Technology Review
DMI – ny milstolpe
i utvecklingen av
likströmsmotorn
Christer Söderberg
ABB Motors marknadsför en medelstor likströmsmotor med
väsentligt bättre
prestanda på
många viktiga
punkter. Några av
dessa goda egenskaper är inbördes motstridiga; det har tidigare inte ens
varit möjligt att kombinera dem i
samma maskin. Användaren har
tvingats välja antingen hög effekt,
stort varvtalsområde, högt vridmoment, små dimensioner, hög
överlastförmåga eller litet tröghetsmoment osv. Men tack vare
DMI, som den nya motorserien
heter, behöver kunden inte längre
försaka viktiga egenskaper utan
kan dra nytta av alla samtidigt.
Förbättringarna är så markanta
att det finns fog för påståenden
som: DMI-motorn förändrar förutsättningarna för likströmstekniken i grunden.
1 ABB:s nya likströmsmotor DMI
erbjuder bättre prestanda i alla
avseenden inklusive minskat
underhållsbehov.
L
ikströmsmotorer har fun-
parna börjat kraxa igen, denna
nits i över ett sekel, och
gång eftersom användaren kan
minst två gånger under
komma nära likströmsdrifternas
den tiden varit utrotnings-
precision och snabbhet i regle-
hotade. Första gången var när den
ringshänseende med frekvensom-
trefasiga växelströmmen kom runt
riktare och vanliga växelströms-
sekelskiftet. Tack vare sina goda
motorer. Men inte heller denna
regleregenskaper har likströmsmot-
gång verkar profetian slå in; ABB:s
orn överlevt och under senare
försäljning av likströmsmotorer har
decennier varit populärare än
även under senare år legat på en
någonsin genom tyristorströmrik-
stabil och betryggande nivå. Och
tarna, som gjorde det enkelt och
nu, tack vare lanseringen av DMI-
kostnadseffektivt att utnyttja lik-
motorn, räknar ABB med att för-
strömsteknikens attraktiva egen-
säljningen kommer att öka mar-
skaper.
kant, dvs. att likströmsmotorn går
Under senare år har olyckskor-
54
en ny vår till mötes
1
.
ABB tidning 1/2000
Technology Review
Utvecklingen av
likströmsmotorer
200
Den hårda konkurrensen på lik-
160
1969
1974
1981
1986
1993
1997
1999 DMI 180S
1999 DMI 180P
&U
strömsmotorernas område har lett
120
Prestanda som uteffekt, vridmoment och maxvarvtal har visserligen kunnat ökas, men till priset av
P[kW ]
till alltmer pressade konstruktioner.
80
40
minskat varvtalsområde vid max
effekt och minskade elektriska
marginaler. Detta har i sin tur lett
0
0
kortare livslängd
2
.
Utmaningen för DMI-projektet
blev därför att återföra utveckling-
2000
3000
4000
5000
n[rpm]
till större underhållsbehov för kolborstar och kommutatorer samt till
1000
2 Visserligen har likströmsmotorernas prestanda ökat under senare
decennier. Priset är minskat varvtalsområde vid max effekt,
minskande elektriska marginaler och ökat underhållsbehov.
Denna utveckling bröts med den nya DMI-motorn.
en av likströmsmotorer till den ideala karakteristiken med stort varvtalsområde vid konstant uteffekt,
låga elektriska påkänningar och
alltmer pressade konstruktioner
också mindre lovande, det senare
därmed litet underhållsbehov.
och med hjälp av kunskap, erfaren-
motsatsen i samtliga nämnda avse-
het och moderna konstruktions-
enden. Efter noggrann analys av de
Ansatsen i
utvecklingsprojektet
hjälpmedel åstadkomma en motor
två alternativen valdes det senare,
som såväl elektriskt som mekaniskt
dvs. att konstruera en helt ny
Försäljningsutvecklingen för före-
var mer ideal. Konkret betydde
motorserie. Den större förbättrings-
gångaren, DMG-motorn, gav för
detta högre uteffekt, högre vridmo-
potentialen i det senare fallet upp-
några år sedan anledning att funde-
ment, högre varvtal, större varvtals-
vägde med god marginal ökade ris-
ra över hur konstruktörerna skulle
område, mindre tröghetsmoment
ker och de högre utvecklingskost-
gå vidare med engagemanget i
och bättre krypkörningsegenskaper
naderna. Resultatet - den nya DMI-
likströmsmotorer. Målet blev att
till lägre elektriska och mekaniska
motorn - visade att analysen var
bryta trenden på marknaden mot
påkänningar.
riktig; jämfört med föregångaren
Två möjligheter fanns: antingen
3 Rotorplåten i den nya
DMI–motorn. Tack vare större kylkanaler som placerats symmetriskt
och närmare lindningsspåren,
uppnås bättre kylning och bättre
magnetisk balans.
har den nya motorn cirka:
utgå från befintlig motorserie och
■
50 % högre uteffekt
förbättra den, eller konstruera en
■
90 % högre vridmoment
helt ny. Det förra alternativet var
■
30 % högre maxvarvtal
naturligtvis mindre riskfyllt och
■
30 % större varvtalsområde
mindre kostnadskrävande, men
4 Den symmetriska placeringen
av kylkanalerna i rotorn relativt
lindningsspåren gav bättre balans
i magnetflödet mellan rotorns
olika härvor.
ABB tidning 1/2000
55
Technology Review
Nya lösningar
paketet i rotorn har förfinats för
Inom ramen för utvecklingsprojek-
att jämna ut variationerna i mag-
med en stabil stödring i alumini-
tet har ett antal nya tekniska lös-
netisk polarisation. Detta har
um. Detta har reducerat vibratio-
Härvändarna i rotorn har fixerats
ningar tagits fram, varav flera är
nerna vid höga varvtal och
patentsökta. Den enskilt viktigaste
bidragit till DMI-motorns höga
uppfinningen är en ny princip för
varvtalsgräns. Samtidigt förbätt-
kylning av rotorlindningen, karak-
rar stödringen kylningen i rotor-
teriserad av att kylkanalerna i
härvänden, en svaghet i många
rotorn flyttats närmare lind-
äldre konstruktioner som direkt
inverkar på isolationens livs-
ningsspåren samtidigt som
längd
den sammanlagda kylare-
6
.
an ökats kraftigt. Det
■
vill säga, kylningen har
dimensionerad för att
förbättrats avsevärt.
ytterligare minska vib-
Dessutom, tack vare att
rationerna och bidra
kylkanalerna placerats
symmetriskt relativt lindningsspåren, har den magnetiska balansen i
rotorn förbättrats
3
.
5 Lindningarna i rotorn har förlagts snett relativt motoraxeln.
Detta har förbättrat motorns gångegenskaper vid låga varvtal.
Symmetrin i magnetflödet i
Rotoraxeln är över-
till motorns höga varvtalsgräns.
Även statorn har förbättrats. Den
har fått mer plats för lindningarna,
bättre magnetisk balans och jämna-
rotorkretsen, dvs. att ingen rotor-
re temperaturfördelning tack vare
härva drabbas av högre elektrisk
förbättrat motorns gångegenska-
datoroptimering av den magnetiska
per vid låga varvtal.
kretsen i kombination med kom-
Lindningarna i rotorn har för-
paktare spolar och förbättrad till-
den magnetiska kretsen optimera-
lagts snett relativt motoraxeln.
verkningsteknik
des med datorhjälp
Detta har också förbättrat
påkänning än de övriga, var en av
de aspekter som studerades när
4
.
Ytterligare åtgärder som vidtagits
i rotorn är följande:
■
56
■
Tillverkningsprocessen för plåt-
■
7
.
Också kommutatorn konstrue-
motorns gångegenskaper vid
rades om. Den har blivit mindre
låga varvtal och sänker även
till diametern och stabilare.
ljudnivån
Därmed bidrar också den till
5
.
6 Härvändarna i rotorn har fixerats med en stabil
7 Statorn har förbättrats avsevärt. Den har fått mer
stödring i aluminium. Detta reducerar vibrationerna
och bidrar till DMI–motorns högre varvtal samt
förbättrar kylningen.
plats för lindningarna, bättre magnetisk balans och
jämnare temperaturfördelning tack vare kompaktare
spolar och förbättrad tillverkningsteknik.
ABB tidning 1/2000
Technology Review
DMI-motorns höga varvtalsgräns
och kommuteringsmarginal, dvs.
förmåga att hantera ström utan
gnistbildning
8
.
Dramatiskt förbättrade
prestanda
Förhoppningen var att ovanstående
åtgärder skulle öka motorns effektuttag relativt den gamla motorserien med bibehållen s.k. kommuteringspåkänning, dvs. med bibehållen marginal mot gnistbildning
mellan kommutator och kolborstar.
Resultaten överträffade målet.
Trots en effektökning med upp till
70 % minskade kommuteringspåkänningarna påtagligt.
8 Kommutatorn har liten diameter och därför låg periferihastighet.
Därför klarar den också höga varvtal.
Prestandaökningen relativt på
marknaden aktuella likströmsmotokolborstarna ska inte behöva ses
högre än klass H – där temperatu-
delen av respektive kurva visar
till oftare än lagren i stabila drifts-
ren är hög, och mekaniskt starkare
motorns s.k. shuntområde. Detta
miljöer. Därmed är likströmsmo-
material där temperaturen är lägre.
ger även en fingervisning om kom-
torns underhållsintervall helt plöts-
I detta sammanhang är det viktigt
muteringsmarginalen vid märkdata.
ligt jämförbar med den kortslutna
att påpeka att ABB beräknar tem-
växelströmsmotorns.
peraturmarginalen för DMI-motorn
rer framgår av
9
. Den horisontella
Kommuteringsmarginalen:
nyckeln till hög driftsäkerhet
utgående från den verkliga temperaturen i motorn under drift, inte
Kommuteringsmarginalen är ett
Isoleringen:
nyckeln till lång livslängd
mått på en likströmsmaskins för-
Isoleringen i DMI-motorn är utförd
driftstopp, vilket IEC 34-1-standar-
måga att hantera ström mellan
i olika material för att motorns livs-
den ger möjlighet till. Med verklig
kommutatorn och borstarna utan
längd ska bli så lång som möjligt.
driftstemperatur menas här dessut-
gnistbildning. Det betyder att
Till exempel används material med
om att den är framtagen i prov
denna egenskap är en av de vikti-
höga temperaturindex – långt
med strömriktarmatning, dvs. i
på temperaturen en god stund efter
gaste för att uppnå hög driftsäkerhet och litet underhåll. Kommuteringsmarginalen påverkas av faktorer som strömrippel, vibrationer,
9 Effekt- och varvtalsområde för DMI-motorn jämfört med konventionella
likströmsmotorer
temperatur, belastning och kylluf-
350
tens renhet, faktorer som alla, på
250
ga har verifierats i prov med ström-
200
re driftsfall än med slät eller glättad
P[k W ]
DMI-motorns kommuteringsförmåriktarmatning, dvs. i avsevärt svåra-
150
likström. Motorn har visat sig ha en
100
extremt stor kommuteringsmarginal
50
och därmed hög driftsäkerhet sam-
0
tidigt som underhållsbehovet är
minimalt
10 .
Kommutatorn och
ABB tidning 1/2000
DMI 225X
DMI 225U
Motor ’A’ 225
Motor ’B’ 225
Motor ’C’ 225
Motor ’D’ 225
300
olika sätt, åtgärdas i DMI-motorn.
0
1000
2000
3000
4000
n[rpm]
57
Technology Review
1
500
3
2
Before modification
Target
After modification
400
P
CA
300
200
100
0
F1
Iarm
10 DMI-motorn och dess stora kommuteringsmarginal
(CA) höjer driftsäkerheten och minskar underhållsbehovet. Det grå fältet i diagrammets mitt representerar
de störningar som alltid finns under normal drift
och som påverkar motorns kommuteringsförmåga.
1 DMI motorer
I arm
Rotorström
2
3
F2
F3
F4
F5
F6
F7
11 FMEA–metoden (Failure Mode and Effect Analysis)
användes under hela utvecklingsfasen för
att se till att uppsatta mål avseende kvalitet och
driftsäkerhet skulle uppnås
P
Sannolikhetsindex
F1–F7 Failure modes
Andra motorer
Otillräcklig kommutering
avsevärt svårare driftsfall än med
tionsarbete, handlar i stor utsträck-
slät eller glättad likström.
ning om att hitta bästa balansen
Samtidigt är risken för lokal
mellan några goda men inbördes
överhettning i motorn eliminerad
motstridiga egenskaper. I lik-
tack vare en praktiskt taget ideal
strömsmotorns fall handlar det om
elektromagnetisk dimensionering
egenskaper som: hög uteffekt, högt
och uppbyggnad samt effektiv kyl-
vridmoment, högt varvtal, stort
ning.
varvtalsområde, små dimensioner,
låg vikt och litet underhåll.
FMEA –
ett sätt att systematiskt
uppnå högsta kvalitet
olika leverantörer, har varit bra på
”Failure mode and effect analysis”
allt. Men tack vare unika resurser
(FMEA) är en metod för att syste-
på konstruktionssidan, nya dator-
matisk identifiera de åtgärder som
baserade konstruktionshjälpmedel
krävs för att uppsatta mål vad gäl-
och uppfinningsrikedom har kon-
ler kvalitet och driftsäkerhet ska
struktörerna i DMI-motorn lyckats
uppnås. Denna metod användes
ta fram en produkt som är väsent-
under hela utvecklingsfasen av
ligt bättre än tidigare på samtliga
motorn, inklusive tillverkningsbe-
punkter. Det bådar gott för samtli-
Christer Söderberg
redningen
ga berörda och för likströmstek-
ABB Motors AB
11 .
Olika motorer, inte minst från
olika saker, ingen har varit bra på
Författare
nikens förmåga att hävda sig på
Sammanfattning
Konstruktion av elektriska motorer,
sikt.
SE-721 70 Västerås / Sweden
■
E-post: [email protected]
Telefax: +46 21 32 95 15
som så mycket annat konstruk-
58
ABB tidning 1/2000
