Energiåtgång under en växelmotors livstid

Postadress: Besöksadress: Telefon:

Energiåtgång

under en

växelmotors livstid

HUVUDOMRÅDE: Maskinteknik

FÖRFATTARE: Anton Lagerqvist & Simon Lööv HANDLEDARE: Gary Linneusson

Detta examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom Maskinteknik. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat.

Examinator: Thomas Wigerfeldt Handledare: Gary Linneusson Omfattning: 15 hp (grundnivå)

Abstract

Abstract

The amount of carbon dioxide emissions in today’s society is unsustainable. Human health is negatively impacted by carbon dioxide emissions, which has increased tremendously in recent centuries. Nevertheless, the human factor is the main reason for the increase. This has gone so far that it has become a major problem in today’s society. There is a huge amount of emissions and energy for factories and companies to manufacture their products, resulting in a reduced impact on the climate around the world.

Sustainability and environmental impact are today something that is constantly discussed in the market and around the world. Companies want to become good at sustainability, partly because of the reasons mentioned above. More companies are starting to realize that this is an important issue that needs to be addressed. Working actively with sustainability is not only good for the environment, but it also makes companies more attractive in the market. Customers are starting to demand that there is a sustainability thinking on the products they buy. Customers even sometimes chose to buy their products for a higher price if it can lead to a reduced climate impact. The study examines the energy consumption during a lifetime for a few selected gear motors from the company SEW Eurodrive AB. The report also addresses energy losses that occur with the addition of belt or chain drive as well as the advantages and disadvantages of each alternative. The work also includes the amount of energy and savings that comes from the manufacture of materials from scrap versus virgin raw materials.

The purpose of the work is to enable the company to make use of the report’s results and analysis for marketing purposes to its customers. To be able to present how much difference in energy consumption their products have and thereby get their customers to choose a more environmentally friendly product. The report is then concluded with a discussion and conclusion. The discussion raises thoughts about why the result became as it did. Also, what other factors may have an impact, but which have been excluded for various reasons.

Sammanfattning

Mängden koldioxidutsläpp i dagens samhälle är ohållbara. Människors hälsa påverkas negativt av koldioxidutsläppen, vilket har ökat enormt de senaste århundradena. Trots detta så är det den mänskliga faktorn som är huvudanledningen till ökningen. Detta har gått så långt att det blivit ett stort problem i dagens samhälle. Det går åt oerhörda mängder utsläpp och energi för fabriker och företag att tillverka sina produkter som resulterar i försämrad påverkan på klimatet runt om i världen.

Hållbarhet och miljöbelastning är idag något som diskuteras ständigt ute på marknaden och runt om i världen. Bland annat på grund av anledningarna nämnda ovan gör att företag vill bli duktiga på hållbarhet. Fler företag börjar inse att detta är en viktig fråga som måste arbetas med. Att jobba aktivt med hållbarhet är inte bara bra för miljön utan det gör även att företagen blir mer attraktiva ute på marknaden. Kunder börjar ställa krav på att det ska finnas ett hållbarhetstänk på produkterna som de köper. I dagens samhälle kan kunder välja att köpa sina produkter för ett högre pris om det kan leda till en minskad klimatpåverkan.

Studien granskar energiåtgången under en livstid för några utvalda växelmotorer från företaget SEW Eurodrive. Rapporten tar även upp energiförluster som sker vid tillägg av rem- eller kedjedrift samt vilka för och nackdelar som respektive alternativ har. Arbetet innefattar även den energimängd och besparing som fås utav tillverkning av material från skrot kontra jungfrulig råvara.

Syftet med arbetet är att företaget ska kunna använda sig av rapportens resultat och analys i marknadsföringssyfte till sina kunder. Att kunna presentera hur pass stor skillnad på energiåtgången deras produkter har och därav få sina kunder att välja en mer miljövänlig produkt. Rapporten avslutas sedan med en diskussion och slutsats. Diskussionen tar upp tankar kring varför resultatet blev som det blev. Även också vilka andra faktorer som kan ha en påverkan men som har avgränsats av diverse anledningar.

Nomenklatur

Nomenklatur

Pe Ingående effekt i växel

Pm Motoreffekt L Motorbelastning I Ström φ Effektfaktor Ia Aktiv ström U Spänning

P Aktiv effekt (Effektförbrukning)

E Energiförbrukning

Innehållsförteckning

Innehåll

1

Introduktion ... 1

1.1 BAKGRUND ... 1

1.2 PROBLEMBESKRIVNING ... 1

1.3 SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR ... 2

1.4 AVGRÄNSNINGAR ... 2

1.5 DISPOSITION... 3

2

Teoretiskt ramverk ... 4

2.1 TEORI KRING SKILLNADEN I ENERGIÅTGÅNG MELLAN EN SNÄCKVÄXEL OCH VINKELKUGGVÄXEL ... 4

2.2 TEORI KRING SKILLNADEN I ENERGIÅTGÅNG MELLAN PRODUKTER SOM DRIVS AV REMDRIFT RESPEKTIVE KEDJEDRIFT ... 9

2.2.1 Kraftöverföring ... 9

2.2.2 Remdrift ... 9

2.2.3 Kedjedrift ... 9

2.3 TEORI KRING ENERGIBESPARING VID ÅTERVINNING JÄMFÖRT MED NYFRAMSTÄLLNING AV METALLER SAMT REPARATION ... 10

2.3.1 Tillverkning av stål ... 10

2.3.2 Stål från malm ... 11

2.3.3 Stål från skrot ... 11

3

Metod ... 12

3.1 LITTERATURSTUDIE ... 12

3.2 KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH METOD ... 12

3.2.1 Skillnaden i energiåtgång mellan en snäckväxel och vinkelkuggväxel ... 12

3.2.2 Skillnaden i energiåtgång mellan produkter som drivs av remdrift respektive kedjedrift ... 14

3.2.3 Energibesparing vid återvinning jämfört med nyframställning av metaller samt reparation... 14

Innehållsförteckning

3.3.2 Energibesparing vid återvinning jämfört med nyframställning av metaller

samt reparation... 17

4

Resultat ... 18

4.1 SKILLNADEN I ENERGIÅTGÅNG MELLAN EN SNÄCKVÄXEL OCH VINKELKUGGVÄXEL ... 18

4.1.1 Lastfall 1 ... 18

4.1.2 Lastfall 2 ... 22

4.2 SKILLNADEN I ENERGIÅTGÅNG MELLAN PRODUKTER SOM DRIVS AV KEDJEDRIFT RESPEKTIVE REMDRIFT ... 24

4.3 ENERGIBESPARING VID ÅTERVINNING JÄMFÖRT MED NYFRAMSTÄLLNING AV METALLER SAMT REPARATION ... 25

5

Analys ... 28

5.1 SKILLNADEN I ENERGIÅTGÅNG MELLAN EN SNÄCKVÄXEL OCH VINKELKUGGVÄXEL ... 28

5.2 SKILLNADEN I ENERGIÅTGÅNG MELLAN PRODUKTER SOM DRIVS AV KEDJEDRIFT RESPEKTIVE REMDRIFT ... 29

5.3 ENERGIBESPARING VID ÅTERVINNING JÄMFÖRT MED NYFRAMSTÄLLNING AV METALLER SAMT REPARATION ... 29

6

Diskussion ... 30

6.1 DISKUSSION FRÅGESTÄLLNING 1 ... 30

6.2 DISKUSSION FRÅGESTÄLLNING 2 ... 30

6.3 DISKUSSION FRÅGESTÄLLNING 3 ... 31

6.4 DISKUSSION KRING VALIDITET OCH RELIABILITET I UNDERSÖKNINGEN ... 31

7

Slutsatser ... 32

7.1 SLUTSATSER OCH REKOMMENDATIONER ... 32

7.2 VIDARE ARBETE ELLER FORSKNING ... 32

8

Referenser ... 33

1

Introduktion

Kapitlet ger en bakgrund till studiens arbete och en kort beskrivning av företaget SEW Eurodrive där arbetet utfördes. Syftet och frågeställningarna till studien samt de avgränsningar som gjorts beskrivs även under detta kapitel. En disposition som förklarar hur resterande rapportens uppbyggnad ser ut avslutar sedan kapitlet.

1.1 Bakgrund

Aldrig förr har koldioxidutsläppen varit så stora som de senaste två århundraden. Tidigare har koncentrationerna av koldioxid (CO2) och metan (CH4) aldrig överstigit 280 parts per million och 790 parts per billion. Ökningen av dessa växthusgaser har ökat dramatiskt. Inte under någon period på 1000 år, innan 1750-talet, har CO2-mängden överstigit 30 ppm. Men under de två senaste decennierna har CO2-CO2-mängden redan överstigit 30 ppm. Dagens koncentrationer är ca 390 ppm för CO2 och 1770 ppb för CH4. [1]

Fossila bränslen har varit överlägset andra bränslen i alla år som det har använts. Det negativa med användandet av fossila bränslen är bidragandet till utsläpp av

växthusgaser. Människan har vetat detta i flera år men valt att inte ta konsekvenserna på allvar. IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change har gjort forskning och rapporter på området som visar att växthusgaserna bidrar till den globala

uppvärmningen. Detta resulterar i att jordens medeltemperatur ökar. Att

medeltemperaturen stiger får också konsekvenser så som fler naturkatastrofer uppstår. [2]

På grund av de ökade utsläppen så har hållbarhet och miljötänk blivit mer omtalat och taget på större allvar, både som privatperson och som företag. I industrin står

elmotorer för cirka 60–70 procent av den totala elanvändningen där

energianvändningen utgör den större kostnaden under en elmotors livstid [3]. EU kommer konstant med nya regleringar och krav för att sänka CO2-utsläppen bland annat för bilar [4].

SEW Eurodrive AB är ett globalt företag med tyskt ursprung som tillverkar

växelmotorer och frekvensomformare till industrin. Här i Sverige och mer specifikt i Jönköping så sker försäljning, administrativt arbete och service. De har även en stor montering för sina produkter. Största delen av tillverkningen sker nere i Tyskland där SEW tillverkar sina egna delar och komponenter för att sedan skickas vidare till de andra fabrikerna omkring i världen. Där sker sedan den slutliga monteringen. Bland SEW’s alla produkter så är snäckväxel- och vinkelkuggväxelmotorer de mest förekommande typer av växelmotorer.

1.2 Problembeskrivning

En av anledningarna till att företaget vill kolla närmare på energiåtgången är för att många kunder ofta väljer att köpa en snäckväxel över en vinkelkuggväxel för att

Introduktion

verkningsgrad och får en sämre utväxling av energi, men den är billigare att tillverka än vinkelkuggväxeln.

Företaget vill även jämföra energiåtgången på en växel i kombination med kedje- eller remdrift då det är vanligt att denna typ av kraftöverföring existerar i industrin. Den energi som skapas måste då gå fler steg i processen. Detta innebär att ytterligare energi försummas mot vad det hade gjort med användning av enbart en växelmotor. Därav vill företaget veta skillnaden i energiåtgång för de båda alternativen.

I dagsläget har inte SEW Eurodrive några exakta siffror på energibesparingen vid skrotning och återvinning av materialet jämfört med nyframställning av metallerna. Därav vet företaget inte heller vad som är mest lönsamt ur ett hållbarhetsperspektiv av de två alternativen. SEW Eurodrive vill kunna få fram beräkningar av energiåtgången under produktens livstid i ett antal olika driftfall och växeltyper.

En annan anledning till att företaget vill ta reda på detta är för att många

företagskunder hellre väljer att köpa nya motorer istället för att reparera de befintliga. SEW Eurodrive vill få fram siffror för att visa miljöpåverkan av de olika alternativen för att kunna upplysa sina kunder att de också kan hjälpa till att minska påverkan på miljön. Då hållbarhet blir mer och mer viktigt för företag vill de använda dessa siffror i marknadsföringssyfte till kunder. Särskilt om frågan kommer upp angående vilken påverkan de olika alternativen har på miljön.

1.3 Syfte och frågeställningar

Målet med projektet var att kunna presentera siffror på vilken miljöbelastning en växelmotor orsakar under sin livscykel. I detta innefattas dels beräkningar i form av energiåtgång vid olika driftfall, miljöbelastning vid renovering kontra skrotning och nytillverkning av enhet samt i vilken omfattning materialet återvinns. Genom att beräkna energiåtgången under produktens livstid samt arbeta med energibesparingen efter produktens livstid så möjliggör det för företaget att kunna grunda sitt agerande och sina påståenden med fakta. Resultatet av detta sammanställdes i en tabell som ska kunna användas i företagets marknadsföring av deras produkter och tjänster.

Målet var även att kunna minska miljöpåverkan genom att komma fram till vad som är mest hållbart ur ett miljöperspektiv för att sedan kunna erbjuda det mest

miljövänliga alternativet om så önskas av kund. De frågeställningar som ställdes inför arbetet var:

1. Skillnaden i energiåtgång mellan snäckväxel och vinkelkuggväxel

2. Skillnaden i energiåtgång mellan produkter som drivs av enbart en växel

jämfört med energiåtgången där produkten drivs av en växel i kombination med remdrift respektive kedjedrift

3. Vilken energibesparing fås vid skrotning och återvinning jämfört med nyframställning av metallerna som används i produkterna samt reparation kontra nytillverkning.

1.4 Avgränsningar

•

innefattar arbetet inte ett förbättringsarbete för att få produkterna att bli mer energisnåla än vad de är i dagsläget.

• Två av de vanligaste typerna av växlar som SEW säljer, vilket är vinkelkuggväxel och snäckväxel, undersöktes endast.

• Det finns många olika typer av anledningar som påverkar hur mycket energi en växelmotor gör av med. Energiåtgången påverkas beroende på vad som ska drivas. Vikt och hastighet för hur fort ett objekt ska drivas är två faktorer som påverkar energiåtgången. Eftersom det finns så många typer av scenarion som kan påverka detta arbete så avgränsas detta till två olika lastfall som är

liknande.

• En annan anledning är hur växelmotorn är monterad. Eftersom det finns ett antal olika sätt att montera en växelmotor på så valdes en standardmontering, M1, för att begränsa arbetet med den tidsram som fanns planerad. Med M1 menas att växelmotorn är placerad med botten nedåt och inte är hängandes.

• Rapporten innefattar endast arbete angående den mängd elektriska energi det går åt att tillverka materialet till växelmotorerna. Det finns fler aspekter att ta hänsyn till för att få fram mer korrekta siffror angående energianvändningen. Koldioxidutsläppet räknades fram genom den elektriska energiåtgången och formler som står beskrivit i metoden. Energin för producerad el skiljer sig även för vilken typ av kraftkälla som används. Därav är energimängden samt koldioxidutsläppen en approximation av den verkliga mängden.

1.5 Disposition

Resterande av rapporten är upplagd genom nedanstående beskrivning.

Kapitel 2 ger en teoretisk grund som används i studieupplägget och en bas för att analysera resultatet av de frågeställningar som formulerats. Sedan följer en översiktlig beskrivning av studiens använda angreppssätt i kapitel 3. Här förklaras hur arbetet har genomförts. Datan som använts i projektet presenteras och kapitlet sammanfattar även det viktigaste från litteraturstudien. Resultatet för frågeställningarna presenteras under kapitel 4. Kapitel 5 ger svar på studiens frågeställningar genom att behandla studiens resultat samt teorin från det teoretiska ramverket genom analys. Kapitel 6 öppnar upp en diskussion kring rapportens frågeställningar, resultat och analyser. Rapporten avslutas sedan med en slutsats.

Teoretiskt ramverk

2

Teoretiskt ramverk

Kapitlet teoretiskt ramverk syftar till att ge en grund till den teori som används för att förstå rapportens arbete.

2.1 Teori kring skillnaden i energiåtgång mellan en

snäckväxel och vinkelkuggväxel

En växelmotor består av, som namnet säger, en växel som drivs av en motor. En motors uppgift är att konvertera elektrisk energi till rörelseenergi som i sin tur ger en hastighet och ett vridmoment för att kunna driva ett objekt [6]. Att ha en motor direkt ansluten till det som ska drivas kan vara ett problem då det krävs väldigt mycket kraft för att driva något från stillastående. Därför använder man sig av en växel till motorn. En växel består av flera kugghjul där uppgiften är att överföra kraft. Detta gör en växel genom att ändra rotationshastighet, vridmoment och ibland rotationsriktning från en roterande axel till en annan [7]. Vanligtvis minskar kugghjulen motorns varvtal samtidigt som den ökar sin kraft att driva något [8]. Utväxling är ett mått på hur motorns hastighet och vridmoment konverteras till växels motsvarande utgående kraft [9]. Exempelvis om en växel har en utväxling som är 15 så behöver motorn snurra så många varv för att utgående axel i växeln ska snurra ett varv samtidigt som utgående vridmoment blir 15 gånger så mycket [10]. Det finns många olika typer av växlar, där två av de vanligaste kallas för snäckväxel och vinkelkuggväxel.

En vinkelkuggväxels utgåendeaxel är vinkelrät mot den ingående axeln till skillnad mot en vanlig rak kuggväxelmotor där axeln går ut i samma riktning som ingående axel. En snäckväxel är i princip samma produkt utseendemässigt som en

vinkelkuggväxel med att utgående axel är vinkelrät mot ingående. Det som istället skiljer dessa två växelmotorer är komponenterna och tekniken som driver

växelmotorn inuti. I en snäckväxel används komponenter som är av andra billigare legeringar än i en vanlig vinkelkuggväxel och dessutom drivs axeln av en annan teknik.

Kraftöverföringen i en vinkelkuggväxel består av flera steg av kugghjul, exempelvis som enligt figur 2. Om det kugghjul som drivs har fler ”tänder” än det drivande hjulet så kommer hastigheten minskas och tvärtom [11].

Kraftöverföringen i en snäckväxel skiljer sig lite då det alltid finns ett steg som består av ett större kugghjul som kallas för snäckhjul som drivs av en snäckskruv enligt figur 3.

Figur 3 visar en snäckskruv och ett snäckhjul i en snäckväxel [13].

Eftersom denna typ av kraftöverföring sker genom friktion så måste materialet på skruven vara hårdare än hjulet. Därför består oftast skruven av stål och hjulet av någon typ av bronslegering. Kraftöverföring genom friktion innebär även större förluster i kraft. [14]

Teoretiskt ramverk

I företagets sortiment så är betäckningen för en vinkelkuggväxel K och för en snäckväxel S. Följande bokstav förklarar utseendet på utgående axel, där rapporten kommer jämföra KA och SA växlar, där A betyder att axeln är ihålig.

Figur 5 visar olika typer av utgående axlar på snäckväxelmotorer. [16]

Efter beteckningarna kommer en siffra som förklarar storleken på växeln, exempelvis SA37. Därefter kommer beteckningar som förklarar hur motorn ser ut där man först får reda på vilken energiklass motorn har, exempelvis DRS/DR2S som är en IE1 motor eller DRN som är en IE3 motor. Resterande beteckningar beskriver motorns storlek.

Energianvändning mäts i wattimmar (Wh) där man behöver veta vilken effekt som används, i Watt, och under vilken tid. Formeln för att beräkna effekten av en trefasmotor är hämtat från Jernkontorets energihandbok då många variabler som är nödvändiga redan var kända från företaget [18]. Variabler som behövs för att räkna ut effekten är:

• Uppmätt huvudspänning, [U] • Uppmätt strömförbrukning, [A] • Effektfaktorn, [φ]

Man kan antingen välja mellan att koppla in motorn på trefas med 400V eller 230V huvudspänning och nästan i alla fall görs det med 400V, det är väldigt ovanligt att man kopplar in det på 230V.

Effektfaktorn är den del av kraften som faktiskt levereras i förhållande till den effekt som skulle levereras av samma spänning och ström, alltså ett mått på hur effektivt energin används [19]. Effektfaktorn kan förklaras med hjälp av effekttriangeln där skenbar effekt är produkten av strömmen och spänningen, den totala effekten. Skenbar effekt är sammansatt av aktiv- och reaktiv effekt. Aktiv effekt är den effekt som faktiskt används och reaktiv är den effekt som inte gör någon nytta och därför inte förbrukas. Därför måste den aktiva effekten räknas ut, genom att använda sig av effektfaktorn, för att kunna ta reda på den verkliga energiförbrukningen eftersom den reaktiva effekten inte används. Ibland får användaren även betala för den reaktiva effekten, även om den inte förbrukas. Låg effektfaktor innebär inte bortslösad eller förlorad energi, endast överskottsström. Exempelvis om effektfaktorn är 0,71 så används bara 71% av den totala strömmen för att utföra arbetet där resterande 29% blir överskott.

Den faktiska strömmen som motorn drar, den kraft motorn behöver och den energi som konsumeras, allt relaterar till mängden mekanisk effekt som motorn måste leverera genom sin utgående axel. Den effekt motorn levererar drar motsvarande ström, men under lättare belastning så är den ström som dras lägre. [20]

Teoretiskt ramverk

Det är dock väldigt viktigt att ha en motor som är rätt belastad. En motor som är överbelastad kan överhettas och tappa effektivitet. Motorerna har alltid en service faktor som tillåter tillfällig överbelastning. Service faktorn anger hur mycket motorn kan överlastas under en kortare tid [21]. Motorer som är underbelastade kostar mer att använda eftersom de arbetar på en mindre effektiv del av sin lastkurva [20].

Figur 8 visar hur olika faktorer påverkas av motorbelastningen [22].

Motorerna delas in i olika energiklasser som visar vilken verkningsgrad motorn får ha. De olika klasserna är IE1, IE2, IE3 och IE4 där IE4 är den högsta energiklassen.

Figur 9 visar olika verkningsgrader vid bestämd effekt för olika energiklasser [23].

Vilken verkningsgrad som bestäms görs enligt IEC60034-30 som är en internationell standard. Denna standard bestämmer vilka motorer som tillverkarna får sälja och vilken energiklass motorerna måste ha. Vilka motorer som berörs av standarden ändras hela tiden med åren. Exempelvis så måste alla motorer i dagsläget vara klassat med IE3 för att få tillverkas om de är mellan 0,75 till 375 kW. [24]

2.2 Teori kring skillnaden i energiåtgång mellan produkter

som drivs av remdrift respektive kedjedrift

2.2.1 Kraftöverföring

För att överföra kraften från en motor behövs någon form av mekanisk lösning, även kallad rörelsemekanism. Denna delas upp i två olika kategorier, linjärrörelse och vinkelrörelse. I en linjärrörelse sker förflyttningen i en rak linje. Vinkelrörelse innebär istället en cirkulär, roterande eller på annat sätt icke linjär rörelse. Ofta vill man överföra en vinkelrörelse till en linjärrörelse. Rem- och kedjedrift är två olika rörelsemekanismer där en linjär förflyttning efterfrågas. [25]

2.2.2 Remdrift

Remdrift är ett sätt att överföra kraft genom friktion. Detta sker genom att det går en rem mellan två punkter, där ena delen drivs av en motor. Inom industrin används ofta remdriftsenheter för kraftöverföring mellan en elmotor/växelmotor och mekanisk belastning. Det är många olika faktorer som spelar roll när effektiviteten på en remdriftsenhet ska bestämmas, såsom typ av remdrift, motorns konstruktion och applikationsparamterar. Generellt sätt brukar effektiviteten uppskattas mellan 90 - 98% där 95% är det typiska värdet som används. [26]

Remdriften är en billig och tyst drivning för kraftöverföring. Den behöver heller inte en perfekt axelplacering. Det finns även nackdelar med remdriftsenheter så som svårigheter med hastighets regulationer på grund av att bandet kan glida av kugghjulen. Bandet kan även behövas spännas och själva remmen blir dålig efter några år. [27]

2.2.3 Kedjedrift

Kedjedrift fungerar på liknande sätt som remdrift och är ett klassiskt sätt att överföra kraft från en punkt till en annan. Istället för en rem så sveper en kedja mellan två kugghjul. Kedjan är uppbyggd med länkar och rullar. Det är länkarna som tillåter kedjan att böja sig. För att få högre friktion och högre antal kuggingrepp så spänns kedjan upp. Fördelar med en kedjedrift istället för en remdrift är att den har kuggar som hakar i, vilket gör att risken för kedjan att glida av är mindre än för remdriften. Kedjedriften uppskattas ha en effektivitet på 98% när den är nyinstallerad och riktigt uppspänd [28]. Kedjedriften behöver mer underhåll och smörjning. Likt remdriften behöver även kedjan spännas efter ett tag. Oljan blir dålig med tiden och behövs bytas ut för att kedjedriften ska hålla uppe sin effektivitet. En annan nackdel med kedjedrift är polygoneffekten. Det innebär att den bit som sveper om kugghjulet kommer ha formen av en polygon (månghörning), vilket gör att bandhastigheten varierar.

Hastighetsvariationerna är beroende av antalet kuggar. Eftersom få kuggar har högre hastighetsvariationer rekommenderas kugghjul med minst 12 kuggar för att begränsa polygoneffekten. Polygoneffekten blir oftast bara ett problem vid höga varvtal. [29]

Teoretiskt ramverk

Figur 10. Polygoneffekten [29].

2.3 Teori kring energibesparing vid återvinning jämfört med

nyframställning av metaller samt reparation

2.3.1 Tillverkning av stål

Idag finns det två olika sätt att tillverka stål på: 1. Nyframställning av stål från malm

2. Skrotbaserad tillverkning från återvunnet skrot

Ungefär 60 - 65% av stålproduktionen i världen tillverkas av jungfrulig råvara i form av järnmalm medan 35 - 40% produceras från skrot. Det är en mindre

tillverkningskostnad och tar mindre åtgång av energi i tillverkningskedjan från skrot till färdig produkt än från malm till färdig produkt. Den fysiska indikatorn energi per producerat råstål används framför allt inom järn- och stålsektorn. Det tar ca 23 GJ energi att producera ett ton stål med malm som utgångsråvara och ca 7 GJ att

producera stål från skrot. Metaller kan i de allra flesta fall återvinnas obegränsat antal gånger. Detta utan att metallen tappar sina egenskaper. En förutsättning för detta är att återvinningen skett utan att föroreningar följt med och ökar sin halt i metallen. [30]

2.3.2 Stål från malm

Med hjälp av koks sker reduktionen av malm till järn genom att syret tas bort ur de oxidiska järnmineralerna, detta görs i masugnar. Sedan går råjärnet i flytande form till stålverket. I stålverket reduceras kolhalten genom färskning med syrgas i en

konverter. Färskningsreaktionerna kol till koldioxid och kisel till kiseldioxid erhåller den nödvändiga energin för temperaturhöjningen. Detta genererar väldigt hög värme. Stålskrot tillsätts för att kyla processen. [31]

2.3.3 Stål från skrot

Skrot används som basmaterial vid tillverkning av stål från skrot. Ljusbågsugnar används vanligtvis för smältning av skrotet. Utöver används järnsvamp som ett komplement till basmaterialet skrot. Med hjälp av koloxid och vätgas avlägsnas järnmalmens syre för tillverkning av järnsvamp. [31]

Metod

3

Metod

Verktygen och tillvägagångsätten som använts för att genomföra studien beskrivs i metodavsnittet. Under denna rubrik presenteras en litteraturstudie, kopplingar mellan frågeställningar och metod samt datainsamlingen som gjorts för att kunna

genomföra studien. Frågeställningarnas angreppsätt delades upp för att få en djupare förståelse hur varje frågeställnings tillvägagångsätt arbetats med i studien.

3.1 Litteraturstudie

Det finns en hel del liknande arbeten angående hållbarhet då det ligger inne i tiden. Andra examensarbeten har studerats för att få en uppfattning om hur liknande frågor och resultat har undersökts. För att hitta dessa arbeten har Google Scholar använts där “Hållbarhet” och “energi” har varit två nyckelord som använts i sökningarna. Sedan har arbeten sållats ut till de som mest liknar detta projekt. Trovärdiga internetkällor har använts för teori och metod där källorna som valdes har jämförts med andra källor för att bekräfta ett korrekt påstående.

Litteraturer som har använts i studien är en bok som IKEA själva har gjort som heter IKEA Industry – Energy saving handbook [32]. Denna energihandbok har skapats av den tekniska avdelningen på IKEA Industry i en satsning att stödja det nuvarande energieffektivitetsarbetet i hela företaget. Handboken presenterar en steg för steg strategi för energibesparande åtgärder och förslag på hur man organiserar

energiarbetet. I denna bok där man jämför energibesparing har IKEA använt sig av några exempel från just produkterna och motorerna som SEW tillverkar där man tittar på energiåtgång för olika drifttyper till en växelmotor.

Annan litteratur som använts är en bok från SEW som heter Project Planning of Drives för att enklare förstå hur man räknar på olika exempel och vilka faktorer som påverkar valet av växel och motor. [33]

Teori från högskolekursen Konstruktionselement berörde detta område och

uppgifterna i kursen var relevanta för uppdraget. Lärdomar och teori som användes i kursen kunde appliceras på beräkningarna och tillvägagångsättet för

energiberäkningarna. Formelsamlingen till kursen var till hjälp för att kunna lösa uppgifterna och var viktig i starten av projektet. Tillvägagångssättet för att räkna på energi skedde med hjälp av den teori och formler som finns i “Formler och tabeller för mekanisk konstruktion” av Karl Björk [34].

3.2 Koppling mellan frågeställningar och metod

3.2.1 Skillnaden i energiåtgång mellan en snäckväxel och

vinkelkuggväxel

Företaget SEW Eurodrive har ett stort antal av olika produkter i sitt sortiment. Företaget har olika typer av växlar där dessa sedan har olika storlekar. Samma gäller för motorerna och därför finns det mängder av olika kombinationer av växelmotorer.

Det första som gjordes var att bestämma vilken kombination av växel och motor som skulle uppfylla kravet och som gav rätt moment samt varvtal ut. I denna rapport beräknades en rulltransportör där både snäckväxlar och vinkelkuggväxlar vanligtvis klarade av samma jobb. Då det finns många variabler att ta hänsyn till så gjordes beräkningarna med hjälp av SEW’s beräkningsprogram som heter Wesilab. Programmet beräknade även vilken effekt som krävdes för växel att driva lasten. Detta är nödvändigt att veta då motorbelastningen påverkar motorns prestanda på olika sätt. Enligt grafer presterar motorer som bäst runt 75% belastning.

Figur 12 visar motorns verkningsgrad vid olika belastningar [18].

Formeln som sedan används för att beräkna effektförbrukningen är:

𝑃 = 𝑈 ∗ 𝐼

∗ √3

där

𝐼

= 𝐼 ∗ 𝜑

Och där spänningen redan är känd som 400 volt, se bilaga 1 och 2. För att beräkna den aktiva strömmen som användes hämtades värden för

skenströmmen och effektfaktorn ur databladen. I dagsläget kopplas i princip alla växelmotorer in på 400 V. Därför användes det högra värdet för strömmen från motordatabladen då det vänstra värdet är för 230 V. Dessa värden i databladen är olika beroende på hur mycket motorn belastas, i detta fall av växeln. Dessa värden är dock givna vid 25, 50, 75, 100 och 125 procent av motorbelastningen. För att räkna ut ett värde vid en speciell punkt mellan två andra punkter så använder man sig av interpolering. Formeln för linjär interpolering är:

𝑦−𝑦₀

Metod

𝑦 = 𝑦

+ (𝑥 − 𝑥

)

𝑥₁−𝑥₀ (Ekvation 4)

Med hjälp av interpolering fås värden för skenströmmen och effektfaktorn som behövs för att räkna ut den aktiva strömmen enligt Ekvation 2 där man sedan kan räkna ut den aktiva effekten genom Ekvation 1. Den beräknade aktiva effekten multipliceras sedan med driftstiden för att beräkna energiåtgången som blir:

𝐸 = 𝑃 ∗ ∑ 𝑇

Eftersom beräkningarna gjordes på den punkt där växelmotorn fick vara i konstant drift, alltså inga accelerationer eller inbromsningar, så sattes en drifttid som skulle motsvara en konstant drift på ett år. Livstiden för en växelmotor sattes till 16 timmar per dag, 7 dagar i veckan, med 2 lediga veckor per år, i 10 år. Denna tid skulle motsvara två 8 timmars skift per dag, alla dagar i veckan, med underhåll och övrig stopptid som två veckor. 10 år valdes då det inte är omöjligt för en växelmotor att klara denna tid med rätt underhåll och miljö. Den totala tiden blev därför 56 000 timmar.

När energianvändningen var uträknad i kilowattimmar användes det genomsnittliga utsläppet av CO2-ekvivalenter i Sverige för att räkna ut det totala utsläppet en växelmotor skapar under dess livstid. CO2-utsläppen varierar beroende på vilken kraftkälla som används där de två vanligaste kraftverken är vattenkraft och kärnkraft, men även en del vind- och solkraft används [35]. För att inte exkludera något

kraftverk och dess påverkan användes ett genomsnittligt värde av CO2-ekvivalenter för svenskproducerad el som är 13 gram per kWh [36].

3.2.2 Skillnaden i energiåtgång mellan produkter som drivs

av remdrift respektive kedjedrift

För att hitta information angående rapportens andra frågeställning så genomfördes en litteraturstudie. Detta för att ta hitta relevant information angående effektiviteten hos en remdrift kontra kedjedrift. Flera tidigare exjobb och internetsökningar studerades för att hitta information angående liknande arbeten. Ganska snabbt upptäcktes att det var många olika faktorer som spelade roll på effektiviteten hos en rem- eller

kedjedrift. För att kunna få en exakt siffra så hade en uppmätning

av energiförlusterna, som uppstår vid kraftöverföring, varit nödvändigt att

göras på varje enskild växelmotor. Eftersom växelmotorerna som företaget valt ut för undersökningen inte hade någon rem- eller kedjedrift så

användes litteraturstudiens utfall med en approximation som står förklarat i studiens resultat och analys.

3.2.3 Energibesparing vid återvinning jämfört med

nyframställning av metaller samt reparation

bestod av för olika metaller/material. I samtal med företaget så bestämdes att växlarna skulle räknas på att endast bestå utav stål. Av de växlar som undersöktes var det bara snäckväxeln som hade en liten del av annat material. Företaget ansåg att denna lilla del inte var relevant och skulle endast ta upp tid för viktigare frågor i rapporten. Resterande information hämtades från SEW Eurodrives produktkatalog på ingående material för växelmotorerna. Nästa steg var att kontakta ett utomstående företag, Stena Metall, som tar hand om SEW Eurodrives skrot. Detta för att ta reda på hur många procent av materialen som växelmotorn bestod av. När denna information var samlad så beräknades procentsatsernas vikt för varje material på växelmotorerna. En litteraturstudie genomfördes sedan för att ta reda på hur mycket energi det krävdes för att producera materialet från jungfru metaller. Energin omvandlades från Joule till kWh så att CO2-värdet för energin som gick åt kunde räknas ut. Istället för

svenskproducerad el användes det genomsnittliga värdet 295,8 gram per kWh av CO2-ekvivalenter för producerad el i Europa då metallerna antas vara tillverkade i Europa och inte i Sverige [37]. Stena Metalls uppgifter angående energibesparing på

återvunnet skrot användes sedan för att jämföra skillnaden på energiåtgången mellan de två alternativen. Energiåtgången per KG metall såg ut som följande:

Tabell 1 visar energiåtgången per KG metall.

Material MJ/KG metall Stål 23 Koppar 12 Aluminium 15

En växelmotors livslängd varierar beroende på många olika anledningar så som miljön växelmotorn sitter i, hur ofta den är aktiv, hur underhållet sköts mm. Om allt sköts ordentligt så har en växelmotor från SEW Eurodrive en oändlig livslängd. Däremot kan kullager och olja behöva bytas ut då deras livslängd inte är oändlig. Vilken typ av reparation som görs i en växelmotor skiljer pga. vad det är för fel som gör att den inte fungerar som den ska. Därför valdes en avgränsning på ett av de mest förekommande problemen för en reparation, vilket är att byta ut motorns lager.

Lagren slits under användning av produkterna och har därav inte en oändlig livslängd. Då studiens olika växelmotorer har en liten variation på de lager som finns så

bestämdes att lagrerna för KA19DRN63M4 skulle även användas i kalkylerna för resterande växelmotorer.

3.3 Datainsamling

3.3.1 Skillnaden i energiåtgång mellan en snäckväxel och

vinkelkuggväxel

Metod

SA37DR2S63MS4 som har en snäckväxel och en IE1 motor på 0,18 kW SA37DRN63M4 som har en snäckväxel och en IE3 motor på 0,18 kW

KA19DR2S63MS4 som har en vinkelväxel och samma IE1 motor på 0,18 kW KA19DRN63M4 som har en vinkelväxel och samma IE3 motor på 0,18 kW

Här undersöktes 2 olika växeltyper som drivs av samma motor där jämförelser även gjordes mellan 2 olika energiklassade motorer.

Figur 13 visar växelmotorerna som undersökts för lastfall 1.

Växelmotorer som undersöktes för 10 m/min är:

SA47DR2S71MS4 som har en snäckväxel och en IE1 motor på 0,37 kW SA47DRN71M4 som har en snäckväxel och en IE3 motor på 0,37 kW KA29DR2S63M4 som har en vinkelväxel och en IE1 motor på 0,25 kW KA29DRN71MS4 som har en vinkelväxel och en IE3 motor på 0,25 kW

Här undersöktes 2 olika växeltyper där alla växelmotorer hade olika typer av motorer. Samma energiklasser jämfördes även.

Figur 14 visar växelmotorerna som undersökts för lastfall 2.

Växlarna dimensioneras så att spänningen i drev och axlar ligger under

utmattningsgränsen för materialet vid det märkmoment som anges på växeln. Därför har materialet oändlig livstid sett från en Wöhlerkurva. Något som måste tas hänsyn till är lagrerna då deras livslängd inte är öändlig. Dessa avlästes från ”counter clock wise” värderna där SA47DR2S71MS4 är den enda som håller sig över drifttiden för det andra fallet då lagren påverkas mer än i det första fallet på grund av den tyngre lasten. För lagerlivslängden hos de olika växelmotorerna, se bilaga (21-24).

3.3.2 Energibesparing vid återvinning jämfört med

nyframställning av metaller samt reparation

Stena Metall kontaktades för att få en större uppfattning angående materialet i

växelmotorerna. Datan för återvinning är Stena Metalls uppgifter angående hur deras återvinning ser ut i dagsläget. Detta är hämtat genom SEW’s egna konto från Stena Metalls tjänst. Genom återvinning kan återvunnet material användas istället för jungfruligt material vilket sparar både resurser och energi. Återvinning motsvarar följande utsläppsbesparingar:

Tabell 2 visar besparingar vid återvinning av material från Stena Metalls data.

Material KG CO2-ekvivalenter per KG material

Järn 1,8

Metaller 3

Där järn definieras som blandskrot som även är stål och där metaller står för elmotorerna.

Resultat

4

Resultat

Kapitlet ger svar på studiens frågeställningar genom att behandla studiens resultat.

4.1 Skillnaden i energiåtgång mellan en snäckväxel och

vinkelkuggväxel

Eftersom energiåtgången alltid kommer variera beroende på hur och vad som ska drivas så gjordes beräkningar på ett verkligt fall från SEW där en kund behövde en växelmotor för att driva deras rullband i sin industri. Denna kund hade två olika rullband som skulle drivas med olika hastigheter och vikt. Därför jämfördes dessa två exempel för att se skillnader i energiåtgången på växelmotorerna mellan olika lastfall. I det ena fallet skulle rullbanden transportera last med 1000 kg med hastigheten 12 m/min där man jämför energiåtgången mellan en snäckväxel och en vinkelkuggväxel med samma motor. I det andra fallet skulle rullbanden transportera en last på 4000 kg med en hastighet på 10 m/min. Även här jämfördes energiåtgången mellan de olika växlarna där de är en storlek större för att kunna driva den tyngre lasten. Växlarna i detta fall drevs även av olika motorer, detta för att se skillnaden i energiåtgången på växlarna när de drivs av olika motorer. Båda dessa fall hade även en IE1 motor och en IE3 motor som också jämfördes.

De variabler som påverkar vilken effekt en växelmotor behöver leverera ut för att driva lasten räknades ut med hjälp av programmet, se bilaga (1 och 2) för

input datan. Programmet räknar ut vilket utgående moment och varvtal som behövs vid olika drifter, exempelvis vid acceleration och inbromsning. Som nämnt i

metodkapitlet så motsvarar drifttiden en konstant drift, därför valdes punkt 2 som också motsvarar en konstant drift under längre tid, se bilaga (3–8). Programmet räknade även ut vilken effekt som behövdes från motorn till växeln vid denna punk, Pe, se bilaga (9–14) för varje växelmotor. Denna effekt som krävs belastar motorn och påverkar därför motorns prestanda. Belastningen anger i procent hur mycket av motorns maximala uteffekt som levereras. När belastningen är känd interpolerades de värden som behövdes som var för motsvarande motorbelastning för varje motor, se bilaga (15–20). Värdena från motordatabladen hittas på punkt 5, “partial load characteristics”, där det högra värdet för strömmen valdes eftersom motorerna kopplas in på 400 V. Efter dessa beräkningar var alla variabler kända för att använda formeln som nämns i metodkapitlet.

4.1.1 Lastfall 1

Lastfall 1 krävde en växelmotor som skulle förflytta en 1000 kg last med en hastighet på 12 m/min. För att uppfylla kravet erbjöds 4 olika typer av växelmotorer som nämndes i metodkapitlet. Formler för beräkningar användes från teorin och metod där man kan räkna ut en växelmotors effektförbrukning med hjälp av ekvation 1. För att sedan räkna energiförbrukning användes ekvation 5. Beräkningarna gjordes enligt nedanstående tabell:

Tabell 3 visar beräkningen av energiförbrukning för de olika växelmotorerna. v=12 m/min SA37DR2S63MS4 IE1 SA37DRN63M4 IE3 KA19DR2S63MS4 IE1 KA19DRN63M4 IE3 Pe [kW] 0,146 0,146 0,123 0,123 Pm [kW] _{0,18 0,18 0,18 0,18} L [%] 81,1% 81,1% 68,3% 68,3% I [A] 0,544 0,530 0,521 0,505 φ 0,619 0,567 0,555 0,508 Ia [A] _{0,337 0,301 0,289 0,256} U [V] 400 400 400 400 P [kW] 0,234 0,208 0,201 0,178 E [kWh] 13081 11667 11231 9947 Drifttid: h/dag 16 Dag/vecka 7 Vecka/år 50 Livslängd (år) 10

Total tid (timmar) 56000

Resultatet av beräkningarna sammanställdes i ett diagram för att enklare visa de olika motorernas energiförbrukning, se figur 15.

13081 11667 ₁₁₂₃₁ 9947 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

SA37DR2S63MS4 IE1 SA37DRN63M4 IE3 KA19DR2S63MS4 IE1 KA19DRN63M4 IE3

E [kWh]

Resultat

För att se vart man kan hitta de största skillnaderna så jämfördes de olika växelmotorerna med varandra. Det som är relevant att veta för denna studie är skillnaden i energiförbrukning mellan samma växeltyp som drivs av olika

energiklassade motorer och skillnaden i energiförbrukning mellan olika växeltyper som drivs av samma motor. Dessa skillnader jämförs även med skillnaden mellan den mest energisnåla växelmotorn och den minst energisnåla växelmotorn, se figur 16.

Figur 16 visar skillnaden i energiförbrukning mellan de olika växelmotorerna.

För att få en bättre förståelse hur stora skillnaderna är så gjordes även ett diagram av samma jämförelser av resultatet i procent, se figur 17.

Figur 17 visar skillnaden i energiförbrukning angiven i procent mellan de olika växelmotorerna.

1414 1850 1720 1284 3135 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

SA37 IE1 j.fr. SA37 IE3

SA37 IE1 j.fr. KA19 IE1

SA37 IE3 j.fr. KA19 IE3

KA19 IE1 j.fr. KA19 IE3

SA37 IE1 j.fr. KA19 IE3

ΔE (kWh)

SA37 IE1 j.fr. SA37 IE3

SA37 IE1 j.fr. KA19 IE1

SA37 IE3 j.fr. KA19 IE3

KA19 IE1 j.fr. KA19 IE3

SA37 IE1 j.fr. KA19 IE3

ΔE (%)

För att kunna jämföra resultatet ur ett hållbarhetsperspektiv gjordes resultatet av energiförbrukning om till CO2-ekvivalenter för att enklare kunna se miljöpåverkan av de olika motorerna genom att multiplicera energiförbrukningen med det

genomsnittliga CO2 utsläppet för svenskproducerad el, se figur 18.

Figur 18 visar de olika växelmotorernas koldioxidutsläpp per kilowattimme.

Samma jämförelse mellan de olika växelmotorerna gjordes för att se mängden CO2-ekvivalenter som släpps ut beroende på vilket val man gör som kund, se figur 19.

170,1 151,7 _146,0 129,3 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0

SA37DR2S63MS4 IE1 SA37DRN63M4 IE3 KA19DR2S63MS4 IE1 KA19DRN63M4 IE3

CO2/kWh [KG]

SA37 IE1 j.fr. SA37 IE3

SA37 IE1 j.fr. KA19 IE1

SA37 IE3 j.fr. KA19 IE3

KA19 IE1 j.fr. KA19 IE3

SA37 IE1 j.fr. KA19 IE3

ΔCO2/kWh

Resultat

4.1.2 Lastfall 2

Lastfall 2 krävde en växelmotor som kan förflytta en 4000 kg last med en hastighet på 10 m/min. För att uppfylla kravet erbjöds 4 andra typer av växelmotorer som också nämndes i metodkapitlet. Samma formler användes för att räkna ut

energiförbrukningen som i Fall 1. Beräkningarna gjordes enligt nedanstående tabell:

Tabell 4 visar beräkningen av energiförbrukning för de olika växelmotorerna.

v=10 m/min SA47DR2S71MS4 IE1 SA47DRN71M4 IE3 KA29DR2S63M4 IE1 KA29DRN71MS4 IE3 Pe [kW] 0,209 0,207 0,17 0,17 Pm [kW] 0,37 0,37 0,25 0,25 L [%] 56,49% 55,95% 68,00% 68,00% I [A] 0,819 0,837 0,670 0,621 φ 0,52 0,46 0,5436 0,5236 Ia [A] 0,423 0,388 0,364 0,325 U [V] 400 400 400 400 P [kW] 0,29 0,27 0,25 0,23 E [kWh] 16410 15052 14135 12619 Drifttid: h/dag 16 Dag/vecka 7 Vecka/år 50 Livslängd (år) 10 Total tid (timmar) 56000

Resultatet för växelmotorerna energiförbrukning sammanställdes i ett likadant diagram som för fall 1, se figur 20.

16410 15052 14135 12619 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000

SA47DR2S71MS4 IE1 SA47DRN71M4 IE3 KA29DR2S63M4 IE1 KA29DRN71MS4 IE3

E [kWh]

Jämförelser mellan växelmotorerna gjordes på samma sätt. Skillnaden i

energiförbrukning mellan samma växeltyp som drivs av olika energiklassade motorer och skillnaden i energiförbrukning mellan olika växeltyper som drivs av samma motor jämfördes. Skillnaden mellan den mest energisnåla växelmotorn och den minst energisnåla växelmotorn gjordes även, se figur 21.

Figur 21 visar skillnaden i energiförbrukning mellan de olika växelmotorerna.

Resultatet av jämförelserna visar i diagrammet hur stora skillnaderna var i procent, se figur 22. 1357 2275 2433 1515 3790 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

SA47 IE1 j.fr. SA47 IE3

SA47 IE1 j.fr. KA29 IE1

SA47 IE3 j.fr. KA29 IE3

KA29 IE1 j.fr. KA29 IE3

SA47 IE1 j.fr. KA29 IE3

ΔE (kWh)

SA47 IE1 j.fr. SA47 IE3

SA47 IE1 j.fr. KA29 IE1

SA47 IE3 j.fr. KA29 IE3

KA29 IE1 j.fr. KA29 IE3

SA47 IE1 j.fr. KA29 IE3

ΔE (%)

Resultat

Resultatet för energiförbrukningen multiplicerades med det genomsnittliga CO2 utsläppet för svenskproducerad el för att se varje växelmotors miljöpåverkan under dess drifttid, se figur 23.

Figur 23 visar de olika växelmotorernas koldioxidutsläpp per kilowattimme.

Samma jämförelse mellan de olika växelmotorerna gjordes för att se mängden CO2-ekvivalenter som släpps ut beroende på vilket val man gör som kund, se figur 24.

Figur 24 visar skillnaden mellan de olika växelmotorernas koldioxidutsläpp per kilowattimme.

4.2 Skillnaden i energiåtgång mellan produkter som drivs av

kedjedrift respektive remdrift

I över 50 år har kraftöverföringseffektiviteten och tomgångsförluster i

remmaskinelement beaktats. Litteraturen för förlorad effektivitet hos en remdrift samt

213,3 195,7 183,8 164,1 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0

SA47DR2S71MS4 IE1 SA47DRN71M4 IE3 KA29DR2S63M4 IE1 KA29DRN71MS4 IE3

CO2/kWh [KG]

ΔCO2/kWh [KG]

detaljerade effekter av rem-konstruktionen och drivparametrar för att kunna bedöma systemets energiförluster. I de allra flesta studier användes spannet 90–98% för remdriftens effektivitet, där siffran 95% är det typiska värdet. Remdriftens största förluster i kraftöverföring uppstår från glidande friktion. För att minimera förluster kan kuggremmar användas istället för en vanlig rem. Kuggremmen hakar i kuggarna och skapar inte samma friktion som en vanlig rem gör. Kedjedriften har en effektivitet på 98% när kedjan är ny och ordentligt spänd. Det är lättare att tappa lite effektivitet på kedjedriften än remdriften då underhållet påverkar kedjedriften mer. Sköts underhållet så kan effektiviteten på 98% uppehållas. Slarvas underhållet så sjunker effektiviteten snabbt ner mot remdriftens effektivitet.

Resultatet för frågeställning 2 blir därför att skillnaden i energiåtgång mellan en produkt som enbart drivs av en växel jämfört med en som drivs med hjälp av remdrift ger en ökad energiförbrukning med cirka fem procent. Används däremot en kedjedrift ger det en ökad energiförbrukning med cirka två procent. Detta visar även att dessa två typer av kraftöverföring är effektiva och ger väldigt små energiförluster men de medför sina egna för- och nackdelar när det kommer till underhåll och liknande.

4.3 Energibesparing vid återvinning jämfört med

nyframställning av metaller samt reparation

Elmotorn i de olika växelmotorerna ser ut enligt tabell 5 nedan:

Tabell 5 Metallinnehåll för varje elmotor.

Elmotor vikt (kg) Stål Koppar Aluminium Övrigt

81% 10% 7% 2% (SA37)DR2S63MS4 4,9 3,97 0,49 0,34 0,10 (KA19)DRN63M4 5,8 4,70 0,58 0,41 0,12 (SA37)DRN63M4 5,8 4,70 0,58 0,41 0,12 (KA19)DR2S63MS4 4,9 3,97 0,49 0,34 0,10 (SA47)DR2S71MS4 6,8 5,51 0,68 0,48 0,14 (SA47)DRN71M4 8,0 6,48 0,80 0,56 0,16 (K29)DR2S63M4 5,8 4,70 0,58 0,41 0,12 (K29)DRN71MS4 6,8 5,51 0,68 0,48 0,14

Växeln i de olika växelmotorerna ser ut enligt tabell 6 nedan:

Tabell 6 Metallinnehåll för varje växel.

Växel Vikt (kg) Stål

SA37(DR2S63MS4) 5,1 5,1

KA19(DRN63M4) 3,2 3,2

SA37(DRN63M4) 5,2 5,2

Resultat

Växelmotorn hade följande egenskaper, enligt tabell 7:

Tabell 7 Andel metall för varje växelmotor.

Växelmotor Vikt (kg) Stål Koppar Aluminium Övrigt

SA37DR2S63MS4 10 9,07 0,49 0,34 0,10 KA19DRN63M4 9 7,90 0,58 0,41 0,12 SA37DRN63M4 11 9,90 0,58 0,41 0,12 KA19DR2S63MS4 8,2 7,27 0,49 0,34 0,10 SA47DR2S71MS4 16 14,71 0,68 0,48 0,14 SA47DRN71M4 17 15,48 0,80 0,56 0,16 K29DR2S63M4 11 9,90 0,58 0,41 0,12 K29DRN71MS4 11 9,71 0,68 0,48 0,14

Detta ger oss energiåtgången och koldioxidutsläppet för materialet till växelmotorerna från jungfrumaterial, enligt tabell 8:

Tabell 8 Energiåtgång för tillverkning av de olika växelmotorerna från jungfrumaterial.

Växelmotor MJ stål MJ koppar MJ aluminium Summa MJ Summa KWh Summa KG CO2 SA37DR2S63MS4 208,587 6 5,145 220 61,0 18 KA19DRN63M4 181,654 7 6,09 195 54,1 16 SA37DRN63M4 227,654 7 6,09 241 66,9 20 KA19DR2S63MS4 167,187 6 5,145 178 49,5 15 SA47DR2S71MS4 338,284 8 7,14 354 98,2 29 SA47DRN71M4 356,04 10 8,4 374 103,9 31 K29DR2S63M4 227,654 7 6,09 241 66,9 20 K29DRN71MS4 223,284 8 7,14 239 66,3 20

Energiåtgången och koldioxidutsläppen för materialet till växelmotorerna från återvunnet skrot, enligt tabell 9:

Tabell 9 Energiåtgång för tillverkning av de olika växelmotorerna från återvunnet skrot.

Växelmotor MJ stål MJ koppar MJ aluminium Summa MJ Summa KWh Summa KG CO2 SA37DR2S63MS4 52,147 3,528 0,515 56,189 15,608 4,604 KA19DRN63M4 45,414 4,176 0,609 50,199 13,944 4,113 SA37DRN63M4 56,914 4,176 0,609 61,699 17,138 5,056 KA19DR2S63MS4 41,797 3,528 0,515 45,839 12,733 3,756 SA47DR2S71MS4 84,571 4,896 0,714 90,181 25,050 7,390 SA47DRN71M4 89,010 5,760 0,840 95,610 26,558 7,835 K29DR2S63M4 56,914 4,176 0,609 61,699 17,138 5,056 K29DRN71MS4 55,821 4,896 0,714 61,431 17,064 5,034

Det slutgiltiga resultatet för frågeställning tre presenteras i tabell 10. Energi- och koldioxidutsläppsbesparingen som fås av att tillverka växelmotorerna från återvunnit material istället för jungfrumaterial blir:

Tabell 10 Energibesparing som fås av att tillverka växelmotorerna från återvunnet material istället för jungfrumaterial. Växelmotor MJ stål MJ koppar MJ aluminium Summa MJ Summa KWh Summa KG CO2 SA37DR2S63MS4 156,440 2,352 4,631 163,423 45,395 13,392 KA19DRN63M4 136,241 2,784 5,481 144,506 40,140 11,841 SA37DRN63M4 170,741 2,784 5,481 179,006 49,724 14,669 KA19DR2S63MS4 125,390 2,352 4,631 132,373 36,770 10,847 SA47DR2S71MS4 253,713 3,264 6,426 263,403 73,168 21,584 SA47DRN71M4 267,030 3,840 7,560 278,430 77,342 22,816 K29DR2S63M4 170,741 2,784 5,481 179,006 49,724 14,669 K29DRN71MS4 167,463 3,264 6,426 177,153 49,209 14,517

Energiåtgången och utsläpp för materialet på de lager som används vid reparation, enligt tabell 11:

Tabell 11 Energiåtgång vid tillverkning av materialet som används vid en reparation.

Lager Vikt (kg) MJ stål kWh KG CO2

KA19DRN63M4 0,8 18,4 5,1 1,51

Energibesparingen som görs vid en reparation blir enligt tabell 12:

Tabell 12 Energibesparing vid en reparation.

Växelmotor kWh besparing CO2 besparing

Analys

5

Analys

En analys av frågeställningarnas resultat samt teorin från det teoretiska ramverket presenteras nedan i detta kapitel.

5.1 Skillnaden i energiåtgång mellan en snäckväxel och

vinkelkuggväxel

Enligt resultatet från kapitel 4 så ser man att skillnaden i energiåtgång mellan en snäckväxel och en vinkelväxel ligger på ca 14 procent med en IE1 motor och 15 procent med en IE3 motor i fall 1. I det andra fallet ligger skillnaden på ungefär samma resultat där man istället har en skillnad på 16 procent mellan växlarna när de drivs av en IE3 motor. En jämförelse mellan samma växeltyp fast med en annan energiklass på motorn gjordes dessutom genom att ha en IE3 motor istället för en IE1 motor. Där ser man att det skiljer 11 procent i fall 1 och 8 procent i fall 2 för en

snäckväxel och 11 procent för båda fallen när motorn driver en vinkelväxel. Resultatet visar också att den mest energikrävande växelmotorn var snäckväxeln som drivs av en IE1 motor och den minst energikrävande växelmotorn var vinkelväxeln med en IE3 motor. Dessa jämfördes och där var skillnaden i energiåtgång 23 respektive 24 procent.

Efter den 1a januari 2017 får endast IE3 motorer med en effekt mellan 0,75–375 kW säljas. Detta betyder att om ett företag har exempelvis köpt en växelmotor av lägre energiklass innan denna tid så kan dessa fortfarande vara i bruk. Skulle man

exempelvis ha en snäckväxel med en IE1 motor i sin produktion och byta ut den mot en vinkelväxel med en IE3 motor hade man sparat runt 23–24 procent i elkostnader, om man räknar med att 1 kWh kostar 1 Kr, under en hel växelmotors livstid.

Växelmotorerna som jämförts i denna studie berörs dock inte av detta då de inte ligger inom den gällande effekten.

Resultatet säger därför att vinkelkuggväxeln förbrukar mindre energi än snäckväxeln och även att de förbrukar mindre energi med en bättre energiklassad motor. Det förbrukades även mer energi i det andra fallet då man var tvungen att driva en mycket tyngre last även om hastigheten var lite lägre. De minsta skillnaderna i

energiförbrukning var mellan IE1 och IE3 motorerna när de drevs av samma typ av växel. När man istället går från en snäckväxel till en vinkelväxel blev det en större skillnad i energiförbrukning. Detta visar att valet av växel är viktigare än valet av motor.

Något som kan vara intressant att jämföra när man talar om hållbarhet är

miljöpåverkan på grund av koldioxidutsläpp. För varje kWh el som produceras släpps CO2-ekvivalenter ut som är ett relevant mått för hållbarhet. Under en växelmotors hela drifttid släpper en snäckväxel med en IE1 motor ut cirka 170 KG ekvivalenter medan vinkelväxeln med en IE3 motor släpper ut cirka 129 KG CO2-ekvivalenter för fall 1, en skillnad på ungefär 41 KG. I fall 2 var utsläppen 213 KG och 164 KG för samma växelmotorer vilket blir en skillnad på cirka 49 KG.

5.2 Skillnaden i energiåtgång mellan produkter som drivs av

kedjedrift respektive remdrift

Genom att överföra kraft från en källa till en annan så tappar man i stort sett alltid en del av energin på vägen. Det är svårt att lyckas föra över 100% av all kraft från en komponent till en annan. Att använda enbart en växel istället för en rem- eller kedjedrift är alltså ett moment mindre för kraften att färdas. Detta innebär att en växelmotor med endast en växel kräver mindre energi att driva än med en rem- eller kedjedrift.

Som står beskrivet i teorin så finns det fördelar och nackdelar med både remdrift och kedjedrift. Remdriften har något mindre effektivitet men har andra positiva

egenskaper. Den behöver inte lika mycket underhåll, den är mer tystlåten och billigare. Nackdelen är att den kan behöva bytas oftare än kedjedriften. Kedjedriften har en något högre uppskattad effektivitet men behöver mer underhåll och rengöring. Kedjan kräver olja som behöver bytas med jämna mellanrum. Med detta inräknat så uppskattas ofta energiåtgången på remdrift och kedjedrift vara skapligt lika.

Att lägga till en remdrift med 95% effektivitet i exemplet från den första frågeställningen hade gett mellan 500–900 extra kWh. Att använda sig av en kedjedrift med 98% effektivitet i samma exempel hade gett mellan 200–300 extra kWh.

5.3 Energibesparing vid återvinning jämfört med

nyframställning av metaller samt reparation

Enligt Stena Metall så ser deras energibesparingen per metall för dem ut på följande sätt:

Järn, ca 75% av energin för att bryta järn ur järnmalm Koppar, ca 40% av energin för att bryta ur ren koppargruva

Aluminium, ca 90% av energin för att få fram aluminium ur bauxit

Denna information gäller endast efter man har kvarnat ner materialet till ett primärverk, vilket Stena Metall i största möjliga mån gör. Säljs materialet till ett sekundärverk så smälts materialet om till ämnen för att sedan skickas till ett gjuteri där det smälts igen innan man har en färdig produkt. Energibesparingen blir därav mindre till ett sekundärverk.

För växelmotorerna som undersöktes bestod majoriteten av delarna utav stål. Enligt frågeställning tre i teorin så beskriver det energiåtgången att tillverka stål från malm är omkring tre gånger så energikrävande än att istället tillverka stål från skrot. Det går alltså åt mindre energi att skrota och återvinna växelmotorerna än att producera nya växelmotorer från nytillverkat stål.

Diskussion

6

Diskussion

Under detta kapitel diskuteras studiens resultat och analys. Kapitlet avslutas med en diskussion kring studiens validitet och reliabilitet.

6.1 Diskussion frågeställning 1

Resultatet var väntat då snäckväxelns kraftöverföring sker i form av friktion vilket ger större förluster och även att en bättre energiklassad motor förbrukar mindre energi. Med frågeställningen besvarad i form av siffror ska företaget kunna använda sig av detta resultat till diskussioner med kund för att kunna göra de medvetna om eventuella besparingar i elkostnader och miljöpåverkan. I de flesta fall är vinkelkuggväxeln alltid det bästa valet. Även om snäckväxeln oftast är billigare att köpa så blir den i

slutändan inte billigare än vinkelkuggväxeln när man räknar med energikostnaden. Detta val av växel har även en påverkan på miljön i form av extra CO2-utsläpp på grund av ökad energiförbrukning.

Anledningen till att svaren blev så lika varandra var för att företaget hade noga beräknat ut att dessa olika växelmotorer var mest lämpliga för denna typ av drift. Hade man däremot valt ett påhittat fall där man själv måste välja motor och växel finns en risk att man inte väljer den mest optimala kombinationen av växelmotor och därför få en motor som blir överlastad. En överlastad motor presterar inte lika bra och kräver dessutom mer elektricitet och kan överhettas. Samma sak gäller med en motor som är för stark för lasten som ska drivas, att den heller inte presterar lika bra. Om en växelmotor hade varit något av detta hade svaren sett annorlunda ut och skillnaderna hade varierat. Det är inte sannolikt att företaget skulle sälja en motor som överbelastas eller underbelastas då man tar hänsyn till servicefaktorn.

De potentiella besparingarna som kan göras i fall 1 ligger på 2600 kr/st under en hel livstid där payback tiden är cirka 1,65 år om man skulle byta från en snäckväxel med IE1 motor till en vinkelväxel med en IE3 motor. Prisskillnaderna mellan dessa var ungefär 7,5 procent. För fall 2 kan besparingarna bli 3800 kr/st under en hel livstid genom att göra samma byte. I detta fall är prisskillnaden minimal så därför finns det ingen payback tid. All vinst blir därför i energibesparingarna.

I lastfall 2 måste även lagerlivslängden tas hänsyn till som en extra kostnad. Beroende på vilken last som ska flyttas kan även extra kostnader på grund av lagerbyte behövas ta hänsyn till.

6.2 Diskussion frågeställning 2

Att överföra kraft från en källa till en annan är väldigt svårt att utföra utan att tappa energi. I de allra flesta fall så tappas effektivitet på vägen. Därav är det viktigt att välja rätt sätt att överföra kraft för minimala förluster. Av de olika alternativen i frågeställning 2 så är det helt klart bäst att bara använda växelmotorn utan något typ av rem- eller kedjedrift för att minska mängden förluster. Däremot kan det vara nödvändigt i vissa fall att använda sig av någon form av kraftöverföringssystem. Som tidigare förklarat i teorin så finns det fördelar med både rem- och kedjedrift.

mer underhåll och smörjning vilket kan argumenteras att effektiviteten sänks till liknande effektivitet som remdriften.

6.3 Diskussion frågeställning 3

Även om energianvändningen endast studerades på stålet i växelmotorerna, så var det tydligt att återvinning av materialet för en växelmotor är betydligt bättre ur ett

energiperspektiv än att tillverka växelmotorerna från nytillverkat material. En stor del av detta eftersom man slipper all den energi det tar att producera fram malm till stål. Istället smälter man ner skrotet och återanvände. Om man istället smälter ner skrotet så skippar man vissa steg i processen som annars krävs för att tillverka stål från malm. Energi kan vara väldigt komplext och svårt att räkna på. Ofta tittar man endast bara på den energimängd som krävs för att skapa eller producera någonting. Det finns många fler faktorer som påverkar energieffektiviseringen. Man glömmer till exempel att även räkna in den prestanda och energi som går åt i längden när produkten är

färdigtillverkad.

Den fysiska indikatorn energi per producerat ton råstål som används inom järn- och stålsektorn kan diskuteras om den är tillförlitlig. För företag som producerar stål av hög kvalité kan det vara väldigt missledande då det krävs mer energi i

förädlingsprocessen. Om man då jämför högkvalitativt stål med mindre kvalitativt stål så framställs det som mindre energieffektivt. Även om det högkvalitativa stålet kan ha bättre prestanda och i längden spara energi. Därav är det svårt att uppskatta hur

pålitliga dessa indikatorer verkligen är. Tyvärr så är dock ofta möjligheterna limiterade att kunna mäta och påverka alla faktorer.

Reparationen på växelmotorn avgränsades till en standardreparation. Detta innebar byte av lager i växelmotorerna. Materialet på lagren bestod endast ut av stål och vägde runt 0,8kg tillsammans.

6.4 Diskussion kring validitet och reliabilitet i

undersökningen

Det är svårt att få med alla aspekter och vinklar på ett arbete inom hållbarhet. Avgränsningar som gjorts på undersökningen kan påverka resultatets exakta siffror och bedömningar. Utifrån den tidsram och förutsättningar som fanns för undersökning så ansågs dessa avgränsningar nödvändiga. Utöver dessa anledningar så bedöms arbetet ha en god validitet. Undersökningen har innefattat ett visst antal specifika växelmotorer. Arbetets metoder och data kan även användas för andra typer av växelmotorer. Då linjerna för effektfaktorn och strömmen inte är linjära blir det inte ett helt korrekt resultat när man använder sig av linjär interpolering för att få fram värdena. De värden som tas fram med interpolering anses ligga tillräckligt nära de verkliga siffrorna för att resultatet ska vara rätt. Värdena i databladen är dessutom avrundade vilket inte ger exakta svar heller.

Slutsatser

7

Slutsatser

Kapitlet ger en sammanfattande beskrivning av studiens implikationer, slutsatser och rekommendationer. Kapitlet avslutas med förslag på vidare arbete/forskning.

7.1 Slutsatser och rekommendationer

Sammanfattningsvis är skillnaden i energiåtgång mellan en snäckväxel och en vinkelkuggväxel mellan 14–16 procent. Skillnaden i energiåtgång mellan den mest energikrävande växelmotorn och den minst energikrävande växelmotorn som undersöktes var cirka 23–24 procent och det är där man kan göra de största

besparingarna i både elkostnader och miljöpåverkan. Om val av växelmotor görs där minskad energiförbrukning är målet så bör en vinkelkuggväxel väljas över en

snäckväxel.

Om möjligt, försök undvika rem- eller kedjedrifter då dessa ger ökad

energianvändning och extra underhållskostnader. Den extra energianvändningen är annars relativt marginell ifall dessa typer av kraftöverföring är nödvändig.

Studien har tydligt påvisat mängden energibesparing som kan uppnås genom att använda återvunnet skrot som material till växelmotorerna istället för nytillverkat jungfrumaterial. Resultatet visar även att vinkelkuggväxeln är mer energisnål i tillverkning mot vad snäckväxeln är. Så ur en miljösynpunkt så var

vinkelkuggväxlarna gjorda av material från återvunnit skrot det bästa alternativet för SEW Eurodrives kunder.

Vinkelkuggväxeln är det bästa alternativet för energibesparing både i drift och vid tillverkning. Detta resultat är räknat på en växelmotor. Resultatet som presenteras multipliceras för varje växelmotor av samma typ som företaget väljer. Det bör tas hänsyn till att det inte är ovanligt att det kan sitta flera hundra växelmotorer i en industri. Besparingarna som kan göras blir väldigt stora.

7.2 Vidare arbete eller forskning

Som vidare arbete till studien kan man även göra ett praktiskt test på elmotorerna där man använder sig av verktyg som effektmätare, voltmätare och amperemätare för att få ett säkrare resultat. Man kan även kolla på andra typer av växelmotorer ifall det skulle vara intressant.

Som vidare arbete på tillverkningen av materialen kan man kolla närmre på de olika stegens miljöpåverkan vid framställning. Då övriga utsläpp som inte innefattar elförbrukningen vid tillverkning inte har tagits hänsyn till är detta något man skulle kunna forska vidare på. Man kan även kolla närmre på andra typer av reparationer av växelmotorn.

Energibesparingen på återvunnet material är beräknad utifrån Stena Metalls

uppskattning på deras data. Detta skulle kunna undersökas ytterligare för att få en mer exakt siffra på vad den verkliga besparingen blir när man återvinner de olika