Dwie chłodnice powietrza opuszczają tę samą fabrykę z tymi samymi łopatkami, tą samą obudową i tą samą wartością przepływu powietrza. Jeden pobiera 42 W; drugi pobiera 34 W. Na papierze różnica dotyczy silnika, ale w praktyce jest to silnik, elektronika napędu i dokładny punkt na krzywej, w którym urządzenie utrzymuje silnik podczas pracy.
Wniosek pierwszy: skuteczność a bezszczotkowy silnik prądu stałego decydują trzy rzeczy, które możesz faktycznie zaprojektować i sprawdzić – budżet strat wewnątrz silnika, budżet strat w elektronice przełączającej go oraz punkt pracy, w którym aplikacja wymusza jego pracę. Szczyt arkusza danych to jeden punkt na krzywej. To, co klient płaci za ponad dziesięć lat, to średnia ważona rzeczywistych cykli pracy, temperatur otoczenia i oporów przepływu powietrza.
Dopasuj te trzy elementy, a mały silnik BLDC zazwyczaj zmniejszy moc wejściową o jedną czwartą do jednej trzeciej w porównaniu z silnikiem indukcyjnym z zacienionym biegunem lub podstawowym jednofazowym silnikiem indukcyjnym o podobnej wielkości ramy w zastosowaniu z wentylatorem. zrozumcie ich źle – przewymiarujcie silnik, zignorujcie sterownik, pozwólcie mu pracować przy obciążeniu 15% – a silnik „o wysokiej wydajności” będzie cicho zachowywał się jak zwykły.
Wydajność to krzywa, a nie liczba
Wydajność podaje się jednocyfrowo, ponieważ pojedyncze liczby można łatwo porównać. W urządzeniu zachowuje się jak krzywa z szeroką, ale skończoną górą. W małych silnikach bezszczotkowych stosowanych w chłodnicach powietrza, wentylatorach chłodzących i okapach kuchennych szczytowa sprawność zwykle mieści się w przedziale 80–90%, gdy moc na wale jest mierzona z uwzględnieniem własnego sterownika silnika. Ten sam silnik obciążony do 15–20% znamionowego momentu obrotowego często spada do zakresu 50–60%, ponieważ straty żelaza, straty nawiewu i straty przełączania nie zmniejszają się pod obciążeniem. Silnik z zacienionymi biegunami o porównywalnej wielkości jest zwykle podawany w przedziale od 20% do 40%, dlatego w ogóle warto dokonać zamiany.
Górna część krzywej zwykle znajduje się w górnej połowie zakresu prędkości, przy około 60–85% znamionowego momentu obrotowego, i pozostaje bardziej płaska w środku zakresu, niż spodziewa się większość kupujących. Ta płaskość jest użyteczną cechą: silnik dobrany do rzeczywistego punktu pracy, a nie do rozruchu w najgorszym przypadku, większość swojego życia spędza w górnej części, a nie na zboczu.
Zanim rozmowa przejdzie na cenę, warto wymagać od dostawcy czterech rzeczy:
- Mapa wydajności lub co najmniej trzy punkty – niskie, średnie i znamionowe obciążenie – zamiast jednej wartości szczytowej.
- Moc wejściowa mierzona w punkcie konstrukcyjnym urządzenia, z fabrycznym wirnikiem i obudową, a nie na gołym wale.
- Jasne stwierdzenie, czy kierowca i jego straty mieszczą się w podanej liczbie, czy poza nią.
- Temperatura uzwojenia i magnesu po ustalonym stanie termicznym - dwie godziny, a nie dwie minuty.
Jeśli terminologia nadal się nie zgadza, nasz podstawowe informacje na temat silników to rozsądne miejsce do sprawdzenia definicji przed porównaniem ofert różnych dostawców.
Wartość szczytowa zmierzona przy 24 V na otwartym wale ze sterownikiem laboratoryjnym nie jest porównywalna z wartością zmierzoną przy 12 V przez płytkę produkcyjną wewnątrz szczelnej obudowy. Dwóch dostawców podających „wydajność na poziomie 88%” może opisywać dwie różne maszyny.
Gdzie właściwie idą straty
Silniki bezszczotkowe wygrywają pod względem wydajności z konkretnego powodu: usunięcie szczotek eliminuje jednocześnie dwie ścieżki strat. Styk szczotkowy powoduje tarcie, a także powoduje mniej więcej stały spadek napięcia, który staje się większym udziałem mocy wejściowej, im niższe napięcie zasilania. W silniku szczotkowym 12 V sam interfejs szczotek może zużywać kilka procent mocy wejściowej, zanim zostanie uwzględniona reszta maszyny.
To co zastępuje szczotki to falownik i to nie jest darmowy. Mostek trójfazowy z sześcioma tranzystorami MOSFET zwiększa straty przewodzenia i straty przełączania, a źle dobrany sterownik może odpowiadać za 10–20% całkowitych strat. Komutacja sześciostopniowa jest tania i całkowicie wystarczająca dla wentylatora o stałej prędkości; sterowanie zorientowane na pole może odzyskać kilka punktów, w których silnik przebywa przy częściowym obciążeniu, kosztem szybszego mikrokontrolera i dłuższego czasu prac inżynierskich.
| Mechanizm straty | Typowy udział w stratach całkowitych | Podstawowa dźwignia konstrukcyjna |
|---|---|---|
| Miedź stojana (rezystancyjna) | 30-45% | Współczynnik wypełnienia miedzią, gęstość prądu, droga cieplna do obudowy |
| Żelazo (histereza i prąd wirowy) | 15-25% | Stopień i grubość laminowania, gęstość strumienia, geometria szczeliny |
| Elektronika napędowa (przewodzenie i przełączanie) | 10-20% | Rezystancja MOSFET, częstotliwość przełączania, schemat modulacji |
| Łożyska, opór wiatru i wirnika | 5-15% | Typ łożyska i napięcie wstępne, ustawienie wału, wyważenie wirnika |
| Straty błądzące i harmoniczne | 3-10% | Kombinacja szczelinowo-biegunowa, skos, tolerancje produkcyjne |
Dwa szczegóły mają większe znaczenie, niż sugeruje większość arkuszy specyfikacji. Pierwszy z nich to gatunek laminowania: przejście na cieńszą stal o wyższej rezystywności zmniejsza część strat żelaza wynikającą z prądów wirowych, na którą najłatwiej wpływać. Kombinacja szczelinowo-biegunowa i przekrzywienie to drugie: kształtują straty błądzące i harmoniczne oraz, co równie ważne, hałas wytwarzany przez urządzenie przy najcichszym ustawieniu prędkości.
Silnik, który mierzy osiem punktów wyżej na stole warsztatowym, może utracić tę przewagę w momencie przykręcenia go do obudowy z innym wirnikiem i dłuższym kanałem.
Jak obciążenie i temperatura przesuwają punkt pracy
Obciążenia wentylatorów i dmuchaw opierają się na dwóch przybliżonych zasadach: moment obrotowy rośnie z kwadratem prędkości, a moc na wale z sześcianem. Zmniejszenie prędkości o połowę powoduje zmniejszenie przepływu powietrza o około połowę i moc na wale do mniej więcej jednej ósmej. Jest to najmocniejszy argument przemawiający za zmienną prędkością w okapach nadkuchennych i chłodnicach powietrza, ponieważ większość energii jest zużywana w górnym zakresie prędkości, podczas gdy większość czasu pracy znacznie poniżej tego zakresu.
Odwrotna sytuacja jest również prawdą. W urządzeniu wydajność nie jest właściwością samego silnika; jest to właściwość silnika i ścieżki powietrza. Zatkany filtr, zagięty kanał lub nieco za mała kratka zwiększa ciśnienie statyczne, zwiększa moment obrotowy wymagany przez wirnik przy tej samej prędkości i przesuwa silnik w dół po prawej stronie krzywizny. Silnik o dużej wartości szczytowej może nadal zakończyć swoją żywotność przy sprawności 60%, ponieważ ścieżka powietrza nigdy nie była do niego dopasowana.
Temperatura również zmienia liczby. Rezystancja uzwojenia miedzianego wzrasta o około 0,39% na stopień Celsjusza, więc uzwojenie nagrzewające się od 25 do 90 stopni dodaje około jedną czwartą swojej straty rezystancyjnej przy tym samym prądzie. Magnesy trwałe tracą strumień w miarę nagrzewania się – spiekany NdFeB wynosi około 0,11–0,12% na stopień Celsjusza – więc moment obrotowy dostępny przy 100 stopniach jest mierzalnie niższy niż katalogowy moment obrotowy mierzony w temperaturze pokojowej. Wybór cięższego gatunku magnesu lub lepszej ścieżki termicznej do obudowy jest decyzją kosztową, a nie techniczną.
Każdy silnik ma stały poziom strat: opór łożyska, straty nawiewu i przełączania, które nigdy nie znikają przy niskim obciążeniu. Oto dlaczego wydajność spada do zera, gdy prędkość zbliża się do zera, i dlaczego „wydajność przy bardzo małej prędkości” jest mylącym pytaniem. Przydatnym pytaniem jest całkowita energia zużyta w całym cyklu pracy.
Chłodnice powietrza dobrze ilustrują problem. Pracują godzinami w warunkach zmieniających się wraz z pogodą, więc silnik musi utrzymywać rozsądną wydajność w szerokim paśmie, a nie w jednym korzystnym punkcie. Zgodnie z tym założeniem projektujemy silniki z chłodnicami powietrza.
AC lub BLDC: Dopasowanie silnika do urządzenia
Bezszczotkowy nie jest automatycznie właściwym wyborem. Jednofazowy silnik zasilany kondensatorem nie ma elektroniki, czujnika położenia wirnika, oprogramowania sprzętowego i bardzo niewielu części. W urządzeniu o stałej prędkości i krótkim dziennym cyklu pracy energia zaoszczędzona przez BLDC może nie zwrócić dodatkowych kosztów w okresie użytkowania produktu. Obliczenia te zmieniają się, gdy tylko zmienia się obciążenie, wydłuża się cykl pracy lub oczekuje się, że urządzenie będzie ciche przy niskiej prędkości.
Kiedy alternatywa AC nadal wygrywa
Praca ze stałą prędkością, wysokie docelowe koszty, brudne lub niestabilne zasilanie sieciowe oraz krótki cykl pracy sprzyjają jednofazowemu silnikowi asynchronicznemu. Jeśli urządzenie potrzebuje tylko jednego przepływu powietrza i działa dwadzieścia minut dziennie, uczciwą odpowiedzią inżynierską jest zwykle prostsza maszyna.
Okapy kuchenne znajdują się po drugiej stronie tej linii. Zapotrzebowanie na ssanie wzrasta i maleje w zależności od zawartości płyty, a różnica między delikatnym gotowaniem a gorącą patelnią jest kilkukrotna w przepływie powietrza. Silnik prądu stałego ze sterowaniem pozwala okapowi podążać za obciążeniem zamiast przełączać się między trzema odczepami, i to właśnie z tego pochodzi większość oszczędności energii – a nie z izolowanego silnika. Bardziej szczegółowo przyjrzeliśmy się porównaniu w artykule na temat w jaki sposób silniki prądu stałego okapów kuchennych poprawiają efektywność energetyczną w porównaniu z tradycyjnymi silnikami prądu przemiennego .
Co sprawdzić przed zatwierdzeniem silnika
Weryfikacja jest tańsza niż przeróbka. Test laboratoryjny w punkcie projektowym zajmuje pół dnia i daje odpowiedzi na pytania, których nie może uzyskać arkusz danych.
- Zmierz moc wejściową przy normalnym napięciu zasilania urządzenia, za pomocą sterownika produkcyjnego, w projektowym punkcie pracy, a nie w punkcie znamionowym silnika.
- Zmierz jednocześnie moment obrotowy i prędkość wału. Sprawność to moment obrotowy razy prędkość kątowa podzielona przez elektryczną moc wejściową; oszacowanie momentu obrotowego na podstawie prądu jest akceptowalne tylko przy pierwszym przejściu.
- Uruchom co najmniej 90 minut przed zarejestrowaniem danych, aby uzwojenia i magnesy osiągnęły stabilny stan termiczny.
- Powtórzyć tę czynność dla dolnej i górnej granicy zakresu regulacji oraz przy najgorszej temperaturze otoczenia.
- Porównaj pobór prądu z zatwierdzoną próbką, stosując zakres tolerancji, który chcesz egzekwować; plus minus 10% prądu i 5% prędkości pokrywa normalny rozkład produkcji w małych silnikach.
Godzina testowania w rzeczywistym punkcie pracy zwykle kosztuje mniej niż pojedyncza partia zwracana w terenie. Jeśli podanej wydajności nie da się odtworzyć we własnym mieszkaniu, nie pojawi się ona również na rachunku za prąd odbiorcy końcowego.
Do tych zastosowań budujemy zarówno linie silników prądu przemiennego, jak i stałego – silniki na zimne powietrze, silniki grzewcze, silniki na opary oleju w obudowie z tworzywa sztucznego oraz gamę silników prądu stałego – i opracowujemy rysunki lub próbki klientów tam, gdzie standardowa seria nie pasuje.
Dzienna wydajność powyżej 80 000 jednostek ma tutaj inne znaczenie: zatwierdzona próbka musi być odtwarzalna w dużych ilościach, a spójność całej przesyłki jest warta więcej niż wartość szczytowa, jaką może osiągnąć tylko prototyp.
Sprawność bezszczotkowego silnika prądu stałego jest właściwością systemu. Silnik przyczynia się do jednego budżetu strat, sterownik do drugiego, a wirnik, kanał i temperatura otoczenia decydują, w którym miejscu krzywej faktycznie znajduje się urządzenie. Żadnej z tych kwestii nie da się rozstrzygnąć poprzez porównanie liczb szczytowych w dwóch notowaniach. Kolejność pracy jest prosta: zdefiniuj rzeczywisty punkt pracy, zapytaj o wydajność w tym punkcie napędu produkcyjnego, przetestuj go na ciepło i w prawdziwej obudowie i potraktuj różnicę między wydajnością szczytową a roboczą jako liczbę wyświetlaną na mierniku.
Jeśli żadna standardowa seria nie pasuje do tego punktu pracy, zazwyczaj można dostosować silnik do tego punktu pracy – w ten sposób większość silników do małych urządzeń dostępnych na rynku osiągnęła swój obecny kształt.
++86 13524608688
