Εισαγωγή στην απόδοση κινητήρα

Πώς να βελτιώσετε την απόδοση του κινητήρα;

Αυτή η απόδοση του κινητήρα επηρεάζεται από ένα μικρό ποσό απωλειών, συμπεριλαμβανομένων των απωλειών αντίστασης, των μηχανικών απωλειών που προκαλούνται από την τριβή, των απωλειών που προκαλούνται από τη διάχυση της μαγνητικής ενέργειας στον πυρήνα και των διαφορετικών απωλειών ανάλογα με τον τύπο του υλικού που χρησιμοποιείται. Για να κάνουμε τον κινητήρα πιο αποδοτικό, πρέπει να μειώσουμε τις απώλειες στον κινητήρα. Ακολουθούν ορισμένες μέθοδοι ή συμβουλές που μπορούν να υιοθετηθούν για τη βελτίωση του συντελεστή απόδοσης του κινητήρα.

1. Η λειτουργία του πλαισίου του κινητήρα είναι να παρέχει μηχανική προστασία για τις περιελίξεις. Είναι επίσης υπεύθυνο για τη διεπαφή που τοποθετείται από τα πόδια. Το πλαίσιο του κινητήρα διαδραματίζει ζωτικό ρόλο στη θερμική του απόδοση καθώς είναι υπεύθυνο για τη μεταφορά της θερμότητας που παράγεται μέσα στον κινητήρα στην επιφάνεια του πλαισίου όπου ο αέρας που φυσά ο ανεμιστήρας θα προωθήσει τη διάχυση της θερμότητας. Αυτό θα μειώσει τις απώλειες θερμότητας.
2. Μια άλλη βασική συμβουλή είναι να διατηρείτε ένα ελάχιστο κενό μεταξύ τυχόν τοίχων κοντά στο πίσω μέρος του καλύμματος του ανεμιστήρα για να επιτρέπεται η εισαγωγή αέρα. Διατηρείτε την περιοχή γύρω από τον κινητήρα καθαρό και ελέγχετε τακτικά για τυχόν μπλοκαρίσματα αέρα που μπορεί να μειώσουν την απόδοση του συστήματος ψύξης. Επομένως, όσο πιο ψυχρός λειτουργεί ο κινητήρας, τόσο περισσότερο θα διαρκέσει.
3. Ο στάτορας είναι το κύριο εξάρτημα του κινητήρα και προκαλεί το 60% των απωλειών, επομένως για να μειωθούν αυτές οι απώλειες, η μάζα της περιέλιξης του στάτορα πρέπει να διατηρείται μεγάλη γιατί η αύξηση της μάζας μειώνει την αντίσταση. Οι κινητήρες υψηλής απόδοσης περιέχουν 25% επιπλέον χαλκό σε σύγκριση με τους κινητήρες που έχουν σχεδιαστεί για μοντέλα τυπικής απόδοσης.
4. Οι απώλειες του ρότορα θεωρούνται επίσης μια μικρή πηγή απωλειών, που προκαλούνται κυρίως από το βαθμό ολίσθησης που παρουσιάζει ο κινητήρας. Η ολίσθηση είναι στην πραγματικότητα η διαφορά μεταξύ της ταχύτητας του μαγνητικού πεδίου (RPM) και των πραγματικών RPM του ρότορα και του άξονα σε ένα δεδομένο φορτίο. Μεταξύ αυτών, η ολίσθηση επιτυγχάνεται αφαιρώντας την ταχύτητα του φορτωμένου κινητήρα από την ταχύτητα του κινητήρα χωρίς φορτίο και διαιρώντας την με την ταχύτητα του φορτωμένου κινητήρα. Επομένως, για να μειωθούν αυτές οι απώλειες, πρέπει να μειωθεί η ολίσθηση, η οποία γίνεται με την αύξηση της αγωγιμότητας του ρότορα. Ο χαλκός πρέπει να χρησιμοποιείται σε μεγάλες ποσότητες λόγω της υψηλής αγωγιμότητάς του. Αλλά ο χαλκός πρέπει να είναι χυτευμένος επειδή πρόσφατα αναπτύχθηκε μια διαδικασία χύτευσης χαλκού.
5. Οι μαγνητικές απώλειες του πυρήνα προέρχονται από την υστέρηση και το 20% των συνολικών απωλειών προκαλούνται από δινορεύματα και κορεσμό του πυρήνα. Με τη χρήση υλικών υψηλής ποιότητας και τον ποιοτικό έλεγχο, μπορούν να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση.
6. Προκειμένου να μειωθούν οι επιπτώσεις της υστέρησης και του κορεσμού, θα χρησιμοποιηθεί χάλυβας που περιέχει μικρή ποσότητα πυριτίου για πλαστικοποίηση αντί για ανθρακούχο χάλυβα χαμηλού κόστους. Με αυτόν τον τρόπο, οι βασικές απώλειες μπορούν να εξαλειφθούν. Με τη μείωση του πάχους της πλαστικοποίησης και την αύξηση του μήκους της ελασματοποίησης, η πυκνότητα ροής και η απώλεια πυρήνα μπορούν να ελαχιστοποιηθούν.
7. Οι απώλειες δινορευμάτων μπορούν να ελαχιστοποιηθούν σε μεγάλο βαθμό διασφαλίζοντας τη σωστή μόνωση μεταξύ των φύλλων ή των ελασμάτων που χρησιμοποιούνται.
8. Το διάστημα λίπανσης είναι συνάρτηση της ονομαστικής ταχύτητας εγκατάστασης του κινητήρα, του μεγέθους του ρουλεμάν, του τύπου γράσου και της αύξησης της θερμοκρασίας. Επομένως, να είστε προσεκτικοί όταν χρησιμοποιείτε λιπαντικά. Μην αναμιγνύετε τύπους λίπους, ακόμα κι αν χρησιμοποιούν τα ίδια στοιχεία. Εάν χρησιμοποιούνται άλλα γράσα στην εφαρμογή, αυτό θα επηρεάσει άμεσα την απόδοση του κινητήρα.

Πώς να μειώσετε τις απώλειες κινητήρα;

Δεδομένου ότι η κατανομή των ζημιών τουμοτέρποικίλλει ανάλογα με το μέγεθος ισχύος και τον αριθμό των πόλων, προκειμένου να μειωθεί η απώλεια, θα πρέπει να επικεντρωθούμε στη λήψη μέτρων για τις κύριες συνιστώσες απώλειας διαφορετικών δυνάμεων και πόλων. Μερικοί τρόποι μείωσης της απώλειας περιγράφονται εν συντομία ως εξής:

1. Αυξήστε τα αποτελεσματικά υλικά, μειώστε την απώλεια περιελίξεων και την απώλεια σιδήρου

Σύμφωνα με την αρχή της ομοιότητας των κινητήρων, όταν το ηλεκτρομαγνητικό φορτίο παραμένει αμετάβλητο και δεν λαμβάνεται υπόψη η μηχανική απώλεια, η απώλεια του κινητήρα είναι περίπου ανάλογη με τον κύβο του γραμμικού μεγέθους του κινητήρα και η ισχύς εισόδου του κινητήρα είναι περίπου ανάλογη με την τέταρτη ισχύ του γραμμικού μεγέθους. Από αυτό, μπορεί να προσεγγιστεί η σχέση μεταξύ αποδοτικότητας και αποτελεσματικής χρήσης υλικού. Προκειμένου να επιτευχθεί μεγαλύτερος χώρος κάτω από ορισμένες συνθήκες μεγέθους εγκατάστασης, ώστε να μπορούν να τοποθετηθούν πιο αποτελεσματικά υλικά για τη βελτίωση της απόδοσης του κινητήρα, το μέγεθος της εξωτερικής διαμέτρου της διάτρησης του στάτη γίνεται σημαντικός παράγοντας. Στο ίδιο εύρος βάσης μηχανών, οι αμερικανικοί κινητήρες έχουν μεγαλύτερη απόδοση από τους ευρωπαϊκούς κινητήρες. Προκειμένου να διευκολυνθεί η διάχυση της θερμότητας και να μειωθεί η αύξηση της θερμοκρασίας, οι αμερικανικοί κινητήρες χρησιμοποιούν γενικά διατρήσεις στάτη με μεγαλύτερες εξωτερικές διαμέτρους, ενώ οι ευρωπαϊκοί κινητήρες χρησιμοποιούν γενικά διατρήσεις στάτη με μικρότερες εξωτερικές διαμέτρους λόγω της ανάγκης για δομικά παράγωγα όπως αντιεκρηκτικούς κινητήρες και για μείωση της ποσότητας χαλκού που χρησιμοποιείται στο τελείωμα περιέλιξης και του κόστους παραγωγής.

2. Χρησιμοποιήστε καλύτερα μαγνητικά υλικά και μέτρα επεξεργασίας για να μειώσετε την απώλεια σιδήρου

Οι μαγνητικές ιδιότητες (μαγνητική διαπερατότητα και απώλεια μονάδας σιδήρου) του υλικού πυρήνα έχουν μεγάλη επίδραση στην απόδοση και άλλες επιδόσεις του κινητήρα. Ταυτόχρονα, το κόστος του υλικού πυρήνα είναι το κύριο μέρος του κόστους του κινητήρα. Επομένως, η επιλογή των κατάλληλων μαγνητικών υλικών είναι το κλειδί για το σχεδιασμό και την κατασκευή κινητήρων υψηλής απόδοσης. Στους κινητήρες υψηλής ισχύος, η απώλεια σιδήρου αντιπροσωπεύει σημαντικό ποσοστό της συνολικής απώλειας, επομένως η μείωση της τιμής απώλειας μονάδας του υλικού πυρήνα θα συμβάλει στη μείωση της απώλειας σιδήρου του κινητήρα. Λόγω του σχεδιασμού και της κατασκευής του κινητήρα, η απώλεια σιδήρου του κινητήρα υπερβαίνει κατά πολύ την τιμή που υπολογίζεται σύμφωνα με την τιμή απώλειας σιδήρου μονάδας που παρέχεται από το χαλυβουργείο, επομένως η τιμή απώλειας σιδήρου μονάδας αυξάνεται γενικά κατά 1,5~2 φορές κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού για να ληφθεί υπόψη η αύξηση της απώλειας σιδήρου.

Ο λόγος για την αύξηση της απώλειας σιδήρου είναι κυρίως επειδή η μοναδιαία τιμή απώλειας σιδήρου της χαλυβουργίας λαμβάνεται με δοκιμή του δείγματος υλικού λωρίδας σύμφωνα με τη μέθοδο τετραγωνικού κύκλου Epstein, αλλά το υλικό υπόκειται σε μεγάλη πίεση μετά από διάτρηση, διάτμηση και πλαστικοποίηση και η απώλεια θα αυξηθεί. Επιπλέον, το διάκενο αέρα που προκαλείται από την παρουσία της σχισμής των δοντιών οδηγεί στο αρμονικό μαγνητικό πεδίο του δοντιού που προκαλεί απώλεια χωρίς φορτίο στην επιφάνεια του πυρήνα, γεγονός που θα οδηγήσει σε σημαντική αύξηση της απώλειας σιδήρου μετά την κατασκευή του κινητήρα. Ως εκ τούτου, εκτός από την επιλογή μαγνητικών υλικών με χαμηλότερη απώλεια σιδήρου μονάδας, είναι επίσης απαραίτητο να ελέγχεται η πίεση πλαστικοποίησης και να λαμβάνονται τα απαραίτητα μέτρα διεργασίας για τη μείωση της απώλειας σιδήρου. Λαμβανομένων υπόψη των παραγόντων τιμής και διεργασίας, τα φύλλα πυριτίου υψηλής ποιότητας και τα φύλλα από χάλυβα πυριτίου λεπτότερα από 0,5 mm δεν χρησιμοποιούνται πολύ στην παραγωγή κινητήρων υψηλής απόδοσης. Χρησιμοποιούνται γενικά φύλλα ηλεκτρικού χάλυβα χωρίς πυρίτιο χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα ή φύλλα πυριτίου ψυχρής έλασης χαμηλής περιεκτικότητας σε πυρίτιο. Ορισμένοι κατασκευαστές μικρών ευρωπαϊκών κινητήρων έχουν χρησιμοποιήσει φύλλα ηλεκτρικού χάλυβα χωρίς πυρίτιο με τιμή απώλειας μονάδας σιδήρου 6,5 w/kg. Τα τελευταία χρόνια, τα χαλυβουργεία κυκλοφόρησαν ηλεκτρικά φύλλα χάλυβα Polycor420 με μέση απώλεια μονάδας 4,0 w/kg, η οποία είναι ακόμη χαμηλότερη από ορισμένα φύλλα χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε πυρίτιο. Το υλικό έχει επίσης υψηλότερη μαγνητική διαπερατότητα.

Τα τελευταία χρόνια, η Ιαπωνία έχει αναπτύξει ένα φύλλο χάλυβα ψυχρής έλασης χαμηλής περιεκτικότητας σε πυρίτιο με ποιότητα 50RMA350. Στη σύνθεσή του προστίθεται μικρή ποσότητα αλουμινίου και μετάλλων σπάνιων γαιών, διατηρώντας έτσι υψηλότερη μαγνητική διαπερατότητα μειώνοντας παράλληλα τις απώλειες. Η μοναδιαία τιμή απώλειας σιδήρου είναι 3,12 w/kg. Όλα αυτά είναι πιθανό να παρέχουν μια καλύτερη υλική βάση για την παραγωγή και την προώθηση κινητήρων υψηλής απόδοσης.

3. Μειώστε το μέγεθος του ανεμιστήρα για να μειώσετε την απώλεια αερισμού

Για κινητήρες 2 και 4 πόλων μεγαλύτερης ισχύος, η τριβή του ανέμου αποτελεί σημαντικό ποσοστό. Για παράδειγμα, η τριβή ανέμου ενός 2πολικού κινητήρα 90 kW μπορεί να φτάσει περίπου το 30% της συνολικής απώλειας. Η τριβή του ανέμου αποτελείται κυρίως από την ισχύ που καταναλώνει ο ανεμιστήρας. Δεδομένου ότι η απώλεια θερμότητας των κινητήρων υψηλής απόδοσης είναι γενικά χαμηλή, ο όγκος του αέρα ψύξης μπορεί να μειωθεί και επομένως η ισχύς αερισμού μπορεί επίσης να μειωθεί. Η ισχύς αερισμού είναι περίπου ανάλογη με την 4η έως την 5η ισχύ της διαμέτρου του ανεμιστήρα. Επομένως, εάν επιτρέπεται η αύξηση της θερμοκρασίας, η μείωση του μεγέθους του ανεμιστήρα μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την τριβή του ανέμου. Επιπλέον, ο λογικός σχεδιασμός της δομής εξαερισμού είναι επίσης σημαντικός για τη βελτίωση της απόδοσης αερισμού και τη μείωση της τριβής του ανέμου. Δοκιμές έδειξαν ότι η τριβή ανέμου του 2πολικού τμήματος υψηλής ισχύος ενός κινητήρα υψηλής απόδοσης μπορεί να μειωθεί κατά περίπου 30% σε σύγκριση με αυτή ενός συνηθισμένου κινητήρα. Δεδομένου ότι η απώλεια αερισμού μειώνεται κατά ένα μεγάλο περιθώριο και δεν απαιτεί πολύ πρόσθετο κόστος, η αλλαγή του σχεδιασμού του ανεμιστήρα είναι συχνά ένα από τα κύρια μέτρα που λαμβάνονται για αυτό το τμήμα κινητήρων υψηλής απόδοσης.

4. Μειώστε τις απώλειες αδέσποτων μέσω μέτρων σχεδιασμού και διαδικασίας

Οι αδέσποτες απώλειες των ασύγχρονων κινητήρων είναι κυρίως απώλειες υψηλής συχνότητας που παράγονται από αρμονικές υψηλής τάξης του μαγνητικού πεδίου στους πυρήνες και τις περιελίξεις του στάτη και του ρότορα. Για να μειωθεί η απώλεια αδέσποτου φορτίου, το πλάτος κάθε αρμονικής φάσης μπορεί να μειωθεί χρησιμοποιώντας ένα ημιτονοειδές τύλιγμα συνδεδεμένο στη σειρά Y-Δ ή άλλο τύλιγμα χαμηλής αρμονικής, μειώνοντας έτσι τις απώλειες. Τα πειράματα δείχνουν ότι η χρήση ημιτονοειδούς περιέλιξης μπορεί να μειώσει την απώλεια αδέσποτων κατά περισσότερο από 30% κατά μέσο όρο.

5. Βελτιώστε τη διαδικασία χύτευσης με χύτευση για να μειώσετε την απώλεια ρότορα

Με τον έλεγχο της πίεσης, της θερμοκρασίας και της διαδρομής εκκένωσης αερίου κατά τη χύτευση αλουμινίου του ρότορα, το αέριο στις ράβδους του δρομέα μπορεί να μειωθεί, βελτιώνοντας έτσι την αγωγιμότητα και μειώνοντας την απώλεια αλουμινίου του ρότορα. Τα τελευταία χρόνια, οι Ηνωμένες Πολιτείες ανέπτυξαν επιτυχώς εξοπλισμό χύτευσης χάλκινου ρότορα και αντίστοιχες διεργασίες, και επί του παρόντος διεξάγουν μικρής κλίμακας δοκιμαστική παραγωγή. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι εάν ένας ρότορας χαλκού αντικαταστήσει έναν ρότορα αλουμινίου, η απώλεια ρότορα μπορεί να μειωθεί κατά περίπου 38%.

6. Εφαρμόστε τη σχεδίαση βελτιστοποίησης υπολογιστή για τη μείωση των απωλειών και τη βελτίωση της απόδοσης

Εκτός από την αύξηση των υλικών, τη βελτίωση των ιδιοτήτων του υλικού και τη βελτίωση των διαδικασιών, ο σχεδιασμός βελτιστοποίησης υπολογιστή χρησιμοποιείται για τον εύλογο προσδιορισμό διαφόρων παραμέτρων υπό τους περιορισμούς κόστους και απόδοσης, επιτυγχάνοντας έτσι τη μέγιστη δυνατή βελτίωση της απόδοσης. Η χρήση βελτιστοποιημένου σχεδιασμού μπορεί να μειώσει σημαντικά τον χρόνο σχεδιασμού του κινητήρα και να βελτιώσει την ποιότητα του σχεδιασμού του κινητήρα.