Zwei Luftkühler verlassen dasselbe Werk mit demselben Flügel, demselben Gehäuse und derselben Luftstromleistung. Einer zieht 42 W; der andere verbraucht 34 W. Auf dem Papier ist der Unterschied der Motor, in der Praxis sind es jedoch der Motor, die Antriebselektronik und der genaue Punkt auf der Kurve, an dem das Gerät den Motor während des Betriebs hält.
Das Fazit zunächst: Die Effizienz eines bürstenloser Gleichstrommotor wird von drei Dingen bestimmt, die Sie tatsächlich konstruieren und überprüfen können: dem Verlustbudget im Inneren des Motors, dem Verlustbudget in der Elektronik, die ihn schaltet, und dem Betriebspunkt, bei dem die Anwendung den Betrieb erzwingt. Ein Datenblatt-Peak ist ein Punkt auf einer Kurve. Was ein Kunde über einen Zeitraum von zehn Jahren zahlt, ist ein gewichteter Durchschnitt über reale Arbeitszyklen, Umgebungstemperaturen und Luftströmungswiderstand.
Wenn diese drei aufeinander abgestimmt sind, reduziert ein kleiner BLDC-Motor in einer Lüfteranwendung die Eingangsleistung im Vergleich zu einem Spaltpol- oder einfachen Einphasen-Induktionsmotor ähnlicher Baugröße normalerweise um ein Viertel bis ein Drittel. Machen Sie es falsch – überdimensionieren Sie den Motor, ignorieren Sie den Treiber, lassen Sie ihn mit 15 % Last laufen – und ein „Hocheffizienz“-Motor verhält sich leise wie ein gewöhnlicher Motor.
Effizienz ist eine Kurve, keine Zahl
Die Effizienz wird als einzelne Zahl angegeben, da einzelne Zahlen leicht zu vergleichen sind. In einem Gerät verhält es sich wie eine Kurve mit einer breiten, aber endlichen Spitze. Bei kleinen bürstenlosen Motoren, die in Luftkühlern, Kühlventilatoren und Dunstabzugshauben verwendet werden, liegt der Spitzenwirkungsgrad üblicherweise im Bereich von 80–90 %, wenn die Wellenleistung unter Einbeziehung des eigenen Treibers des Motors gemessen wird. Wird derselbe Motor auf 15–20 % des Nenndrehmoments gedrückt, sinkt er oft in den Bereich von 50–60 %, da Eisenverlust, Windwiderstand und Schaltverlust bei Belastung nicht kleiner werden. Ein Spaltpolmotor vergleichbarer Größe wird in der Regel zwischen 20 % und 40 % angeboten, weshalb sich der Tausch überhaupt lohnt.
Der obere Teil der Kurve liegt normalerweise in der oberen Hälfte des Drehzahlbereichs, bei etwa 60–85 % des Nenndrehmoments, und bleibt in der Mitte des Bereichs flacher, als die meisten Käufer erwarten. Diese Ebenheit ist der nützliche Teil: Ein Motor, der für den tatsächlichen Betriebspunkt und nicht für einen Worst-Case-Start ausgelegt ist, verbringt die meiste Zeit seiner Lebensdauer oben statt am Hang.
Es lohnt sich, von einem Lieferanten vier Dinge zu verlangen, bevor es um den Preis geht:
- Eine Effizienzkarte oder mindestens drei Punkte – niedrige, mittlere und Nennlast – anstelle einer Spitzenzahl.
- Eingangsleistung gemessen am Konstruktionspunkt des Geräts, mit dem Produktionslaufrad und -gehäuse, nicht auf einer blanken Welle.
- Eine klare Aussage darüber, ob der Fahrer und seine Verluste innerhalb oder außerhalb der angegebenen Zahl liegen.
- Wicklungs- und Magnettemperatur nach dem thermischen Beharrungszustand – zwei Stunden, nicht zwei Minuten.
Wenn sich die Terminologie noch nicht festlegt, unsere Grundlegende Wissenspunkte über Motoren ist ein sinnvoller Ort, um Definitionen zu überprüfen, bevor Sie Angebote verschiedener Lieferanten vergleichen.
Ein Spitzenwert, der bei 24 V an einer offenen Welle mit einem Labortreiber gemessen wird, ist nicht mit einem Spitzenwert vergleichbar, der bei 12 V durch eine Produktionsplatine in einem versiegelten Gehäuse gemessen wird. Zwei Lieferanten, die „88 % effizient“ angeben, beschreiben möglicherweise zwei unterschiedliche Maschinen.
Wohin die Verluste tatsächlich gehen
Bürstenlose Motoren gewinnen aus einem bestimmten Grund an Effizienz: Durch das Entfernen der Bürsten werden zwei Verlustpfade gleichzeitig beseitigt. Der Bürstenkontakt erzeugt Reibung und außerdem einen annähernd konstanten Spannungsabfall, der einen größeren Anteil der Eingangsleistung ausmacht, je niedriger die Versorgungsspannung ist. Bei einem 12-V-Bürstenmotor kann die Bürstenschnittstelle allein mehrere Prozent der Eingangsleistung verbrauchen, bevor der Rest der Maschine berücksichtigt wird.
Was die Bürsten ersetzt, ist ein Wechselrichter, und dieser ist nicht kostenlos. Eine dreiphasige Brücke mit sechs MOSFETs verursacht zusätzliche Leitungs- und Schaltverluste, und ein schlecht angepasster Treiber kann 10–20 % der Gesamtverluste ausmachen. Die sechsstufige Kommutierung ist günstig und für einen Lüfter mit fester Drehzahl vollkommen ausreichend; Eine feldorientierte Steuerung kann einige Punkte wiederherstellen, an denen der Motor Zeit im Teillastbetrieb verbringt, auf Kosten eines schnelleren Mikrocontrollers und mehr Entwicklungszeit.
| Verlustmechanismus | Typischer Anteil am Gesamtschaden | Primärer Designhebel |
|---|---|---|
| Statorkupfer (resistiv) | 30-45 % | Kupferfüllfaktor, Stromdichte, Wärmepfad zum Gehäuse |
| Eisen (Hysterese und Wirbelstrom) | 15-25 % | Laminierungsgrad und -dicke, Flussdichte, Schlitzgeometrie |
| Antriebselektronik (Leiten und Schalten) | 10-20 % | MOSFET-Einschaltwiderstand, Schaltfrequenz, Modulationsschema |
| Lager, Luftwiderstand und Rotorwiderstand | 5-15 % | Lagertyp und Vorspannung, Wellenausrichtung, Laufradbalance |
| Streuverluste und harmonische Verluste | 3-10 % | Nut-Pol-Kombination, Schrägstellung, Fertigungstoleranzen |
Zwei Details sind wichtiger, als die meisten Datenblätter vermuten lassen. Der Laminierungstyp ist der erste: Der Übergang zu einem dünneren Stahl mit höherem spezifischem Widerstand reduziert den Wirbelstromanteil des Eisenverlusts, der am einfachsten zu beeinflussen ist. Die Schlitz-Pol-Kombination und die Schrägstellung sind der zweite Punkt: Sie beeinflussen Streu- und Oberwellenverluste und, was ebenso wichtig ist, das Geräusch, das das Gerät bei der leisesten Geschwindigkeitseinstellung erzeugt.
Ein Motor, der auf einer Werkbank acht Punkte höher liegt, kann diesen Vorteil verlieren, sobald er in ein Gehäuse mit einem anderen Laufrad und einem längeren Kanal geschraubt wird.
Wie Last und Temperatur den Arbeitspunkt verschieben
Lüfter- und Gebläselasten folgen zwei ungefähren Regeln: Das Drehmoment steigt mit dem Quadrat der Drehzahl und die Wellenleistung mit der dritten Potenz. Durch die Halbierung der Geschwindigkeit wird der Luftstrom auf etwa die Hälfte und die Wellenleistung auf etwa ein Achtel reduziert. Das ist das stärkste Argument für eine variable Drehzahlregelung bei Dunstabzugshauben und Luftkühlern, denn im oberen Drehzahlbereich wird die meiste Energie verbraucht, während deutlich darunter die meiste Betriebszeit verbracht wird.
Das Gegenteil ist auch der Fall. Bei einem Gerät ist der Wirkungsgrad nicht nur eine Eigenschaft des Motors; Es ist eine Eigenschaft des Motors plus des Luftwegs. Ein verstopfter Filter, ein geknickter Kanal oder ein leicht unterdimensioniertes Gitter erhöhen den statischen Druck, erhöhen das Drehmoment, das das Laufrad bei gleicher Drehzahl benötigt, und gleiten den Motor auf der rechten Seite seiner Kurve nach unten. Ein Motor mit einer großzügigen Spitze kann seine Lebensdauer immer noch mit einem Wirkungsgrad von 60 % beenden, da der Luftpfad nie an ihn angepasst wurde.
Auch die Temperatur verändert die Zahlen. Der Widerstand einer Kupferwicklung steigt um etwa 0,39 % pro Grad Celsius, sodass eine Wicklung, die sich von 25 auf 90 Grad erwärmt, bei gleichem Strom etwa ein Viertel ihres Widerstandsverlusts erhöht. Permanentmagnete verlieren beim Erwärmen an Fluss (gesintertes NdFeB etwa 0,11 bis 0,12 % pro Grad Celsius), sodass das bei 100 Grad verfügbare Drehmoment messbar niedriger ist als das bei Raumtemperatur gemessene Katalogdrehmoment. Die Wahl eines schwereren Magnettyps oder eines besseren Wärmepfads zum Gehäuse ist eine Kostenentscheidung, keine technische.
Jeder Motor hat einen festen Verlustboden: Lagerwiderstand, Luftwiderstand und Schaltverlust, der bei geringer Last nie verschwindet. Aus diesem Grund sinkt die Effizienz gegen Null, wenn sich die Geschwindigkeit Null nähert, und warum „Effizienz bei sehr niedriger Geschwindigkeit“ eine irreführende Frage ist. Die nützliche Frage ist die Gesamtenergie, die während des Arbeitszyklus verbraucht wird.
Luftkühler veranschaulichen das Problem gut. Sie laufen stundenlang unter wetterabhängigen Bedingungen, daher muss der Motor einen angemessenen Wirkungsgrad über einen breiten Bereich und nicht nur an einem schmeichelhaften Punkt halten. Das ist die Vorgabe, nach der wir Luftkühlermotoren entwickeln.
AC oder BLDC: Abstimmung des Motors auf das Gerät
Bürstenlos ist nicht automatisch die richtige Wahl. Ein einphasiger Kondensatormotor verfügt über keine Elektronik, keine Rotorpositionserkennung, keine Firmware und nur sehr wenige Teile. Bei einem Gerät mit fester Drehzahl und einem kurzen täglichen Arbeitszyklus kann es sein, dass die durch einen BLDC eingesparte Energie die zusätzlichen Kosten während der Produktlebensdauer nicht amortisiert. Diese Berechnung ändert sich, sobald die Last schwankt, die Einschaltdauer länger wird oder das Gerät voraussichtlich bei niedriger Drehzahl leise ist.
Wenn die AC-Alternative immer noch gewinnt
Betrieb mit fester Drehzahl, aggressive Kostenziele, verschmutzte oder instabile Netzversorgung und ein kurzer Arbeitszyklus sprechen für einen einphasigen Asynchronmotor. Wenn das Gerät immer nur einen Luftstrom benötigt und zwanzig Minuten am Tag läuft, ist die ehrliche technische Antwort normalerweise das einfachere Gerät.
Auf der anderen Seite dieser Linie stehen Dunstabzugshauben. Der Saugbedarf steigt und fällt mit dem, was sich auf dem Kochfeld befindet, und der Abstand zwischen sanftem Sieden und einer heißen Pfanne ist ein Faktor von mehreren im Luftstrom. Ein Gleichstrommotor mit Steuerung ermöglicht es der Haube, der Last zu folgen, anstatt zwischen drei Anzapfungen umschalten zu müssen, und hier entsteht der größte Teil der Energieeinsparung – nicht durch den isolierten Motor. Wir haben uns den Vergleich in einem Artikel genauer angeschaut wie Gleichstrommotoren für Dunstabzugshauben die Energieeffizienz im Vergleich zu herkömmlichen Wechselstrommotoren verbessern .
Was Sie überprüfen müssen, bevor Sie einen Motor genehmigen
Eine Überprüfung ist günstiger als eine Nacharbeit. Ein Prüfstandstest am Entwurfspunkt dauert einen halben Tag und beantwortet Fragen, die ein Datenblatt nicht beantworten kann.
- Messen Sie die Eingangsleistung bei der normalen Versorgungsspannung des Geräts mit dem Produktionstreiber am Auslegungsbetriebspunkt und nicht am Nennpunkt des Motors.
- Wellendrehmoment und Drehzahl gleichzeitig messen. Der Wirkungsgrad ist Drehmoment mal Winkelgeschwindigkeit dividiert durch elektrische Eingangsleistung; Das Schätzen des Drehmoments aus dem Strom ist nur als erster Durchgang akzeptabel.
- Lassen Sie es mindestens 90 Minuten laufen, bevor Sie Daten aufzeichnen, damit Wicklungen und Magnete einen thermischen Dauerzustand erreichen.
- Wiederholen Sie dies am unteren und oberen Ende des Regelbereichs und bei der ungünstigsten Umgebungstemperatur.
- Vergleichen Sie die aktuelle Entnahme mit der genehmigten Probe und verwenden Sie dabei ein Toleranzband, das Sie durchsetzen möchten. Plus oder minus 10 % auf den Strom und 5 % auf die Drehzahl decken die normale Produktionsstreuung bei kleinen Motoren ab.
Eine Teststunde am tatsächlichen Einsatzort kostet in der Regel weniger als eine einzelne Feldrückgabecharge. Kann ein angegebener Wirkungsgrad im eigenen Haus nicht reproduziert werden, erscheint er auch nicht auf der Stromrechnung des Endverbrauchers.
Für diese Anwendungen bauen wir sowohl AC- als auch DC-Motorenreihen – Kaltluftmotoren, Heizmotoren, kunststoffgekapselte Öldampfmotoren und die DC-Reihe – und entwickeln nach Kundenzeichnungen oder Mustern, wo eine Standardserie nicht passt.
Eine Tageskapazität von über 80.000 Einheiten ist hier in einem anderen Sinne von Bedeutung: Das von Ihnen genehmigte Muster muss in der Menge reproduzierbar sein, und die Konsistenz über eine Lieferung hinweg ist mehr wert als ein Spitzenwert, den nur der Prototyp erreichen kann.
Der Wirkungsgrad bürstenloser Gleichstrommotoren ist eine Systemeigenschaft. Der Motor trägt zu einem Verlustbudget bei, der Treiber zu einem anderen, und das Laufrad, der Kanal und die Umgebungstemperatur entscheiden darüber, wo auf der Kurve sich das Gerät tatsächlich befindet. Nichts davon kann durch den Vergleich der Spitzenwerte in zwei Angeboten geklärt werden. Der Arbeitsauftrag ist einfach: Definieren Sie den tatsächlichen Betriebspunkt, fragen Sie nach der Effizienz an diesem Punkt mit dem Produktionsantrieb, testen Sie ihn warm und im realen Gehäuse und behandeln Sie die Lücke zwischen Spitzen- und Betriebseffizienz als die Zahl, die auf dem Messgerät angezeigt wird.
Wenn keine Standardbaureihe für diesen Betriebspunkt geeignet ist, kann der Motor in der Regel entsprechend entwickelt werden – so sind die meisten Kleingerätemotoren auf dem Markt überhaupt erst zu ihrer heutigen Form gekommen.
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