Dva chladiče vzduchu opúšťajú rovnakú továreň s rovnakou čepeľou, rovnakým krytom a rovnakým prúdom vzduchu. Jeden odoberá 42 W; druhý spotrebúva 34 W. Na papieri je rozdiel v motore, ale v praxi je to motor, elektronika pohonu a presný bod na krivke, kde spotrebič drží motor počas chodu.
Prvý záver: účinnosť a bezkomutátorový jednosmerný motor rozhodujú tri veci, ktoré môžete skutočne navrhnúť a skontrolovať – rozpočet straty vo vnútri motora, rozpočet straty v elektronike, ktorá ho prepína, a prevádzkový bod, v ktorom ho aplikácia núti bežať. Vrchol údajového listu je jeden bod na krivke. To, čo zákazník platí za viac ako desať rokov, je vážený priemer naprieč skutočnými pracovnými cyklami, okolitými teplotami a odporom prúdenia vzduchu.
Zarovnajte tieto tri a malý BLDC motor zvyčajne zníži vstupný výkon o štvrtinu až tretinu oproti tienenému pólovému alebo základnému jednofázovému indukčnému motoru s podobnou veľkosťou rámu v aplikácii ventilátora. Nechajte si ich pomýliť – predimenzujte motor, ignorujte vodiča, nechajte ho bežať pri 15 % záťaži – a motor s „vysokou účinnosťou“ sa ticho správa ako obyčajný.
Účinnosť je krivka, nie číslo
Účinnosť sa uvádza ako jeden údaj, pretože jednotlivé údaje sa dajú ľahko porovnávať. V spotrebiči sa správa ako krivka so širokým, ale konečným vrcholom. V malých bezkomutátorových motoroch používaných vo vzduchových chladičoch, chladiacich ventilátoroch a digestoroch špičková účinnosť bežne spadá do pásma 80-90 %, keď sa výkon hriadeľa meria s vlastným pohonom motora. Rovnaký motor stlačený na 15-20% menovitého krútiaceho momentu často klesá do rozsahu 50-60%, pretože strata železa, veterná a spínacia strata sa nezmršťujú, keď sa zaťaženie zníži. Motor s tieneným pólom porovnateľnej veľkosti sa zvyčajne uvádza niekde medzi 20 % a 40 %, a preto sa výmena vôbec oplatí robiť.
Horná časť krivky sa zvyčajne nachádza v hornej polovici rozsahu otáčok, približne pri 60 – 85 % menovitého krútiaceho momentu, a v strede rozsahu zostáva plochejšia, než väčšina kupujúcich očakáva. Táto rovinnosť je užitočná časť: motor dimenzovaný na skutočný prevádzkový bod, nie na štart v najhoršom prípade, trávi väčšinu svojej životnosti blízko vrcholu, a nie na svahu.
Štyri veci sa oplatí požadovať od dodávateľa predtým, ako sa rozhovor posunie k cene:
- Mapa účinnosti alebo minimálne tri body – nízka, stredná a menovitá záťaž – namiesto jednej maximálnej hodnoty.
- Vstupný výkon meraný v mieste konštrukcie spotrebiča, s obežným kolesom a krytom z výroby, nie na holom hriadeli.
- Jasné vyjadrenie, či vodič a jeho straty sedia vnútri alebo mimo uvedeného čísla.
- Teplota vinutia a magnetu po tepelnom ustálenom stave - dve hodiny, nie dve minúty.
Ak sa terminológia stále ustaľuje, naša základné poznatky o motoroch je rozumné miesto na kontrolu definícií predtým, ako porovnáte ponuky od rôznych dodávateľov.
Špičková hodnota nameraná pri 24 V na otvorenom hriadeli s laboratórnym ovládačom nie je porovnateľná s hodnotou nameranou pri 12 V cez výrobnú dosku vo vnútri utesneného krytu. Dvaja dodávatelia uvádzajúci „účinnosť 88 %“ môžu popisovať dva rôzne stroje.
Kam straty v skutočnosti idú
Bezuhlíkové motory vyhrávajú efektívnosťou zo špecifického dôvodu: odstránením kief sa odstránia dve straty súčasne. Kontakt kefy vytvára trenie a tiež vytvára zhruba konštantný pokles napätia, ktorý sa stáva väčším podielom vstupného výkonu, čím je napájacie napätie nižšie. Na 12 V kefovom motore môže samotné rozhranie kefy spotrebovať niekoľko percent vstupnej energie, kým sa nezohľadní zvyšok stroja.
To, čo nahrádza kefy, je invertor a ten nie je zadarmo. Trojfázový mostík so šiestimi MOSFETmi pridáva stratu vedenia a stratu spínania a zle prispôsobený budič môže predstavovať 10-20% celkových strát. Šesťstupňová komutácia je lacná a úplne postačujúca pre ventilátor s pevnou rýchlosťou; riadenie orientované na pole môže obnoviť niekoľko bodov, v ktorých motor trávi čas pri čiastočnom zaťažení, za cenu rýchlejšieho mikrokontroléra a dlhšieho inžinierskeho času.
| Stratový mechanizmus | Typický podiel na celkových stratách | Primárna konštrukčná páka |
|---|---|---|
| Meď statora (odporová) | 30 – 45 % | Faktor medenej výplne, prúdová hustota, tepelná cesta k puzdru |
| Železo (hysterézia a vírivý prúd) | 15 – 25 % | Trieda a hrúbka laminácie, hustota toku, geometria štrbiny |
| Elektronika pohonu (vodenie a spínanie) | 10-20% | Zapínací odpor MOSFET, spínacia frekvencia, modulačná schéma |
| Ložiská, vietor a odpor rotora | 5-15% | Typ ložiska a predpätie, súososť hriadeľa, vyváženie obežného kolesa |
| Bludné a harmonické straty | 3-10% | Kombinácia drážka-pól, zošikmenie, výrobné tolerancie |
Na dvoch detailoch záleží viac, ako naznačuje väčšina technických údajov. Stupeň laminácie je prvý: prechod na tenšiu oceľ s vyšším odporom znižuje časť strát železa vírivými prúdmi, čo je časť, ktorú možno najľahšie ovplyvniť. Kombinácia štrbinových pólov a zošikmenie je to druhé: tvarujú bludné a harmonické straty a čo je rovnako dôležité, hluk, ktorý spotrebič vydáva pri najtichšom nastavení otáčok.
Motor, ktorý na lavici meria o osem bodov vyššie, môže túto výhodu stratiť v momente, keď je priskrutkovaný do krytu s iným obežným kolesom a dlhším potrubím.
Ako zaťaženie a teplota posúvajú pracovný bod
Zaťaženie ventilátora a dúchadla sa riadi dvoma približnými pravidlami: krútiaci moment stúpa s druhou mocninou rýchlosti a výkon hriadeľa s kockou. Znížením rýchlosti na polovicu sa prietok vzduchu zníži približne na polovicu a výkon hriadeľa sa zníži približne na osminu. To je najsilnejší argument pre premenlivú rýchlosť v digestoroch a vzduchových chladičoch, pretože väčšina energie sa minie na vrchole rozsahu otáčok, zatiaľ čo väčšina prevádzkového času sa strávi hlboko pod ním.
Platí to aj naopak. V spotrebiči nie je účinnosť vlastnosťou samotného motora; je to vlastnosť motora plus cesta vzduchu. Zanesený filter, zalomené potrubie alebo mierne poddimenzovaná mriežka zvyšuje statický tlak, zvyšuje krútiaci moment, ktorý obežné koleso požaduje pri rovnakej rýchlosti, a posúva motor dole po pravej strane jeho krivky. Motor s veľkorysým vrcholom môže stále dokončiť svoju životnosť so 60% účinnosťou, pretože dráha vzduchu mu nebola nikdy prispôsobená.
Teplota tiež mení čísla. Odpor medeného vinutia stúpa asi o 0,39% na stupeň Celzia, takže vinutie, ktoré sa zahrieva z 25 na 90 stupňov, pridáva zhruba štvrtinu k jeho odporovej strate pri rovnakom prúde. Permanentné magnety strácajú tok, keď sa zahrievajú – spekaný NdFeB okolo 0,11 – 0,12 % na stupeň Celzia – takže krútiaci moment dostupný pri 100 stupňoch je merateľne nižší ako katalógový krútiaci moment nameraný pri izbovej teplote. Výber ťažšej triedy magnetu alebo lepšej tepelnej cesty k puzdru je rozhodnutie o nákladoch, nie o technickom.
Každý motor má pevnú spodnú hranicu strát: odpor ložísk, veterné a spínacie straty, ktoré nikdy nezmiznú pri nízkom zaťažení. To je dôvod, prečo účinnosť klesá k nule, keď sa rýchlosť blíži k nule, a prečo je „účinnosť pri veľmi nízkej rýchlosti“ zavádzajúca otázka. Užitočnou otázkou je celková energia spotrebovaná počas pracovného cyklu.
Vzduchové chladiče dobre ilustrujú problém. Bežia celé hodiny v podmienkach, ktoré sa menia s počasím, takže motor si musí udržať primeranú účinnosť v širokom pásme a nie na jednom lichotivom bode. Na základe toho navrhujeme motory vzduchových chladičov.
AC alebo BLDC: Priradenie motora k spotrebiču
Brushless nie je automaticky tou správnou voľbou. Jednofázový kondenzátorový motor nemá žiadnu elektroniku, žiadne snímanie polohy rotora, žiadny firmvér a veľmi málo dielov. V spotrebiči s pevnou rýchlosťou s krátkym denným pracovným cyklom nemusí energia ušetrená BLDC splatiť dodatočné náklady počas životnosti produktu. Tento výpočet sa zmení, akonáhle sa zaťaženie zmení, pracovný cyklus sa predĺži alebo sa očakáva, že spotrebič bude tichý pri nízkej rýchlosti.
Keď stále vyhráva alternatíva AC
Prevádzka s pevnou rýchlosťou, agresívne cieľové náklady, znečistené alebo nestabilné napájanie zo siete a krátky pracovný cyklus, to všetko uprednostňuje jednofázový asynchrónny motor. Ak zariadenie potrebuje iba jeden prúd vzduchu a beží dvadsať minút denne, úprimnou inžinierskou odpoveďou je zvyčajne jednoduchší stroj.
Digestor je umiestnený na druhej strane tejto línie. Požiadavka na sanie stúpa a klesá s tým, čo je na varnej doske, a medzera medzi miernym varením a horúcou panvicou je v prúdení vzduchu niekoľkonásobným faktorom. Jednosmerný motor plus ovládanie umožňuje odsávaču pary sledovať záťaž namiesto prepínania medzi tromi kohútikmi, a to je miesto, kde väčšina úspor energie pochádza – nie z izolovaného motora. Na porovnanie sme sa podrobnejšie pozreli v článku o ako jednosmerné motory odsávača pár zlepšujú energetickú účinnosť v porovnaní s tradičnými striedavými motormi .
Čo je potrebné overiť pred schválením motora
Overenie je lacnejšie ako prepracovanie. Test na skúšobnej stolici v bode návrhu trvá pol dňa a odpovedá na otázky, ktoré dátový list nedokáže.
- Zmerajte vstupný výkon pri bežnom napájacom napätí spotrebiča, s produkčným ovládačom, v konštrukčnom prevádzkovom bode, a nie pri menovitom bode motora.
- Súčasne zmerajte krútiaci moment a otáčky hriadeľa. Účinnosť je krútiaci moment krát uhlová rýchlosť vydelená elektrickým príkonom; odhad krútiaceho momentu z prúdu je prijateľný len ako prvý prechod.
- Pred zaznamenaním údajov spustite aspoň 90 minút, aby vinutia a magnety dosiahli tepelne stabilný stav.
- Opakujte na spodnom a hornom konci regulačného rozsahu a pri najhoršom prípade okolitej teploty.
- Porovnajte aktuálny odber so schválenou vzorkou pomocou tolerančného pásma, ktoré ste ochotní presadiť; plus alebo mínus 10 % na prúde a 5 % na rýchlosti pokrýva bežné výrobné rozpätie v malých motoroch.
Jedna hodina testovania v skutočnej prevádzke zvyčajne stojí menej ako jedna šarža vrátenia z poľa. Ak nie je možné dosiahnuť uvedenú účinnosť vo vašom vlastnom bývaní, neobjaví sa ani na účte za elektrinu konečného užívateľa.
Pre tieto aplikácie staviame rady motorov na striedavý aj jednosmerný prúd – motory na studený vzduch, vykurovacie motory, motory na olejové výpary zapuzdrené v plaste a rad jednosmerných prúdov – a vyvíjame podľa zákazníkov výkresy alebo vzorky, kde štandardná séria nevyhovuje.
Denná kapacita nad 80 000 jednotiek je tu dôležitá v inom zmysle: vzorka, ktorú schválite, musí byť reprodukovateľná v objeme a konzistencia v rámci zásielky má väčšiu hodnotu, než je maximálna hodnota, ktorú môže dosiahnuť iba prototyp.
Účinnosť bezkefkového jednosmerného motora je vlastnosťou systému. Motor prispieva jedným stratovým rozpočtom, vodič druhým a obežné koleso, potrubie a okolitá teplota rozhodujú o tom, kde na krivke spotrebič skutočne žije. Nič z toho sa nedá vyriešiť porovnaním počtov špičiek v dvoch úvodzovkách. Pracovný príkaz je jednoduchý: definujte skutočný prevádzkový bod, požiadajte o účinnosť v tomto bode s produkčným pohonom, otestujte ho za tepla a vo vnútri skutočného krytu a rozdiel medzi špičkovou a prevádzkovou účinnosťou zaobchádzajte ako s číslom, ktoré sa zobrazuje na merači.
Ak žiadna štandardná séria nezodpovedá tomuto pracovnému bodu, motor sa dá zvyčajne vyvinúť podľa neho – a tak väčšina motorov malých spotrebičov na trhu dosiahla svoj súčasný tvar.
++86 13524608688
