Giới thiệu về Hiệu suất động cơ

Làm thế nào để cải thiện hiệu suất động cơ?

Hiệu suất của động cơ này bị ảnh hưởng bởi một lượng nhỏ tổn thất, bao gồm tổn thất điện trở, tổn thất cơ học do ma sát, tổn thất do tiêu tán năng lượng từ trong lõi và các tổn thất khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu được sử dụng. Để làm cho động cơ hiệu quả hơn, chúng ta phải giảm tổn thất trong động cơ. Sau đây là một số phương pháp hoặc mẹo có thể áp dụng để cải thiện hệ số hiệu suất của động cơ.

1. Chức năng của khung động cơ là cung cấp khả năng bảo vệ cơ học cho các cuộn dây. Nó cũng chịu trách nhiệm về giao diện được gắn bởi các chân. Khung động cơ đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất nhiệt của nó vì nó chịu trách nhiệm truyền nhiệt được tạo ra bên trong động cơ đến bề mặt của khung, nơi không khí thổi bởi quạt sẽ thúc đẩy quá trình tản nhiệt. Điều này sẽ làm giảm sự mất nhiệt.
2. Một mẹo cơ bản khác là duy trì khoảng cách tối thiểu giữa các bức tường gần mặt sau của nắp quạt để không khí có thể vào. Giữ khu vực xung quanh động cơ sạch sẽ và thường xuyên kiểm tra xem có tắc nghẽn không khí nào có thể làm giảm hiệu suất của hệ thống làm mát không. Do đó, động cơ chạy càng mát thì tuổi thọ càng cao.
3. Stato là thành phần chính của động cơ và gây ra 60% tổn thất, do đó để giảm các tổn thất này, khối lượng của cuộn dây stato phải được giữ lớn vì khối lượng tăng sẽ làm giảm điện trở. Động cơ hiệu suất cao chứa thêm 25% đồng so với động cơ được thiết kế cho các mẫu hiệu suất tiêu chuẩn.
4. Tổn thất rotor cũng được coi là một nguồn tổn thất nhỏ, chủ yếu do độ trượt của động cơ. Độ trượt thực chất là sự chênh lệch giữa tốc độ của từ trường (RPM) và RPM thực tế của rotor và trục ở một tải nhất định. Trong số đó, độ trượt thu được bằng cách trừ tốc độ của động cơ có tải khỏi tốc độ của động cơ không tải và chia cho tốc độ của động cơ có tải. Do đó, để giảm các tổn thất này, độ trượt phải được giảm, bằng cách tăng độ dẫn điện của rotor. Đồng phải được sử dụng với số lượng lớn vì độ dẫn điện cao. Nhưng đồng phải được đúc khuôn vì một quy trình đúc khuôn đồng đã được phát triển gần đây.
5. Tổn thất từ ​​lõi bắt nguồn từ hiện tượng trễ, và 20% tổng tổn thất là do dòng điện xoáy lõi và bão hòa. Bằng cách sử dụng vật liệu chất lượng cao và kiểm soát chất lượng, tổn thất có thể được giảm thiểu, do đó cải thiện hiệu quả.
6. Để giảm tác động của độ trễ và độ bão hòa, thép chứa một lượng nhỏ silic sẽ được sử dụng để cán thay vì thép cacbon giá rẻ. Theo cách này, có thể loại bỏ tổn thất lõi. Bằng cách giảm độ dày cán và tăng chiều dài cán, có thể giảm thiểu mật độ từ thông và tổn thất lõi.
7. Tổn thất dòng điện xoáy có thể được giảm thiểu đáng kể bằng cách đảm bảo cách điện thích hợp giữa các tấm hoặc lớp phủ được sử dụng.
8. Khoảng thời gian bôi trơn là một chức năng của tốc độ định mức lắp đặt động cơ, kích thước ổ trục, loại mỡ và nhiệt độ tăng. Do đó, hãy cẩn thận khi sử dụng chất bôi trơn. Không trộn các loại mỡ, ngay cả khi chúng sử dụng cùng một thành phần. Nếu sử dụng các loại mỡ khác trong ứng dụng, điều này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của động cơ.

Làm thế nào để giảm tổn thất động cơ?

Kể từ khi phân phối tổn thất củađộng cơthay đổi theo quy mô công suất và số lượng cực, để giảm tổn thất, chúng ta nên tập trung vào việc thực hiện các biện pháp đối với các thành phần tổn thất chính của các công suất và cực khác nhau. Một số cách để giảm tổn thất được mô tả tóm tắt như sau:

1. Tăng vật liệu hiệu quả, giảm tổn thất quấn và tổn thất sắt

Theo nguyên lý tương tự của động cơ, khi tải điện từ không đổi và không xét đến tổn thất cơ học, tổn thất của động cơ gần như tỷ lệ thuận với lập phương kích thước tuyến tính của động cơ và công suất đầu vào của động cơ gần như tỷ lệ thuận với lũy thừa bốn của kích thước tuyến tính. Từ đó, có thể ước tính mối quan hệ giữa hiệu suất và sử dụng vật liệu hiệu quả. Để có được không gian lớn hơn trong một số điều kiện kích thước lắp đặt nhất định để có thể đặt nhiều vật liệu hiệu quả hơn nhằm cải thiện hiệu suất của động cơ, kích thước đường kính ngoài của lỗ đột stato trở thành một yếu tố quan trọng. Trong cùng một phạm vi cơ sở máy, động cơ của Mỹ có công suất lớn hơn động cơ của Châu Âu. Để tạo điều kiện tản nhiệt và giảm nhiệt độ tăng, động cơ của Mỹ thường sử dụng lỗ đột stato có đường kính ngoài lớn hơn, trong khi động cơ của Châu Âu thường sử dụng lỗ đột stato có đường kính ngoài nhỏ hơn do nhu cầu về các dẫn xuất cấu trúc như động cơ chống cháy nổ và để giảm lượng đồng sử dụng ở đầu cuộn dây và chi phí sản xuất.

2. Sử dụng vật liệu từ tính tốt hơn và các biện pháp xử lý để giảm thất thoát sắt

Tính chất từ ​​tính (độ từ thẩm và tổn thất sắt đơn vị) của vật liệu lõi có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và các hiệu suất khác của động cơ. Đồng thời, chi phí của vật liệu lõi là phần chính trong chi phí của động cơ. Do đó, việc lựa chọn vật liệu từ tính phù hợp là chìa khóa để thiết kế và sản xuất động cơ hiệu suất cao. Trong động cơ công suất cao, tổn thất sắt chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng tổn thất, do đó, việc giảm giá trị tổn thất đơn vị của vật liệu lõi sẽ giúp giảm tổn thất sắt của động cơ. Do thiết kế và sản xuất động cơ, tổn thất sắt của động cơ vượt xa giá trị được tính toán theo giá trị tổn thất sắt đơn vị do nhà máy thép cung cấp, do đó, giá trị tổn thất sắt đơn vị thường tăng 1,5 ~ 2 lần trong quá trình thiết kế để xem xét sự gia tăng tổn thất sắt.

Nguyên nhân làm tăng tổn thất sắt chủ yếu là do giá trị tổn thất sắt đơn vị của nhà máy thép thu được bằng cách thử nghiệm mẫu vật liệu dải theo phương pháp vòng vuông Epstein, nhưng vật liệu phải chịu ứng suất lớn sau khi đột, cắt và cán mỏng, và tổn thất sẽ tăng lên; ngoài ra, khe hở không khí do sự hiện diện của khe răng dẫn đến từ trường hài của răng gây ra tổn thất không tải trên bề mặt lõi, điều này sẽ dẫn đến tổn thất sắt tăng đáng kể sau khi chế tạo động cơ. Do đó, ngoài việc lựa chọn vật liệu từ có tổn thất sắt đơn vị thấp hơn, cũng cần kiểm soát áp suất cán mỏng và thực hiện các biện pháp quy trình cần thiết để giảm tổn thất sắt. Xét về các yếu tố giá cả và quy trình, các tấm thép silic cấp cao và các tấm thép silic mỏng hơn 0,5mm không được sử dụng nhiều trong sản xuất động cơ hiệu suất cao. Các tấm thép điện không chứa silic cacbon thấp hoặc các tấm thép silic cán nguội ít silic thường được sử dụng. Một số nhà sản xuất động cơ nhỏ của Châu Âu đã sử dụng các tấm thép điện không chứa silic có giá trị tổn thất sắt đơn vị là 6,5w / kg. Trong những năm gần đây, các nhà máy thép đã tung ra các tấm thép điện Polycor420 với mức tổn thất đơn vị trung bình là 4,0w/kg, thậm chí còn thấp hơn một số tấm thép có hàm lượng silicon thấp. Vật liệu này cũng có độ từ thẩm cao hơn.

Trong những năm gần đây, Nhật Bản đã phát triển một tấm thép cán nguội ít silic với cấp 50RMA350. Một lượng nhỏ nhôm và kim loại đất hiếm được thêm vào thành phần của nó, do đó duy trì độ từ thẩm cao hơn trong khi giảm tổn thất. Giá trị tổn thất sắt đơn vị của nó là 3,12w/kg. Tất cả những điều này có khả năng cung cấp cơ sở vật chất tốt hơn cho việc sản xuất và thúc đẩy động cơ hiệu suất cao.

3. Giảm kích thước của quạt để giảm thất thoát thông gió

Đối với động cơ 2 cực và 4 cực công suất lớn hơn, ma sát gió chiếm tỷ lệ đáng kể. Ví dụ, ma sát gió của động cơ 2 cực 90kW có thể đạt khoảng 30% tổng tổn thất. Ma sát gió chủ yếu bao gồm công suất tiêu thụ của quạt. Vì tổn thất nhiệt của động cơ hiệu suất cao thường thấp nên có thể giảm thể tích không khí làm mát và do đó cũng có thể giảm công suất thông gió. Công suất thông gió gần đúng tỷ lệ với lũy thừa 4 đến 5 của đường kính quạt. Do đó, nếu cho phép nhiệt độ tăng, việc giảm kích thước quạt có thể giảm hiệu quả ma sát gió. Ngoài ra, thiết kế hợp lý của cấu trúc thông gió cũng rất quan trọng để cải thiện hiệu quả thông gió và giảm ma sát gió. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng ma sát gió của bộ phận 2 cực công suất cao của động cơ hiệu suất cao có thể giảm khoảng 30% so với động cơ thông thường. Vì tổn thất thông gió giảm đi rất nhiều và không đòi hỏi nhiều chi phí bổ sung nên việc thay đổi thiết kế quạt thường là một trong những biện pháp chính được thực hiện đối với bộ phận này của động cơ hiệu suất cao.

4. Giảm thiểu tổn thất lạc thông qua các biện pháp thiết kế và quy trình

Tổn thất lạc của động cơ không đồng bộ chủ yếu là tổn thất tần số cao do sóng hài bậc cao của từ trường trong lõi và cuộn dây stato và rôto tạo ra. Để giảm tổn thất lạc tải, có thể giảm biên độ của từng sóng hài pha bằng cách sử dụng cuộn dây hình sin nối tiếp Y-Δ hoặc cuộn dây có sóng hài thấp khác, do đó giảm tổn thất lạc. Các thí nghiệm cho thấy việc sử dụng cuộn dây hình sin có thể giảm tổn thất lạc trung bình hơn 30%.

5. Cải thiện quy trình đúc khuôn để giảm tổn thất rotor

Bằng cách kiểm soát áp suất, nhiệt độ và đường dẫn khí trong quá trình đúc nhôm rôto, khí trong thanh rôto có thể được giảm bớt, do đó cải thiện độ dẫn điện và giảm tổn thất nhôm của rôto. Trong những năm gần đây, Hoa Kỳ đã phát triển thành công thiết bị đúc khuôn rôto đồng và các quy trình tương ứng, và hiện đang tiến hành sản xuất thử nghiệm quy mô nhỏ. Các tính toán cho thấy nếu rôto đồng thay thế rôto nhôm, tổn thất rôto có thể giảm khoảng 38%.

6. Áp dụng thiết kế tối ưu hóa máy tính để giảm tổn thất và nâng cao hiệu quả

Ngoài việc tăng vật liệu, cải thiện tính chất vật liệu và cải thiện quy trình, thiết kế tối ưu hóa máy tính được sử dụng để xác định hợp lý các thông số khác nhau theo các ràng buộc về chi phí và hiệu suất, do đó đạt được sự cải thiện hiệu quả tối đa có thể. Việc sử dụng thiết kế tối ưu hóa có thể rút ngắn đáng kể thời gian thiết kế động cơ và cải thiện chất lượng thiết kế động cơ.