Einführung in die Motoreffizienz

Wie kann die Motoreffizienz verbessert werden?

Der Wirkungsgrad des Motors wird durch geringe Verluste beeinflusst, darunter Widerstandsverluste, mechanische Reibungsverluste, Verluste durch die Ableitung magnetischer Energie im Kern und unterschiedliche Verluste je nach verwendetem Material. Um den Motor effizienter zu machen, müssen die Verluste im Motor reduziert werden. Hier sind einige Methoden und Tipps zur Verbesserung des Motorwirkungsgrads.

1. Die Funktion des Motorrahmens besteht darin, den Wicklungen mechanischen Schutz zu bieten. Er ist außerdem für die Schnittstelle zwischen den Beinen verantwortlich. Der Motorrahmen spielt eine entscheidende Rolle für die thermische Leistung, da er die im Motor erzeugte Wärme an die Rahmenoberfläche ableitet, wo die vom Lüfter geblasene Luft die Wärmeableitung fördert. Dies reduziert Wärmeverluste.
2. Ein weiterer wichtiger Tipp: Halten Sie einen Mindestabstand zwischen den Wänden in der Nähe der Lüfterabdeckung ein, um die Luftzufuhr zu gewährleisten. Halten Sie den Bereich um den Motor sauber und prüfen Sie ihn regelmäßig auf Luftblockaden, die die Leistung des Kühlsystems beeinträchtigen könnten. Je kühler der Motor läuft, desto länger hält er.
3. Der Stator ist die Hauptkomponente des Motors und verursacht 60 % der Verluste. Um diese Verluste zu reduzieren, muss die Masse der Statorwicklung groß gehalten werden, da die erhöhte Masse den Widerstand verringert. Hocheffiziente Motoren enthalten 25 % mehr Kupfer als Motoren mit Standardeffizienz.
4. Rotorverluste gelten ebenfalls als unbedeutende Verlustquelle und werden hauptsächlich durch den Schlupf des Motors verursacht. Schlupf ist die Differenz zwischen der Drehzahl des Magnetfelds (U/min) und der tatsächlichen Drehzahl von Rotor und Welle bei einer bestimmten Belastung. Der Schlupf wird ermittelt, indem die Drehzahl des belasteten Motors von der Drehzahl des unbelasteten Motors subtrahiert und das Ergebnis durch die Drehzahl des belasteten Motors dividiert wird. Um diese Verluste zu verringern, muss der Schlupf reduziert werden, was durch eine Erhöhung der Leitfähigkeit des Rotors erreicht wird. Aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit muss Kupfer in großen Mengen verwendet werden. Das Kupfer muss jedoch druckgegossen werden, da vor kurzem ein Verfahren für den Kupferdruckguss entwickelt wurde.
5. Magnetische Kernverluste entstehen durch Hysterese, und 20 % der Gesamtverluste werden durch Kernwirbelströme und Sättigung verursacht. Durch den Einsatz hochwertiger Materialien und Qualitätskontrollen können Verluste minimiert und so die Effizienz verbessert werden.
6. Um Hysterese- und Sättigungseffekte zu reduzieren, wird anstelle von kostengünstigem Kohlenstoffstahl siliziumarmer Stahl für die Laminierung verwendet. Dadurch werden Kernverluste eliminiert. Durch Reduzierung der Laminierungsdicke und Erhöhung der Laminierungslänge können Flussdichte und Kernverlust minimiert werden.
7. Durch eine ausreichende Isolierung zwischen den verwendeten Blechen oder Laminaten können Wirbelstromverluste weitgehend minimiert werden.
8. Das Schmierintervall hängt von der Nenndrehzahl des Motors, der Lagergröße, der Fettsorte und dem Temperaturanstieg ab. Seien Sie daher beim Einsatz von Schmiermitteln vorsichtig. Mischen Sie keine Fettsorten, auch nicht bei gleicher Zusammensetzung. Die Verwendung anderer Fette wirkt sich direkt auf die Motorleistung aus.

Wie lassen sich Motorverluste reduzieren?

Da die Verlustverteilung derMotorDer Verlust variiert mit der Leistungsgröße und der Anzahl der Pole. Um den Verlust zu reduzieren, sollten wir uns auf Maßnahmen für die Hauptverlustkomponenten unterschiedlicher Leistungen und Pole konzentrieren. Einige Möglichkeiten zur Verlustreduzierung werden im Folgenden kurz beschrieben:

1. Erhöhen Sie die Wirksamkeit der Materialien, verringern Sie Wicklungsverluste und Eisenverluste

Nach dem Ähnlichkeitsprinzip von Motoren ist der Verlust des Motors bei unveränderter elektromagnetischer Last und unberücksichtigter mechanischer Verluste ungefähr proportional zur dritten Potenz der linearen Größe des Motors, und die Eingangsleistung des Motors ist ungefähr proportional zur vierten Potenz der linearen Größe. Daraus lässt sich die Beziehung zwischen Wirkungsgrad und effektivem Materialeinsatz ableiten. Um unter bestimmten Einbaubedingungen mehr Platz zu schaffen und so effektivere Materialien zur Verbesserung des Motorwirkungsgrads einzusetzen, ist der Außendurchmesser des Statorlochs ein wichtiger Faktor. Bei gleicher Maschinenbasis haben amerikanische Motoren eine höhere Leistung als europäische Motoren. Um die Wärmeableitung zu erleichtern und den Temperaturanstieg zu reduzieren, verwenden amerikanische Motoren im Allgemeinen Statorlochstanzungen mit größerem Außendurchmesser, während europäische Motoren im Allgemeinen Statorlochstanzungen mit kleinerem Außendurchmesser verwenden. Dies ist auf den Bedarf an strukturellen Derivaten wie explosionsgeschützten Motoren zurückzuführen und soll den Kupferverbrauch am Wicklungsende sowie die Produktionskosten senken.

2. Verwenden Sie bessere magnetische Materialien und Prozessmaßnahmen, um den Eisenverlust zu reduzieren

Die magnetischen Eigenschaften (magnetische Permeabilität und Eisenverlust pro Einheit) des Kernmaterials haben einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad und die sonstige Leistung des Motors. Gleichzeitig machen die Kosten des Kernmaterials den größten Teil der Motorkosten aus. Daher ist die Auswahl geeigneter magnetischer Materialien der Schlüssel zur Entwicklung und Herstellung hocheffizienter Motoren. Bei Hochleistungsmotoren macht der Eisenverlust einen erheblichen Teil des Gesamtverlusts aus. Daher trägt eine Reduzierung des Eisenverlustwerts des Kernmaterials dazu bei, den Eisenverlust des Motors zu verringern. Aufgrund der Konstruktion und Herstellung des Motors übersteigt der Eisenverlust des Motors den anhand des vom Stahlwerk bereitgestellten Eisenverlustwerts berechneten Wert erheblich. Daher wird der Eisenverlustwert pro Einheit während der Konstruktion in der Regel um das 1,5- bis 2-fache erhöht, um den erhöhten Eisenverlust zu berücksichtigen.

Der erhöhte Eisenverlust liegt hauptsächlich darin begründet, dass der Eisenverlust des Stahlwerks durch Prüfung der Bandmaterialprobe nach der Epstein-Quadratkreismethode ermittelt wird. Das Material wird jedoch nach dem Stanzen, Scheren und Laminieren hohen Belastungen ausgesetzt, wodurch der Verlust steigt. Darüber hinaus führt der durch die Zahnnuten verursachte Luftspalt dazu, dass das harmonische Magnetfeld des Zahns Leerlaufverluste an der Kernoberfläche verursacht, was nach der Motorfertigung zu einem deutlichen Anstieg der Eisenverluste führt. Daher ist es neben der Auswahl von Magnetmaterialien mit geringerem Eisenverlust auch notwendig, den Laminierdruck zu kontrollieren und die notwendigen Prozessmaßnahmen zur Reduzierung der Eisenverluste zu ergreifen. Aus Preis- und Prozessgründen werden hochwertige Siliziumstahlbleche und Siliziumstahlbleche mit einer Dicke von weniger als 0,5 mm bei der Herstellung von Hocheffizienzmotoren selten eingesetzt. In der Regel werden kohlenstoffarme, siliziumfreie Elektrobleche oder kaltgewalzte Siliziumstahlbleche mit niedrigem Siliziumgehalt verwendet. Einige Hersteller kleiner europäischer Motoren verwenden siliziumfreie Elektrobleche mit einem Eisenverlust von 6,5 W/kg. In den letzten Jahren haben Stahlwerke Polycor420-Elektrobleche mit einem durchschnittlichen Verlust von 4,0 W/kg auf den Markt gebracht, der sogar niedriger ist als bei einigen siliziumarmen Stahlblechen. Das Material weist zudem eine höhere magnetische Permeabilität auf.

In den letzten Jahren hat Japan ein kaltgewalztes Stahlblech mit niedrigem Siliziumgehalt der Güte 50RMA350 entwickelt. Durch die Zugabe geringer Mengen an Aluminium und Seltenen Erden wird eine höhere magnetische Permeabilität erreicht und gleichzeitig die Verluste reduziert. Der Eisenverlust pro Einheit beträgt 3,12 W/kg. All dies dürfte eine bessere Materialbasis für die Produktion und Förderung hocheffizienter Motoren bieten.

3. Reduzieren Sie die Größe des Lüfters, um den Belüftungsverlust zu verringern

Bei leistungsstarken zwei- und vierpoligen Motoren macht die Windreibung einen erheblichen Anteil aus. Beispielsweise kann die Windreibung eines zweipoligen 90-kW-Motors etwa 30 % der Gesamtverluste ausmachen. Die Windreibung wird hauptsächlich durch die vom Lüfter aufgenommene Leistung verursacht. Da die Wärmeverluste hocheffizienter Motoren in der Regel gering sind, kann die Kühlluftmenge und damit auch die Lüfterleistung reduziert werden. Die Lüfterleistung ist ungefähr proportional zur vierten bis fünften Potenz des Lüfterdurchmessers. Daher kann eine Verkleinerung des Lüfters die Windreibung wirksam reduzieren, sofern ein Temperaturanstieg möglich ist. Darüber hinaus ist eine sinnvolle Gestaltung der Lüfterstruktur wichtig, um die Lüftereffizienz zu verbessern und die Windreibung zu reduzieren. Tests haben gezeigt, dass die Windreibung des leistungsstarken zweipoligen Teils eines hocheffizienten Motors im Vergleich zu einem herkömmlichen Motor um etwa 30 % reduziert werden kann. Da der Lüfterverlust deutlich reduziert wird und keine großen Mehrkosten verursacht, ist eine Änderung des Lüfterdesigns oft eine der wichtigsten Maßnahmen für diesen Teil hocheffizienter Motoren.

4. Reduzieren Sie Streuverluste durch Design- und Prozessmaßnahmen

Die Streuverluste von Asynchronmotoren sind hauptsächlich Hochfrequenzverluste, die durch Oberwellen des Magnetfelds in den Stator- und Rotorkernen sowie den Wicklungen entstehen. Um die Laststreuverluste zu reduzieren, kann die Amplitude jeder Phasenharmonischen durch den Einsatz einer Y-Δ-Reihenschaltung einer Sinuswicklung oder einer anderen Wicklung mit niedriger Harmonischer reduziert werden, wodurch die Streuverluste reduziert werden. Experimente zeigen, dass der Einsatz einer Sinuswicklung die Streuverluste durchschnittlich um mehr als 30 % reduzieren kann.

5. Verbesserung des Druckgussverfahrens zur Reduzierung von Rotorverlusten

Durch die Steuerung von Druck, Temperatur und Gasaustrittsweg während des Rotor-Aluminiumgusses kann die Gaskonzentration in den Rotorstäben reduziert werden, wodurch die Leitfähigkeit verbessert und der Rotor-Aluminiumverlust verringert wird. In den letzten Jahren wurden in den USA erfolgreich Kupferrotor-Druckgussanlagen und entsprechende Verfahren entwickelt. Derzeit werden Versuchsproduktionen im kleinen Maßstab durchgeführt. Berechnungen zeigen, dass sich der Rotorverlust um etwa 38 % reduzieren lässt, wenn ein Kupferrotor durch einen Aluminiumrotor ersetzt wird.

6. Wenden Sie computergestütztes Optimierungsdesign an, um Verluste zu reduzieren und die Effizienz zu verbessern

Neben der Verbesserung von Materialien, Materialeigenschaften und Prozessen werden mithilfe computergestützter Optimierung verschiedene Parameter unter Kosten- und Leistungsgesichtspunkten sinnvoll bestimmt und so die größtmögliche Effizienzsteigerung erzielt. Durch optimiertes Design kann die Motorkonstruktionszeit erheblich verkürzt und die Qualität verbessert werden.