Kuinka parantaa moottorin tehokkuutta?
Tähän moottorin hyötysuhteeseen vaikuttaa pieni määrä häviöitä, mukaan lukien vastushäviöt, kitkan aiheuttamat mekaaniset häviöt, magneettisen energian hajoamisesta ytimessä aiheutuvat häviöt sekä erilaiset häviöt käytetyn materiaalin tyypistä riippuen. Moottorin tehostamiseksi meidän on vähennettävä moottorin häviöitä. Tässä on joitain menetelmiä tai vinkkejä, joita voidaan käyttää moottorin hyötysuhteen parantamiseksi.
- Moottorin rungon tehtävänä on tarjota mekaaninen suojaus käämeille. Se vastaa myös jalkoihin asennetusta liitännästä. Moottorin rungolla on tärkeä rooli sen lämpösuorituskyvyssä, koska se on vastuussa moottorin sisällä syntyneen lämmön siirtämisestä rungon pinnalle, jossa tuulettimen puhaltama ilma edistää lämmön haihtumista. Tämä vähentää lämpöhäviöitä.
- Toinen perusvinkki on säilyttää tuulettimen kannen takana olevien seinien välinen vähimmäisrako ilman sisääntulon mahdollistamiseksi. Pidä moottoria ympäröivä alue puhtaana ja tarkista säännöllisesti, onko ilmatukoksia, jotka voivat heikentää jäähdytysjärjestelmän suorituskykyä. Siksi mitä viileämmin moottori käy, sitä pidempään se kestää.
- Staattori on moottorin pääkomponentti ja aiheuttaa 60 % häviöistä, joten näiden häviöiden pienentämiseksi on staattorikäämin massa pidettävä suurena, koska massan kasvu pienentää vastusta. Tehokas moottorit sisältävät 25 % ylimääräistä kuparia verrattuna moottoreihin, jotka on suunniteltu tavallisiin hyötysuhteisiin malleihin.
- Roottorihäviöitä pidetään myös vähäisenä hävikkilähteenä, mikä johtuu pääasiassa moottorin osoittamasta luistosta. Luisto on itse asiassa ero magneettikentän nopeuden (RPM) ja roottorin ja akselin todellisen kierrosluvun välillä tietyllä kuormalla. Niistä luisto saadaan vähentämällä kuormitetun moottorin nopeus kuormittamattoman moottorin nopeudesta ja jakamalla se kuormitetun moottorin nopeudella. Siksi näiden häviöiden vähentämiseksi luistoa on vähennettävä, mikä tehdään lisäämällä roottorin johtavuutta. Kuparia on käytettävä suuria määriä sen korkean johtavuuden vuoksi. Mutta kupari on painevalettava, koska kuparin painevaluprosessi on äskettäin kehitetty.
- Sydänmagneettihäviöt johtuvat hystereesistä, ja 20 % kokonaishäviöistä aiheutuu sydämen pyörrevirroista ja saturaatiosta. Käyttämällä korkealaatuisia materiaaleja ja laadunvalvontaa voidaan minimoida häviöt, mikä parantaa tehokkuutta.
- Hystereesin ja kyllästymisen vaikutusten vähentämiseksi laminoinnissa käytetään pienen piitä sisältävää terästä edullisen hiiliteräksen sijaan. Tällä tavalla ydinhäviöt voidaan eliminoida. Pienentämällä laminoinnin paksuutta ja lisäämällä laminoinnin pituutta voidaan minimoida vuotiheys ja ydinhäviö.
- Pyörrevirtahäviöt voidaan minimoida suurelta osin varmistamalla käytettyjen levyjen tai laminaattien välinen asianmukainen eristys.
- Voiteluväli on moottorin asennuksen nimellisnopeuden, laakerin koon, rasvatyypin ja lämpötilan nousun funktio. Ole siis varovainen käyttäessäsi voiteluaineita. Älä sekoita rasvatyyppejä, vaikka niissä käytettäisiin samoja elementtejä. Jos sovelluksessa käytetään muita rasvoja, tämä vaikuttaa suoraan moottorin suorituskykyyn.
Kuinka vähentää moottorihäviöitä?
Koska tappion jakautuminenmoottorivaihtelee tehokoon ja napojen lukumäärän mukaan, häviön pienentämiseksi kannattaa keskittyä toimenpiteisiin eri tehojen ja napojen päähäviökomponenttien osalta. Joitakin tapoja vähentää tappiota kuvataan lyhyesti seuraavasti:
- Lisää tehokkaita materiaaleja, vähennä käämityshäviöitä ja rautahäviöitä
Moottoreiden samankaltaisuusperiaatteen mukaan, kun sähkömagneettinen kuorma pysyy muuttumattomana eikä mekaanista häviötä oteta huomioon, moottorin häviö on suunnilleen verrannollinen moottorin lineaarikoon kuutioon ja moottorin syöttöteho on suunnilleen verrannollinen lineaarikoon neljänteen potenssiin. Tästä voidaan arvioida tehokkuuden ja tehokkaan materiaalinkäytön suhdetta. Staattorin lävistyksen ulkohalkaisijan koosta tulee tärkeä tekijä suuremman tilan saamiseksi tietyissä asennuskokoolosuhteissa, jotta tehokkaampia materiaaleja voidaan sijoittaa moottorin tehokkuuden parantamiseksi. Saman koneen perusvalikoiman sisällä amerikkalaisten moottoreiden teho on suurempi kuin eurooppalaisilla moottoreilla. Helpottaakseen lämmönpoistoa ja vähentääkseen lämpötilan nousua amerikkalaisissa moottoreissa käytetään yleensä ulkohalkaisijaltaan suurempia staattorirei'ityksiä, kun taas eurooppalaisissa moottoreissa käytetään yleensä pienempiä ulkohalkaisijaltaan olevia staattorirei'ityksiä, koska tarvitaan rakenteellisia johdannaisia, kuten räjähdyssuojattuja moottoreita, ja vähentääkseen käämityspäässä käytetyn kuparin määrää ja tuotantokustannuksia.
- Käytä parempia magneettisia materiaaleja ja prosessitoimenpiteitä rautahäviön vähentämiseksi
Ydinmateriaalin magneettisilla ominaisuuksilla (magneettinen permeabiliteetti ja yksikkörautahäviö) on suuri vaikutus moottorin tehokkuuteen ja muuhun suorituskykyyn. Samaan aikaan ydinmateriaalin hinta on suurin osa moottorin kustannuksista. Siksi sopivien magneettisten materiaalien valinta on avain tehokkaiden moottoreiden suunnittelussa ja valmistuksessa. Suuritehoisissa moottoreissa rautahäviö muodostaa huomattavan osan kokonaishäviöstä, joten ydinmateriaalin yksikköhäviön arvon pienentäminen auttaa vähentämään moottorin rautahävikkiä. Moottorin suunnittelusta ja valmistuksesta johtuen moottorin rautahäviö ylittää suuresti terästehtaan toimittaman yksikkörautahäviön arvon mukaan lasketun arvon, joten yksikkörautahäviön arvoa nostetaan yleensä 1,5-2 kertaa suunnittelun aikana rautahäviön kasvun huomioon ottamiseksi.
Rautahäviön kasvu johtuu pääasiassa siitä, että terästehtaan yksikkörautahäviöarvo saadaan testaamalla nauhamateriaalinäyte Epsteinin neliöympyrämenetelmällä, mutta materiaali altistuu suurelle jännitykselle lävistyksen, leikkaamisen ja laminoinnin jälkeen ja hävikki kasvaa; lisäksi hammasraon olemassaolon aiheuttama ilmarako johtaa hampaan harmoniseen magneettikenttään aiheuttaen kuormittamaton menetys sydämen pinnalle, mikä johtaa merkittävään rautahäviön lisääntymiseen moottorin valmistuksen jälkeen. Siksi sen lisäksi, että valitaan magneettisia materiaaleja, joilla on pienempi yksikkörautahäviö, on myös tarpeen hallita laminointipainetta ja ryhtyä tarvittaviin prosessitoimenpiteisiin rautahäviön vähentämiseksi. Hinta- ja prosessitekijät huomioon ottaen korkealaatuisia piiteräslevyjä ja yli 0,5 mm ohuita piiteräslevyjä ei juurikaan käytetä tehokkaiden moottoreiden valmistuksessa. Yleensä käytetään vähähiilisiä silikonittomia sähköteräslevyjä tai vähäpiisiä kylmävalssattuja piiteräslevyjä. Jotkut pienten eurooppalaisten moottorien valmistajat ovat käyttäneet silikonittomia sähköteräslevyjä, joiden yksikkörautahäviö on 6,5 w/kg. Terästehtaat ovat viime vuosina tuoneet markkinoille Polycor420 sähköteräslevyjä, joiden keskimääräinen yksikköhäviö on 4,0 w/kg, mikä on jopa pienempi kuin joidenkin vähäpiiisten teräslevyjen. Materiaalilla on myös suurempi magneettinen permeabiliteetti.
Viime vuosina Japani on kehittänyt matalapiipitoisen kylmävalssatun teräslevyn, jonka laatu on 50RMA350. Sen koostumukseen lisätään pieni määrä alumiinia ja harvinaisia maametalleja, mikä ylläpitää korkeampaa magneettista läpäisevyyttä ja vähentää häviöitä. Sen yksikkörautahäviöarvo on 3,12w/kg. Kaikki nämä tarjoavat todennäköisesti paremman materiaaliperustan korkeatehoisten moottoreiden tuotannolle ja edistämiselle.
- Pienennä tuulettimen kokoa vähentääksesi ilmanvaihtohäviötä
Suuremman tehon 2- ja 4-napaisissa moottoreissa tuulikitka muodostaa huomattavan osan. Esimerkiksi 90 kW:n 2-napaisen moottorin tuulen kitka voi olla noin 30 % kokonaishäviöstä. Tuulen kitka koostuu pääasiassa puhaltimen kuluttamasta tehosta. Koska tehokkaiden moottoreiden lämpöhäviö on yleensä pieni, voidaan jäähdytysilmamäärää pienentää ja siten myös ilmanvaihtotehoa pienentää. Tuuletusteho on suunnilleen verrannollinen puhaltimen halkaisijan 4.–5. tehoon. Siksi, jos lämpötilan nousu sallitaan, tuulettimen koon pienentäminen voi vähentää tehokkaasti tuulen kitkaa. Lisäksi ilmanvaihtorakenteen järkevä suunnittelu on tärkeää myös ilmanvaihdon tehokkuuden parantamiseksi ja tuulen kitkan vähentämiseksi. Testit ovat osoittaneet, että tehokkaan moottorin suuritehoisen 2-napaisen osan tuulen kitkaa voidaan vähentää noin 30 % verrattuna tavalliseen moottoriin. Koska ilmanvaihtohäviö pienenee suurella marginaalilla eikä vaadi paljoa lisäkustannuksia, puhaltimen rakenteen muuttaminen on usein yksi tärkeimmistä toimenpiteistä, joita tehdään tässä korkeatehoisten moottoreiden osassa.
- Vähennä hajahäviöitä suunnittelu- ja prosessitoimenpiteiden avulla
Asynkronisten moottoreiden hajahäviöt ovat pääasiassa suurtaajuisia häviöitä, jotka syntyvät staattorin ja roottorin ytimien ja käämien magneettikentän korkealuokkaisista harmonisista. Kuorman hajahäviön vähentämiseksi kunkin vaiheharmonisen amplitudia voidaan pienentää käyttämällä Y-Δ-sarjaan kytkettyä sinikäämiä tai muuta matalaharmonista käämiä, mikä vähentää hajahäviötä. Kokeet osoittavat, että sinikäämin käyttö voi vähentää hajahäviötä keskimäärin yli 30 %.
- Paranna painevaluprosessia roottorin häviön vähentämiseksi
Säätämällä painetta, lämpötilaa ja kaasupurkausreittiä roottorin alumiinivalussa, roottorin tankoissa olevaa kaasua voidaan vähentää, mikä parantaa johtavuutta ja vähentää roottorin alumiinihävikkiä. Viime vuosina Yhdysvallat on menestyksekkäästi kehittänyt kupariroottorin painevalulaitteita ja vastaavia prosesseja, ja parhaillaan tehdään pienimuotoista koetuotantoa. Laskelmat osoittavat, että jos kupariroottori korvaa alumiiniroottorin, roottorin häviötä voidaan vähentää noin 38 %.
- Käytä tietokoneoptimointisuunnittelua häviöiden vähentämiseksi ja tehokkuuden parantamiseksi
Materiaalien lisäämisen, materiaaliominaisuuksien parantamisen ja prosessien parantamisen lisäksi tietokoneoptimointisuunnittelua käytetään erilaisten parametrien järkevään määrittämiseen kustannusten ja suorituskyvyn rajoitusten alaisena, jolloin saavutetaan suurin mahdollinen tehokkuuden parannus. Optimoidun suunnittelun käyttö voi merkittävästi lyhentää moottorin suunnittelun aikaa ja parantaa moottorin suunnittelun laatua.