Twee luchtkoelers verlaten dezelfde fabriek met hetzelfde blad, dezelfde behuizing en hetzelfde luchtstroomvermogen. Eén trekt 42 W; de andere trekt 34 W. Op papier is het verschil de motor, maar in de praktijk is het de motor, de aandrijfelektronica en het exacte punt op de curve waar het apparaat de motor vasthoudt terwijl deze draait.
Eerst de conclusie: de efficiëntie van a borstelloze gelijkstroommotor wordt bepaald door drie dingen die u feitelijk kunt ontwerpen en controleren: het verliesbudget in de motor, het verliesbudget in de elektronica die de motor inschakelt, en het werkpunt waarop de toepassing de motor dwingt te draaien. Een datasheetpiek is één punt op een curve. Wat een klant over een periode van tien jaar betaalt, is een gewogen gemiddelde over reële bedrijfscycli, omgevingstemperaturen en luchtstroomweerstand.
Als u deze drie op één lijn brengt, zal een kleine BLDC-motor het ingangsvermogen doorgaans met een kwart tot een derde verminderen ten opzichte van een schaduwpolige of eenvoudige eenfasige inductiemotor met een vergelijkbare framegrootte in een ventilatortoepassing. Begrijp ze verkeerd - overmaat de motor, negeer de bestuurder, laat hem draaien op 15% belasting - en een "hoog rendement" motor gedraagt zich stilletjes als een gewone motor.
Efficiëntie is een curve, geen getal
Efficiëntie wordt in één cijfer vermeld, omdat afzonderlijke cijfers gemakkelijk te vergelijken zijn. In een toestel gedraagt het zich als een ronding met een brede maar eindige bovenkant. Bij kleine borstelloze motoren die worden gebruikt in luchtkoelers, koelventilatoren en afzuigkappen, valt het piekrendement gewoonlijk in de 80-90%-band wanneer het asvermogen wordt gemeten met de eigen driver van de motor erbij. Dezelfde motor die tot 15-20% van het nominale koppel wordt geduwd, valt vaak in het bereik van 50-60%, omdat ijzerverlies, wind- en schakelverlies niet krimpen als de belasting dat doet. Een motor met schaduwpolen van vergelijkbare grootte wordt meestal ergens tussen de 20% en 40% genoteerd, en daarom is de ruil überhaupt de moeite waard.
De bovenkant van de curve bevindt zich meestal in de bovenste helft van het snelheidsbereik, op ongeveer 60-85% van het nominale koppel, en blijft in het midden van het bereik vlakker dan de meeste kopers verwachten. Die vlakheid is het nuttige deel: een motor die is gedimensioneerd voor het echte werkpunt, en niet voor een start in het slechtste geval, brengt het grootste deel van zijn leven aan de top door in plaats van op de helling.
Vier dingen zijn de moeite waard om van een leverancier te eisen voordat het gesprek over de prijs gaat:
- Een efficiëntiekaart, of op minimaal drie punten - lage, gemiddelde en nominale belasting - in plaats van één piekcijfer.
- Ingangsvermogen gemeten op het ontwerppunt van het apparaat, met de productiewaaier en behuizing, niet op een kale as.
- Een duidelijke vermelding of de bestuurder en zijn verliezen binnen of buiten het opgegeven nummer zitten.
- Wikkelings- en magneettemperatuur na thermische stabiele toestand - twee uur, niet twee minuten.
Als de terminologie nog steeds een vaste waarde heeft, onze basiskennispunten over motoren is een redelijke plaats om definities te controleren voordat u offertes van verschillende leveranciers vergelijkt.
Een piekwaarde gemeten bij 24 V op een open as met een laboratoriumdriver is niet vergelijkbaar met een piekwaarde gemeten bij 12 V via een productiebord in een afgesloten behuizing. Twee leveranciers die "88% efficiënt" citeren, beschrijven mogelijk twee verschillende machines.
Waar de verliezen feitelijk naartoe gaan
Borstelloze motoren winnen om een specifieke reden aan efficiëntie: door het verwijderen van de borstels worden twee verliespaden tegelijk geëlimineerd. Borstelcontact veroorzaakt wrijving en creëert ook een min of meer constante spanningsval, die een groter deel van het ingangsvermogen wordt naarmate de voedingsspanning lager is. Bij een borstelmotor van 12 V kan de borstelinterface alleen al enkele procenten van het ingangsvermogen verbruiken voordat er rekening wordt gehouden met de rest van de machine.
Wat de borstels vervangt is een omvormer, en deze is niet gratis. Een driefasige brug met zes MOSFET's voegt geleidingsverlies en schakelverlies toe, en een slecht op elkaar afgestemde driver kan 10-20% van de totale verliezen voor zijn rekening nemen. Zesstaps commutatie is goedkoop en perfect geschikt voor een ventilator met vaste snelheid; veldgeoriënteerde besturing kan een aantal punten herstellen waar de motor tijd in deellast doorbrengt, ten koste van een snellere microcontroller en meer engineeringtijd.
| Verliesmechanisme | Typisch aandeel van de totale verliezen | Primaire ontwerphendel |
|---|---|---|
| Stator koper (resistief) | 30-45% | Kopervulfactor, stroomdichtheid, thermisch pad naar de behuizing |
| IJzer (hysteresis en wervelstroom) | 15-25% | Lamineringskwaliteit en -dikte, fluxdichtheid, sleufgeometrie |
| Aandrijfelektronica (geleiding en schakelen) | 10-20% | MOSFET-aan-weerstand, schakelfrequentie, modulatieschema |
| Lagers, luchtweerstand en rotorweerstand | 5-15% | Lagertype en voorspanning, asuitlijning, waaierbalans |
| Verdwaalde en harmonische verliezen | 3-10% | Sleuf-poolcombinatie, scheeftrekken, productietoleranties |
Twee details zijn belangrijker dan de meeste specificatiebladen suggereren. Lamineringskwaliteit is de eerste: de overstap naar een dunner staal met een hogere weerstand vermindert het wervelstroomgedeelte van ijzerverlies, het gedeelte dat het gemakkelijkst te beïnvloeden is. De combinatie van gleuf-pool en scheefstand is de tweede: ze veroorzaken strooi- en harmonische verliezen en, net zo belangrijk, het geluid dat het apparaat maakt op de stilste snelheidsinstelling.
Een motor die op een werkbank acht punten hoger meet, kan dat voordeel verliezen op het moment dat hij in een behuizing met een andere waaier en een langer kanaal wordt vastgeschroefd.
Hoe belasting en temperatuur het werkpunt verplaatsen
De belasting van ventilatoren en ventilatoren volgt bij benadering twee regels: het koppel stijgt met het kwadraat van de snelheid, en het asvermogen met de derde macht. Door de snelheid te halveren wordt de luchtstroom ongeveer gehalveerd en het asvermogen teruggebracht tot ongeveer een achtste. Dat is het sterkste argument voor variabele snelheid bij afzuigkappen en luchtkoelers, omdat de meeste energie wordt besteed aan de bovenkant van het snelheidsbereik, terwijl het grootste deel van de bedrijfstijd ver daaronder wordt doorgebracht.
Het omgekeerde is ook waar. Bij een apparaat is efficiëntie niet alleen een eigenschap van de motor; het is een eigenschap van de motor plus het luchtpad. Een verstopt filter, een geknikt kanaal of een iets te klein rooster verhoogt de statische druk, verhoogt het koppel dat de waaier bij dezelfde snelheid vraagt, en schuift de motor langs de rechterkant van zijn curve. Een motor met een royale piek kan zijn levensduur toch met een rendement van 60% beëindigen, omdat het luchtpad daar nooit op afgestemd is.
Temperatuur verandert ook de cijfers. De weerstand van de koperwikkeling stijgt met ongeveer 0,39% per graad Celsius, dus een wikkeling die van 25 tot 90 graden opwarmt, voegt ongeveer een kwart toe aan het weerstandsverlies bij dezelfde stroomsterkte. Permanente magneten verliezen flux als ze opwarmen - gesinterde NdFeB ongeveer 0,11-0,12% per graad Celsius - dus het beschikbare koppel bij 100 graden is meetbaar lager dan het cataloguskoppel gemeten bij kamertemperatuur. Het kiezen van een zwaardere magneetkwaliteit of een beter thermisch pad naar de behuizing is een kostenbeslissing, geen technische beslissing.
Elke motor heeft een vaste verliesvloer: lagerweerstand, windvang en schakelverlies die nooit verdwijnen bij lage belasting. Dit is de reden waarom de efficiëntie richting nul daalt naarmate de snelheid nul nadert, en waarom "efficiëntie bij zeer lage snelheid" een misleidende vraag is. De nuttige vraag is het totale energieverbruik tijdens de werkcyclus.
Luchtkoelers illustreren het probleem goed. Ze draaien urenlang onder omstandigheden die afhankelijk zijn van het weer, dus de motor moet een redelijk rendement over een brede band behouden in plaats van op één flatterend punt. Dat is de opdracht waarvoor we luchtkoelermotoren ontwerpen.
AC of BLDC: de motor afstemmen op het apparaat
Borstelloos is niet automatisch de juiste keuze. Een eenfasige condensatormotor heeft geen elektronica, geen rotorpositiedetectie, geen firmware en zeer weinig onderdelen. Bij een apparaat met een vaste snelheid en een korte dagelijkse inschakelduur is het mogelijk dat de door een BLDC bespaarde energie de extra kosten gedurende de levensduur van het product niet terugbetaalt. Die berekening verandert zodra de belasting varieert, de inschakelduur lang wordt of het apparaat naar verwachting stil is op lage snelheid.
Wanneer het AC-alternatief nog steeds wint
Bedrijf met een vast toerental, agressieve kostendoelstellingen, vuile of onstabiele netvoeding en een korte inschakelduur zijn allemaal voorstander van een enkelfasige asynchrone motor. Als het apparaat slechts één luchtstroom nodig heeft en twintig minuten per dag draait, is het eerlijke technische antwoord meestal de eenvoudigere machine.
Afzuigkappen zitten aan de andere kant van die lijn. De vraag naar zuigkracht stijgt en daalt met wat er op de kookplaat staat, en de kloof tussen zachtjes sudderen en een hete pan is een factor van meerdere in de luchtstroom. Dankzij een DC-motor plus bediening kan de kap de belasting volgen in plaats van te schakelen tussen drie kranen, en dat is waar de meeste energiebesparing vandaan komt – niet van de motor afzonderlijk. We hebben de vergelijking in meer detail bekeken in een artikel over hoe DC-motoren voor afzuigkappen de energie-efficiëntie verbeteren in vergelijking met traditionele AC-motoren .
Wat u moet verifiëren voordat u een motor goedkeurt
Verificatie is goedkoper dan herwerken. Een benchtest op het ontwerppunt duurt een halve dag en beantwoordt vragen die een datasheet niet kan beantwoorden.
- Meet het ingangsvermogen bij de normale voedingsspanning van het apparaat, met de productiedriver, op het ontwerpwerkpunt in plaats van op het nominale punt van de motor.
- Meet tegelijkertijd het askoppel en de snelheid. Het rendement is koppel maal hoeksnelheid gedeeld door elektrisch ingangsvermogen; het schatten van het koppel op basis van de stroom is alleen acceptabel als eerste doorgang.
- Voer ten minste 90 minuten uit voordat u gegevens registreert, zodat wikkelingen en magneten een thermische stabiele toestand bereiken.
- Herhaal dit aan de onder- en bovenzijde van het regelbereik en bij de slechtst mogelijke omgevingstemperatuur.
- Vergelijk de huidige trekking met het goedgekeurde monster, met behulp van een tolerantieband die u bereid bent af te dwingen; plus of min 10% op stroom en 5% op snelheid dekt de normale productiespreiding bij kleine motoren.
Een uur testen op het werkelijke werkpunt kost doorgaans minder dan een enkele batch die op het terrein wordt geretourneerd. Als een opgegeven rendement niet in uw eigen woning kan worden gereproduceerd, verschijnt dit ook niet op de elektriciteitsrekening van de eindgebruiker.
Voor deze toepassingen bouwen wij zowel AC- als DC-motorlijnen - koudeluchtmotoren, verwarmingsmotoren, oliedampmotoren met kunststof ingekapselde motoren en het DC-assortiment - en ontwikkelen wij op basis van klanttekeningen of monsters waarbij een standaardserie niet past.
De dagelijkse capaciteit van meer dan 80.000 eenheden is hier in een andere zin van belang: het monster dat u goedkeurt, moet reproduceerbaar zijn op volume, en consistentie over een zending is meer waard dan een piekcijfer dat alleen het prototype kan bereiken.
Het rendement van de borstelloze gelijkstroommotor is een systeemeigenschap. De motor draagt bij aan één verliesbudget, de bestuurder aan een ander verliesbudget, en de waaier, het kanaal en de omgevingstemperatuur bepalen waar op de curve het apparaat daadwerkelijk leeft. Niets hiervan kan worden opgelost door de piekcijfers in twee offertes te vergelijken. De werkopdracht is eenvoudig: definieer het werkelijke werkpunt, vraag om efficiëntie op dat punt met de productieaandrijving, test deze warm en in de echte behuizing, en behandel de kloof tussen piek- en bedrijfsefficiëntie als het getal dat op de meter verschijnt.
Als er geen standaardserie is die bij dat werkingspunt past, kan de motor er meestal op worden ontwikkeld - en dat is hoe de meeste kleine apparaatmotoren op de markt in de eerste plaats tot hun huidige vorm zijn gekomen.
++86 13524608688
