Wybór odpowiedniego silnika do pompy OEM

Brad Blum i John Batts

Firma Masterflex wchodząca w skład Avantor jest znana w branży z wysokiej klasy technologii pomp Masterflex^® i Ismatec^® . Wielu producentów OEM zgłasza się do zespołu ds. rozwiązań OEM w Masterflex, gdy potrzebują niestandardowej pompy, która ma być zintegrowana z opracowywanymi przez nich urządzeniami. Wybierając pompę, należy uwzględnić nie tylko jej rodzaj, ale także typ silnika. Przy wyborze silnika do pompy OEM należy uwzględnić szeroki wachlarz czynników.

Rodzaje silników

Wśród wielu używanych obecnie typów silników można wyróżnić cztery główne technologie, które obejmują większość zastosowań. Każda z nich ma swoje zalety i ograniczenia, które należy rozważyć przed podjęciem decyzji.

Silniki szczotkowe prądu stałego (DC) / prądu stałego z magnesami trwałymi (PMDC)

Silniki szczotkowe DC i PMDC są zazwyczaj preferowaną opcją w zastosowaniach, w których liczy się optymalizacja kosztów. Wynika to z kilku czynników. Początkowy koszt posiadania jest na ogół niski. Sprawdzają się w szeregu różnych zastosowań. Do prawidłowego działania potrzebują elementów zwanych szczotkami, które przenoszą prąd elektryczny na wirnik. W wielu technologiach do kontrolowania pracy silnika wymagany jest sterownik. Silniki szczotkowe DC nie muszą być wyposażone w sterownik, zwłaszcza jeśli w danym zastosowaniu silnik ma działać ze stałą prędkością. W bardziej zaawansowanych zastosowaniach, które wymagają sterownika, warto pamiętać, że sterownik silnika szczotkowego DC jest zwykle tańszy niż analogiczne sterowniki wykorzystywane w innych rodzajach silników.

Nieodłączną cechą silników szczotkowych DC, związaną z ich konstrukcją, jest zużywanie się wewnętrznych szczotek w wyniku działania dwóch podstawowych czynników – prędkości obrotowej i obciążenia silnika. W zależności od rodzaju silnika szczotkowego prądu stałego możliwe są dwa skutki:

• W silnikach z niewymiennymi szczotkami żywotność szczotek zwykle waha się od 500 do 4000 godzin, jednak rzeczywisty okres eksploatacji zależy od wielu czynników. Po upływie tego okresu należy wymienić silnik.
• W silnikach ze szczotkami wymiennymi żywotność jest zwykle dłuższa. Szczotki w tych silnikach można wymieniać, co obniża początkowe koszty utrzymania. Ze względu na zużywanie się prętów komutatora (elementów, o które ocierają się szczotki wewnątrz silnika, aby przełożyć energię elektryczną na silnik), istnieje ograniczenie co do liczby wymian szczotek, zanim niezbędna będzie wymiana całego zespołu silnika.

Oprócz zużywania się szczotek silnik tego typu wymaga enkodera, jeśli potrzebna jest ścisła regulacja prędkości. Zwiększa to koszt początkowy i niweluje jeden z głównych czynników charakteryzujących tę technologię silników.

Niezależnie od wybranego rodzaju szczotkowego silnika DC dodatkowa konserwacja niezbędna w tych silnikach zwiększa całkowity koszt posiadania. Z tego względu szczotkowe silniki DC są bardziej korzystną opcją w procesach wymagających sporadycznego działania, np. podczas dozowania.

Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC)

W odróżnieniu od silników szczotkowych bezszczotkowe silniki prądu stałego nie mają zintegrowanych wewnętrznych szczotek służących do przenoszenia prądu zasilającego. Silniki bezszczotkowe DC w bardzo niewielkim stopniu ulegają zużyciu i praktycznie nie wymagają konserwacji przez cały okres eksploatacji. Jest to zdecydowanie ich największa zaleta. Dodatkową korzyścią jest brak szczotek w konstrukcji, co oznacza, że podczas pracy uwalnianych jest bardzo niewiele cząstek stałych. Dzięki temu silniki bezszczotkowe DC są korzystną kosztowo opcją w wyrobach medycznych i innych tego typu zastosowaniach wrażliwych na obecność cząstek i zanieczyszczeń.

Awarie występują najczęściej w przekładni znajdującej się w przedniej części urządzenia. Przekładnia zmniejsza prędkość silnika i zwiększa moment obrotowy dostarczany do pompy. Zębatki przekładni zużywają się w miarę upływu czasu.

Ze względu na brak szczotek i prętów komutatora silniki bezszczotkowe prądu stałego muszą być wyposażone w płytę sterownika, aby uzyskać komutację elektroniczną niezbędną do prawidłowego działania. Niestety płyty sterownika w silnikach bezszczotkowych DC są droższe od sterowników wykorzystywanych w silnikach szczotkowych. Zwiększa to koszty początkowe związane z silnikami tego rodzaju. Oprócz tego ścisła kontrola prędkości wymaga enkodera, co dodatkowo zwiększa koszt początkowy.

Ze względu na swoją konstrukcję bezszczotkowe silniki DC idealnie nadają się do zastosowań, w których wymagany jest długi okres eksploatacji, lub gdzie silnik znajduje się w niebezpiecznym lub trudno dostępnym miejscu. W tych zastosowaniach początkowy koszt posiadania bezszczotkowego silnika prądu stałego jest wprawdzie wyższy, ale koszt całkowity w okresie użytkowania jest najniższy. W rezultacie może być to opcja o wysokiej efektywności kosztowej.

Silniki krokowe

Silnik krokowy jest rodzajem silnika bezszczotkowego prądu stałego, ale sterowanie ruchem silnika odbywa się w nim inaczej. Silnik krokowy nie obraca się ruchem ciągłym, ale wykonuje za każdym razem ruch obrotowy o ściśle ustalony kąt. Silnik może poruszać się i utrzymywać w określonym miejscu podczas obrotu dzięki kontrolowanym impulsom kierowanym do wewnętrznych elektromagnesów. Nie jest potrzebny enkoder ani żaden analogiczny mechanizm sprzężenia zwrotnego. Silniki krokowe mają także inne zalety, m.in. długą żywotność, niewielki stopień zużywania się i ograniczoną potrzebę konserwacji, duży moment rozruchowy i całkowity koszt eksploatacji, który zwykle mieści się między szczotkowym a bezszczotkowym silnikiem DC.

Jednak stosowanie silników krokowych wiąże się także z pewnymi istotnymi ograniczeniami. Jednym z nich jest zmiana momentu obrotowego, który może być dostarczony przez silnik wraz ze zmianą prędkości. Choć początkowy moment obrotowy jest wysoki, przy wyższych prędkościach dostępny moment obrotowy jest znacznie niższy, co może skutkować zakłóceniem ruchu obrotowego, m.in. przeciągnięciem.

Są także inne czynniki, które mogą ograniczać stosowanie silników krokowych. Należą do nich: hałas akustyczny (odgłos „buczenia”), wytwarzanie ciepła z powodu ogólnej nieefektywności (konieczność wentylacji lub innych metod chłodzenia) oraz powstawanie wibracji mechanicznych.

Silniki krokowe nie są optymalnym rozwiązaniem w procesach przebiegających w trybie ciągłym, ale doskonale sprawdzają się przy wielokrotnym i szybkim dozowaniu. Wytrzymują intensywne użytkowanie bez potrzeby regularnej konserwacji, zapewniając precyzyjne sterowanie położeniem i prędkością.

Silniki zwartobiegunowe prądu przemiennego (AC)

W przypadku niektórych klientów i zastosowań popularną opcją są silniki zwartobiegunowe prądu przemiennego (AC). W branży produkcji żywności i napojów, gdzie pompy pracują w sposób ciągły, a decydującymi czynnikami są koszty początkowe i eksploatacyjne, silniki zwartobiegunowe AC mogą dawać znaczące korzyści, m.in:

• Niewielki koszt początkowy
• Niski koszt posiadania dzięki niemal całkowitemu wyeliminowaniu konserwacji
• Długi okres eksploatacji (zwykle ograniczony tylko żywotnością przekładni, jak w silnikach bezszczotkowych DC)
• Zasilanie prądem przemiennym
• Cicha praca
• Brak zakłóceń elektromagnetycznych (EMI)

Podczas dokonywania wyboru należy także rozważyć ograniczenia silników zwartobiegunowych AC. Największym z nich jest praca ze stałą prędkością. Silniki zwartobiegunowe AC są przystosowane do pracy z jedną prędkością określoną poprzez przełożenie zastosowane w ich konstrukcji. W silnikach tego typu nie stosuje się enkoderów ani innych mechanizmów sprzężenia zwrotnego, które zapewniają pożądaną prędkość obrotową. Może to prowadzić do niedokładności i zmienności przepływu podczas użytkowania.

Ponadto silniki zwartobiegunowe AC mają tendencję do generowania znacznych ilości ciepła. Jest to efekt uboczny, który nasila się przy ciągłym użytkowaniu. Zazwyczaj niezbędne jest stosowanie wentylatora, który zapewnia bieżące chłodzenie zespołu silnika. Silniki zwartobiegunowe AC nie są tak wydajne jak inne rodzaje silników.

Biorąc pod uwagę wymienione zalety i ograniczenia, silniki zwartobiegunowe AC należy rozważać w warunkach pracy ciągłej, które nie są tak podatne na niewielkie zmiany natężenia przepływu. W przypadku innych procesów, zwłaszcza związanych z dozowaniem, lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie innego z wymienionych rodzajów silnika.

Podsumowanie

Zalety i ograniczenia poszczególnych rodzajów silników przedstawiono w poniższej tabeli:

Wysokie -------------------------> Niskie

Każda z czterech opcji silnika opisanych powyżej ma swoje zalety i ograniczenia. Dlatego przy wyborze optymalnego silnika do konkretnego zastosowania należy wnikliwie je przeanalizować.