2 つの空冷クーラーは、同じブレード、同じハウジング、同じエアフロー定格を備えて同じ工場から出荷されます。 One draws 42 W;もう 1 つは 34 W を消費します。紙の上では、違いはモーターですが、実際には、モーター、駆動電子機器、および家電製品が動作中にモーターを保持する曲線上の正確な点が違います。
結論を先に言うと、 brushless DC motor は、実際に設計して確認できる 3 つの事項によって決まります。それは、モーター内部の損失バジェット、モーターをスイッチングする電子機器の損失バジェット、およびアプリケーションが強制的に動作させる動作点です。データシートのピークは曲線上の 1 点です。顧客が 10 年以上支払う金額は、実際のデューティ サイクル、周囲温度、通気抵抗の加重平均です。
これら 3 つの調整を行うと、小型 BLDC モーターは通常、ファン アプリケーションにおける同様のフレーム サイズの影付き極または基本的な単相誘導モーターと比較して、入力電力を 4 分の 1 から 3 分の 1 削減します。誤解すると、モーターのサイズを大きくしすぎたり、ドライバーを無視したり、15% の負荷で動作させたりすると、「高効率」モーターは通常のモーターと同じように静かに動作します。
効率は数値ではなく曲線である
効率は比較しやすいため、単一の数値として引用しています。アプライアンスでは、幅は広いが有限な上部を持つ曲線のように動作します。空気冷却器、冷却ファン、レンジフードで使用される小型ブラシレスモーターでは、モーター自体のドライバーを含めてシャフト出力を測定すると、ピーク効率は通常 80 ～ 90% の範囲に収まります。同じモータを定格トルクの 15 ～ 20% まで押し上げると、負荷がかかっても鉄損、風損、スイッチング損失が縮小しないため、多くの場合 50 ～ 60% の範囲に低下します。同程度のサイズのシェードポールモーターの価格は通常 20% ～ 40% の間であるため、交換する価値は十分にあります。
曲線の頂点は通常、定格トルクの約 60 ～ 85% の速度範囲の上半分にあり、範囲の中央まではほとんどの購入者が予想するよりも平坦なままです。この平坦性は有用な部分です。最悪の場合の始動ではなく、実際のデューティポイントに合わせてサイズ設定されたモーターは、その寿命のほとんどを斜面ではなく頂上近くで費やします。
会話が価格に移る前に、サプライヤーに要求する価値のある 4 つのこと:
- 効率マップ、または 1 つのピーク値ではなく、少なくとも 3 つのポイント (低負荷、中負荷、定格負荷)。
- 入力電力は、裸のシャフトではなく、製品のインペラとハウジングを使用して、アプライアンスの設計時点で測定されます。
- ドライバーとその損失が見積もられた数字の範囲内か範囲外かを明確に表明します。
- 熱定常状態後の巻線と磁石の温度 - 2 分ではなく 2 時間。
用語がまだ固まっていない場合は、 モーターに関する基礎知識 さまざまなサプライヤーからの見積もりを比較する前に、定義を確認するのに適切な場所です。
ラボ用ドライバーを使用してオープンシャフトで 24 V で測定したピーク値は、密閉されたハウジング内の生産基板を使用して 12 V で測定したピーク値と比較できません。 「効率 88%」と引用している 2 つのサプライヤーは、2 つの異なる機械について説明している可能性があります。
損失が実際にどこに行くのか
ブラシレス モーターは、ブラシを取り外すと 2 つの損失経路が同時に除去されるため、効率が向上します。ブラシの接触により摩擦が発生し、ほぼ一定の電圧降下も発生します。この電圧降下は、供給電圧が低くなるほど入力電力に占める割合が大きくなります。 12 V ブラシ付きモーターでは、ブラシ インターフェイスだけで、マシンの残りの部分が考慮される前に入力電力の数パーセントを消費する可能性があります。
ブラシの代わりとなるのはインバーターですが、これは無料ではありません。 6 つの MOSFET を備えた三相ブリッジでは、導通損失とスイッチング損失が追加され、ドライバーの整合が不十分な場合、総損失の 10 ～ 20% が発生する可能性があります。 6 ステップの整流は安価であり、固定速度のファンとしては完全に適切です。フィールド指向制御は、より高速なマイクロコントローラーとより多くのエンジニアリング時間を犠牲にして、モーターが部分負荷で時間を費やすいくつかのポイントを回復できます。
| Loss mechanism | 損失総額に占める典型的な割合 | Primary design lever |
|---|---|---|
| ステータ銅 (抵抗) | 30-45% | Copper fill factor, current density, thermal path to the housing |
| 鉄（ヒステリシスと渦電流） | 15-25% | Lamination grade and thickness, flux density, slot geometry |
| 駆動エレクトロニクス (伝導およびスイッチング) | 10-20% | MOSFET on-resistance, switching frequency, modulation scheme |
| ベアリング、風損、ローター抵抗 | 5-15% | Bearing type and preload, shaft alignment, impeller balance |
| 漂遊損失と高調波損失 | 3-10% | Slot-pole combination, skewing, manufacturing tolerances |
Two details matter more than most spec sheets suggest.ラミネートグレードは 1 つ目です。より薄く、より抵抗率の高い鋼に移行すると、最も影響を受けやすい部分である鉄損の渦電流部分が減少します。スロットとポールの組み合わせとスキューは 2 番目です。これらは浮遊損失と高調波損失を形成し、同様に重要なことに、アプライアンスが最も静かな速度設定で発生するノイズを形成します。
ベンチ上で 8 ポイント高いモーターは、異なるインペラと長いダクトを備えたハウジングにボルトで固定された瞬間にその利点を失う可能性があります。
How Load and Temperature Move the Operating Point
Fan and blower loads follow two approximate rules: torque rises with the square of speed, and shaft power with the cube. Halving the speed cuts airflow to about half and cuts shaft power to roughly an eighth.これは、レンジフードや空気冷却器の可変速度に関する最も有力な議論です。エネルギーの大部分は速度範囲の最高で消費され、動作時間のほとんどはそれ以下で費やされるからです。
その逆もまた真です。 In an appliance, efficiency is not a property of the motor alone; it is a property of the motor plus the air path.フィルターの詰まり、ダクトのねじれ、またはグリルのサイズがわずかに小さいと、静圧が上昇し、同じ速度でインペラが要求するトルクが増加し、モーターが曲線の右側に滑り落ちます。 A motor with a generous peak can still finish its life at 60% efficiency because the air path was never matched to it.
温度によっても数値は変わります。銅の巻線抵抗は摂氏 1 度あたり約 0.39% 増加するため、巻線が 25 度から 90 度に加熱されると、同じ電流での抵抗損失が約 4 分の 1 増加します。永久磁石は温まると磁束を失います (焼結 NdFeB は摂氏 1 度あたり約 0.11 ～ 0.12%)。そのため、100 度で得られるトルクは、室温で測定したカタログ トルクよりも明らかに低くなります。より重い磁石のグレードを選択するか、ハウジングへのより良い熱経路を選択するかは、技術的な問題ではなく、コストによって決まります。
Every motor has a fixed loss floor: bearing drag, windage and switching loss that never disappear at low load. This is why efficiency falls toward zero as speed approaches zero, and why "efficiency at very low speed" is a misleading question.有益な質問は、デューティ サイクル全体で消費される総エネルギーです。
空冷装置はこの問題をよく示しています。天候によって変動する条件下で何時間も稼働するため、モーターは単一の優れた点ではなく、広い帯域にわたって妥当な効率を維持する必要があります。 That is the brief we design air cooler motors against.
AC or BLDC: Matching the Motor to the Appliance
Brushless is not automatically the right choice.単相コンデンサー駆動モーターには、電子機器、ローター位置検出、ファームウェアがなく、部品もほとんどありません。 1 日の使用サイクルが短い固定速度のアプライアンスでは、BLDC によって節約されたエネルギーが製品の耐用年数内に追加コストを回収できない可能性があります。この計算は、負荷が変化したり、デューティ サイクルが長くなったり、アプライアンスが低速で静かになることが予想されるとすぐに変更されます。
When the AC alternative still wins
固定速度動作、積極的なコスト目標、汚れまたは不安定な主電源、および短いデューティ サイクルはすべて、単相非同期モーターに有利です。アプライアンスが 1 つのエアフローのみを必要とし、1 日あたり 20 分間稼働する場合、工学的な正直な答えは通常、よりシンプルなマシンです。
Range hoods sit on the other side of that line.吸引要求はコンロの内容によって増減し、穏やかに煮るときと熱い鍋の間のギャップは空気の流れの数倍になります。 DC モーター プラス制御により、フードは 3 つのタップを切り替えるのではなく、負荷に追従します。これが、モーター単独によるものではなく、エネルギー節約のほとんどがここから始まります。この比較については、次の記事で詳しく説明しました。 レンジフード DC モーターは従来の AC モーターと比較してエネルギー効率をどのように向上させるか .
What to Verify Before You Approve a Motor
Verification is cheaper than rework.設計時点でのベンチ テストには半日かかり、データシートでは解決できない質問に答えられます。
- 製品ドライバーを使用して、モーターの定格点ではなく設計デューティ点で、アプライアンスの通常の供給電圧で入力電力を測定します。
- Measure shaft torque and speed at the same time.効率は、トルク×角速度を電気入力電力で割ったものです。電流からトルクを推定することは、最初のパスとしてのみ受け入れられます。
- データを記録する前に少なくとも 90 分間実行して、巻線と磁石が熱的に定常状態に達するようにします。
- 制御範囲の下限と上限、および最悪の周囲温度で繰り返します。
- 強制する許容範囲を使用して、現在の消費量を承認されたサンプルと比較します。電流でプラスまたはマイナス 10%、速度で 5% は、小型モーターの通常の生産範囲をカバーします。
通常、実際の作業現場での 1 時間のテストのコストは、現場に戻る 1 回のバッチよりもコストがかかりません。見積もられた効率が自分の住宅で再現できない場合、エンドユーザーの電気料金請求書にも表示されません。
当社は、冷気モーター、加熱モーター、プラスチックカプセル化オイルヒュームモーター、DC レンジなどの用途向けに AC モーターと DC モーターの両方のラインを構築し、標準シリーズが適合しない顧客の図面やサンプルに合わせて開発します。
ここでは、1 日あたり 80,000 ユニットを超える生産能力が別の意味で重要になります。つまり、承認するサンプルは大量に再現可能である必要があり、出荷全体にわたる一貫性は、プロトタイプだけが到達できるピーク値よりも価値があります。
ブラシレス DC モーターの効率はシステムの特性です。モーターは 1 つの損失バジェットに寄与し、ドライバーは別の損失バジェットに寄与し、インペラ、ダクト、および周囲温度が曲線上のどの位置にアプライアンスが実際に存在するかを決定します。 2 つの引用符のピーク値を比較するだけでは、そのいずれも解決できません。作業順序は単純です。実際の負荷ポイントを定義し、本番ドライブでその時点での効率を求め、実際の筐体内で温かい状態でテストし、ピーク効率と動作効率の間のギャップをメーターに表示される数値として扱います。
その動作点に適合する標準シリーズがない場合、通常はその動作点に合わせてモーターを開発できます。これが、市場に出回っているほとんどの小型家電モーターが最初に現在の形状に到達した方法です。
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