Două răcitoare de aer pleacă din aceeași fabrică cu aceeași lamă, aceeași carcasă și același debit de aer. Se trage 42 W; celălalt consumă 34 W. Pe hârtie diferența este motorul, dar în practică este motorul, electronica de antrenare și punctul exact de pe curba în care aparatul ține motorul în timp ce funcționează.
Concluzia mai întâi: eficiența a motor DC fără perii este decis de trei lucruri pe care le puteți proiecta și verifica de fapt - bugetul de pierderi din interiorul motorului, bugetul de pierderi în sistemul electronic de comutare și punctul de funcționare la care aplicația îl forțează să ruleze. Un vârf din fișa de date este un punct pe o curbă. Ceea ce plătește un client pentru peste zece ani este o medie ponderată pe cicluri de funcționare reale, temperaturi ambientale și rezistență la fluxul de aer.
Aliniați cele trei și un motor BLDC mic va reduce de obicei puterea de intrare cu un sfert până la o treime față de un motor cu inducție cu poli umbrit sau de bază monofazat de dimensiune similară a cadrului într-o aplicație de ventilator. Găsiți-le greșit - supradimensionați motorul, ignorați șoferul, lăsați-l să funcționeze la 15% sarcină - iar un motor „de înaltă eficiență” se comportă liniștit ca unul obișnuit.
Eficiența este o curbă, nu un număr
Eficiența este citată ca o singură cifră, deoarece cifrele unice sunt ușor de comparat. Într-un aparat se comportă ca o curbă cu un vârf lat, dar finit. La motoarele mici fără perii utilizate în răcitoare de aer, ventilatoare de răcire și hote, eficiența maximă se încadrează de obicei în banda 80-90% atunci când puterea arborelui este măsurată cu driverul propriu al motorului inclus. Același motor împins la 15-20% din cuplul nominal scade adesea în intervalul de 50-60%, deoarece pierderile de fier, pierderile de vânt și de comutare nu se micșorează atunci când sarcina o face. Un motor cu poli umbrit de dimensiuni comparabile este de obicei cotat undeva între 20% și 40%, motiv pentru care schimbul merită deloc făcut.
Partea superioară a curbei se află de obicei în jumătatea superioară a intervalului de viteză, la aproximativ 60-85% din cuplul nominal și rămâne mai plat la mijlocul intervalului decât se așteaptă majoritatea cumpărătorilor. Acea planeitate este partea utilă: un motor dimensionat pentru punctul de lucru real, nu pentru o pornire în cel mai rău caz, își petrece cea mai mare parte a vieții în apropierea vârfului, nu pe pantă.
Patru lucruri merită cerute de la un furnizor înainte ca conversația să treacă la preț:
- O hartă a eficienței sau la minimum trei puncte - sarcină scăzută, medie și nominală - mai degrabă decât o cifră de vârf.
- Puterea de intrare măsurată la punctul de proiectare al aparatului, cu rotorul de producție și carcasa, nu pe un arbore gol.
- O declarație clară dacă șoferul și pierderile sale stau în interiorul sau în afara numărului citat.
- Temperatura înfășurării și a magnetului după starea de echilibru termică - două ore, nu două minute.
Dacă terminologia încă se stabilește, a noastră cunoștințe de bază despre motoare este un loc rezonabil pentru a verifica definițiile înainte de a compara ofertele de la diferiți furnizori.
O cifră de vârf măsurată la 24 V pe un arbore deschis cu un driver de laborator nu este comparabilă cu una măsurată la 12 V printr-o placă de producție în interiorul unei carcase etanșe. Doi furnizori care citează „88% eficient” ar putea descrie două mașini diferite.
Unde se duc de fapt pierderile
Motoarele fără perii câștigă eficiență dintr-un motiv specific: îndepărtarea periilor elimină două căi de pierdere simultan. Contactul periei creează frecare și, de asemenea, creează o cădere de tensiune aproximativ constantă, care devine o cotă mai mare a puterii de intrare cu cât tensiunea de alimentare este mai mică. Pe un motor cu perii de 12 V, interfața periei poate consuma câteva procente din puterea de intrare înainte de a lua în considerare restul mașinii.
Ceea ce înlocuiește periile este un invertor și nu este gratuit. O punte trifazată cu șase MOSFET adaugă pierderi de conducție și pierderi de comutare, iar un driver prost potrivit poate reprezenta 10-20% din pierderile totale. Comutația în șase trepte este ieftină și perfect adecvată pentru un ventilator cu viteză fixă; Controlul orientat pe câmp poate recupera câteva puncte în care motorul petrece timp la sarcină parțială, cu prețul unui microcontroler mai rapid și mai mult timp de inginerie.
| Mecanism de pierdere | Ponderea tipică din pierderile totale | Pârghie de proiectare primară |
|---|---|---|
| Cupru stator (rezistiv) | 30-45% | Factorul de umplere cu cupru, densitatea curentului, calea termică către carcasă |
| Fier (histerezis și curenți turbionari) | 15-25% | Gradul și grosimea de laminare, densitatea fluxului, geometria fantei |
| Electronica de antrenare (conducție și comutare) | 10-20% | Rezistență MOSFET, frecvență de comutare, schemă de modulație |
| Rulmenți, vânt și rezistența rotorului | 5-15% | Tipul de rulment și preîncărcare, alinierea arborelui, echilibrul rotorului |
| Pierderi parazite și armonice | 3-10% | Combinație fante-stâlp, înclinare, toleranțe de fabricație |
Două detalii contează mai mult decât sugerează majoritatea fișelor de specificații. Gradul de laminare este primul: trecerea la un oțel mai subțire, cu rezistivitate mai mare reduce partea de curent turbionar a pierderii de fier, care este porțiunea cel mai ușor de influențat. Combinația fante-stâlp și înclinarea este a doua: ele modelează pierderile rătăcitoare și armonice și, la fel de important, zgomotul pe care îl face aparatul la cea mai silențioasă setare a vitezei.
Un motor care măsoară cu opt puncte mai sus pe un banc poate pierde acest avantaj în momentul în care este înșurubat într-o carcasă cu un rotor diferit și o conductă mai lungă.
Cum se deplasează sarcina și temperatura punctul de operare
Sarcinile ventilatorului și suflantei urmează două reguli aproximative: cuplul crește cu pătratul vitezei și puterea arborelui cu cubul. Reducerea la jumătate a vitezei reduce fluxul de aer la aproximativ jumătate și reduce puterea arborelui la aproximativ o optime. Acesta este cel mai puternic argument pentru viteza variabilă în hotele și răcitoarele de aer, deoarece cea mai mare parte a energiei este cheltuită la vârful intervalului de viteză, în timp ce cea mai mare parte a timpului de funcționare este petrecut cu mult sub aceasta.
Este adevărat și invers. Într-un aparat, eficiența nu este doar o proprietate a motorului; este o proprietate a motorului plus calea aerului. Un filtru înfundat, o conductă îndoită sau un grilaj ușor subdimensionat crește presiunea statică, crește cuplul cerut de rotor la aceeași viteză și glisează motorul în partea dreaptă a curbei sale. Un motor cu un vârf generos își poate termina viața cu o eficiență de 60%, deoarece calea aerului nu a fost niciodată potrivită cu el.
Temperatura modifică și cifrele. Rezistența înfășurării de cupru crește cu aproximativ 0,39% pe grad Celsius, așa că o înfășurare care se încălzește de la 25 la 90 de grade adaugă aproximativ un sfert la pierderea rezistivă la același curent. Magneții permanenți pierd flux pe măsură ce se încălzesc - NdFeB sinterizat în jur de 0,11-0,12% pe grad Celsius - astfel încât cuplul disponibil la 100 de grade este măsurabil mai mic decât cuplul de catalog măsurat la temperatura camerei. Alegerea unui magnet mai greu sau a unei căi termice mai bune către carcasă este o decizie de cost, nu una tehnică.
Fiecare motor are o limită fixă de pierdere: rezistență la rulment, pierderi de vânt și de comutare care nu dispar niciodată la sarcină mică. Acesta este motivul pentru care eficiența scade la zero pe măsură ce viteza se apropie de zero și de ce „eficiența la viteză foarte mică” este o întrebare înșelătoare. Întrebarea utilă este energia totală consumată pe parcursul ciclului de funcționare.
Răcitoarele de aer ilustrează bine problema. Ele funcționează ore întregi în condiții care variază odată cu vremea, astfel încât motorul trebuie să mențină o eficiență rezonabilă pe o bandă largă, mai degrabă decât într-un punct măgulitor. Acesta este motivul pentru care proiectăm motoare de răcire cu aer.
AC sau BLDC: Potrivirea motorului la aparat
Brushless nu este automat alegerea potrivită. Un motor monofazat cu condensator nu are electronică, nu are senzor de poziție a rotorului, nu are firmware și foarte puține piese. Într-un aparat cu viteză fixă cu un ciclu de funcționare zilnic scurt, energia economisită de un BLDC poate să nu ramburseze costul adăugat în timpul vieții produsului. Acest calcul se schimbă de îndată ce sarcina variază, ciclul de funcționare devine lung sau se așteaptă ca aparatul să fie silențios la viteză mică.
Când alternativa AC încă câștigă
Funcționarea cu viteză fixă, obiectivele de costuri agresive, alimentarea de la rețea murdară sau instabilă și un ciclu de funcționare scurt, toate favorizează un motor asincron monofazat. Dacă aparatul are nevoie de un singur flux de aer și funcționează douăzeci de minute pe zi, răspunsul ingineresc sincer este de obicei mașina mai simplă.
Hotele se află de cealaltă parte a liniei. Cererea de aspirație crește și scade odată cu ceea ce este pe plită, iar decalajul dintre o fierbere blândă și o tigaie fierbinte este un factor de mai mulți în fluxul de aer. Un motor de curent continuu plus control permite hotei să urmărească sarcina în loc să comute între trei robinete și de aici provine cea mai mare parte a economisirii de energie - nu de la motor izolat. Am analizat comparația mai detaliat într-un articol despre modul în care motoarele de curent continuu pentru hotare îmbunătățesc eficiența energetică în comparație cu motoarele de curent alternativ tradiționale .
Ce să verificați înainte de a aproba un motor
Verificarea este mai ieftină decât reluare. Un test pe banc la punctul de proiectare durează o jumătate de zi și răspunde la întrebările pe care o fișă de date nu le poate.
- Măsurați puterea de intrare la tensiunea normală de alimentare a aparatului, cu driverul de producție, la punctul de lucru proiectat, mai degrabă decât la punctul nominal al motorului.
- Măsurați cuplul și viteza arborelui în același timp. Eficiența este cuplul înmulțit cu viteza unghiulară împărțită la puterea electrică de intrare; estimarea cuplului din curent este acceptabilă doar ca primă trecere.
- Rulați cu cel puțin 90 de minute înainte de înregistrarea datelor, astfel încât înfășurările și magneții să ajungă la starea de echilibru termic.
- Repetați la limitele scăzute și superioare ale intervalului de control și la temperatura ambientală în cel mai rău caz.
- Comparați absorbția curentă cu eșantionul aprobat, folosind o bandă de toleranță pe care sunteți dispus să o aplicați; plus sau minus 10% la curent și 5% la viteză acoperă producția normală răspândită în motoare mici.
O oră de testare la punctul de serviciu real costă de obicei mai puțin decât un singur lot de returnare pe teren. Dacă o eficiență cotată nu poate fi reprodusă în propria locuință, aceasta nu va apărea nici pe factura de energie electrică a utilizatorului final.
Construim atât linii de motoare de curent alternativ, cât și de curent continuu pentru aceste aplicații - motoare cu aer rece, motoare de încălzire, motoare pentru fumuri de ulei încapsulate în plastic și gama de curent continuu - și dezvoltăm după desene sau mostre ale clienților în care o serie standard nu se potrivește.
Capacitatea zilnică de peste 80.000 de unități contează aici într-un sens diferit: eșantionul pe care îl aprobați trebuie să fie reproductibil la volum, iar consistența într-o expediere valorează mai mult decât o cifră de vârf pe care o poate atinge prototipul.
Eficiența motorului de curent continuu fără perii este o proprietate a sistemului. Motorul contribuie cu un buget de pierdere, șoferul contribuie cu altul, iar rotorul, conducta și temperatura ambiantă decid unde pe curbă se află de fapt aparatul. Nimic din toate acestea nu poate fi rezolvat prin compararea numerelor de vârf din două citate. Comanda de lucru este simplă: definiți punctul de funcționare real, solicitați eficiența în acel punct cu unitatea de producție, testați-l la cald și în interiorul carcasei reale și tratați diferența dintre eficiența maximă și cea de funcționare ca fiind numărul care apare pe contor.
Dacă nicio serie standard nu se potrivește cu acel punct de funcționare, motorul poate fi de obicei dezvoltat pentru acesta - așa cum majoritatea motoarelor de electrocasnice mici de pe piață au ajuns la forma lor actuală în primul rând.
++86 13524608688
