Назва: Повна інтерпретація реальних застосувань і даних вимірювань магнітного підшипника/ротора високошвидкісного двигуна у відцентрових повітродувках

вступ

У промисловому виробництві повітродувки є основними споживачами енергії в таких галузях, як очищення стічних вод, хімічна, цементна та паперова. Якщо взяти як приклад очищення стічних вод, споживання енергії повітродувки становить 50–60% загальних експлуатаційних витрат очисних споруд. Протягом багатьох років основним обладнанням, що використовується в промисловості, були повітродувки Roots і традиційні відцентрові повітродувки. Однак ці пристрої мають властиві проблеми, такі як довгі приводні ланцюги, високе механічне тертя та високий робочий шум, що залишає дуже обмежений простір для подальшого підвищення енергоефективності.

Чи існує технологія, яка може змусити ротор повітродувки 'плавати', повністю усуваючи механічне тертя? Саме таку відповідь дає технологія магнітних підшипників / високошвидкісних двигунів. Ця стаття присвячена основній технології магнітний підшипник / високошвидкісний ротор двигуна , у поєднанні з реальними випадками застосування та даними вимірювань, щоб комплексно проаналізувати його продуктивність у відцентрових повітродувках.

I. Технологічні інновації: ротор «плаває»

Основну концепцію дизайну відцентрової повітродувки з магнітними підшипниками можна підсумувати одним реченням:  використання електромагнітної сили для заміни механічних підшипників, що дозволяє ротору обертатися, коли він висить у повітрі.

1.1 Основна структура

Відцентрова повітродувка з магнітним підшипником складається з чотирьох основних компонентів:  високоефективного відцентрового робочого колеса, високошвидкісного синхронного двигуна з постійним магнітом, системи активних магнітних підшипників і спеціального перетворювача частоти . Ключова інновація полягає в інтегрованій конструкції магнітних підшипників і високошвидкісного двигуна.

Традиційні повітродувки здебільшого використовують багатоступеневу структуру трансмісії 'двигун + ремінь/збільшення швидкості шестерні + робоче колесо'. Це стосується кількох механічних точок контакту, кожна з яких представляє втрату енергії. На відміну від цього, відцентрова повітродувка з магнітним підшипником безпосередньо встановлює робоче колесо повітродувки на подовжений кінець вала двигуна, а ротор вертикально підвішений на активних контролерах на магнітних підшипниках.  Не потрібні прискорювачі чи зчеплення ; високошвидкісний двигун безпосередньо приводить в дію робоче колесо.

1.2 Технологія активного магнітного підшипника з п'ятьма ступенями свободи

Сучасні основні продукти використовують технологію активних магнітних підшипників із п’ятьма ступенями свободи. Система використовує вбудовані датчики переміщення для виявлення змін положення ротора в кожному напрямку в реальному часі. Сигнали надсилаються до контролера для обчислення та підсилення, який видає керуючий струм для регулювання величини електромагнітної сили, тим самим точно стабілізуючи ротор у встановленому положенні. Типова частота оновлення керування може досягати  10 000 разів на секунду , що забезпечує динамічну та точну корекцію положення ротора.

Оскільки немає  фізичного контакту  між ротором і підшипниками, досягаються три основні технічні переваги: ​​'нульове тертя, нульове забруднення маслом, нульовий знос'. Це означає:

• Немає потреби в мастилі  – повітря, що подається, є абсолютно чистим, виключаючи вторинне забруднення.

• Відсутність механічного зносу  - термін служби обладнання значно подовжується.

• Обслуговування значно спрощено  – потрібна лише періодична заміна фільтруючого матеріалу.

1.3 Високошвидкісний синхронний двигун з постійними магнітами – силове ядро ​​ротора

Стабільна підвіска ротора є лише необхідною умовою; йому також потрібен потужний привід, щоб обертати робоче колесо на високій швидкості. У відцентровій повітродуві з магнітними підшипниками використовується  високошвидкісний синхронний двигун з постійними магнітами (PMSM)  , ротор якого оснащений поверхневими постійними магнітами, загорнутими та захищеними вуглецевим волокном.

Навіщо використовувати гільзу з вуглецевого волокна? Причина проста: ротор обертається зі швидкістю понад 20 000 об/хв, піддаючи постійні магніти величезній відцентровій силі. Без високоміцного обмежувача гільзи ротор легко розпався б. Матеріал з вуглецевого волокна має низьку щільність і надзвичайно високу міцність, що робить його ідеальним для цього вимогливого застосування. Парні рідкоземельні постійні магніти забезпечують високу енергію магнітного поля, забезпечуючи високий ККД двигуна на високих швидкостях.

В даний час ККД таких високошвидкісних PMSM може досягати  96% або навіть понад 97%  , що значно перевершує традиційні асинхронні двигуни.

II. Реальні прикладні сценарії

2.1 Очищення стічних вод: головне поле битви за енергозбереження та скорочення споживання

Очищення стічних вод є найбільшою сферою застосування відцентрових повітродувок з магнітними підшипниками, оскільки біологічна аеробна стадія очищення вимагає постійної інтенсивної аерації, при цьому повітродувки працюють цілодобово цілорічно.

На  станції очищення стічних вод New Water Source West Tianjin TEDA старі повітродувки Roots були замінені на високоефективні енергозберігаючі відцентрові повітродувки з магнітними підшипниками від Yisheng Technology. Дані вимірювань показали, що після модернізації  рівень енергозбереження досяг 26,5%, а рівень шуму впав нижче 85 дБ..

Ще більш показовий випадок – напівпідземна станція очищення стічних вод у провінції Шеньсі. Завод очищує 20 000 тонн стічних вод на день, використовуючи три повітродувки YG75 і три YG100 Yisheng з магнітними підшипниками, глибоко інтегровані в увесь процес очищення стічних вод. Завдяки точному контролю аерації завод досяг  вологості осаду нижче 60%, нульового скиду стічних вод і 100% повторного використання регенерованої води . У проекті використовується платформа моніторингу «Feixuan Cloud» IoT, яка збирає ключові робочі параметри, такі як вібрація, температура та струм, у режимі реального часу, зменшуючи навантаження на перевірку на 50%.

2.2 Хімічна промисловість: вимогливі безперервні умови роботи

Вимоги до подачі повітря в хімічній промисловості часто більш суворі – не тільки висока швидкість потоку та високий тиск, але й дуже високі вимоги до надійності безперервної роботи.

Наприклад, у цеху виробництва технічного вуглецю шинного заводу в провінції Шаньдун оригінальним нагнітачем повітря для горіння був багатоступінчастий відцентровий вентилятор потужністю 900 кВт. Після заміни на повітродувку Yisheng YG700 з магнітним підшипником вентилятор забезпечує точну продуктивність  400 м⊃3;/хв при тиску 100 кПа , що відповідає системі розподілу електроенергії високої напруги 10 кВ для безперервної роботи. При повній відповідності технологічним вимогам робоча потужність знизилася до 700 кВт.

У проекті модернізації аерації стічних вод іншої хімічної компанії повітродувка з одним магнітним підшипником досягла  показника енергозбереження 38,2%  за тих самих умов експлуатації, заощаджуючи 975 000 кВт/год на рік і скорочуючи викиди CO₂ на 556,9 тонн. У період між 2021 і 2024 роками інша хімічна компанія послідовно встановила чотири повітродувки з магнітними підшипниками для процесів десульфурації окислення, досягнувши середньорічної загальної економії електроенергії в 1,67 мільйона кВт-год і економії в 1,203 мільйона юанів із  середнім коефіцієнтом енергозбереження, що перевищує 30%.

2.3 Цементна промисловість: стабільна продуктивність у середовищах із високим вмістом пилу

Цементні заводи мають високий рівень пилу та значні робочі коливання, що є серйозним випробуванням для повітродувок. Після того, як на цементному заводі в провінції Шаньдун було модернізовано відцентрову повітродувку з магнітними підшипниками, вона досягла  16,67% економії енергії, незважаючи на збільшення повітряного потоку на 17% , заощаджуючи майже 259 200 кВт/год на рік із помітним зниженням шуму на місці.

III. Узагальнені дані вимірювань: скільки насправді економить повітродувка з магнітним підшипником?

Щоб наочно продемонструвати фактичну продуктивність відцентрових повітродувок з магнітними підшипниками, ми зібрали дані вимірювань з різних галузей.

Таблиця: Дані вимірювань із застосуванням відцентрових повітродувок з магнітними підшипниками в різних галузях

Ця зведена таблиця показує чітку закономірність:  відцентрові повітродувки з магнітними підшипниками загалом досягають 20–30% або вище економії енергії в різних галузях промисловості та в різних умовах експлуатації , а окремі оптимізовані випадки перевищують 38%.

Варто зазначити, що енергозбереження – це лише частина користі. Обладнання з магнітними підшипниками також забезпечує суттєве  зниження витрат на обслуговування . Наприклад, у цеху технічного вуглецю шинної фабрики витрати на технічне обслуговування впали на 80%, тому потрібно лише періодично міняти фільтри. Проектний термін служби також значно подовжується – традиційні повітродувки Roots зазвичай вимагають капітального ремонту кожні 1-2 роки, тоді як повітродувки з магнітними підшипниками можуть мати проектний термін служби до  20 років..

IV. Поглиблений аналіз виміряних даних

4.1 Деконструкція ефекту енергозбереження: підвищення ефективності з багатьох аспектів

Ефект енергозбереження відцентрових повітродувок з магнітними підшипниками походить не від одного фактора, а від накопичення кількох технологій:

(1) Структура прямого приводу усуває втрати при передачі.  Традиційні повітродувки Roots покладаються на шестерні або пасові передачі, кожен крок механічної трансмісії спричиняє 3%-5% втрат енергії. Повітродувки з магнітними підшипниками використовують прямий привід від двигуна до крильчатки, досягаючи майже 100% ефективності передачі енергії – заощаджуючи приблизно 12% порівняно з традиційними одноступінчастими відцентровими повітродувками з редукторним приводом.

(2) Ефективність двигуна значно покращена.  Високошвидкісні PMSM можуть досягати 96%-97% ефективності, тоді як традиційні двигуни часто падають нижче 90% ефективності при часткових навантаженнях. Сам мотор таким чином «витягує» приблизно 7-10 процентних пунктів приросту ефективності. Наприклад, обладнання від Nanjing CIGU Technology підтримує стабільну ефективність системи в діапазоні номінальних обертів 18 000-40 000 об/хв і потужності 40-150 кВт.

(3) Магнітні підшипники споживають дуже мало енергії.  Енергоспоживання активних магнітних підшипників зазвичай становить менше 1 кВт, тоді як аналогічні механічні підшипники та система мастила споживають у кілька разів більше. Експериментальні дані компанії CRRC Yongji Electric показують, що її магнітні підшипники працюють стабільно при 22 000 об/хв, при цьому енергоспоживання підшипників залишається на дуже низькому рівні.

(4) Аеродинамічна оптимізація робочого колеса тривимірного потоку.  Високошвидкісна відцентрова крильчатка використовує теорію тривимірного (3D) потоку. Після параметричної оптимізації робоче колесо може досягати ефективності до 85% у своїй робочій точці з набагато ширшим робочим діапазоном високої ефективності, ніж традиційні робочі колеса. Ця конструкція підтримує високу ефективність за різних умов повітряного потоку, що робить її особливо придатною для застосувань із змінними навантаженнями, наприклад для очищення стічних вод. У продуктах CRRC використовуються такі високоефективні робочі колеса з 3D-потоком для досягнення високоефективної роботи в широкому діапазоні.

Комбінація цих факторів підвищує загальну ефективність системи більш ніж на 85% у порівнянні з традиційними вентиляторами, при цьому загальний рівень енергозбереження стабільний у діапазоні 20%-30%.

4.2 Дані про робочу стабільність

Для промислового обладнання не менш критичним є те, чи енергозбереження є 'стабільним'. Ось основні показники, що відображають надійність:

• Контроль вібрації:  рівень вібрації магнітних підшипників на порядок менший, ніж у традиційних підшипників. За нормальної роботи потужність вібрації можна контролювати в межах 0,5 мм/с. Система використовує технологію самобалансування та конструкцію активного зменшення вібрації, що забезпечує надзвичайно низьку вібрацію тіла.

• Інтелектуальний моніторинг:  обладнання оснащене інтелектуальною системою керування, яка контролює десятки параметрів у реальному часі, включаючи потік повітря, тиск, температуру підшипника, температуру обмотки та орбіту ротора. Він підтримує кілька режимів роботи (постійний потік, постійна швидкість, постійний тиск) і кілька методів керування (локальне, центральне керування, бездротове).

•  Запобігання стрибкам напруги:  повітродувки з магнітними підшипниками оснащені функціями прогнозування стрибків напруги та захисту від стрибків напруги. За нестабільних умов, таких як надмірно низький тиск на вході або раптове падіння швидкості, система автоматично налаштовується, ефективно захищаючи безпеку обладнання. У разі виявлення аномалій система автоматично попереджає та регулює швидкість і потік повітря, щоб уникнути входження в зону сплеску.

• Захист від збою живлення:  Обладнання оснащено допоміжними підшипниками та системою резервного копіювання в разі збою живлення. У разі несподіваного відключення електроенергії він все ще може тримати ротор у стані підвішування, запобігаючи пошкодженню підшипника через падіння швидкості.

V. Майбутнє

Прорив у технології магнітних підшипників/високошвидкісного ротора двигуна переніс відцентрові повітродувки з «ери механічної трансмісії» в «еру електромагнітного прямого приводу». Згідно з галузевими даними, світовий дохід на ринку повітродувок промислових магнітних підшипників становив приблизно 

1,292 мільярда до 2032 року, при середньорічному темпі зростання (CAGR) близько 16,2%. Китайський ринок також демонструє потужне зростання. Відцентрові повітродувки з магнітними підшипниками вже знайшли широкомасштабне застосування в кількох секторах з високим споживанням енергії та були включені до 'Національного каталогу рекомендацій щодо технологій і обладнання промислових та інформаційних технологій для економії енергії та скорочення викидів вуглецю (видання 2025)'.

Вітчизняні підприємства, такі як CRRC Yongji Electric, зробили прорив у ключових технологіях, включаючи високошвидкісну конструкцію ротора з магнітним підшипником, застосування втулки з вуглецевого волокна та інтеграцію активного магнітного підшипника. Їхня продукція може досягати швидкості до 22 000 обертів на хвилину з ефективністю двигуна понад 96%. Такі компанії, як Yisheng Technology, Tianrui Heavy Industry і Nanjing CIGU Technology, також постійно сприяють інженерному розгортанню повітродувок з магнітними підшипниками у своїх галузях.

У міру розвитку стратегії «подвійного вуглецю» очікується, що технологія магнітних підшипників/високошвидкісних двигунів розшириться зі своїх традиційних опорних пунктів у обробці стічних вод, хімікатах і цементі на ширші промислові сценарії, такі як десульфурація димових газів, біологічне бродіння та мінеральна флотація, ставши важливою силою промислового енергозбереження та скорочення вуглецю.

Висновок

Застосування магнітного підшипника/ротора високошвидкісного двигуна у відцентрових повітродувках довело свою цінність серією вимірювань – економія енергії на 20%-38%, зниження витрат на технічне обслуговування на 80%, розрахунковий термін служби до 20 років і рівень шуму нижче 80 дБ. За цими цифрами стоїть успішна реалізація технічної концепції 'нульове тертя, нульове масло, нульовий знос'.

Для промислових підприємств, які шукають модернізацію обладнання та енергозберігаючу модернізацію, відцентрова повітродувка з магнітними підшипниками — це не просто більш енергоефективна машина; це системне рішення, яке знижує загальні експлуатаційні витрати протягом життєвого циклу. У сучасну епоху зростаючих витрат на енергію термін окупності стає дедалі коротшим – від 3,4 років у проекті Ningbo Wanhua до 1,9 років у проекті Ningbo Mitsubishi Chemical. Виходячи з реальних ситуацій, економічні показники варті розрахунку.