Účinnost bezkomutátorového stejnosměrného motoru: Co skutečně zvyšuje výkon spotřebičů

Dva chladiče vzduchu opouštějí stejnou továrnu se stejnou lopatkou, stejným krytem a stejným proudem vzduchu. Jeden odebírá 42 W; druhý spotřebovává 34 W. Na papíře je rozdíl v motoru, ale v praxi je to motor, elektronika pohonu a přesný bod na křivce, kde spotřebič drží motor za chodu.

První závěr: účinnost a bezkomutátorový stejnosměrný motor je rozhodnuto třemi věcmi, které můžete ve skutečnosti navrhnout a zkontrolovat - rozpočet ztrát uvnitř motoru, rozpočet ztrát v elektronice, která jej spíná, a provozní bod, ve kterém je aplikace nucena běžet. Vrchol datového listu je jeden bod na křivce. To, co zákazník platí za více než deset let, je vážený průměr napříč reálnými provozními cykly, okolní teplotou a odporem proudění vzduchu.

Zarovnejte tyto tři a malý BLDC motor obvykle sníží vstupní výkon o čtvrtinu až třetinu oproti stíněnému pólovému nebo základnímu jednofázovému indukčnímu motoru podobné velikosti rámu v aplikaci ventilátoru. Nechte je špatně – předimenzujte motor, ignorujte řidiče, nechte jej běžet na 15% zátěž – a motor s „vysokou účinností“ se tiše chová jako obyčejný.

Účinnost je křivka, ne číslo

Účinnost je uváděna jako jediný údaj, protože jednotlivé údaje lze snadno porovnávat. Ve spotřebiči se chová jako křivka s širokým, ale konečným vrcholem. U malých bezkomutátorových motorů používaných ve vzduchových chladičích, chladicích ventilátorech a digestořích se špičková účinnost běžně pohybuje v pásmu 80–90 %, když je výkon hřídele měřen s vlastním ovladačem motoru. Stejný motor vytlačený na 15-20 % jmenovitého točivého momentu často klesne do rozsahu 50-60 %, protože ztráta železa, větrem a spínací ztráta se při zátěži nezmenší. Motor se stíněným pólem srovnatelné velikosti se obvykle uvádí někde mezi 20 % a 40 %, proto se výměna vůbec vyplatí.

Vrchol křivky obvykle leží v horní polovině rozsahu otáček, zhruba na 60–85 % jmenovitého točivého momentu, a ve středu rozsahu zůstává plošší, než většina kupujících očekává. Tato rovinnost je užitečná část: motor dimenzovaný pro skutečný provozní bod, nikoli pro nejhorší start, tráví většinu svého života blízko vrcholu, místo na svahu.

Než se rozhovor přesune k ceně, stojí za to vyžadovat od dodavatele čtyři věci:

• Mapa účinnosti nebo minimálně tři body – nízká, střední a jmenovitá zátěž – spíše než jedna maximální hodnota.
• Vstupní výkon měřený v místě konstrukce spotřebiče, s výrobním oběžným kolem a skříní, nikoli na holé hřídeli.
• Jasné prohlášení o tom, zda řidič a jeho ztráty sedí uvnitř nebo mimo uvedené číslo.
• Teplota vinutí a magnetu po tepelném ustáleném stavu - dvě hodiny, ne dvě minuty.

Pokud se terminologie stále ustálí, naše základní znalostní body o motorech je rozumné místo pro kontrolu definic před porovnáním nabídek od různých dodavatelů.

Kam ztráty ve skutečnosti směřují

Bezkomutátorové motory vítězí v účinnosti ze specifického důvodu: odstraněním kartáčů se odstraní dvě ztráty najednou. Kontakt kartáče vytváří tření a také vytváří zhruba konstantní úbytek napětí, který se stává tím větším podílem příkonu, čím nižší je napájecí napětí. U 12V kartáčového motoru může samotné rozhraní kartáče spotřebovat několik procent vstupní energie, než se vezme v úvahu zbytek stroje.

To, co nahradí kartáče, je invertor a ten není zadarmo. Třífázový můstek se šesti MOSFETy přidává ztrátu vedení a ztrátu spínání a špatně přizpůsobený ovladač může představovat 10-20 % celkových ztrát. Šestistupňová komutace je levná a naprosto dostačující pro ventilátor s pevnou rychlostí; řízení orientované na pole může obnovit několik bodů, kde motor tráví čas při částečném zatížení, za cenu rychlejšího mikrokontroléru a více času na inženýrství.

Na dvou detailech záleží více, než naznačuje většina technických listů. Třída laminace je první: přechod na tenčí ocel s vyšším odporem snižuje část ztráty železa vířivými proudy, což je část, kterou lze nejsnáze ovlivnit. Kombinace štěrbinových pólů a zešikmení je to druhé: tvarují bludné a harmonické ztráty a, co je stejně důležité, hluk, který spotřebič vydává při nejtišších otáčkách.

Motor, který na stole měří o osm bodů výše, může tuto výhodu ztratit ve chvíli, kdy je přišroubován do skříně s jiným oběžným kolem a delším potrubím.

Jak zatížení a teplota posouvají pracovní bod

Zatížení ventilátoru a dmychadla se řídí dvěma přibližnými pravidly: točivý moment roste s druhou mocninou rychlosti a výkon na hřídeli s krychlí. Snížením rychlosti na polovinu se sníží průtok vzduchu asi na polovinu a výkon hřídele se sníží zhruba na osminu. To je nejsilnější argument pro proměnnou rychlost u odsavačů par a vzduchových chladičů, protože většina energie se spotřebuje v horní části rozsahu otáček, zatímco většina provozní doby se stráví hluboko pod ním.

Opak je také pravdou. U spotřebiče není účinnost vlastností samotného motoru; je to vlastnost motoru plus cesta vzduchu. Ucpaný filtr, zalomené potrubí nebo mírně poddimenzovaná mřížka zvyšují statický tlak, zvyšují točivý moment, který oběžné kolo vyžaduje při stejné rychlosti, a smýká motor dolů po pravé straně jeho křivky. Motor s velkorysou špičkou může stále dokončit svou životnost při 60% účinnosti, protože dráha vzduchu s ním nebyla nikdy přizpůsobena.

Teplota také mění čísla. Odpor měděného vinutí stoupá asi o 0,39 % na stupeň Celsia, takže vinutí, které se zahřeje z 25 na 90 stupňů, přidá zhruba čtvrtinu k jeho odporové ztrátě při stejném proudu. Permanentní magnety při zahřívání ztrácejí tok – slinutý NdFeB kolem 0,11-0,12 % na stupeň Celsia – takže točivý moment dostupný při 100 stupních je měřitelně nižší než katalogový točivý moment naměřený při pokojové teplotě. Volba těžšího typu magnetu nebo lepší tepelné cesty k pouzdru je rozhodnutí o nákladech, nikoli o technické.

Vzduchové chladiče dobře ilustrují problém. Běží celé hodiny za podmínek, které se mění s počasím, takže motor musí držet rozumnou účinnost v širokém pásmu spíše než v jednom lichotivém bodě. Na základě toho navrhujeme motory vzduchových chladičů.

AC nebo BLDC: Přizpůsobení motoru spotřebiči

Brushless není automaticky tou správnou volbou. Jednofázový kondenzátorový motor nemá žádnou elektroniku, žádné snímání polohy rotoru, žádný firmware a jen velmi málo dílů. U spotřebiče s pevnou rychlostí s krátkým denním pracovním cyklem nemusí energie ušetřená BLDC splatit dodatečné náklady během životnosti produktu. Tento výpočet se změní, jakmile se změní zatížení, prodlouží se pracovní cyklus nebo se očekává, že spotřebič bude tichý při nízké rychlosti.

Když alternativa AC stále vítězí

Provoz s pevnou rychlostí, agresivní nákladové cíle, znečištěné nebo nestabilní napájení ze sítě a krátký pracovní cyklus, to vše upřednostňuje jednofázový asynchronní motor. Pokud spotřebič potřebuje vždy jen jeden proud vzduchu a běží dvacet minut denně, poctivou inženýrskou odpovědí je obvykle jednodušší stroj.

Digestoře jsou umístěny na druhé straně této linie. Potřeba sání stoupá a klesá s tím, co je na varné desce, a mezera mezi mírným vařením a horkou pánví je v proudění vzduchu několikanásobná. Stejnosměrný motor plus ovládání umožňuje odsavači sledovat zátěž namísto přepínání mezi třemi kohoutky, a to je místo, kde většina úspor energie pochází – nikoli od izolovaného motoru. Na srovnání jsme se podrobněji podívali v článku na jak stejnosměrné motory digestoře zlepšují energetickou účinnost ve srovnání s tradičními střídavými motory .

Co je třeba ověřit před schválením motoru

Ověření je levnější než přepracování. Test na zkušební stolici v místě návrhu trvá půl dne a odpovídá na otázky, které datasheet nedokáže.

1. Vstupní výkon měřte při normálním napájecím napětí spotřebiče s produkčním ovladačem v konstrukčním provozním bodě, nikoli ve jmenovitém bodě motoru.
2. Změřte současně točivý moment a otáčky hřídele. Účinnost je točivý moment krát úhlová rychlost dělená elektrickým příkonem; odhad točivého momentu z proudu je přijatelné pouze jako první průchod.
3. Před záznamem dat běžte alespoň 90 minut, aby vinutí a magnety dosáhly teplotně ustáleného stavu.
4. Opakujte na dolní a horní hranici regulačního rozsahu a při nejhorším případě okolní teploty.
5. Porovnejte aktuální odběr se schváleným vzorkem pomocí tolerančního pásma, které jste ochotni vynutit; plus minus 10 % na proud a 5 % na otáčky pokrývá normální výrobní rozptyl u malých motorů.

Pro tyto aplikace stavíme jak střídavé, tak stejnosměrné motorové řady - motory na studený vzduch, topné motory, motory na olejové výpary zapouzdřené v plastech a řadu stejnosměrných - a vyvíjíme zákaznické výkresy nebo vzorky tam, kde standardní série nevyhovuje.

Denní kapacita nad 80 000 jednotek je zde důležitá v jiném smyslu: vzorek, který schválíte, musí být reprodukovatelný v objemu a konzistence v rámci zásilky má větší hodnotu než maximální číslo, kterého může dosáhnout pouze prototyp.

Účinnost bezkomutátorového stejnosměrného motoru je vlastnost systému. Motor přispěje jednou ztrátou, řidič druhou a oběžné kolo, potrubí a okolní teplota rozhodují o tom, kde na křivce spotřebič skutečně žije. Nic z toho nelze vyřešit porovnáním čísel špiček ve dvou uvozovkách. Pracovní příkaz je přímočarý: definujte skutečný provozní bod, požádejte o účinnost v tomto bodě s produkčním pohonem, otestujte jej za tepla a uvnitř skutečného krytu a považujte mezeru mezi špičkovou a provozní účinností za číslo, které se zobrazuje na měřidle.

Pokud žádná standardní řada nevyhovuje tomuto provoznímu bodu, lze motor obvykle vyvinout podle něj – a tak většina motorů malých spotřebičů na trhu dosáhla svého současného tvaru.