Due raffreddatori d'aria escono dalla stessa fabbrica con la stessa pala, lo stesso alloggiamento e lo stesso flusso d'aria. Uno assorbe 42 W; l'altro assorbe 34 W. Sulla carta la differenza la fa il motore, ma in pratica è il motore, l'elettronica di comando e il punto esatto della curva dove l'apparecchio tiene fermo il motore mentre è in funzione.
La conclusione innanzitutto: l'efficienza di a motore CC senza spazzole è deciso da tre cose che puoi effettivamente progettare e controllare: il budget di perdita all'interno del motore, il budget di perdita nell'elettronica che lo commuta e il punto operativo a cui l'applicazione lo costringe a funzionare. Un picco della scheda tecnica è un punto su una curva. Ciò che un cliente paga per oltre dieci anni è una media ponderata tra cicli di lavoro reali, temperature ambiente e resistenza al flusso d'aria.
Se si allineano questi tre elementi, un piccolo motore BLDC ridurrà in genere la potenza in ingresso da un quarto a un terzo rispetto a un motore a induzione monofase a poli schermati o di base con dimensioni del telaio simili in un'applicazione con ventola. Se si sbaglia - sovradimensionare il motore, ignorare il driver, lasciarlo funzionare con un carico del 15% - e un motore "ad alta efficienza" si comporterà silenziosamente come uno normale.
L’efficienza è una curva, non un numero
L'efficienza viene indicata come un'unica cifra perché le singole cifre sono facili da confrontare. In un elettrodomestico si comporta come una curva con la parte superiore ampia ma finita. Nei piccoli motori brushless utilizzati nei raffreddatori ad aria, nelle ventole di raffreddamento e nelle cappe da cucina, l'efficienza di picco rientra comunemente nella fascia dell'80-90% quando la potenza dell'albero viene misurata con il driver del motore incluso. Lo stesso motore spinto al 15-20% della coppia nominale spesso scende nell'intervallo del 50-60%, poiché le perdite di ferro, lo spostamento d'aria e le perdite di commutazione non si riducono quando lo fa il carico. Un motore a poli schermati di dimensioni comparabili viene solitamente quotato tra il 20% e il 40%, motivo per cui vale la pena fare lo scambio.
La parte superiore della curva di solito si trova nella metà superiore della gamma di velocità, a circa il 60-85% della coppia nominale, e rimane più piatta fino alla metà della gamma rispetto a quanto la maggior parte degli acquirenti si aspetta. Questa planarità è la parte utile: un motore dimensionato per il punto di lavoro reale, non per un avviamento nel peggiore dei casi, trascorre la maggior parte della sua vita vicino alla cima invece che sul pendio.
Vale la pena chiedere a un fornitore quattro cose prima che la conversazione si sposti sul prezzo:
- Una mappa dell'efficienza, ovvero almeno tre punti (carico basso, medio e nominale) anziché un valore di picco.
- Potenza in ingresso misurata nel punto di progettazione dell'apparecchio, con la girante e l'alloggiamento di produzione, non su un albero nudo.
- Una dichiarazione chiara che indichi se il conducente e le sue perdite si trovano all'interno o all'esterno del numero indicato.
- Temperatura dell'avvolgimento e del magnete dopo lo stato stazionario termico: due ore, non due minuti.
Se la terminologia è ancora in fase di definizione, il ns nozioni di base sui motori è un luogo ragionevole per verificare le definizioni prima di confrontare i preventivi di diversi fornitori.
Un valore di picco misurato a 24 V su un albero aperto con un driver da laboratorio non è paragonabile a quello misurato a 12 V attraverso una scheda di produzione all'interno di un alloggiamento sigillato. Due fornitori che citano "efficienza dell'88%" potrebbero descrivere due macchine diverse.
Dove vanno effettivamente le perdite
I motori brushless vincono in termini di efficienza per un motivo specifico: rimuovendo le spazzole si eliminano due percorsi di perdita contemporaneamente. Il contatto della spazzola crea attrito e crea anche una caduta di tensione pressoché costante, che diventa una quota maggiore della potenza in ingresso quanto più bassa è la tensione di alimentazione. Su un motore a spazzole da 12 V, l'interfaccia della sola spazzola può consumare diversi percento della potenza in ingresso prima che venga presa in considerazione il resto della macchina.
Ciò che sostituisce le spazzole è un inverter, e non è gratuito. Un ponte trifase con sei MOSFET aggiunge perdite di conduzione e perdite di commutazione, mentre un driver scarsamente accoppiato può rappresentare il 10-20% delle perdite totali. La commutazione a sei fasi è economica e perfettamente adeguata per una ventola a velocità fissa; Il controllo ad orientamento di campo può recuperare alcuni punti in cui il motore trascorre del tempo a carico parziale, al costo di un microcontrollore più veloce e di più tempo di progettazione.
| Meccanismo di perdita | Quota tipica delle perdite totali | Leva di progettazione primaria |
|---|---|---|
| Rame statore (resistivo) | 30-45% | Fattore di riempimento del rame, densità di corrente, percorso termico verso l'alloggiamento |
| Ferro (isteresi e correnti parassite) | 15-25% | Grado e spessore di laminazione, densità di flusso, geometria delle cave |
| Elettronica di azionamento (conduzione e commutazione) | 10-20% | Resistenza ON MOSFET, frequenza di commutazione, schema di modulazione |
| Cuscinetti, deriva e resistenza del rotore | 5-15% | Tipo e precarico dei cuscinetti, allineamento dell'albero, bilanciamento della girante |
| Perdite parassite e armoniche | 3-10% | Combinazione asola-polo, distorsione, tolleranze di fabbricazione |
Due dettagli contano più di quanto suggeriscano la maggior parte delle schede tecniche. Il grado di laminazione è il primo: il passaggio a un acciaio più sottile e con maggiore resistività riduce la parte di correnti parassite della perdita di ferro, che è la parte più facile da influenzare. La combinazione slot-pole e l'inclinazione sono la seconda: danno forma alle perdite parassite e armoniche e, cosa altrettanto importante, al rumore emesso dall'apparecchio alla velocità più silenziosa.
Un motore che misura otto punti più in alto su un banco può perdere questo vantaggio nel momento in cui viene imbullonato in un alloggiamento con una girante diversa e un condotto più lungo.
Come il carico e la temperatura spostano il punto operativo
I carichi di ventilatori e ventilatori seguono due regole approssimative: la coppia aumenta con il quadrato della velocità e la potenza dell'albero con il cubo. Dimezzare la velocità riduce il flusso d'aria a circa la metà e riduce la potenza dell'albero a circa un ottavo. Questo è l’argomento più forte a favore della velocità variabile nelle cappe da cucina e nei raffreddatori ad aria, perché la maggior parte dell’energia viene spesa al massimo dell’intervallo di velocità mentre la maggior parte del tempo di funzionamento viene speso ben al di sotto di esso.
È vero anche il contrario. In un elettrodomestico l'efficienza non è una proprietà del solo motore; è una proprietà del motore più il percorso dell'aria. Un filtro intasato, un condotto piegato o una griglia leggermente sottodimensionata aumentano la pressione statica, aumentano la coppia richiesta dalla girante alla stessa velocità e fanno scivolare il motore lungo il lato destro della sua curva. Un motore con un picco generoso può comunque terminare la sua vita con un'efficienza del 60% perché il percorso dell'aria non è mai stato adattato ad esso.
Anche la temperatura cambia i numeri. La resistenza dell'avvolgimento in rame aumenta di circa lo 0,39% per grado Celsius, quindi un avvolgimento che si riscalda da 25 a 90 gradi aggiunge circa un quarto alla sua perdita resistiva alla stessa corrente. I magneti permanenti perdono flusso quando si riscaldano - NdFeB sinterizzato intorno allo 0,11-0,12% per grado Celsius - quindi la coppia disponibile a 100 gradi è misurabilmente inferiore alla coppia di catalogo misurata a temperatura ambiente. La scelta di un magnete più pesante o di un percorso termico migliore verso l'alloggiamento è una decisione economica, non tecnica.
Ogni motore ha un livello di perdita fisso: resistenza al cuscinetto, spostamento d'aria e perdita di commutazione che non scompaiono mai a basso carico. Questo è il motivo per cui l’efficienza scende verso lo zero quando la velocità si avvicina allo zero, e perché “l’efficienza a velocità molto bassa” è una domanda fuorviante. La domanda utile è l’energia totale consumata durante il ciclo di lavoro.
I raffreddatori ad aria illustrano bene il problema. Funzionano per ore in condizioni che variano con il tempo, quindi il motore deve mantenere un'efficienza ragionevole su un'ampia banda piuttosto che in un punto lusinghiero. Questo è il brief in base al quale progettiamo i motori dei raffreddatori ad aria.
AC o BLDC: abbinamento del motore all'elettrodomestico
Il brushless non è automaticamente la scelta giusta. Un motore monofase con condensatore non ha elettronica, rilevamento della posizione del rotore, firmware e pochissime parti. In un apparecchio a velocità fissa con un ciclo di lavoro giornaliero breve, l'energia risparmiata da un BLDC potrebbe non ripagare il costo aggiuntivo durante la vita del prodotto. Questo calcolo cambia non appena il carico varia, il ciclo di lavoro si allunga o si prevede che l'apparecchio sia silenzioso a bassa velocità.
Quando l’alternativa AC vince ancora
Il funzionamento a velocità fissa, obiettivi di costo aggressivi, un'alimentazione di rete sporca o instabile e un ciclo di lavoro breve sono tutti fattori che favoriscono un motore asincrono monofase. Se l’apparecchio necessita di un solo flusso d’aria e funziona venti minuti al giorno, la risposta ingegneristica onesta è solitamente la macchina più semplice.
Le cappe da cucina si trovano dall’altra parte di quella linea. La richiesta di aspirazione aumenta e diminuisce in base a ciò che si trova sul piano cottura e il divario tra una cottura a fuoco lento e una padella calda è un fattore determinante nel flusso d'aria. Un motore DC più controllo consente alla cappa di seguire il carico invece di commutare tra tre prese, ed è da qui che proviene la maggior parte del risparmio energetico, non dal motore isolato. Abbiamo esaminato il confronto in modo più dettagliato in un articolo su in che modo i motori DC delle cappe da cucina migliorano l'efficienza energetica rispetto ai tradizionali motori AC .
Cosa verificare prima di omologare un motore
La verifica è più economica della rielaborazione. Un test al banco in fase di progettazione richiede mezza giornata e risponde a domande a cui una scheda tecnica non può rispondere.
- Misurare la potenza in ingresso alla normale tensione di alimentazione dell'apparecchio, con il driver di produzione, nel punto di lavoro di progettazione anziché nel punto nominale del motore.
- Misurare la coppia e la velocità dell'albero contemporaneamente. L'efficienza è la coppia per la velocità angolare divisa per la potenza elettrica in ingresso; la stima della coppia dalla corrente è accettabile solo come primo passaggio.
- Far funzionare almeno 90 minuti prima di registrare i dati, in modo che gli avvolgimenti e i magneti raggiungano lo stato termico stabile.
- Ripetere ai limiti inferiore e superiore dell'intervallo di controllo e alla temperatura ambiente nel caso peggiore.
- Confronta il prelievo attuale con il campione approvato, utilizzando una fascia di tolleranza che sei disposto a far rispettare; più o meno il 10% sulla corrente e il 5% sulla velocità copre la normale distribuzione della produzione nei piccoli motori.
Un'ora di test presso il punto di lavoro reale di solito costa meno di un singolo lotto restituito sul campo. Se un rendimento indicato non può essere riprodotto nella propria abitazione, non apparirà nemmeno sulla bolletta elettrica dell'utente finale.
Costruiamo linee di motori sia CA che CC per queste applicazioni - motori ad aria fredda, motori per riscaldamento, motori per fumi d'olio con incapsulamento in plastica e la gamma CC - e sviluppiamo su disegni o campioni del cliente laddove una serie standard non è adatta.
La capacità giornaliera superiore a 80.000 unità conta qui in un senso diverso: il campione approvato deve essere riproducibile in termini di volume e la coerenza in una spedizione vale più di una cifra di picco che solo il prototipo può raggiungere.
L'efficienza del motore CC senza spazzole è una proprietà del sistema. Il motore contribuisce con un budget di perdita, il conducente con un altro e la girante, il condotto e la temperatura ambiente decidono dove sulla curva si trova effettivamente l'apparecchio. Niente di tutto ciò può essere risolto confrontando i numeri di picco in due citazioni. L'ordine di lavoro è semplice: definire il punto di lavoro reale, richiedere l'efficienza in quel punto con l'unità di produzione, testarlo a caldo e all'interno dell'alloggiamento reale e trattare il divario tra il picco e l'efficienza operativa come il numero che appare sul contatore.
Se nessuna serie standard si adatta a quel punto di funzionamento, di solito il motore può essere sviluppato in base a quello, ed è così che la maggior parte dei motori per piccoli elettrodomestici sul mercato è arrivata alla forma attuale.
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