כיצד לשפר את יעילות המנוע?
יעילות זו של המנוע מושפעת מכמות קטנה של הפסדים, לרבות הפסדי התנגדות, הפסדים מכניים הנגרמים מחיכוך, הפסדים הנגרמים מפיזור אנרגיה מגנטית בליבה, והפסדים שונים בהתאם לסוג החומר בו נעשה שימוש. כדי להפוך את המנוע ליעיל יותר, עלינו לצמצם את ההפסדים במנוע. להלן מספר שיטות או טיפים שניתן לאמץ לשיפור מקדם היעילות של המנוע.
- תפקידה של מסגרת המנוע הוא לספק הגנה מכנית לפיתולים. זה גם אחראי על הממשק המותקן על ידי הרגליים. מסגרת המנוע ממלאת תפקיד חיוני בביצועים התרמיים שלה שכן היא אחראית על העברת החום שנוצר בתוך המנוע אל פני השטח של המסגרת שם האוויר המונשף על ידי המאוורר יקדם פיזור חום. זה יקטין את הפסדי החום.
- טיפ בסיסי נוסף הוא לשמור על מרווח מינימלי בין כל הקירות הקרובים לחלק האחורי של מכסה המאוורר כדי לאפשר כניסת אוויר. שמור על ניקיון האזור סביב המנוע ובדוק באופן קבוע אם יש חסימות אוויר שעלולות להפחית את ביצועי מערכת הקירור. לכן, ככל שהמנוע פועל יותר, כך הוא יחזיק מעמד זמן רב יותר.
- הסטטור הוא המרכיב העיקרי של המנוע וגורם ל-60% מההפסדים, ולכן על מנת לצמצם את ההפסדים הללו יש לשמור על המסה של פיתול הסטטור גדול מכיוון שהעלייה במסה מפחיתה את ההתנגדות. מנועים בעלי יעילות גבוהה מכילים 25% נחושת נוספת בהשוואה למנועים המיועדים לדגמי יעילות סטנדרטיים.
- הפסדי הרוטור נחשבים גם למקור מינורי להפסדים, הנגרמים בעיקר ממידת ההחלקה שמראה המנוע. החלקה היא למעשה ההבדל בין מהירות השדה המגנטי (RPM) לבין הסל"ד בפועל של הרוטור והציר בעומס נתון. ביניהם, החלקה מתקבלת על ידי הפחתת מהירות המנוע הטעון ממהירות המנוע הפרוק וחלוקתה במהירות המנוע הטעון. לכן, על מנת לצמצם את ההפסדים הללו, יש להפחית את ההחלקה, מה שנעשה על ידי הגדלת מוליכות הרוטור. יש להשתמש בנחושת בכמויות גדולות בגלל המוליכות הגבוהה שלה. אבל הנחושת חייבת להיות יציקה מכיוון שפותח לאחרונה תהליך ליציקת נחושת.
- הפסדים מגנטיים הליבה נגזרים מהיסטרזיס, ו-20% מסך ההפסדים נגרמים על ידי זרמי מערבולת ליבה ורוויה. על ידי שימוש בחומרים איכותיים ובקרת איכות, ניתן למזער הפסדים, ובכך לשפר את היעילות.
- על מנת להפחית את השפעות ההיסטרזיס והרוויה, פלדה המכילה כמות קטנה של סיליקון תשמש ללמינציה במקום פלדת פחמן בעלות נמוכה. בדרך זו ניתן לבטל הפסדי הליבה. על ידי הפחתת עובי הלמינציה והגדלת אורך הלמינציה, ניתן למזער את צפיפות השטף ואובדן הליבה.
- ניתן למזער את הפסדי זרם המערבולת במידה רבה על ידי הבטחת בידוד נאות בין היריעות או הלמינציות בהן נעשה שימוש.
- מרווח הסיכה הוא פונקציה של מהירות מדורגת התקנת המנוע, גודל המיסבים, סוג השומן ועליית הטמפרטורה. לכן, אנא היזהר בעת שימוש בחומרי סיכה. אין לערבב סוגי גריז, גם אם הם משתמשים באותם אלמנטים. אם נעשה שימוש בשמנים אחרים ביישום, הדבר ישפיע ישירות על ביצועי המנוע.
איך לצמצם את הפסדי המנוע?
מאז חלוקת ההפסדים של המָנוֹעַמשתנה עם גודל ההספק ומספר הקטבים, על מנת לצמצם את ההפסד, עלינו להתמקד בנקיטת אמצעים עבור מרכיבי ההפסד העיקריים של הספקים וקטבים שונים. כמה דרכים לצמצם את ההפסד מתוארות בקצרה כדלקמן:
- הגדל חומרים יעילים, צמצם אובדן מתפתל ואובדן ברזל
על פי עקרון הדמיון של מנועים, כאשר העומס האלקטרומגנטי נשאר ללא שינוי ואינו נחשב לאובדן מכני, אובדן המנוע הוא בערך פרופורציונלי לקוביית הגודל הליניארי של המנוע, והספק המבוא של המנוע הוא פרופורציונלי בערך לחזק הרביעי של הגודל הליניארי. מכאן ניתן להעריך את הקשר בין יעילות ושימוש יעיל בחומרים. על מנת להשיג חלל גדול יותר בתנאי גודל התקנה מסוימים, כך שניתן יהיה למקם חומרים יעילים יותר לשיפור יעילות המנוע, גודל הקוטר החיצוני של ניקוב הסטטור הופך לגורם חשוב. בתוך אותו טווח בסיס מכונות, למנועים אמריקאים יש תפוקה גדולה יותר מאשר למנועים אירופאים. על מנת להקל על פיזור החום ולהפחית את עליית הטמפרטורה, מנועים אמריקאים משתמשים בדרך כלל בחבטות סטטור עם קטרים חיצוניים גדולים יותר, בעוד שמנועים אירופאים משתמשים בדרך כלל בחבטות סטטור עם קטרים חיצוניים קטנים יותר בשל הצורך בנגזרות מבניות כגון מנועים חסיני פיצוץ וכדי להפחית את כמות הנחושת בשימוש בקצה המתפתל ועלויות הייצור.
- השתמש בחומרים מגנטיים טובים יותר ובאמצעי תהליך כדי להפחית את אובדן הברזל
לתכונות המגנטיות (חדירות מגנטית ואובדן ברזל יחידה) של חומר הליבה יש השפעה רבה על היעילות וביצועים אחרים של המנוע. יחד עם זאת, עלות חומר הליבה היא החלק העיקרי בעלות המנוע. לכן, בחירת חומרים מגנטיים מתאימים היא המפתח לתכנון וייצור מנועים בעלי יעילות גבוהה. במנועים בעלי הספק גבוה, אובדן הברזל מהווה חלק ניכר מההפסד הכולל, ולכן הפחתת ערך אובדן היחידה של חומר הליבה תסייע בהפחתת אובדן הברזל של המנוע. בשל התכנון והייצור של המנוע, אובדן הברזל של המנוע עולה בהרבה על הערך המחושב לפי ערך אובדן הברזל ליחידה שסופק על ידי מפעל הפלדה, כך שערך אובדן הברזל ליחידה גדל בדרך כלל פי 1.5 ~ 2 במהלך התכנון כדי לשקול את העלייה באובדן הברזל.
הסיבה לעלייה באובדן הברזל נובעת בעיקר מכך שערך אבדן הברזל ליחידה של מפעל הפלדה מתקבל על ידי בדיקת דגימת חומר הרצועה לפי שיטת המעגל המרובע של אפשטיין, אך החומר נתון ללחץ גדול לאחר ניקוב, גזירה ולמינציה, וההפסד יגדל; בנוסף, מרווח האוויר הנגרם על ידי נוכחות חריץ השן מוביל לשדה המגנטי ההרמוני של השן הגורם לאובדן ללא עומס על פני הליבה, מה שיוביל לעלייה משמעותית באובדן הברזל לאחר ייצור המנוע. לכן, בנוסף לבחירת חומרים מגנטיים עם אובדן ברזל יחידה נמוכה יותר, יש צורך גם לשלוט בלחץ הלמינציה ולנקוט בצעדי תהליך הדרושים להפחתת איבוד הברזל. לאור גורמי המחיר והתהליך, יריעות פלדת סיליקון בדרגה גבוהה ויריעות פלדת סיליקון דקות יותר מ-0.5 מ"מ אינן בשימוש רב בייצור מנועים בעלי יעילות גבוהה. בדרך כלל משתמשים ביריעות פלדה חשמליות ללא סיליקון דל פחמן או יריעות פלדת סיליקון מגולגלות קר בסיליקון נמוך. חלק מהיצרנים של מנועים אירופאים קטנים השתמשו ביריעות פלדה חשמליות נטולות סיליקון עם ערך אבדן ברזל ליחידה של 6.5 ואט/ק"ג. בשנים האחרונות, מפעלי פלדה השיקו יריעות פלדה חשמליות Polycor420 עם אובדן יחידה ממוצע של 4.0 ואט/ק"ג, שהוא אפילו נמוך יותר מכמה יריעות פלדה דלת סיליקון. לחומר גם חדירות מגנטית גבוהה יותר.
בשנים האחרונות, יפן פיתחה יריעת פלדה מגולגלת קר בעלת סיליקון נמוך בדרגה 50RMA350. כמות קטנה של אלומיניום ומתכות אדמה נדירות מתווספת להרכבו, ובכך שומרת על חדירות מגנטית גבוהה יותר תוך הפחתת הפסדים. ערך איבוד הברזל ליחידה שלו הוא 3.12 ואט/ק"ג. כל אלו עשויים לספק בסיס חומרי טוב יותר לייצור ולקידום מנועים בעלי יעילות גבוהה.
- הקטן את גודל המאוורר כדי להפחית את אובדן האוורור
עבור מנועי 2 ו-4 קוטבים גדולים יותר, חיכוך הרוח מהווה חלק ניכר. לדוגמה, חיכוך הרוח של מנוע 2 קוטבי 90kW יכול להגיע לכ-30% מההפסד הכולל. חיכוך הרוח מורכב בעיקר מהכוח שצורך המאוורר. מכיוון שאיבוד החום של מנועים בעלי יעילות גבוהה הוא בדרך כלל נמוך, ניתן להפחית את נפח אוויר הקירור, וכך גם להפחית את עוצמת האוורור. עוצמת האוורור היא בערך פרופורציונלי לחזק הרביעי עד החמישי של קוטר המאוורר. לכן, אם עליית הטמפרטורה מותרת, הקטנת גודל המאוורר יכולה למעשה להפחית את חיכוך הרוח. בנוסף, התכנון הסביר של מבנה האוורור חשוב גם לשיפור יעילות האוורור והפחתת חיכוך הרוח. בדיקות הראו כי ניתן להפחית את חיכוך הרוח של חלק דו-קוטבי בעל הספק גבוה של מנוע בעל יעילות גבוהה בכ-30% בהשוואה לזה של מנוע רגיל. מאחר ואובדן האוורור מצטמצם בפער גדול ואינו דורש עלות נוספת, שינוי עיצוב המאוורר הוא לעתים קרובות אחד האמצעים העיקריים שננקטים עבור חלק זה של מנועים בעלי יעילות גבוהה.
- צמצום הפסדי תועה באמצעות אמצעי עיצוב ותהליכים
הפסדי תועה של מנועים אסינכרוניים הם בעיקר הפסדים בתדר גבוה הנוצרים על ידי הרמוניות מסדר גבוה של השדה המגנטי בליבות הסטטור והרוטור ובפיתולים. כדי להפחית את אובדן תועה העומס, ניתן להפחית את המשרעת של כל הרמונית פאזה על ידי שימוש בפיתול סינוסואידאלי המחובר בסדרת Y-Δ או בפיתול הרמוני נמוך אחר, ובכך להפחית את אובדן התועה. ניסויים מראים ששימוש בפיתול סינוסואידי יכול להפחית את אובדן התועה ביותר מ-30% בממוצע.
- שפר את תהליך היציקה כדי להפחית את אובדן הרוטור
על ידי בקרת הלחץ, הטמפרטורה ונתיב פריקת הגז במהלך יציקת האלומיניום הרוטור, ניתן להפחית את הגז במוטות הרוטור, ובכך לשפר את המוליכות ולהפחית את אובדן האלומיניום הרוטור. בשנים האחרונות, ארצות הברית פיתחה בהצלחה ציוד ליציקת רוטור נחושת ותהליכים מתאימים, וכיום היא מבצעת ייצור ניסוי בקנה מידה קטן. חישובים מראים שאם רוטור נחושת מחליף רוטור מאלומיניום, ניתן להפחית את אובדן הרוטור בכ-38%.
- החל עיצוב אופטימיזציה למחשב כדי להפחית הפסדים ולשפר את היעילות
בנוסף להגדלת החומרים, שיפור תכונות החומר ושיפור תהליכים, נעשה שימוש בתכנון אופטימיזציה ממוחשב כדי לקבוע באופן סביר פרמטרים שונים תחת אילוצי עלות וביצועים, ובכך להשיג את השיפור המקסימלי האפשרי ביעילות. השימוש בעיצוב אופטימלי יכול לקצר משמעותית את זמן תכנון המנוע ולשפר את איכות תכנון המנוע.