จะปรับปรุงประสิทธิภาพมอเตอร์ได้อย่างไร?
ประสิทธิภาพของมอเตอร์นี้ได้รับผลกระทบจากการสูญเสียจำนวนเล็กน้อย รวมถึงการสูญเสียความต้านทาน การสูญเสียทางกลที่เกิดจากแรงเสียดทาน การสูญเสียที่เกิดจากการกระจายพลังงานแม่เหล็กในแกนกลาง และการสูญเสียที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุที่ใช้ เพื่อให้มอเตอร์มีประสิทธิภาพมากขึ้น เราต้องลดการสูญเสียในมอเตอร์ ต่อไปนี้เป็นวิธีการหรือเคล็ดลับบางประการที่สามารถนำมาใช้เพื่อปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพของมอเตอร์
- หน้าที่ของโครงมอเตอร์คือการป้องกันทางกลให้กับขดลวด นอกจากนี้ยังรับผิดชอบอินเทอร์เฟซที่ติดตั้งด้วยขาตั้ง โครงมอเตอร์มีบทบาทสำคัญในประสิทธิภาพความร้อนเนื่องจากรับผิดชอบในการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นภายในมอเตอร์ไปยังพื้นผิวของโครงซึ่งอากาศที่พัดโดยพัดลมจะส่งเสริมการระบายความร้อน ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียความร้อน
- เคล็ดลับพื้นฐานอีกประการหนึ่งคือการรักษาระยะห่างให้น้อยที่สุดระหว่างผนังใดๆ ใกล้กับด้านหลังของฝาครอบพัดลมเพื่อให้อากาศเข้ามาได้ รักษาพื้นที่รอบมอเตอร์ให้สะอาดและตรวจสอบการอุดตันของอากาศเป็นประจำซึ่งอาจลดประสิทธิภาพของระบบระบายความร้อน ดังนั้น ยิ่งมอเตอร์ทำงานเย็นลงเท่าไร อายุการใช้งานของมอเตอร์ก็จะยิ่งยาวนานขึ้นเท่านั้น
- สเตเตอร์เป็นส่วนประกอบหลักของมอเตอร์และก่อให้เกิดการสูญเสีย 60% ดังนั้นเพื่อลดการสูญเสียเหล่านี้ มวลของขดลวดสเตเตอร์จะต้องคงไว้มาก เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของมวลจะลดความต้านทาน มอเตอร์ประสิทธิภาพสูงประกอบด้วยทองแดงมากกว่ามอเตอร์ที่ออกแบบมาสำหรับรุ่นประสิทธิภาพมาตรฐาน 25%
- การสูญเสียของโรเตอร์ถือเป็นแหล่งสูญเสียเล็กน้อย ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากระดับการลื่นไถลของมอเตอร์ การลื่นไถลคือความแตกต่างระหว่างความเร็วของสนามแม่เหล็ก (RPM) และ RPM จริงของโรเตอร์และเพลาที่โหลดที่กำหนด ในจำนวนนี้ การลื่นไถลได้มาจากการหักความเร็วของมอเตอร์ที่มีโหลดออกจากความเร็วของมอเตอร์ที่ไม่มีโหลด และหารด้วยความเร็วของมอเตอร์ที่มีโหลด ดังนั้น เพื่อลดการสูญเสียเหล่านี้ จำเป็นต้องลดการลื่นไถล ซึ่งทำได้โดยการเพิ่มสภาพนำไฟฟ้าของโรเตอร์ ทองแดงต้องใช้ในปริมาณมากเนื่องจากมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าสูง แต่ทองแดงจะต้องผ่านการหล่อขึ้นรูปเนื่องจากมีการพัฒนากระบวนการหล่อขึ้นรูปทองแดงเมื่อไม่นานนี้
- การสูญเสียแม่เหล็กแกนเกิดจากการเกิดฮิสเทอรีซิส และการสูญเสียทั้งหมด 20% เกิดจากกระแสน้ำวนในแกนและความอิ่มตัว การใช้วัสดุคุณภาพสูงและการควบคุมคุณภาพช่วยลดการสูญเสียได้ จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ
- เพื่อลดผลกระทบของฮิสเทอรีซิสและความอิ่มตัว จะใช้เหล็กที่มีซิลิกอนในปริมาณเล็กน้อยสำหรับการเคลือบแทนเหล็กกล้าคาร์บอนราคาถูก ด้วยวิธีนี้ การสูญเสียแกนกลางจึงถูกกำจัดได้ การลดความหนาของการเคลือบและเพิ่มความยาวของการเคลือบ จะทำให้ความหนาแน่นของฟลักซ์และการสูญเสียแกนกลางลดลง
- การสูญเสียจากกระแสน้ำวนสามารถลดลงได้มากโดยการทำให้แน่ใจว่ามีฉนวนที่เหมาะสมระหว่างแผ่นหรือแผ่นลามิเนตที่ใช้
- ระยะเวลาการหล่อลื่นขึ้นอยู่กับความเร็วรอบในการติดตั้งมอเตอร์ ขนาดตลับลูกปืน ประเภทของจารบี และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ดังนั้น โปรดใช้ความระมัดระวังในการใช้สารหล่อลื่น อย่าผสมจารบีประเภทต่างๆ เข้าด้วยกัน แม้ว่าจะใช้องค์ประกอบเดียวกันก็ตาม หากใช้จารบีชนิดอื่นในการใช้งาน จะส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของมอเตอร์
จะลดการสูญเสียมอเตอร์ได้อย่างไร?
เนื่องจากการกระจายการสูญเสียของมอเตอร์แตกต่างกันไปตามขนาดกำลังไฟฟ้าและจำนวนขั้วไฟฟ้า เพื่อลดการสูญเสีย เราควรเน้นที่การใช้มาตรการสำหรับส่วนประกอบการสูญเสียหลักของกำลังไฟฟ้าและขั้วไฟฟ้าต่างๆ วิธีการบางอย่างในการลดการสูญเสียมีอธิบายโดยย่อดังนี้:
- เพิ่มวัสดุที่มีประสิทธิภาพ ลดการสูญเสียการพันและการสูญเสียเหล็ก
ตามหลักการความคล้ายคลึงกันของมอเตอร์ เมื่อโหลดแม่เหล็กไฟฟ้ายังคงไม่เปลี่ยนแปลงและไม่คำนึงถึงการสูญเสียทางกล การสูญเสียของมอเตอร์จะแปรผันตามสัดส่วนโดยประมาณของลูกบาศก์ของขนาดเชิงเส้นของมอเตอร์ และกำลังอินพุตของมอเตอร์จะแปรผันตามสัดส่วนโดยประมาณของกำลังที่สี่ของขนาดเชิงเส้น จากนี้ ความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพและการใช้วัสดุที่มีประสิทธิภาพสามารถประมาณได้ เพื่อให้ได้พื้นที่ที่ใหญ่ขึ้นภายใต้เงื่อนไขขนาดการติดตั้งบางอย่าง เพื่อให้สามารถวางวัสดุที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของมอเตอร์ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของการเจาะสเตเตอร์จึงกลายเป็นปัจจัยสำคัญ ภายในช่วงฐานเครื่องจักรเดียวกัน มอเตอร์ของอเมริกามีกำลังขับที่มากกว่ามอเตอร์ของยุโรป เพื่ออำนวยความสะดวกในการระบายความร้อนและลดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ โดยทั่วไปแล้ว มอเตอร์ของอเมริกาจะใช้การเจาะสเตเตอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกที่ใหญ่กว่า ในขณะที่โดยทั่วไปแล้ว มอเตอร์ของยุโรปจะใช้การเจาะสเตเตอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกที่เล็กกว่า เนื่องจากต้องใช้อนุพันธ์เชิงโครงสร้าง เช่น มอเตอร์ป้องกันการระเบิด และเพื่อลดปริมาณทองแดงที่ใช้ที่ปลายม้วนและต้นทุนการผลิต
- ใช้วัสดุแม่เหล็กที่ดีกว่าและมาตรการกระบวนการเพื่อลดการสูญเสียเหล็ก
คุณสมบัติทางแม่เหล็ก (การซึมผ่านของแม่เหล็กและการสูญเสียเหล็กต่อหน่วย) ของวัสดุแกนมีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพและประสิทธิภาพการทำงานอื่น ๆ ของมอเตอร์ ในเวลาเดียวกันต้นทุนของวัสดุแกนเป็นส่วนหลักของต้นทุนของมอเตอร์ ดังนั้นการเลือกวัสดุแม่เหล็กที่เหมาะสมจึงเป็นกุญแจสำคัญในการออกแบบและผลิตมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง ในมอเตอร์กำลังสูง การสูญเสียเหล็กคิดเป็นสัดส่วนที่สำคัญของการสูญเสียทั้งหมด ดังนั้นการลดค่าการสูญเสียต่อหน่วยของวัสดุแกนจะช่วยลดการสูญเสียเหล็กของมอเตอร์ได้ เนื่องจากการออกแบบและการผลิตมอเตอร์ การสูญเสียเหล็กของมอเตอร์จะเกินค่าที่คำนวณตามค่าการสูญเสียเหล็กต่อหน่วยที่โรงงานเหล็กให้มาอย่างมาก ดังนั้นค่าการสูญเสียเหล็กต่อหน่วยโดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้น 1.5~2 เท่าในระหว่างการออกแบบเพื่อพิจารณาการเพิ่มขึ้นของการสูญเสียเหล็ก
สาเหตุของการสูญเสียเหล็กที่เพิ่มขึ้นนั้นส่วนใหญ่มาจากค่าการสูญเสียเหล็กต่อหน่วยของโรงงานเหล็กนั้นได้มาจากการทดสอบตัวอย่างวัสดุแผ่นตามวิธีวงกลมสี่เหลี่ยมของ Epstein แต่วัสดุนั้นต้องรับแรงกดดันอย่างมากหลังจากการเจาะ การเฉือน และการเคลือบ และการสูญเสียจะเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ ช่องว่างอากาศที่เกิดจากการมีร่องฟันทำให้เกิดสนามแม่เหล็กฮาร์มอนิกของฟันซึ่งทำให้เกิดการสูญเสียแบบไม่มีโหลดบนพื้นผิวแกน ซึ่งจะทำให้การสูญเสียเหล็กเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญหลังจากการผลิตมอเตอร์ ดังนั้น นอกเหนือจากการเลือกวัสดุแม่เหล็กที่มีการสูญเสียเหล็กต่อหน่วยต่ำแล้ว ยังจำเป็นต้องควบคุมแรงกดของการเคลือบและใช้มาตรการกระบวนการที่จำเป็นเพื่อลดการสูญเสียเหล็กอีกด้วย เมื่อพิจารณาจากราคาและปัจจัยกระบวนการ แผ่นเหล็กซิลิกอนเกรดสูงและแผ่นเหล็กซิลิกอนที่บางกว่า 0.5 มม. ไม่ค่อยได้ใช้ในการผลิตมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง แผ่นเหล็กไฟฟ้าปลอดซิลิกอนคาร์บอนต่ำหรือแผ่นเหล็กซิลิกอนรีดเย็นซิลิกอนต่ำมักใช้กัน ผู้ผลิตมอเตอร์ขนาดเล็กบางรายในยุโรปใช้แผ่นเหล็กไฟฟ้าปลอดซิลิกอนที่มีค่าการสูญเสียเหล็กต่อหน่วยอยู่ที่ 6.5w/kg ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โรงงานเหล็กได้เปิดตัวแผ่นเหล็กไฟฟ้า Polycor420 ที่มีค่าการสูญเสียเหล็กต่อหน่วยโดยเฉลี่ยอยู่ที่ 4.0w/kg ซึ่งต่ำกว่าแผ่นเหล็กซิลิกอนต่ำบางรุ่นเสียอีก นอกจากนี้ วัสดุดังกล่าวยังมีค่าการซึมผ่านแม่เหล็กที่สูงกว่าอีกด้วย
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ญี่ปุ่นได้พัฒนาแผ่นเหล็กรีดเย็นซิลิคอนต่ำเกรด 50RMA350 โดยเพิ่มอลูมิเนียมและโลหะหายากจำนวนเล็กน้อยลงในองค์ประกอบ จึงรักษาการซึมผ่านแม่เหล็กที่สูงขึ้นและลดการสูญเสียได้ ค่าการสูญเสียเหล็กต่อหน่วยคือ 3.12 วัตต์/กก. ทั้งหมดนี้มีแนวโน้มที่จะให้พื้นฐานวัสดุที่ดีกว่าสำหรับการผลิตและการส่งเสริมมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง
- ลดขนาดพัดลมเพื่อลดการสูญเสียการระบายอากาศ
สำหรับมอเตอร์ 2 และ 4 ขั้วที่มีกำลังไฟฟ้าสูงขึ้น แรงเสียดทานของลมคิดเป็นสัดส่วนที่สำคัญ ตัวอย่างเช่น แรงเสียดทานของลมของมอเตอร์ 2 ขั้วขนาด 90 กิโลวัตต์อาจสูงถึงประมาณ 30% ของการสูญเสียทั้งหมด แรงเสียดทานของลมประกอบด้วยพลังงานที่พัดลมใช้เป็นหลัก เนื่องจากการสูญเสียความร้อนของมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงโดยทั่วไปจะต่ำ ปริมาณอากาศเย็นจึงลดลงได้ และด้วยเหตุนี้ พลังงานการระบายอากาศจึงลดลงได้เช่นกัน พลังงานการระบายอากาศนั้นโดยประมาณจะแปรผันตามกำลังที่ 4 ถึง 5 ของเส้นผ่านศูนย์กลางพัดลม ดังนั้น หากอนุญาตให้มีการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ การลดขนาดพัดลมสามารถลดแรงเสียดทานของลมได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ การออกแบบโครงสร้างการระบายอากาศที่เหมาะสมยังมีความสำคัญต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายอากาศและลดแรงเสียดทานของลม การทดสอบแสดงให้เห็นว่าแรงเสียดทานของลมของส่วน 2 ขั้วที่มีกำลังไฟฟ้าสูงของมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงสามารถลดลงได้ประมาณ 30% เมื่อเทียบกับมอเตอร์ทั่วไป เนื่องจากการสูญเสียการระบายอากาศลดลงได้ในระดับที่มากและไม่จำเป็นต้องมีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมมากนัก การเปลี่ยนการออกแบบพัดลมจึงมักเป็นหนึ่งในมาตรการหลักที่ใช้สำหรับมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงส่วนนี้
- ลดการสูญเสียหลงทางผ่านมาตรการการออกแบบและกระบวนการ
การสูญเสียจากการเคลื่อนที่ของมอเตอร์แบบอะซิงโครนัสส่วนใหญ่เป็นการสูญเสียความถี่สูงที่เกิดจากฮาร์มอนิกลำดับสูงของสนามแม่เหล็กในแกนและขดลวดของสเตเตอร์และโรเตอร์ เพื่อลดการสูญเสียจากการเคลื่อนที่ของโหลด แอมพลิจูดของฮาร์มอนิกแต่ละเฟสสามารถลดลงได้โดยใช้ขดลวดไซน์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม Y-Δ หรือขดลวดฮาร์มอนิกต่ำอื่นๆ ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียจากการเคลื่อนที่ของมอเตอร์ได้ การทดลองแสดงให้เห็นว่าการใช้ขดลวดไซน์สามารถลดการสูญเสียจากการเคลื่อนที่ของมอเตอร์ได้มากกว่า 30% โดยเฉลี่ย
- ปรับปรุงกระบวนการหล่อแบบฉีดเพื่อลดการสูญเสียโรเตอร์
การควบคุมความดัน อุณหภูมิ และเส้นทางการปล่อยก๊าซระหว่างการหล่ออลูมิเนียมโรเตอร์ทำให้สามารถลดก๊าซในแท่งโรเตอร์ได้ ส่งผลให้การนำไฟฟ้าดีขึ้นและลดการสูญเสียอลูมิเนียมโรเตอร์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา สหรัฐอเมริกาประสบความสำเร็จในการพัฒนาอุปกรณ์หล่อโรเตอร์ทองแดงและกระบวนการที่เกี่ยวข้อง และปัจจุบันกำลังดำเนินการทดลองการผลิตขนาดเล็ก การคำนวณแสดงให้เห็นว่าหากโรเตอร์ทองแดงมาแทนที่โรเตอร์อลูมิเนียม การสูญเสียโรเตอร์จะลดลงประมาณ 38%
- ประยุกต์ใช้การออกแบบเพิ่มประสิทธิภาพคอมพิวเตอร์เพื่อลดการสูญเสียและเพิ่มประสิทธิภาพ
นอกจากการเพิ่มวัสดุ การปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุ และการปรับปรุงกระบวนการแล้ว การออกแบบการเพิ่มประสิทธิภาพด้วยคอมพิวเตอร์ยังใช้เพื่อกำหนดพารามิเตอร์ต่างๆ ภายใต้ข้อจำกัดด้านต้นทุนและประสิทธิภาพอย่างเหมาะสม ดังนั้นจึงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้สูงสุด การใช้การออกแบบที่เพิ่มประสิทธิภาพสามารถลดเวลาการออกแบบมอเตอร์ได้อย่างมากและปรับปรุงคุณภาพการออกแบบมอเตอร์