Come le perdite di ferro influenzano direttamente la scelta di un motore BLDC

Ciò è particolarmente vero nel mondo dei motori elettrici in miniatura che sono vitali per salvare, migliorare e migliorare la vita di molti. Un aspetto fondamentale delle prestazioni di un motore è la sua efficienza che è definita come il rapporto tra la potenza meccanica e la potenza elettrica: η=(Potenza meccanica)/(Potenza elettrica)

Poiché l'efficienza incide direttamente sul riscaldamento e sul consumo energetico del motore, deve essere scelta con la massima attenzione per sfruttare al massimo lo spazio disponibile. Qui esploriamo l'efficienza e le perdite di un motore BLDC, nonché il modo in cui questi svolgono un ruolo chiave nel processo di progettazione e selezione del motore.

Lo scopo di un motore BLDC è trasformare la potenza elettrica (UI) in potenza meccanica (Tω). Tuttavia, poiché un motore non può mai raggiungere la perfezione, durante la conversione dall'energia elettrica a quella meccanica si creano tre tipi principali di perdite: perdite per attrito, perdite nel rame e perdite nel ferro.

Potenza elettrica – (Perdite per attrito + Perdite di rame + Perdite di ferro) = Potenza meccanica

Perdite per attrito: Le perdite per attrito sono generate dai cuscinetti a sfera/bussola e dipendono dall'uso dell'applicazione (velocità, carico, accelerazione) e dall'ambiente (temperatura, sporco, ecc.), ma anche dai parametri intrinseci del cuscinetto, inclusi materiale, usura, lubrificanti, e sigillatura.

Perdite di rame : Le perdite nel rame, chiamate anche perdite Joule, sono generate dalla resistenza della bobina. La coppia è direttamente proporzionale alla corrente (T=kI), quindi maggiore è la coppia fornita da un motore, maggiori saranno le perdite nel rame generate. Ciò segue la funzione quadratica: Perdite nel rame=R * I ²

Tieni presente che la resistenza aumenterà quando il motore si riscalda, riducendo così l'efficienza in base all'equazione seguente. R = R_0.(1+γ.∆Temp)

-R_0: valore della resistenza (Ω) a temperatura ambiente (riportato nella scheda tecnica) | γ: fattore di resistenza 0,004/°C per il rame

Perdite di ferro : Le perdite di ferro possono essere facilmente fraintese ma hanno un impatto sostanziale sulle prestazioni del motore. Le perdite dipendono fortemente dalla frequenza della variazione del flusso magnetico in un materiale, ovvero quanto più velocemente ruota un motore, maggiori saranno le perdite generate.

Per comprendere meglio questo fenomeno si può condurre un piccolo esperimento. Si può lanciare un magnete in un tubo leggermente ferromagnetico (rame o alluminio), dove si può osservare che la velocità del magnete in caduta è molto inferiore a quanto ci si aspetterebbe. Possiamo confrontare questo risultato cambiando il tubo in plastica o sostituendo il magnete con un pezzo di metallo delle stesse dimensioni e peso.

Secondo la legge di Lenz, quando il magnete cade attraverso il tubo, la variazione del campo magnetico induce correnti che fluiscono in una direzione opposta alla variazione che le produce. Questo è ciò che riduce la velocità del magnete.

Legge di Lenz:FEM indotto= -(∆Φ/∆t)

∆Φ/∆t è la velocità di variazione del flusso magnetico

Le perdite di ferro sono generate da due fenomeni: le Correnti Parassite

Secondo la legge di Faraday, quando un campo magnetico viene applicato a un conduttore, attraverso di esso viene generata una corrente. E poiché il materiale ha una resistività elettrica specifica, crea alcune perdite (R*I²).

Perdite per correnti parassite=RI^2≅ CB^2.f^2.t^2.

– C è una costante che dipende dalla progettazione e dai materiali del motore

– B è il campo magnetico nel materiale (T)

-f è la frequenza dell'inversione magnetica al secondo (Hz)

-t è lo spessore del materiale (m)

-V è il volume del conduttore (m³)

Con la formula precedente, possiamo vedere i parametri che giocano un ruolo importante nella creazione di queste perdite per correnti parassite (Figura 3). Non sorprende che la frequenza dell’inversione del campo magnetico abbia un impatto sostanziale, così come la velocità del motore; anche l'intensità del campo magnetico e anche lo spessore del materiale giocano un ruolo importante.

Un modo efficace per ridurre l'impatto dello spessore del materiale è la laminazione del materiale centrale. Ciò crea un percorso più piccolo attraverso il quale la corrente può viaggiare, il che significa che si dividerà in diverse piccole correnti invece che in una grande corrente. Poiché le perdite vengono create con il valore al quadrato della corrente, questa è molto efficace (t/2 => i/2 => correnti parassite/4). Una cosa da tenere presente è che per evitare che circoli corrente tra due lamierini è necessario che questi siano isolati tra loro con un rivestimento.