Effektivitet for børsteløs jævnstrømsmotor: Hvad der virkelig driver ydeevnen i apparater

To luftkølere forlader den samme fabrik med det samme blad, det samme hus og den samme luftmængde. Man trækker 42 W; den anden trækker 34 W. På papiret er forskellen motoren, men i praksis er det motoren, drivelektronikken og det præcise punkt på kurven, hvor apparatet holder motoren, mens den kører.

Konklusionen først: effektiviteten af en børsteløs jævnstrømsmotor afgøres af tre ting, du faktisk kan konstruere og kontrollere - tabsbudgettet inde i motoren, tabsbudgettet i elektronikken, der skifter den, og det driftspunkt, applikationen tvinger den til at køre på. Et dataarktop er ét punkt på en kurve. Hvad en kunde betaler for over ti år er et vægtet gennemsnit på tværs af reelle driftscyklusser, omgivende temperaturer og luftstrømsmodstand.

Få disse tre justeret, og en lille BLDC-motor vil typisk skære indgangseffekten med en kvart til en tredjedel mod en skraveret-polet eller grundlæggende enfaset induktionsmotor af lignende rammestørrelse i en ventilatorapplikation. Få dem forkert - overdimensioner motoren, ignorer driveren, lad den køre med 15% belastning - og en "højeffektiv" motor opfører sig stille og roligt som en almindelig en.

Effektivitet er en kurve, ikke et tal

Effektivitet er angivet som et enkelt tal, fordi enkelttal er nemme at sammenligne. I et apparat opfører det sig som en kurve med en bred, men endelig top. I små børsteløse motorer, der bruges i luftkølere, køleventilatorer og emhætter, falder spidseffektiviteten normalt i 80-90%-båndet, når akseleffekt måles med motorens egen driver inkluderet. Den samme motor, der er skubbet til 15-20 % af det nominelle drejningsmoment, falder ofte til 50-60 %-området, fordi jerntab, vind og koblingstab ikke krymper, når belastningen gør det. En skraveret-polet motor af sammenlignelig størrelse er normalt citeret et sted mellem 20% og 40%, hvorfor byttet overhovedet er værd at gøre.

Toppen af ​​kurven sidder normalt i den øverste halvdel af hastighedsområdet med omkring 60-85 % af det nominelle drejningsmoment, og det forbliver fladere gennem midten af ​​området, end de fleste købere forventer. Den fladhed er den nyttige del: en motor, der er dimensioneret til det rigtige driftspunkt, ikke til en worst-case start, bruger det meste af sit liv nær toppen i stedet for på skråningen.

Fire ting er værd at kræve af en leverandør, før samtalen går over i pris:

• Et effektivitetskort eller mindst tre punkter - lav, mellem og nominel belastning - i stedet for et toptal.
• Indgangseffekt målt ved apparatets designpunkt, med produktionshjulet og huset, ikke på en blottet aksel.
• En klar erklæring om, hvorvidt føreren og dens tab sidder inden for eller uden for det angivne nummer.
• Opvikling og magnettemperatur efter termisk steady state - to timer, ikke to minutter.

Hvis terminologien stadig er ved at sætte sig, vores grundlæggende videnspunkter om motorer er et rimeligt sted at tjekke definitioner, før du sammenligner tilbud fra forskellige leverandører.

Hvor tabene rent faktisk går hen

Børsteløse motorer vinder på effektivitet af en bestemt årsag: fjernelse af børsterne fjerner to tabsveje på én gang. Børstekontakt skaber friktion, og det skaber også et nogenlunde konstant spændingsfald, som bliver en større andel af indgangseffekten, jo lavere forsyningsspændingen er. På en 12 V børstet motor kan børstegrænsefladen alene forbruge flere procent af inputeffekten, før resten af ​​maskinen tages i betragtning.

Det, der erstatter børsterne, er en inverter, og den er ikke gratis. En trefaset bro med seks MOSFET'er tilføjer ledningstab og koblingstab, og en dårligt matchet driver kan tegne sig for 10-20 % af de samlede tab. Seks-trins kommutering er billig og helt passende for en ventilator med fast hastighed; feltorienteret kontrol kan genvinde nogle få punkter, hvor motoren bruger tid ved delvis belastning, på bekostning af en hurtigere mikrocontroller og mere ingeniørtid.

To detaljer betyder mere end de fleste spec-ark antyder. Lamineringskvaliteten er den første: Flytning til et tyndere stål med højere resistivitet reducerer hvirvelstrømsdelen af ​​jerntab, som er den del, der er lettest at påvirke. Slot-pole-kombination og skævhed er den anden: De former vildfarne og harmoniske tab og, lige så vigtigt, den støj, som apparatet laver ved dens laveste hastighedsindstilling.

En motor, der måler otte point højere på en bænk, kan miste denne fordel i det øjeblik, den er boltet ind i et hus med et andet pumpehjul og en længere kanal.

Hvordan belastning og temperatur flytter driftspunktet

Blæser- og blæserbelastninger følger to omtrentlige regler: drejningsmomentet stiger med kvadratet på hastigheden, og akselkraften med terningen. Halvering af hastigheden reducerer luftstrømmen til omkring det halve og reducerer akseleffekten til cirka en ottendedel. Det er det stærkeste argument for variabel hastighed i emhætter og luftkølere, fordi det meste af energien bruges i toppen af ​​hastighedsområdet, mens det meste af driftstiden bruges et godt stykke under det.

Det omvendte er også sandt. I et apparat er effektivitet ikke en egenskab ved motoren alene; det er en egenskab ved motoren plus luftvejen. Et tilstoppet filter, en knækket kanal eller et lidt underdimensioneret gitter øger det statiske tryk, øger det drejningsmoment, pumpehjulet kræver ved samme hastighed, og glider motoren ned i højre side af sin kurve. En motor med en generøs top kan stadig afslutte sin levetid med 60 % effektivitet, fordi luftvejen aldrig blev tilpasset til den.

Temperaturen ændrer også tallene. Kobberviklingsmodstanden stiger omkring 0,39 % pr. grad Celsius, så en vikling, der opvarmes fra 25 til 90 grader, tilføjer omtrent en fjerdedel til dets resistive tab ved samme strøm. Permanente magneter mister flux, når de opvarmes - sintrede NdFeB omkring 0,11-0,12% pr. At vælge en tungere magnetkvalitet eller en bedre termisk vej til huset er en omkostningsbeslutning, ikke en teknisk.

Luftkølere illustrerer problemet godt. De kører i timevis under forhold, der driver med vejret, så motoren skal holde en rimelig effektivitet over et bredt bånd i stedet for på et flatterende punkt. Det er den opgave, vi designer luftkølermotorer imod.

AC eller BLDC: Tilpasning af motoren til apparatet

Børsteløs er ikke automatisk det rigtige valg. En enfaset kondensatordrevet motor har ingen elektronik, ingen rotorpositionsføling, ingen firmware og meget få dele. I et apparat med fast hastighed med en kort daglig driftscyklus kan den energi, der spares af en BLDC, muligvis ikke tilbagebetale de ekstra omkostninger i produktets levetid. Denne beregning ændres, så snart belastningen varierer, arbejdscyklussen bliver lang, eller apparatet forventes at være stille ved lav hastighed.

Når AC-alternativet stadig vinder

Drift med fast hastighed, aggressive omkostningsmål, snavset eller ustabil netforsyning og en kort driftscyklus alle favoriserer en enfaset asynkron motor. Hvis apparatet kun har brug for én luftstrøm og kører tyve minutter om dagen, er det ærlige tekniske svar som regel den enklere maskine.

Emhætter sidder på den anden side af den linje. Sugebehovet stiger og falder med det, der er på kogepladen, og afstanden mellem en blid simring og en varm pande er en faktor på flere i luftstrømmen. En jævnstrømsmotor plus styring lader emhætten følge belastningen i stedet for at skifte mellem tre vandhaner, og det er der, størstedelen af ​​energibesparelsen stammer fra – ikke fra motoren isoleret. Vi så nærmere på sammenligningen i en artikel vedr hvordan emhætte DC-motorer forbedrer energieffektiviteten sammenlignet med traditionelle AC-motorer .

Hvad skal du kontrollere, før du godkender en motor

Verifikation er billigere end omarbejde. En bænktest på designstedet tager en halv dag og besvarer spørgsmål, som et datablad ikke kan.

1. Mål indgangseffekten ved apparatets normale forsyningsspænding med produktionsdriveren ved designdriftspunktet i stedet for motorens nominelle punkt.
2. Mål akselmoment og hastighed på samme tid. Effektivitet er drejningsmoment gange vinkelhastighed divideret med elektrisk indgangseffekt; estimering af drejningsmoment fra strøm er kun acceptabelt som en første passage.
3. Kør mindst 90 minutter før optagelse af data, så viklinger og magneter når termisk stabil tilstand.
4. Gentag i den lave og høje ende af kontrolområdet og i værste fald omgivende temperatur.
5. Sammenlign strømtræk med den godkendte prøve ved at bruge et tolerancebånd, du er villig til at håndhæve; plus eller minus 10 % på strøm og 5 % på hastighed dækker normal produktionsspredning i små motorer.

Vi bygger både AC- og DC-motorlinjer til disse applikationer - koldluftmotorer, varmemotorer, plastindkapslede olierøgsmotorer og DC-serien - og vi udvikler til kundetegninger eller prøver, hvor en standardserie ikke passer.

Daglig kapacitet over 80.000 enheder betyder noget her i en anden forstand: prøven, du godkender, skal være reproducerbar i volumen, og konsistens på tværs af en forsendelse er mere værd end et toptal, som kun prototypen kan nå.

Effektivitet for børsteløs jævnstrømsmotor er en systemegenskab. Motoren bidrager med et tabsbudget, driveren bidrager med et andet, og pumpehjulet, kanalen og omgivelsestemperaturen bestemmer, hvor på kurven apparatet rent faktisk bor. Intet af det kan afgøres ved at sammenligne peak-tal i to citater. Arbejdsordren er ligetil: Definer det reelle driftspunkt, spørg efter effektivitet på det tidspunkt med produktionsdrevet, test det varmt og inde i det rigtige hus, og behandl kløften mellem spids- og driftseffektivitet som det tal, der vises på måleren.

Hvis ingen standardserier passer til det driftspunkt, kan motoren normalt udvikles til det - hvilket er hvordan de fleste små apparatmotorer på markedet i første omgang ankom til deres nuværende form.