Hiệu suất động cơ DC không chổi than: Điều gì thực sự thúc đẩy hiệu suất trong các thiết bị gia dụng

Hai máy làm mát không khí xuất xưởng cùng một nhà máy với cùng một cánh quạt, cùng một vỏ và cùng mức định mức luồng khí. Một người rút 42 W; cái còn lại thu được 34 W. Trên giấy tờ, sự khác biệt là động cơ, nhưng trên thực tế, nó là động cơ, thiết bị điện tử truyền động và điểm chính xác trên đường cong nơi thiết bị giữ động cơ khi nó chạy.

Kết luận đầu tiên: hiệu quả của một động cơ DC không chổi than được quyết định bởi ba điều mà bạn thực sự có thể thiết kế và kiểm tra - mức tổn thất bên trong động cơ, mức tổn thất trong thiết bị điện tử chuyển mạch nó và điểm vận hành mà ứng dụng buộc nó phải chạy. Đỉnh biểu dữ liệu là một điểm trên đường cong. Số tiền mà khách hàng phải trả trong hơn 10 năm là giá trị trung bình có trọng số theo chu kỳ hoạt động thực tế, nhiệt độ môi trường và sức cản của luồng không khí.

Căn chỉnh ba thứ đó và một động cơ BLDC nhỏ thường sẽ cắt giảm công suất đầu vào từ một phần tư đến một phần ba so với động cơ cảm ứng một pha cực bóng hoặc cơ bản có kích thước khung tương tự trong ứng dụng quạt. Hãy hiểu sai - động cơ quá khổ, bỏ qua trình điều khiển, để nó chạy ở mức tải 15% - và một động cơ "hiệu suất cao" hoạt động lặng lẽ như một động cơ bình thường.

Hiệu quả là một đường cong, không phải một con số

Hiệu quả được biểu thị dưới dạng một con số vì những con số riêng lẻ rất dễ so sánh. Trong một thiết bị, nó hoạt động giống như một đường cong có đỉnh rộng nhưng hữu hạn. Trong các động cơ không chổi than nhỏ được sử dụng trong bộ làm mát không khí, quạt làm mát và máy hút mùi, hiệu suất cao nhất thường rơi vào dải 80-90% khi công suất trục được đo bằng bộ dẫn động riêng của động cơ đi kèm. Động cơ tương tự được đẩy đến 15-20% mô-men xoắn định mức thường giảm xuống khoảng 50-60%, vì tổn hao sắt, tổn hao gió và tổn hao chuyển mạch không co lại khi có tải. Một động cơ cực bóng có kích thước tương đương thường được báo giá ở khoảng từ 20% đến 40%, đó là lý do tại sao việc hoán đổi lại đáng thực hiện.

Phần trên của đường cong thường nằm ở nửa trên của dải tốc độ, ở mức khoảng 60-85% mô-men xoắn định mức và nó vẫn phẳng ở giữa dải tốc độ so với hầu hết người mua mong đợi. Độ phẳng đó là phần hữu ích: một động cơ có kích thước phù hợp với điểm làm việc thực tế, không phải để khởi động trong trường hợp xấu nhất, dành phần lớn thời gian hoạt động của nó ở gần đỉnh thay vì trên dốc.

Bốn điều đáng được yêu cầu từ nhà cung cấp trước khi cuộc trò chuyện chuyển sang vấn đề giá cả:

• Bản đồ hiệu suất hoặc tối thiểu ba điểm - tải thấp, trung bình và định mức - thay vì một con số cao nhất.
• Công suất đầu vào được đo tại điểm thiết kế của thiết bị, với cánh quạt và vỏ sản xuất, không phải trên trục trần.
• Một tuyên bố rõ ràng về việc người lái xe và tổn thất của nó nằm trong hay ngoài con số được trích dẫn.
• Nhiệt độ cuộn dây và nam châm sau trạng thái ổn định nhiệt - hai giờ chứ không phải hai phút.

Nếu thuật ngữ vẫn ổn định, chúng tôi những kiến thức cơ bản về động cơ là nơi hợp lý để kiểm tra các định nghĩa trước khi bạn so sánh báo giá từ các nhà cung cấp khác nhau.

Những tổn thất thực sự đi đến đâu

Động cơ không chổi than đạt được hiệu suất cao vì một lý do cụ thể: việc tháo chổi sẽ loại bỏ hai đường dẫn tổn thất cùng một lúc. Tiếp xúc chổi than tạo ra ma sát và nó cũng tạo ra sự sụt giảm điện áp gần như không đổi, tỷ lệ năng lượng đầu vào càng lớn thì điện áp nguồn càng thấp. Trên động cơ chổi than 12 V, riêng giao diện chổi than có thể tiêu thụ vài phần trăm điện năng đầu vào trước khi xem xét phần còn lại của máy.

Thứ thay thế bàn chải là một bộ biến tần và nó không miễn phí. Cầu ba pha với sáu MOSFET sẽ làm tăng thêm tổn thất dẫn điện và tổn thất chuyển mạch, đồng thời trình điều khiển không phù hợp có thể chiếm 10-20% tổng tổn thất. Chuyển mạch sáu bước là rẻ và hoàn toàn phù hợp cho quạt tốc độ cố định; Điều khiển hướng trường có thể khôi phục một số điểm trong đó động cơ dành thời gian ở mức tải một phần, với chi phí là bộ vi điều khiển nhanh hơn và nhiều thời gian kỹ thuật hơn.

Hai chi tiết quan trọng hơn hầu hết các thông số kỹ thuật đề xuất. Cấp độ cán mỏng là loại đầu tiên: chuyển sang loại thép mỏng hơn, có điện trở suất cao hơn sẽ làm giảm phần tổn thất do dòng điện xoáy của sắt, đây là phần dễ bị ảnh hưởng nhất. Sự kết hợp giữa cực rãnh và độ lệch là nguyên nhân thứ hai: chúng hình thành nên tổn thất tản lạc và tổn thất hài hòa, cũng như quan trọng không kém là tiếng ồn mà thiết bị tạo ra ở cài đặt tốc độ yên tĩnh nhất.

Một động cơ có kích thước cao hơn tám điểm trên băng ghế có thể mất đi lợi thế đó ngay khi nó được bắt vít vào một vỏ có bánh công tác khác và ống dẫn dài hơn.

Tải và nhiệt độ di chuyển điểm vận hành như thế nào

Tải của quạt và quạt gió tuân theo hai quy tắc gần đúng: mô-men xoắn tăng theo bình phương tốc độ và công suất trục theo lập phương. Việc giảm một nửa tốc độ sẽ cắt luồng không khí xuống còn khoảng một nửa và giảm công suất trục xuống còn khoảng một phần tám. Đó là lập luận mạnh mẽ nhất về tốc độ thay đổi trong máy hút mùi và máy làm mát không khí, bởi vì phần lớn năng lượng được sử dụng ở mức cao nhất của phạm vi tốc độ trong khi phần lớn thời gian hoạt động được sử dụng ở mức thấp hơn nhiều.

Điều ngược lại cũng đúng. Trong một thiết bị, hiệu suất không chỉ là đặc tính của động cơ; nó là một thuộc tính của động cơ cộng với đường dẫn khí. Bộ lọc bị tắc, ống dẫn bị xoắn hoặc lưới tản nhiệt có kích thước hơi nhỏ sẽ làm tăng áp suất tĩnh, tăng mô-men xoắn mà bánh công tác yêu cầu ở cùng tốc độ và trượt động cơ xuống phía bên phải của đường cong. Một động cơ có công suất cực đại vẫn có thể kết thúc tuổi thọ của nó với hiệu suất 60% vì đường dẫn khí không bao giờ phù hợp với nó.

Nhiệt độ cũng làm thay đổi các con số. Điện trở cuộn dây đồng tăng khoảng 0,39% mỗi độ C, do đó, cuộn dây nóng lên từ 25 đến 90 độ sẽ làm tăng thêm khoảng một phần tư tổn thất điện trở của nó ở cùng dòng điện. Nam châm vĩnh cửu mất từ ​​thông khi chúng nóng lên - NdFeB thiêu kết khoảng 0,11-0,12% mỗi độ C - do đó, mô-men xoắn có sẵn ở 100 độ thấp hơn đáng kể so với mô-men xoắn danh mục đo được ở nhiệt độ phòng. Việc chọn loại nam châm nặng hơn hoặc đường dẫn nhiệt tốt hơn đến vỏ là một quyết định về chi phí chứ không phải là vấn đề kỹ thuật.

Máy làm mát không khí minh họa rõ ràng vấn đề. Chúng chạy hàng giờ ở điều kiện thay đổi theo thời tiết, vì vậy động cơ phải duy trì hiệu suất hợp lý trên dải rộng thay vì ở một điểm lý tưởng. Đó chính là điểm mấu chốt mà chúng tôi thiết kế động cơ làm mát không khí.

AC hoặc BLDC: Kết hợp động cơ với thiết bị

Brushless không tự động là sự lựa chọn đúng đắn. Động cơ chạy bằng tụ điện một pha không có thiết bị điện tử, không có cảm biến vị trí rôto, không có phần sụn và rất ít bộ phận. Trong một thiết bị có tốc độ cố định có chu kỳ làm việc hàng ngày ngắn, năng lượng được BLDC tiết kiệm có thể không hoàn trả được chi phí tăng thêm trong vòng đời của sản phẩm. Tính toán đó thay đổi ngay khi tải thay đổi, chu kỳ làm việc kéo dài hoặc thiết bị dự kiến ​​sẽ hoạt động yên tĩnh ở tốc độ thấp.

Khi giải pháp thay thế AC vẫn thắng

Hoạt động ở tốc độ cố định, mục tiêu chi phí cao, nguồn điện lưới bẩn hoặc không ổn định và chu kỳ làm việc ngắn đều có lợi cho động cơ không đồng bộ một pha. Nếu thiết bị chỉ cần một luồng không khí và chạy 20 phút mỗi ngày thì câu trả lời trung thực nhất về mặt kỹ thuật thường là loại máy đơn giản hơn.

Mũ trùm phạm vi nằm ở phía bên kia của dòng đó. Nhu cầu hút tăng và giảm tùy theo vật dụng trên bếp và khoảng cách giữa mức sôi nhẹ và chảo nóng là một yếu tố của luồng không khí. Động cơ DC cộng với bộ điều khiển cho phép máy hút mùi tuân theo tải thay vì chuyển đổi giữa ba vòi và đó là nơi bắt nguồn phần lớn khả năng tiết kiệm năng lượng - không phải từ động cơ riêng biệt. Chúng tôi đã xem xét sự so sánh chi tiết hơn trong một bài viết trên Động cơ DC của máy hút mùi cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng như thế nào so với động cơ AC truyền thống .

Những điều cần xác minh trước khi bạn phê duyệt một chiếc xe máy

Xác minh rẻ hơn so với làm lại. Bài kiểm tra dự bị tại thời điểm thiết kế mất nửa ngày và trả lời các câu hỏi mà biểu dữ liệu không thể thực hiện được.

1. Đo công suất đầu vào ở điện áp nguồn bình thường của thiết bị, bằng bộ điều khiển sản xuất, tại điểm hoạt động thiết kế thay vì điểm định mức của động cơ.
2. Đo mô-men xoắn trục và tốc độ cùng một lúc. Hiệu suất là mô-men xoắn nhân với tốc độ góc chia cho công suất điện đầu vào; ước tính mô-men xoắn từ dòng điện chỉ được chấp nhận ở lần vượt qua đầu tiên.
3. Chạy ít nhất 90 phút trước khi ghi dữ liệu để cuộn dây và nam châm đạt trạng thái ổn định nhiệt.
4. Lặp lại ở đầu thấp và cao của phạm vi kiểm soát và ở nhiệt độ môi trường trong trường hợp xấu nhất.
5. So sánh bản vẽ hiện tại với mẫu đã được phê duyệt, sử dụng phạm vi dung sai mà bạn sẵn sàng thực thi; cộng hoặc trừ 10% dòng điện và 5% tốc độ bao gồm mức chênh lệch sản lượng thông thường ở động cơ nhỏ.

Chúng tôi chế tạo cả dòng động cơ AC và DC cho các ứng dụng này - động cơ không khí lạnh, động cơ sưởi, động cơ khói dầu bọc nhựa và dải DC - và chúng tôi phát triển theo bản vẽ hoặc mẫu của khách hàng khi loạt tiêu chuẩn không phù hợp.

Công suất hàng ngày trên 80.000 đơn vị ở đây quan trọng theo một nghĩa khác: mẫu bạn phê duyệt phải có thể tái sản xuất với số lượng lớn và tính nhất quán trong toàn bộ lô hàng có giá trị cao hơn con số cao nhất mà chỉ nguyên mẫu mới có thể đạt tới.

Hiệu suất của động cơ DC không chổi than là một thuộc tính của hệ thống. Động cơ đóng góp một phần tổn thất, người lái đóng góp một phần khác, và cánh quạt, ống dẫn và nhiệt độ môi trường xung quanh quyết định vị trí thực sự tồn tại trên đường cong của thiết bị. Không điều nào trong số đó có thể được giải quyết bằng cách so sánh các số đỉnh trong hai trích dẫn. Trình tự công việc rất đơn giản: xác định điểm làm việc thực, yêu cầu hiệu quả tại thời điểm đó với bộ truyền động sản xuất, kiểm tra độ ấm và bên trong vỏ thực, đồng thời xử lý khoảng cách giữa hiệu suất cao nhất và hiệu suất vận hành như con số hiển thị trên đồng hồ.

Nếu không có dòng tiêu chuẩn nào phù hợp với điểm vận hành đó, thì động cơ thường có thể được phát triển theo điểm vận hành đó - đó là lý do khiến hầu hết các động cơ thiết bị nhỏ trên thị trường đạt được hình dạng hiện tại ngay từ đầu.