Wprowadzenie do sprawności silnika

Jak poprawić wydajność silnika?

Na tę wydajność silnika wpływają niewielkie straty, w tym straty oporowe, straty mechaniczne spowodowane tarciem, straty spowodowane rozpraszaniem energii magnetycznej w rdzeniu i różne straty w zależności od rodzaju użytego materiału. Aby zwiększyć wydajność silnika, musimy zmniejszyć straty w silniku. Oto kilka metod lub wskazówek, które można zastosować, aby poprawić współczynnik wydajności silnika.

1. Funkcją ramy silnika jest zapewnienie ochrony mechanicznej uzwojeń. Odpowiada ona również za interfejs montowany za pomocą nóg. Rama silnika odgrywa kluczową rolę w jego wydajności cieplnej, ponieważ odpowiada za przenoszenie ciepła wytwarzanego wewnątrz silnika na powierzchnię ramy, gdzie powietrze wdmuchiwane przez wentylator będzie wspomagać rozpraszanie ciepła. Zmniejszy to straty ciepła.
2. Inną podstawową wskazówką jest zachowanie minimalnego odstępu między ścianami blisko tylnej części pokrywy wentylatora, aby umożliwić wlot powietrza. Utrzymuj obszar wokół silnika w czystości i regularnie sprawdzaj, czy nie ma żadnych blokad powietrza, które mogą zmniejszyć wydajność układu chłodzenia. Dlatego im chłodniej pracuje silnik, tym dłużej będzie działał.
3. Stojan jest głównym elementem silnika i powoduje 60% strat, więc aby zmniejszyć te straty, masa uzwojenia stojana musi być duża, ponieważ wzrost masy zmniejsza rezystancję. Silniki o wysokiej sprawności zawierają o 25% więcej miedzi w porównaniu do silników zaprojektowanych dla modeli o standardowej sprawności.
4. Straty wirnika są również uważane za niewielkie źródło strat, spowodowane głównie przez stopień poślizgu, jaki wykazuje silnik. Poślizg jest w rzeczywistości różnicą między prędkością pola magnetycznego (RPM) a rzeczywistą prędkością obrotową wirnika i wału przy danym obciążeniu. Spośród nich poślizg uzyskuje się poprzez odjęcie prędkości silnika obciążonego od prędkości silnika nieobciążonego i podzielenie jej przez prędkość silnika obciążonego. Dlatego też, aby zmniejszyć te straty, poślizg musi zostać zmniejszony, co odbywa się poprzez zwiększenie przewodności wirnika. Miedź musi być stosowana w dużych ilościach ze względu na jej wysoką przewodność. Jednak miedź musi być odlewana ciśnieniowo, ponieważ niedawno opracowano proces odlewania ciśnieniowego miedzi.
5. Straty magnetyczne rdzenia wynikają z histerezy, a 20% całkowitych strat jest spowodowanych przez prądy wirowe rdzenia i nasycenie. Dzięki zastosowaniu wysokiej jakości materiałów i kontroli jakości straty można zminimalizować, zwiększając tym samym wydajność.
6. Aby zmniejszyć skutki histerezy i nasycenia, do laminowania zostanie użyta stal zawierająca niewielką ilość krzemu zamiast taniej stali węglowej. W ten sposób można wyeliminować straty rdzenia. Zmniejszając grubość laminowania i zwiększając długość laminowania, można zminimalizować gęstość strumienia i straty rdzenia.
7. Straty spowodowane prądami wirowymi można w dużym stopniu zminimalizować, zapewniając odpowiednią izolację pomiędzy stosowanymi arkuszami lub laminatami.
8. Interwał smarowania jest funkcją znamionowej prędkości instalacji silnika, rozmiaru łożyska, rodzaju smaru i wzrostu temperatury. Dlatego należy zachować ostrożność podczas stosowania środków smarnych. Nie należy mieszać rodzajów smarów, nawet jeśli zawierają te same elementy. Jeśli w aplikacji zostaną użyte inne smary, będzie to miało bezpośredni wpływ na wydajność silnika.

Jak zmniejszyć straty silnikowe?

Ponieważ rozkład stratsilnikzmienia się wraz z rozmiarem mocy i liczbą biegunów, aby zmniejszyć stratę, powinniśmy skupić się na podejmowaniu środków dla głównych składników strat różnych mocy i biegunów. Niektóre sposoby na zmniejszenie straty są krótko opisane w następujący sposób:

1. Zwiększ efektywność materiałów, zmniejsz straty uzwojenia i straty żelaza

Zgodnie z zasadą podobieństwa silników, gdy obciążenie elektromagnetyczne pozostaje niezmienione i nie bierze się pod uwagę strat mechanicznych, strata silnika jest w przybliżeniu proporcjonalna do sześcianu liniowego rozmiaru silnika, a moc wejściowa silnika jest w przybliżeniu proporcjonalna do czwartej potęgi liniowego rozmiaru. Na tej podstawie można oszacować zależność między wydajnością a efektywnym wykorzystaniem materiału. Aby uzyskać większą przestrzeń w określonych warunkach rozmiaru instalacji, tak aby można było umieścić bardziej efektywne materiały w celu poprawy wydajności silnika, rozmiar średnicy zewnętrznej wykroju stojana staje się ważnym czynnikiem. W tym samym zakresie bazowym maszyny silniki amerykańskie mają większą moc wyjściową niż silniki europejskie. Aby ułatwić odprowadzanie ciepła i zmniejszyć wzrost temperatury, silniki amerykańskie zazwyczaj używają wykrojów stojana o większych średnicach zewnętrznych, podczas gdy silniki europejskie zazwyczaj używają wykrojów stojana o mniejszych średnicach zewnętrznych ze względu na potrzebę pochodnych konstrukcyjnych, takich jak silniki przeciwwybuchowe, oraz w celu zmniejszenia ilości miedzi używanej na końcu uzwojenia i kosztów produkcji.

2. Stosuj lepsze materiały magnetyczne i środki procesowe w celu zmniejszenia strat żelaza

Właściwości magnetyczne (przenikalność magnetyczna i jednostkowa strata żelaza) materiału rdzenia mają duży wpływ na wydajność i inne parametry silnika. Jednocześnie koszt materiału rdzenia jest główną częścią kosztu silnika. Dlatego wybór odpowiednich materiałów magnetycznych jest kluczem do projektowania i produkcji silników o wysokiej wydajności. W silnikach dużej mocy strata żelaza stanowi znaczną część całkowitej straty, więc zmniejszenie wartości jednostkowej straty materiału rdzenia pomoże zmniejszyć stratę żelaza w silniku. Ze względu na konstrukcję i produkcję silnika, strata żelaza w silniku znacznie przekracza wartość obliczoną zgodnie z wartością jednostkowej straty żelaza podaną przez hutę, więc wartość jednostkowej straty żelaza jest na ogół zwiększana o 1,5~2 razy podczas projektowania, aby uwzględnić wzrost straty żelaza.

Powodem wzrostu strat żelaza jest głównie to, że wartość jednostkowej straty żelaza w stalowni jest uzyskiwana poprzez testowanie próbki materiału taśmowego zgodnie z metodą kwadratowego koła Epsteina, ale materiał jest poddawany dużemu naprężeniu po wykrawaniu, ścinaniu i laminowaniu, a strata wzrośnie; ponadto szczelina powietrzna spowodowana obecnością szczeliny zębatej prowadzi do harmonicznego pola magnetycznego zęba powodującego stratę bez obciążenia na powierzchni rdzenia, co doprowadzi do znacznego wzrostu strat żelaza po wyprodukowaniu silnika. Dlatego oprócz wybierania materiałów magnetycznych o niższej jednostkowej stracie żelaza, konieczne jest również kontrolowanie ciśnienia laminowania i podejmowanie niezbędnych środków procesowych w celu zmniejszenia strat żelaza. Biorąc pod uwagę czynniki cenowe i procesowe, wysokiej jakości blachy ze stali krzemowej i blachy ze stali krzemowej cieńsze niż 0,5 mm nie są często stosowane w produkcji silników o wysokiej wydajności. Zazwyczaj stosuje się blachy ze stali elektrotechnicznej bezsilikonowej o niskiej zawartości węgla lub blachy ze stali krzemowej walcowanej na zimno o niskiej zawartości krzemu. Niektórzy producenci małych europejskich silników stosowali bezsilikonowe blachy stalowe elektrotechniczne o wartości strat jednostkowych żelaza wynoszącej 6,5 W/kg. W ostatnich latach huty wprowadziły na rynek blachy stalowe elektrotechniczne Polycor420 o średniej wartości strat jednostkowych wynoszącej 4,0 W/kg, co jest wartością niższą niż w przypadku niektórych blach stalowych o niskiej zawartości krzemu. Materiał ten ma również wyższą przenikalność magnetyczną.

W ostatnich latach Japonia opracowała niskokrzemową blachę stalową walcowaną na zimno o gatunku 50RMA350. Do jej składu dodano niewielką ilość aluminium i metali ziem rzadkich, co pozwoliło utrzymać wyższą przenikalność magnetyczną przy jednoczesnym zmniejszeniu strat. Wartość jednostkowej straty żelaza wynosi 3,12 W/kg. Wszystkie te elementy prawdopodobnie zapewnią lepszą bazę materiałową do produkcji i promocji silników o wysokiej sprawności.

3. Zmniejsz rozmiar wentylatora, aby zmniejszyć utratę wentylacji

W przypadku silników 2- i 4-biegunowych o większej mocy tarcie wiatru stanowi znaczną część. Na przykład tarcie wiatru 90-kilowatowego silnika 2-biegunowego może osiągnąć około 30% całkowitej straty. Tarcie wiatru składa się głównie z mocy pobieranej przez wentylator. Ponieważ strata ciepła silników o wysokiej sprawności jest na ogół niska, objętość powietrza chłodzącego można zmniejszyć, a tym samym można również zmniejszyć moc wentylacji. Moc wentylacji jest w przybliżeniu proporcjonalna do 4. do 5. potęgi średnicy wentylatora. Dlatego jeśli dopuszcza się wzrost temperatury, zmniejszenie rozmiaru wentylatora może skutecznie zmniejszyć tarcie wiatru. Ponadto, rozsądna konstrukcja struktury wentylacyjnej jest również ważna dla poprawy wydajności wentylacji i zmniejszenia tarcia wiatru. Testy wykazały, że tarcie wiatru części 2-biegunowej o dużej mocy silnika o wysokiej sprawności można zmniejszyć o około 30% w porównaniu ze zwykłym silnikiem. Ponieważ straty wentylacji są znacznie zredukowane i nie wymagają dużych dodatkowych kosztów, zmiana konstrukcji wentylatora jest często jednym z głównych działań podejmowanych w tej części silników o wysokiej sprawności.

4. Zmniejszaj straty przypadkowe poprzez działania projektowe i procesowe

Straty błądzące silników asynchronicznych to głównie straty wysokoczęstotliwościowe generowane przez harmoniczne wyższego rzędu pola magnetycznego w rdzeniach i uzwojeniach stojana i wirnika. Aby zmniejszyć straty błądzące obciążenia, amplitudę każdej harmonicznej fazy można zmniejszyć, stosując szeregowo połączone uzwojenie sinusoidalne Y-Δ lub inne uzwojenie o niskiej harmonicznej, zmniejszając w ten sposób straty błądzące. Eksperymenty pokazują, że zastosowanie uzwojenia sinusoidalnego może zmniejszyć straty błądzące średnio o ponad 30%.

5. Ulepsz proces odlewania ciśnieniowego, aby zmniejszyć straty wirnika

Kontrolując ciśnienie, temperaturę i ścieżkę wylotu gazu podczas odlewania aluminiowego wirnika, można zmniejszyć ilość gazu w prętach wirnika, co poprawia przewodność i zmniejsza straty aluminium wirnika. W ostatnich latach Stany Zjednoczone z powodzeniem opracowały urządzenia do odlewania ciśnieniowego wirników miedzianych i odpowiednie procesy, a obecnie prowadzą produkcję próbną na małą skalę. Obliczenia pokazują, że jeśli wirnik miedziany zastąpi wirnik aluminiowy, straty wirnika można zmniejszyć o około 38%.

6. Zastosuj projektowanie optymalizacji komputerowej w celu zmniejszenia strat i zwiększenia wydajności

Oprócz zwiększania ilości materiałów, ulepszania właściwości materiałów i ulepszania procesów, projektowanie optymalizacji komputerowej jest wykorzystywane do rozsądnego określania różnych parametrów przy ograniczeniach kosztów i wydajności, osiągając w ten sposób maksymalną możliwą poprawę wydajności. Zastosowanie zoptymalizowanego projektu może znacznie skrócić czas projektowania silnika i poprawić jakość projektu silnika.