두 개의 공기 냉각기는 동일한 블레이드, 동일한 하우징 및 동일한 공기 흐름 등급으로 동일한 공장에서 출고됩니다. 하나는 42W를 소비하고; 다른 하나는 34W를 소비합니다. 서류상 차이점은 모터이지만 실제로는 모터, 구동 전자 장치 및 기기가 작동하는 동안 모터를 고정하는 곡선의 정확한 지점입니다.
결론 먼저: 효율성 브러시리스 DC 모터 실제로 엔지니어링하고 확인할 수 있는 세 가지 요소, 즉 모터 내부의 손실 예산, 모터를 전환하는 전자 장치의 손실 예산, 애플리케이션이 강제로 실행되는 작동 지점에 의해 결정됩니다. 데이터시트 피크는 곡선의 한 지점입니다. 고객이 10년 이상 지불하는 금액은 실제 듀티 사이클, 주변 온도 및 공기 흐름 저항에 대한 가중 평균입니다.
이 세 가지를 정렬하면 소형 BLDC 모터는 일반적으로 팬 애플리케이션에서 유사한 프레임 크기의 음영 극 또는 기본 단상 유도 모터에 비해 입력 전력을 1/4에서 1/3로 줄입니다. 잘못 이해하십시오. 모터 크기를 너무 크게 하고, 드라이버를 무시하고, 15% 부하에서 작동하게 하십시오. 그러면 "고효율" 모터는 조용히 일반 모터처럼 작동합니다.
효율성은 숫자가 아니라 곡선입니다
단일 수치는 비교하기 쉽기 때문에 효율성은 단일 수치로 표시됩니다. 기기에서는 넓지만 유한한 상단이 있는 곡선처럼 동작합니다. 공기 냉각기, 냉각 팬 및 레인지 후드에 사용되는 소형 브러시리스 모터의 경우 모터 자체 드라이버를 포함하여 샤프트 출력을 측정할 때 최대 효율은 일반적으로 80-90% 범위에 속합니다. 정격 토크의 15~20%로 구동된 동일한 모터는 부하가 줄어들 때 철 손실, 편류 및 스위칭 손실이 줄어들지 않기 때문에 종종 50~60% 범위로 떨어집니다. 비슷한 크기의 음영 극 모터는 일반적으로 20%에서 40% 사이로 인용되므로 교체할 가치가 있습니다.
곡선의 상단은 일반적으로 정격 토크의 약 60~85%인 속도 범위의 위쪽 절반에 위치하며 대부분의 구매자가 기대하는 것보다 범위 중간에서 더 평평하게 유지됩니다. 이러한 평탄함은 유용한 부분입니다. 최악의 시동이 아닌 실제 사용 지점에 맞게 크기가 조정된 모터는 대부분의 수명을 경사면이 아닌 상단 근처에서 보냅니다.
대화가 가격으로 넘어가기 전에 공급업체에 요구할 만한 네 가지 사항은 다음과 같습니다.
- 하나의 최고 수치가 아닌 효율성 맵 또는 최소 3개 지점(낮음, 중간, 정격 부하)입니다.
- 입력 전력은 베어 샤프트가 아닌 생산 임펠러 및 하우징을 사용하여 기기의 설계 지점에서 측정되었습니다.
- 운전자와 그 손실이 제시된 수치의 내부인지 외부인지에 대한 명확한 설명입니다.
- 열 정상 상태 후 권선 및 자석 온도 - 2분이 아닌 2시간.
용어가 아직 정착 중이라면, 모터에 대한 기본 지식 포인트 다른 공급업체의 견적을 비교하기 전에 정의를 확인할 수 있는 합리적인 장소입니다.
실험실 드라이버를 사용하여 개방형 샤프트에서 24V로 측정한 피크 수치는 밀봉된 하우징 내부의 생산 보드를 통해 12V로 측정한 피크 수치와 비교할 수 없습니다. "88% 효율성"을 인용하는 두 공급업체는 두 개의 서로 다른 기계를 설명하는 것일 수 있습니다.
실제로 손실이 발생하는 곳
브러시리스 모터는 특정한 이유로 효율성이 향상됩니다. 브러시를 제거하면 한 번에 두 개의 손실 경로가 제거됩니다. 브러시 접촉은 마찰을 일으키고 거의 일정한 전압 강하를 생성합니다. 이는 공급 전압이 낮을수록 입력 전력에서 더 큰 비중을 차지하게 됩니다. 12V 브러시 모터에서는 브러시 인터페이스만으로도 기계의 나머지 부분을 고려하기 전에 입력 전력의 몇 퍼센트를 소비할 수 있습니다.
브러시를 대체하는 것은 인버터이며 공짜는 아닙니다. 6개의 MOSFET이 있는 3상 브리지는 전도 손실과 스위칭 손실을 추가하며, 제대로 일치하지 않는 드라이버는 총 손실의 10~20%를 차지할 수 있습니다. 6단계 정류는 저렴하고 고정 속도 팬에 완벽하게 적합합니다. 자속 기준 제어는 더 빠른 마이크로컨트롤러와 더 많은 엔지니어링 시간을 희생하여 모터가 부분 부하에서 시간을 보내는 몇 가지 지점을 복구할 수 있습니다.
| 손실 메커니즘 | 총 손실의 일반적인 비율 | 기본 디자인 레버 |
|---|---|---|
| 고정자 구리(저항성) | 30-45% | 구리 충진율, 전류 밀도, 하우징까지의 열 경로 |
| 철(히스테리시스 및 와전류) | 15-25% | 적층 등급 및 두께, 자속 밀도, 슬롯 형상 |
| 드라이브 전자 장치(전도 및 스위칭) | 10-20% | MOSFET 온 저항, 스위칭 주파수, 변조 방식 |
| 베어링, 바람 및 로터 끌림 | 5-15% | 베어링 유형 및 예압, 샤프트 정렬, 임펠러 밸런스 |
| 표류 및 고조파 손실 | 3~10% | 슬롯-폴 조합, 기울어짐, 제조 공차 |
대부분의 사양 시트에서 제안하는 것보다 두 가지 세부 사항이 더 중요합니다. 적층 등급이 첫 번째입니다. 더 얇고 저항성이 높은 강철로 이동하면 영향을 받기 가장 쉬운 부분인 철 손실의 와전류 부분이 줄어듭니다. 슬롯-폴 조합 및 스큐는 두 번째입니다. 이는 표유 및 고조파 손실을 형성하며, 마찬가지로 중요한 것은 기기가 가장 조용한 속도 설정에서 발생하는 소음입니다.
벤치에서 8포인트 더 높게 측정되는 모터는 다른 임펠러와 더 긴 덕트가 있는 하우징에 볼트로 고정되는 순간 이러한 이점을 잃을 수 있습니다.
부하와 온도가 작동점을 이동시키는 방법
팬 및 송풍기 부하는 두 가지 대략적인 규칙을 따릅니다. 즉, 토크는 속도의 제곱에 따라 증가하고 샤프트 전력은 세제곱에 따라 증가합니다. 속도를 절반으로 줄이면 공기 흐름이 약 절반으로 줄어들고 샤프트 동력도 약 8분의 1로 줄어듭니다. 이는 레인지 후드와 공기 냉각기의 가변 속도에 대한 가장 강력한 주장입니다. 왜냐하면 대부분의 에너지는 속도 범위의 최고 수준에서 소비되고 대부분의 작동 시간은 그보다 훨씬 낮은 수준에서 소비되기 때문입니다.
그 반대도 마찬가지입니다. 가전제품에서 효율성은 모터만의 특성이 아닙니다. 이는 모터와 공기 경로의 특성입니다. 막힌 필터, 꼬인 덕트 또는 약간 작은 그릴은 정압을 높이고 동일한 속도에서 임펠러가 요구하는 토크를 증가시키며 모터를 곡선의 오른쪽 아래로 밀어냅니다. 넉넉한 피크를 가진 모터는 공기 경로가 모터와 일치하지 않았기 때문에 여전히 60% 효율로 수명을 마칠 수 있습니다.
온도도 숫자를 변화시킵니다. 구리 권선 저항은 섭씨 1도당 약 0.39% 증가하므로 25도에서 90도까지 가열되는 권선은 동일한 전류에서 저항 손실에 약 1/4을 추가합니다. 영구 자석은 따뜻해지면 자속을 잃습니다. NdFeB를 섭씨 1도당 약 0.11-0.12% 소결하므로 100도에서 사용할 수 있는 토크는 실온에서 측정된 카탈로그 토크보다 현저히 낮습니다. 더 무거운 자석 등급이나 하우징에 대한 더 나은 열 경로를 선택하는 것은 기술적인 결정이 아니라 비용 결정입니다.
모든 모터에는 고정된 손실 층이 있습니다. 즉, 저부하에서도 절대 사라지지 않는 베어링 항력, 편류 및 스위칭 손실이 있습니다. 이것이 속도가 0에 가까워질수록 효율성이 0으로 떨어지는 이유이며, "매우 낮은 속도에서의 효율성"이 오해의 소지가 있는 질문인 이유입니다. 유용한 질문은 듀티 사이클 전반에 걸쳐 소비되는 총 에너지입니다.
공기 냉각기는 문제를 잘 보여줍니다. 날씨에 따라 변하는 조건에서 몇 시간 동안 작동하므로 모터는 한 가지 좋은 지점이 아닌 넓은 대역에 걸쳐 합리적인 효율을 유지해야 합니다. 이것이 바로 우리가 공기 냉각기 모터를 설계하는 이유입니다.
AC 또는 BLDC: 모터를 기기에 일치시키기
브러시리스는 자동으로 올바른 선택이 아닙니다. 단상 커패시터 구동 모터에는 전자 장치, 회전자 위치 감지 기능, 펌웨어가 없으며 부품도 거의 없습니다. 일일 사용 주기가 짧은 고정 속도 기기에서는 BLDC로 절약한 에너지가 제품 수명 동안 추가 비용을 상환하지 못할 수도 있습니다. 부하가 변하거나 듀티 사이클이 길어지거나 기기가 저속에서 조용해질 것으로 예상되는 경우 계산이 즉시 변경됩니다.
AC 대안이 여전히 승리할 때
고정 속도 작동, 공격적인 비용 목표, 더럽거나 불안정한 주 전원 공급 장치, 짧은 듀티 사이클 등은 모두 단상 비동기 모터를 선호합니다. 기기에 한 번의 공기 흐름만 필요하고 하루에 20분 동안 작동하는 경우 정직한 엔지니어링 대답은 일반적으로 더 간단한 기계입니다.
레인지 후드는 해당 라인의 반대편에 있습니다. 흡입 요구량은 호브에 있는 것에 따라 오르락내리락하며, 천천히 끓이는 팬과 뜨거운 팬 사이의 간격은 공기 흐름의 몇 가지 요소입니다. DC 모터 플러스 제어를 사용하면 세 개의 탭 사이를 전환하는 대신 후드가 부하를 따라갈 수 있으며, 여기서 대부분의 에너지 절약은 모터 단독에서 발생하는 것이 아닙니다. 우리는 기사에서 비교를 더 자세히 살펴 보았습니다. 레인지 후드 DC 모터가 기존 AC 모터에 비해 에너지 효율을 향상시키는 방법 .
모터를 승인하기 전에 확인해야 할 사항
검증은 재작업보다 저렴합니다. 설계 지점에서의 벤치 테스트는 반나절이 걸리며 데이터시트로는 답할 수 없는 질문에 답합니다.
- 모터의 정격 지점이 아닌 설계 듀티 지점에서 생산 드라이버를 사용하여 기기의 정상 공급 전압에서 입력 전력을 측정합니다.
- 샤프트 토크와 속도를 동시에 측정합니다. 효율성은 토크 곱하기 각속도를 전기 입력 전력으로 나눈 값입니다. 전류로부터 토크를 추정하는 것은 첫 번째 단계로만 허용됩니다.
- 데이터를 기록하기 최소 90분 전에 실행하여 권선과 자석이 열 안정 상태에 도달하도록 하십시오.
- 제어 범위의 하한 및 상한과 최악의 주변 온도에서 반복합니다.
- 시행하려는 허용 범위를 사용하여 승인된 샘플과 현재 소비량을 비교합니다. 전류의 플러스 또는 마이너스 10%와 속도의 5%는 소형 모터의 일반적인 생산 범위에 적용됩니다.
실제 근무 지점에서 1시간 동안 테스트하는 비용은 일반적으로 단일 현장 반환 배치보다 저렴합니다. 인용된 효율이 귀하의 주택에서 재현될 수 없는 경우 최종 사용자의 전기 요금 청구서에도 표시되지 않습니다.
우리는 냉기 모터, 난방 모터, 플라스틱 캡슐화 오일 흄 모터 및 DC 제품군 등 이러한 응용 분야를 위한 AC 및 DC 모터 라인을 모두 구축하고 표준 시리즈가 맞지 않는 고객 도면이나 샘플을 개발합니다.
여기서는 80,000개 이상의 일일 용량이 다른 의미에서 중요합니다. 승인한 샘플은 대량으로 재현 가능해야 하며, 배송 전반에 걸친 일관성은 프로토타입만이 도달할 수 있는 최고 수치보다 더 가치가 있습니다.
브러시리스 DC 모터 효율은 시스템 속성입니다. 모터는 하나의 손실 예산에 기여하고 드라이버는 또 다른 손실 예산에 기여하며 임펠러, 덕트 및 주변 온도는 곡선에서 기기가 실제로 존재하는 위치를 결정합니다. 두 인용문의 최고 수치를 비교하여 그 중 어느 것도 해결될 수 없습니다. 작업 순서는 간단합니다. 실제 작업 지점을 정의하고, 생산 드라이브를 통해 해당 지점에서 효율성을 요청하고, 실제 하우징 내부에서 따뜻하게 테스트하고, 최고 효율성과 운영 효율성 사이의 격차를 미터에 표시되는 숫자로 처리합니다.
해당 작동 지점에 맞는 표준 시리즈가 없는 경우 일반적으로 모터를 해당 작동 지점에 맞춰 개발할 수 있습니다. 이것이 바로 시장에 나와 있는 대부분의 소형 가전 모터가 애초에 현재의 형태에 도달한 방식입니다.
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