 500 až 4000 hodinami provozu, přičemž skutečná životnost je dána mnoha faktory, po uplynutí této životnosti je nutné motor zlikvidovat a vyměnit.
• Motory s vyměnitelnými kartáči mají obvykle delší životnost. Kartáče na těchto motorech je možné vyměnit, což snižuje počáteční náklady na údržbu. Výměny kartáčů však mají z důvodu opotřebení lamel komutátoru (o ty se otírají kartáče uvnitř motoru, čímž převádí elektrickou energii na otáčení motoru) limit, po jeho dosažení bude nutné vyměnit celou sestavu motoru.

Pokud je potřeba přísná regulace otáček motoru, je navíc vyžadováno také použití kódovacího zařízení, což zvyšuje počáteční náklady a kompenzuje jeden z hlavních faktorů volby této motorové technologie.

Další údržba vyžadovaná u kartáčových stejnosměrných motorů zvyšuje celkové náklady na vlastnictví, a to bez ohledu na to zvolený typ. Z těchto důvodů je nejlepší využití výhod kartáčových stejnosměrných motorů při jejich začlenění do aplikací, které zahrnující občasné použití, např. dávkování.

Bezkartáčové stejnosměrné / BLDC motory

Bezkartáčové stejnosměrné motory se od kartáčových stejnosměrných motorů liší, protože pro přenášení napájecího proudu nevyužívají žádné vnitřní kartáče. Bezkartáčové stejnosměrné motory se málo opotřebovávají a po celou dobu své životnosti nevyžadují prakticky žádnou údržbu, což je zdaleka největší výhoda práce s tímto typem motoru. Protože v konstrukci tohoto motoru nejsou žádné kartáče, dochází během provozu k minimální tvorbě pevných částic, což je další výhoda. Díky tomu jsou bezkartáčové stejnosměrné motory vhodnou volbou pro aplikace citlivé na tvorbu částic a nečistot, např. v lékařských zařízeních.

Nejčastější porucha se vyskytuje v převodovce připojené k přední části motoru. Převodovka snižuje otáčky motoru a zvyšuje točivý moment dodávaný čerpadlu. Ozubená kola převodovky se mohou časem opotřebovat.

Bez kartáčů nebo komutátorových lamel v sestavě potřebují bezkartáčové stejnosměrné motory řídicí desku, která zajistí nezbytnou elektronickou komutaci pro správné fungování. Řídicí desky bezkartáčových stejnosměrných motorů bohužel bývají dražší než regulátory používané v kartáčových stejnosměrných motorech. To zvyšuje při použití těchto motorů počáteční náklady. Navíc je pro přesné řízení rychlosti nutné použít kódovací zařízení, což také zvyšuje počáteční náklady.

Konstrukce bezkartáčových stejnosměrných motorů je dělá ideální pro aplikace, kde je nutná dlouhá životnost nebo kde se motor nachází na nebezpečném nebo těžko přístupném místě. V těchto aplikacích jsou sice počáteční pořizovací náklady bezkartáčového stejnosměrného motoru vyšší, ale celkové náklady na provoz motoru jsou po dobu jeho životnosti nejnižší, což z něj činí solidní volbu.

Krokové motory

Krokové motory jsou typem bezkartáčového stejnosměrného motoru, ale pohyb motoru je řízený odlišným způsobem. Krokový motor funguje tak, že rozděluje plnou rotaci na rovný počet kroků. Motor se může pohybovat nebo udržovat na určitém místě svého otáčení, a to prostřednictvím řízených impulzů do vnitřních elektromagnetů. Kódovací zařízení nebo podobný mechanismus zpětné vazby není nutný. Krokové motory nabízejí i další výhody, včetně dlouhé životnosti, malého až žádného opotřebení, nenáročné údržby, vysokého rozběhového točivého momentu a celkových nákladů, které obvykle spadají mezi kartáčový a bezkartáčový stejnosměrný motor.

Při zahrnutí krokových motorů do aplikace je však nutné vzít v úvahu některá významná omezení. Jedním omezením je změna točivého momentu, která může nastat při změně rychlosti motoru. Zatímco počáteční točivý moment je vysoký, dostupný točivý moment při zvýšených otáčkách je podstatně nižší a může vést k nepřesnostem otáček včetně zastavení.

Navíc některé citelné efekty mohou také omezovat použití krokových motorů, včetně hluku (mohou „kvílet“ ve vysokých tónech), generování tepla v důsledku celkové neúčinnosti (což může vyžadovat ventilaci nebo jiný způsob chlazení) a mechanických vibrací.

Zatímco krokové motory nejsou vhodnou volbou pro aplikace s nepřetržitým provozem, jsou tyto motory vynikající volbou pro aplikace, kde je potřeba opakované a rychlé dávkování. Vydrží náročné používání bez nutnosti pravidelné údržby a poskytuje pevné vlastní polohování a regulaci rychlosti.

Střídavé motory se stíněným pólem

Střídavé motory se stíněným pólem jsou další oblíbenou variantou motoru pro omezenou skupinu zákazníků a aplikací. V potravinářském a nápojovém průmyslu, kde čerpadla běží nepřetržitě a faktorem pro výběr jsou počáteční náklady i náklady po celou dobu životnosti motoru, mohou střídavé motory se stíněným pólem nabídnout některé významné výhody:

• Nízké počáteční náklady
• Nízké náklady na vlastnictví díky nenáročné až žádné údržbě
• Dlouhá životnost (obvykle je jediným omezením životnost převodovky, stejně jako u bezkartáčových stejnosměrných motorů)
• Provoz se střídavým proudem
• Tichý provoz
• Žádné elektromagnetické rušení (EMI)

Nutné je vzít v úvahu i omezení střídavých motorů se stíněným pólem. Největším omezením je provoz těchto motorů s pevnými otáčkami. Střídavé motory se stíněným pólem jsou navrženy tak, aby pracovaly při jedné úrovni otáček, která je stanovená převodovým poměrem začleněným do jejich konstrukce. Kódovací zařízení a další mechanismy zpětné vazby nelze k zajištění správné rychlosti otáčení použít, což může vést k nepřesnostem a kolísání průtoku během používání.

Kromě toho mají tyto motory tendenci vytvářet značné teplo, což je vedlejší efekt, který se nepřetržitým používáním jen zhoršuje. Typicky musí být do konstrukce začleněn ventilátor, který zajišťuje chlazení sestavy motoru v reálném čase. Tyto motory nejsou stejně výkonné jako ostatní typy motorů.

Vzhledem k výhodám a omezením těchto motorů je obecně doporučeno uvažovat o střídavých motorech se stíněným pólem pouze pro aplikace s nepřetržitým provozem, které nejsou tak citlivé na mírné kolísání průtoku. Pro jiné aplikace, zejména ty, které zahrnují dávkování, je lepší použít jiný typ motoru.

Shrnutí

Chcete-li se seznámit s výhodami a omezeními každého z těchto typů motorů, prohlédněte si následující tabulku:

Vynikající --------------------------> Špatné

Každá ze čtyř možností motoru probraných v tomto článku má své výhody a omezení. Při výběru toho nejvhodnějšího motoru pro vaši aplikaci je nutné zvážit každý typ motoru.