米国エネルギー情報局(EIA)によると、米国の電力消費量の30%以上がHVACおよび冷却システムの稼働に使用されており、そのエネルギーのかなりの部分がこれらのシステム内のファンに供給されています。 ebm-papstは、これらの用途をはじめとする一般的な用途向けにファン、モーター、駆動装置を製造するメーカーであり、エネルギー効率の高い送風ユニットを開発することで、居住空間や食品、飲料を冷たく保ちながら、エネルギーの無駄と電気料金を削減する手助けをしています。同社のGreenTechとサステナビリティへの取り組みは、製品ラインだけでなく企業理念にも深く浸透しています。

Engineering.comはebm-papstのエンジニアに話を聞き、同社のファンを効率的で手頃な価格、カスタマイズ可能、そして生態系にやさしいものにしている技術の概要を伺いました。

モーター

1世紀以上前、2人の発明家は電気で世界を動かす方法について異なる考えを持っていました。トーマス・エジソンは白熱電球を販売したいと考え、直流(DC)の発電機とモーターを支持しました。一方、ライバルのニコラ・テスラは交流(AC)で動く誘導モーターを発明しました。それぞれのモーターには長所と短所があります。

DCモーターはどの速度でも高効率で、速度も容易に変えられますが、ブラシとコミュテーターを使用しているため寿命が短くなる傾向があります。AC誘導モーターはブラシを使用しないため、より耐久性が高く、コスト効率にも優れています。最近まで、ACモーターは(電源周波数によって決まる)単一の速度でしか動作しませんでしたが、現代の可変周波数ドライブ(VFD)により、ACモーターは複数の速度で動作できるようになりました。ただし、低速域では効率が低下します。

両者の長所を兼ね備えているのがブラシレスDCモーターで、ブラシとコミュテーターの代わりに電子制御を用いることで、ブラシモーターに特有の摩擦による摩耗を抑えながら、複数の速度で効率的に動作できます。ブラシとコミュテーターを電子回路に置き換えていることから、これらは電子整流モーター、すなわちECMと呼ばれることがよくあります。実質的にECMはブラシレスDCモーターですが、一般的なブラシレスDCモーターが厳密にDCのみで動作するのに対し、ECMにはAC-DC変換回路が内蔵されているため、AC電源電圧から直接動作させることができます。

ebm-papstの2人のエンジニアが、ACモーターとECモーターの比較を行いました。

 

なぜなら ebm-papstのモーター はAC入力に対応しているため、エンジニアは 以前ACファンを使用していた設計に容易に組み込むことができます。実際、それらの外形寸法は同一であるため、 そのまま置き換えることが可能です。また、新しい製品ライン向けにはDC入力のファンも製造しており、冷蔵ショーケースなどで使用されるLED照明システムと互換性のある24VDC電源で動作します。 ACであれDCであれ、これらのファンは製造 と運用の両面で環境に優しい設計になっています。

GreenTechファン技術         

ebm-papstは、経済性とエコロジーの両面で、あらゆる新製品を前モデルよりも優れたものにすることに専念しています。そのため、モーター、制御回路、ファンブレードを一つのユニットに統合したファンを製造しており、生産時に使用する材料とエネルギーの量を削減しています。ebm-papstによれば、「軸流および遠心インペラーにおける金属部品とプラスチック部品の組み合わせにより、特に軽量になるとともに、最適な空力設計の実現が可能になり、音響性能の向上と併せて、これまでにない水準のエネルギー効率を達成しています」とのことです。 

各ファンの外部温度センサーからのフィードバックに基づき、コントローラーは個々のファンの速度を上げ下げして、複数のゾーンにわたって均一な冷却を確保できます。個別に制御された多段速度のファンによる正味の効果として、エネルギー消費量が大幅に削減されます。

同社のファンは、持続可能な製造慣行とより高い効率性の組み合わせにより、エネルギー関連製品に関する 欧州ErP指令 の基準を上回っています。

GreenTech統合エレクトロニクス     

GreenTechファンには、内蔵の力率補正機能、EMIフィルタリング、熱過負荷保護、  電流制限、電源電圧および相の故障検出、  電子コミュテーター、モーターのソフトスタート回路、そして プログラミングインターフェースを提供するRS-485 Modbus接続 、さらに複数ファンシステムへの統合機能を組み込むことができます。

このファンには、比例係数と積分係数を調整できるプログラム可能なPIコントローラーも搭載されていますが、ebm-papstのエンジニアによると、大半の顧客はあらかじめプログラムされたデフォルト値でも十分機能すると感じているとのことです。

追加のセンサーがファンの速度、電圧、電流、バス通信を測定し、マスターコントローラーがファンの状態を監視し、故障を検知して、必要に応じて技術者に警告できるようにします。HVACシステムは、時間帯、室内の使用状況、環境条件、その他ほぼあらゆる追跡可能な変数に基づいてファンの速度を変更できます。

IoT対応ECMファンによるリモート監視

機械レベルでの機器監視は、もはや過去のものです。モノのインター  ネット(IoT)のおかげで、デバイスをどこからでも観察・制御できるようになりました。  その GreenIntelligence イニシアチブの一環として、ebm-papstはIoT技術とModbusインターフェースをファンに組み込み、 建物のビルディングオートメーションシステム  (BAS)に統合し、包括的なエネルギー管理・機器メンテナンスプログラムの一部として利用できるようにしています。

リモート監視・制御は次の2つの方法で行うことができます。

1) インターフェースコンバーターを備えたホストコンピューター上でebm-papstのEC制御ソフトウェアを使用する方法、および

2) 互換性のある^{サードパーティ} コントローラーを介する方法です。(承認済みコントローラーの一覧は こちらでご覧いただけます。)

どちらのインターフェースを使用しても、施設管理者は稼働時間、ファン速度、電流、電圧、消費電力、緊急運転、モーター・電子部品・電源回路の温度、動作モード(温度制御または圧力/風量制御)、設定値、温度フィードバック、警報信号といったパラメーターを監視できます。Bluetooth、USB、イーサネットなど、さまざまなRS485アダプターを使用して、ファンとスマートフォン、ノートパソコン、またはコンピューターネットワークとの接続を確立できます。

 

接続された各種センサーにより、IoTファンは故障を検知してエラーコードを送信し、 技術者に通知することでダウンタイムを最小限に抑えます。もちろん、故障を検知するよりも回避する方が望ましいため、 BASはファンの累積稼働時間も追跡でき、これにより予防保全が可能になります。さらに優れている点として、センサーは今後 故障につながる可能性のある状態を検知し、予知保全を実現できます。

ECM/IoTファンによる設計

私はebm-papstのエンジニアに、 商業用冷凍装置向けのファンシステムを設計するプロセスについて説明してもらいました。この用途における蒸発器または凝縮器ファンについて、 エンジニアはまず次の設計パラメーターを決定します。

• システムの動作点 - 風量と静圧
• 物理的制約
• 環境条件 – 最低・最高周囲温度、粉塵/湿気/水しぶきなど
• 供給電圧、単相または三相、電力制限
• 速度/方向制御(単速、2速、可変速、逆転運転)
• 監視要件(速度、エラーコード、消費電力、稼働時間、モーター/エレクトロニクスの温度)
• マスターコントローラーは必要か。必要な場合、どのタイプか。

これらの情報から、エンジニアは次の事項を決定できます。

• ファンの種類 – 軸流、斜流、または遠心式
• ファンサイズ
• モーターサイズ
• モーター出力オプション
• ACモーターかECモーターか
• 必要なECオプション(利用可能なオプションはモーターサイズによって異なります)
• マスターコントローラーはebm-papstのファンと互換性があるか

 

ebm-papstのフィールドエンジニアは、性能、コスト、効率のバランスを取った最適なファン構成を設計するため、顧客のアプリケーションエンジニアと協力します。

再生可能エネルギーとサステナビリティの分野が拡大し続ける中、私たちは、 環境にやさしくあること と お金を節約すること が、もはや相反する概念ではないことに気づきつつあります。LED電球、低消費電力の電子機器、効率的なファンといった省エネデバイスは、生態学的に理にかなった製品が経済的にも理にかなうことを示しており、それはまさに得をする教訓と言えるでしょう!

詳細については、 ebm-papst GreenTech ECファンをご覧ください。