Введение в эффективность двигателя

Как повысить эффективность двигателя?

На эту эффективность двигателя влияет небольшое количество потерь, включая потери на сопротивление, механические потери, вызванные трением, потери, вызванные рассеиванием магнитной энергии в сердечнике, и различные потери в зависимости от типа используемого материала. Чтобы сделать двигатель более эффективным, мы должны уменьшить потери в двигателе. Вот несколько методов или советов, которые можно использовать для повышения коэффициента эффективности двигателя.

1. Функция корпуса двигателя заключается в обеспечении механической защиты обмоток. Он также отвечает за интерфейс, установленный на ножках. Корпус двигателя играет важную роль в его тепловых характеристиках, поскольку он отвечает за передачу тепла, вырабатываемого внутри двигателя, на поверхность корпуса, где воздух, нагнетаемый вентилятором, будет способствовать рассеиванию тепла. Это уменьшит потери тепла.
2. Другой базовый совет — поддерживать минимальный зазор между любыми стенками рядом с задней частью кожуха вентилятора, чтобы обеспечить приток воздуха. Содержите область вокруг двигателя в чистоте и регулярно проверяйте наличие любых воздушных пробок, которые могут снизить производительность системы охлаждения. Поэтому, чем холоднее работает двигатель, тем дольше он прослужит.
3. Статор является основным компонентом двигателя и вызывает 60% потерь, поэтому для снижения этих потерь масса обмотки статора должна быть большой, поскольку увеличение массы снижает сопротивление. Высокоэффективные двигатели содержат на 25% больше меди по сравнению с двигателями, разработанными для моделей со стандартной эффективностью.
4. Потери ротора также считаются второстепенным источником потерь, в основном вызванным степенью скольжения, которое демонстрирует двигатель. Скольжение на самом деле представляет собой разницу между скоростью магнитного поля (RPM) и фактической частотой вращения ротора и вала при заданной нагрузке. Среди них скольжение получается путем вычитания скорости нагруженного двигателя из скорости ненагруженного двигателя и деления ее на скорость нагруженного двигателя. Поэтому для уменьшения этих потерь необходимо уменьшить скольжение, что достигается путем увеличения проводимости ротора. Медь должна использоваться в больших количествах из-за ее высокой проводимости. Но медь должна быть отлита под давлением, поскольку недавно был разработан процесс литья меди под давлением.
5. Магнитные потери в сердечнике происходят от гистерезиса, а 20% от общих потерь вызваны вихревыми токами в сердечнике и насыщением. Используя высококачественные материалы и контроль качества, потери можно минимизировать, тем самым повышая эффективность.
6. Для уменьшения эффектов гистерезиса и насыщения вместо дешевой углеродистой стали для ламинирования будет использоваться сталь с небольшим содержанием кремния. Таким образом, потери в сердечнике могут быть устранены. За счет уменьшения толщины ламинирования и увеличения длины ламинирования можно минимизировать плотность потока и потери в сердечнике.
7. Потери на вихревые токи можно в значительной степени минимизировать, обеспечив надлежащую изоляцию между используемыми листами или ламинатами.
8. Интервал смазки зависит от номинальной скорости установки двигателя, размера подшипника, типа смазки и повышения температуры. Поэтому будьте осторожны при использовании смазочных материалов. Не смешивайте типы смазок, даже если они используют одни и те же элементы. Если в приложении используются другие смазки, это напрямую повлияет на производительность двигателя.

Как уменьшить потери в двигателе?

Так как распределение потерьмоторварьируется в зависимости от мощности и количества полюсов, чтобы уменьшить потери, мы должны сосредоточиться на принятии мер для основных компонентов потерь различных мощностей и полюсов. Некоторые способы уменьшения потерь кратко описаны ниже:

1. Увеличение эффективности материалов, снижение потерь в обмотках и потерях в железе

Согласно принципу подобия двигателей, когда электромагнитная нагрузка остается неизменной и механические потери не учитываются, потери двигателя приблизительно пропорциональны кубу линейного размера двигателя, а входная мощность двигателя приблизительно пропорциональна четвертой степени линейного размера. Из этого можно аппроксимировать соотношение между эффективностью и эффективным использованием материала. Чтобы получить большее пространство при определенных условиях размера установки, чтобы можно было разместить более эффективные материалы для повышения эффективности двигателя, размер внешнего диаметра штамповки статора становится важным фактором. В пределах того же базового диапазона машины американские двигатели имеют большую выходную мощность, чем европейские двигатели. Чтобы облегчить рассеивание тепла и уменьшить повышение температуры, американские двигатели обычно используют штамповку статора с большим внешним диаметром, в то время как европейские двигатели обычно используют штамповку статора с меньшим внешним диаметром из-за необходимости в структурных производных, таких как взрывозащищенные двигатели, и для уменьшения количества меди, используемой на конце обмотки, и производственных затрат.

2. Используйте лучшие магнитные материалы и технологические меры для снижения потерь железа.

Магнитные свойства (магнитная проницаемость и удельные потери в железе) материала сердечника оказывают большое влияние на эффективность и другие характеристики двигателя. В то же время стоимость материала сердечника составляет основную часть стоимости двигателя. Поэтому выбор подходящих магнитных материалов является ключом к проектированию и производству высокоэффективных двигателей. В двигателях высокой мощности потери в железе составляют значительную долю общих потерь, поэтому снижение значения удельных потерь материала сердечника поможет снизить потери в железе двигателя. Из-за конструкции и производства двигателя потери в железе двигателя значительно превышают значение, рассчитанное в соответствии со значением удельных потерь в железе, предоставленным сталелитейным заводом, поэтому значение удельных потерь в железе обычно увеличивается в 1,5~2 раза во время проектирования, чтобы учесть увеличение потерь в железе.

Причина увеличения потерь в железе в основном заключается в том, что удельное значение потерь в железе сталелитейного завода получается путем испытания образца полосового материала по методу квадратного круга Эпштейна, но материал подвергается большому напряжению после штамповки, резки и ламинирования, и потери будут увеличиваться; кроме того, воздушный зазор, вызванный наличием паза зуба, приводит к тому, что магнитное поле зуба гармоники вызывает потери холостого хода на поверхности сердечника, что приведет к значительному увеличению потерь в железе после изготовления двигателя. Поэтому, в дополнение к выбору магнитных материалов с более низкими удельными потерями в железе, необходимо также контролировать давление ламинирования и принимать необходимые технологические меры для снижения потерь в железе. С учетом ценовых и технологических факторов высококачественные листы кремнистой стали и листы кремнистой стали толщиной менее 0,5 мм нечасто используются в производстве высокоэффективных двигателей. Обычно используются низкоуглеродистые листы электротехнической стали без кремния или холоднокатаные листы кремнистой стали с низким содержанием кремния. Некоторые производители небольших европейских двигателей использовали листы электротехнической стали без кремния с удельным значением потерь в железе 6,5 Вт/кг. В последние годы сталелитейные заводы выпустили листы электротехнической стали Polycor420 со средней удельной потерей 4,0 Вт/кг, что даже ниже, чем у некоторых листов стали с низким содержанием кремния. Материал также имеет более высокую магнитную проницаемость.

В последние годы Япония разработала холоднокатаный стальной лист с низким содержанием кремния марки 50RMA350. В его состав добавлено небольшое количество алюминия и редкоземельных металлов, что позволяет поддерживать более высокую магнитную проницаемость при одновременном снижении потерь. Его удельное значение потерь в железе составляет 3,12 Вт/кг. Все это, вероятно, обеспечит лучшую материальную основу для производства и продвижения высокоэффективных двигателей.

3. Уменьшите размер вентилятора, чтобы снизить потери на вентиляцию.

Для более мощных 2- и 4-полюсных двигателей трение ветра составляет значительную долю. Например, трение ветра 90 кВт 2-полюсного двигателя может достигать около 30% от общей потери. Трение ветра в основном состоит из мощности, потребляемой вентилятором. Поскольку тепловые потери высокоэффективных двигателей, как правило, невелики, объем охлаждающего воздуха может быть уменьшен, и, таким образом, мощность вентиляции также может быть уменьшена. Мощность вентиляции приблизительно пропорциональна 4-й-5-й степени диаметра вентилятора. Поэтому, если допускается повышение температуры, уменьшение размера вентилятора может эффективно уменьшить трение ветра. Кроме того, разумная конструкция вентиляционной структуры также важна для повышения эффективности вентиляции и уменьшения трения ветра. Испытания показали, что трение ветра мощной 2-полюсной части высокоэффективного двигателя может быть уменьшено примерно на 30% по сравнению с обычным двигателем. Поскольку потери на вентиляцию значительно сокращаются и не требуют больших дополнительных затрат, изменение конструкции вентилятора часто является одной из основных мер, принимаемых для этой части высокоэффективных двигателей.

4. Сокращение случайных потерь за счет мер по проектированию и технологическому процессу

Потери на рассеяние асинхронных двигателей в основном представляют собой высокочастотные потери, вызванные гармониками высокого порядка магнитного поля в сердечниках и обмотках статора и ротора. Чтобы уменьшить потери на рассеяние нагрузки, амплитуду каждой фазной гармоники можно уменьшить, используя последовательно соединенную синусоидальную обмотку Y-Δ или другую обмотку с низким содержанием гармоник, тем самым уменьшая потери на рассеяние. Эксперименты показывают, что использование синусоидальной обмотки может уменьшить потери на рассеяние в среднем более чем на 30%.

5. Улучшение процесса литья под давлением для снижения потерь ротора

Управляя давлением, температурой и путем выпуска газа во время литья алюминия ротора, можно уменьшить количество газа в стержнях ротора, тем самым улучшив проводимость и сократив потери алюминия ротора. В последние годы Соединенные Штаты успешно разработали оборудование для литья медных роторов под давлением и соответствующие процессы, и в настоящее время проводят мелкосерийное пробное производство. Расчеты показывают, что если медный ротор заменить алюминиевый ротор, потери ротора можно сократить примерно на 38%.

6. Применяйте компьютерную оптимизацию дизайна для сокращения потерь и повышения эффективности

В дополнение к увеличению материалов, улучшению свойств материалов и совершенствованию процессов, компьютерное оптимизационное проектирование используется для обоснованного определения различных параметров в условиях ограничений стоимости и производительности, тем самым достигая максимально возможного улучшения эффективности. Использование оптимизированного проектирования может значительно сократить время проектирования двигателя и повысить качество проектирования двигателя.