Два воздухоохладителя выпускаются с одного завода с одинаковыми лопастями, одинаковым корпусом и одинаковым номинальным потоком воздуха. Один потребляет 42 Вт; другой потребляет 34 Вт. На бумаге разница заключается в двигателе, но на практике это двигатель, электроника привода и точная точка на кривой, в которой прибор удерживает двигатель во время его работы.
Вывод первый: эффективность бесщеточный двигатель постоянного тока определяется тремя вещами, которые вы действительно можете спроектировать и проверить: бюджетом потерь внутри двигателя, бюджетом потерь в электронике, переключающей его, и рабочей точкой, в которой приложение заставляет его работать. Пик таблицы данных — это одна точка на кривой. Сумма, которую клиент платит более десяти лет, представляет собой средневзвешенное значение для реальных рабочих циклов, температуры окружающей среды и сопротивления воздушному потоку.
Выровняйте эти три, и небольшой двигатель BLDC, как правило, снизит входную мощность на четверть-треть по сравнению с обычным однофазным асинхронным двигателем с экранированными полюсами или базовым однофазным двигателем аналогичного размера в вентиляторе. Поймите их неправильно — увеличьте мощность двигателя, игнорируйте драйвер, дайте ему поработать с нагрузкой 15 % — и двигатель с «высоким КПД» будет вести себя спокойно, как обычный.
Эффективность — это кривая, а не число
Эффективность указывается в виде одной цифры, поскольку отдельные цифры легко сравнивать. В приборе она ведет себя как кривая с широкой, но конечной вершиной. В небольших бесщеточных двигателях, используемых в воздухоохладителях, вентиляторах и вытяжных шкафах, пиковый КПД обычно находится в диапазоне 80–90 %, когда мощность на валу измеряется с использованием собственного драйвера двигателя. Крутящий момент одного и того же двигателя, работающий до 15–20 % от номинального, часто падает до диапазона 50–60 %, поскольку потери в железе, сопротивление обмотки и потери на переключение не уменьшаются при нагрузке. Двигатель с экранированными полюсами сопоставимого размера обычно оценивается где-то между 20% и 40%, поэтому замену вообще стоит делать.
Верх кривой обычно находится в верхней половине диапазона скоростей, примерно при 60-85% номинального крутящего момента, и в середине диапазона он остается более пологим, чем ожидает большинство покупателей. Эта плоскостность является полезной: двигатель, рассчитанный на реальную рабочую точку, а не на запуск в худшем случае, проводит большую часть своего срока службы вблизи вершины, а не на склоне.
Прежде чем разговор перейдет к цене, стоит потребовать от поставщика четырех вещей:
- Карта эффективности или как минимум три точки — низкая, средняя и номинальная нагрузка, а не одна пиковая цифра.
- Входная мощность измерена в расчетной точке устройства, с заводским рабочим колесом и корпусом, а не на голом валу.
- Четкое заявление о том, находятся ли драйвер и его потери внутри или за пределами указанного числа.
- Температура обмотки и магнита после термостабильного состояния - два часа, а не две минуты.
Если терминология все еще устоялась, наш базовые знания о двигателях это разумное место для проверки определений, прежде чем сравнивать предложения разных поставщиков.
Пиковое значение, измеренное при 24 В на открытом валу с лабораторным драйвером, несопоставимо с измеренным при 12 В через производственную плату внутри герметичного корпуса. Два поставщика, заявляющие о «эффективности 88%», могут описывать две разные машины.
Куда на самом деле идут потери
Бесщеточные двигатели выигрывают по эффективности по определенной причине: удаление щеток устраняет сразу два пути потерь. Щеточный контакт создает трение, а также примерно постоянное падение напряжения, доля которого во входной мощности становится тем больше, чем ниже напряжение питания. В щеточном двигателе на 12 В только интерфейс щетки может потреблять несколько процентов входной мощности, прежде чем будет учтена остальная часть машины.
Щетки заменяет инвертор, и он не бесплатен. Трехфазный мост с шестью МОП-транзисторами добавляет потери проводимости и переключения, а плохо подобранный драйвер может составлять 10–20% общих потерь. Шестиступенчатая коммутация дешева и вполне достаточна для вентилятора с фиксированной скоростью; управление, ориентированное на поле, может восстановить несколько точек, в которых двигатель проводит время при частичной нагрузке, за счет более быстрого микроконтроллера и большего времени на проектирование.
| Механизм потерь | Типичная доля в общих потерях | Рычаг первичной конструкции |
|---|---|---|
| Статор медный (резистивный) | 30-45% | Коэффициент заполнения медью, плотность тока, тепловой путь к корпусу |
| Железо (гистерезис и вихревой ток) | 15-25% | Класс и толщина ламинирования, плотность потока, геометрия паза |
| Приводная электроника (проводимость и коммутация) | 10-20% | Сопротивление открытого состояния МОП-транзистора, частота переключения, схема модуляции |
| Подшипники, парусность и сопротивление ротора | 5-15% | Тип подшипника и преднатяг, выравнивание вала, балансировка рабочего колеса |
| Случайные и гармонические потери | 3-10% | Щелево-полюсное совмещение, перекос, допуски изготовления |
Две детали имеют большее значение, чем можно предположить в большинстве спецификаций. Марка ламинирования является первой: переход на более тонкую сталь с более высоким удельным сопротивлением снижает потери в железе, связанные с вихревыми токами, на которые легче всего повлиять. Комбинация щелевых полюсов и перекос являются вторыми: они формируют паразитные и гармонические потери и, что не менее важно, шум, который прибор издает на самой тихой скорости.
Двигатель, который на стенде измеряет на восемь баллов выше, может потерять это преимущество в тот момент, когда его привинтят к корпусу с другим рабочим колесом и более длинным воздуховодом.
Как нагрузка и температура перемещают рабочую точку
Нагрузка на вентиляторы подчиняется двум приблизительным правилам: крутящий момент увеличивается пропорционально квадрату скорости, а мощность на валу - кубу. Уменьшение скорости вдвое сокращает поток воздуха примерно вдвое и мощность на валу примерно на восьмую. Это самый сильный аргумент в пользу регулируемой скорости в вытяжках и воздухоохладителях, поскольку большая часть энергии расходуется в верхней части диапазона скоростей, тогда как большая часть рабочего времени тратится значительно ниже этого диапазона.
Обратное также верно. В устройстве эффективность не является свойством только двигателя; это свойство двигателя плюс воздушный путь. Засоренный фильтр, изогнутый воздуховод или решетка немного меньшего размера повышают статическое давление, увеличивают крутящий момент, требуемый крыльчаткой на той же скорости, и смещают двигатель вниз по правой стороне кривой. Двигатель с большим пиком все равно может закончить свой срок с КПД 60%, потому что воздушный путь никогда не был согласован с ним.
Температура также меняет цифры. Сопротивление медной обмотки увеличивается примерно на 0,39% на градус Цельсия, поэтому обмотка, нагревающаяся от 25 до 90 градусов, добавляет примерно четверть к ее резистивным потерям при том же токе. Постоянные магниты теряют магнитный поток по мере нагревания (спеченный NdFeB составляет около 0,11-0,12% на градус Цельсия), поэтому крутящий момент, доступный при 100 градусах, значительно ниже каталожного крутящего момента, измеренного при комнатной температуре. Выбор более тяжелого класса магнита или лучшего теплового пути к корпусу является экономическим, а не техническим решением.
Каждый двигатель имеет фиксированный минимальный уровень потерь: сопротивление подшипника, парусность и потери на переключение, которые никогда не исчезают при низкой нагрузке. Вот почему эффективность падает до нуля, когда скорость приближается к нулю, и почему вопрос «эффективность на очень низкой скорости» является вводящим в заблуждение вопросом. Полезный вопрос — это общая энергия, потребляемая за рабочий цикл.
Воздухоохладители хорошо иллюстрируют эту проблему. Они работают часами в условиях, зависящих от погоды, поэтому двигатель должен сохранять разумную эффективность в широком диапазоне, а не в одном благоприятном моменте. Именно с учетом этого мы проектируем двигатели с воздушным охлаждением.
AC или BLDC: согласование двигателя с устройством
Бесщеточный вариант не является автоматически правильным выбором. Однофазный двигатель с конденсаторным питанием не имеет никакой электроники, датчиков положения ротора, встроенного программного обеспечения и очень небольшого количества деталей. В устройствах с фиксированной скоростью и коротким ежедневным рабочим циклом энергия, сэкономленная BLDC, может не окупить добавленную стоимость в течение срока службы продукта. Этот расчет меняется, как только нагрузка меняется, рабочий цикл увеличивается или ожидается, что прибор будет работать тихо на низкой скорости.
Когда альтернатива переменного тока все еще побеждает
Работа с фиксированной скоростью, агрессивные целевые показатели затрат, загрязненное или нестабильное электропитание, а также короткий рабочий цикл – все это благоприятствует однофазному асинхронному двигателю. Если прибору требуется только один поток воздуха и он работает двадцать минут в день, честным инженерным ответом обычно будет более простая машина.
Вытяжки располагаются по другую сторону этой линии. Потребность в всасывании возрастает и падает в зависимости от того, что находится на варочной панели, а промежуток между слабым кипением и горячей сковородой в несколько раз влияет на поток воздуха. Двигатель постоянного тока плюс управление позволяет вытяжке следить за нагрузкой вместо переключения между тремя кранами, и именно здесь происходит большая часть экономии энергии, а не за счет двигателя в отдельности. Более подробно сравнение мы рассмотрели в статье о как двигатели постоянного тока вытяжек повышают энергоэффективность по сравнению с традиционными двигателями переменного тока .
Что необходимо проверить перед одобрением двигателя
Проверка обходится дешевле, чем доработка. Стендовые испытания на этапе проектирования занимают полдня и отвечают на вопросы, на которые не могут ответить технические характеристики.
- Измерьте входную мощность при нормальном напряжении питания устройства с серийным драйвером в расчетной рабочей точке, а не в номинальной точке двигателя.
- Одновременно измерьте крутящий момент и скорость вала. КПД равен крутящему моменту, умноженному на угловую скорость, деленному на потребляемую электрическую мощность; оценка крутящего момента по току допустима только в качестве первого прохода.
- Перед записью данных дайте поработать не менее 90 минут, чтобы обмотки и магниты достигли термического устойчивого состояния.
- Повторите действия для нижнего и верхнего пределов диапазона регулирования и при наихудшей температуре окружающей среды.
- Сравните текущий расход с утвержденным образцом, используя диапазон допуска, который вы готовы соблюдать; плюс-минус 10 % по току и 5 % по скорости соответствует нормальному разбросу производительности малых двигателей.
Один час испытаний на реальном рабочем месте обычно стоит меньше, чем одна партия, возвращаемая с места эксплуатации. Если заявленная эффективность не может быть воспроизведена в вашем собственном доме, она также не будет отражена в счете за электроэнергию конечного пользователя.
Для этих применений мы создаем линейки двигателей как переменного, так и постоянного тока - двигатели для холодного воздуха, двигатели для нагрева, двигатели с масляным дымом в пластиковом корпусе и двигатели постоянного тока - и разрабатываем по чертежам или образцам заказчика, где стандартная серия не подходит.
Ежедневная производительность выше 80 000 единиц здесь имеет значение в другом смысле: одобренный вами образец должен быть воспроизводимым в объеме, а стабильность всей партии значит больше, чем пиковый показатель, которого может достичь только прототип.
КПД бесщеточного двигателя постоянного тока является свойством системы. Двигатель вносит свой вклад в один бюджет потерь, привод вносит другой, а рабочее колесо, воздуховод и температура окружающей среды определяют, где на кривой фактически находится прибор. Ничто из этого не может быть решено путем сравнения пиковых чисел в двух цитатах. Порядок работы прост: определите реальную рабочую точку, запросите эффективность в этой точке с помощью производственного привода, протестируйте ее в тепле и внутри реального корпуса и рассматривайте разницу между пиковой и операционной эффективностью как число, которое отображается на счетчике.
Если ни одна стандартная серия не соответствует этой рабочей точке, двигатель обычно можно доработать под нее - именно так большинство двигателей для небольших бытовых приборов, представленных на рынке, изначально пришли к своей нынешней форме.
++86 13524608688
