Proč mikrostejnosměrné motory snižují celkovou hmotnost přenosných zařízení pro chlazení skříní

Proč mikrostejnosměrné motory snižují celkovou hmotnost přenosných zařízení pro chlazení skříní

Při specifikaci chladicího ventilátoru pro přenosnou skříň nebo kompaktní elektrickou skříň není hmotnost zpravidla prvním parametrem, který inženýři zvažují. Průtok vzduchu, statický tlak, úroveň hluku – tyto parametry obvykle dominují počáteční diskuzi. Avšak vzhledem k tomu, že přenosné chladicí zařízení pro skříně se v průběhu následných generací konstrukcí stává stále menší a lehčí, stává se motor uvnitř každého ventilátorového zařízení jednou z nejdůležitějších proměnných pro celkovou hmotnost sestavy. Při práci s aplikacemi tepelného řízení v průmyslovém prostředí jsem pochopil, jak velký vliv má volba micro DC motory na výslednou hmotnost celého zařízení – nejen na úrovni samotného motoru, ale i v celé mechanické a elektrické sestavě.

Proč jsou mikrostejnosměrné motory z principu lehčí

Odpověď není pouze v tom, že jsou motory fyzicky menší – jde o to, co chybí jejich konstrukci. Konvenční stejnosměrný motor spoléhá na laminované železné jádro v rotoru pro vytvoření magnetického obvodu. To železné jádro přidává hmotnost, zvyšuje setrvačnost rotace a stanovuje dolní mez rozměrů motoru. Bezjadrový nebo bezželezný malý dc motor zcela tento prvek odstraňuje a nahrazuje železné jádro lehkým vinutím uzavřeným v epoxidové pryskyřici. Výsledkem je sestava rotoru, jejíž hmotnost činí jen zlomek hmotnosti konvenčního ekvivalentu. U nejmenších bezjadrových provedení může mikrostejnosměrný motor vážit méně než jeden gram a přesto dosahovat otáček potřebných k pohonu lopatek chladicího ventilátoru při užitečných průtocích vzduchu.

Tato logika platí i pro bezkartáčová uspořádání. A malý dc motor postavený na principu BLDC (stejnosměrný motor bez kartáčů) odstraňuje sestavu kartáčů a mechanický komutátor, které oba přidávají hmotnost a vyžadují volný prostor v pouzdře. Odstranění těchto součástí umožňuje zmenšit pouzdro motoru. Menší pouzdro motoru se přímo promítá do lehčího pouzdra ventilátoru – a lehčí pouzdro ventilátoru znamená méně konstrukčního materiálu, méně spojovacích prvků a sníženou celkovou hmotnost sestavy.

Rozměrová zmenšení, která se šíří celou sestavou

Mikrostejnosměrné motory používané v ventilátorech obvykle mají průměr v rozmezí přibližně 6 mm až 50 mm. U bez jádrových konstrukcí může provozní průměr začínat pod 10 mm. Publikovaná data o technologii bez jádrových motorů ukazují, že odstranění železného jádra umožňuje zmenšit průměr motorového hřídele přibližně o 50 % a tloušťku sestavy ventilátoru přibližně o 41 % ve srovnání se standardními motory stejné třídy výkonu – alespoň v kompaktních chladicích aplikacích, kde je požadavek na průtok vzduchu přizpůsoben formátu motoru. Tyto úspory nejsou abstraktní. U chladicího ventilátoru pro přenosnou skříň snížení tloušťky sestavy ventilátoru o 40 % přímo zmenšuje hloubku celé jednotky, čímž se snižuje objem skříně, množství materiálu pro skříň i celková hmotnost výrobku.

Mnoho zakázáků spojuje vyšší výkon motoru ve wattech s účinnějším chlazením. Pro micro DC motory u přenosných aplikací v kabinetech tento předpoklad neplatí – alespoň ne v případech, kdy je rozsah otáček ventilátoru přizpůsoben skutečné tepelné zátěži. Mikro bezkartáčový stejnosměrný ventilátor napájený 3,3 V nebo 5 V dokáže zajistit dostatečný průtok vzduchu pro kompaktní elektronické pouzdra a zároveň odebírá jen zlomek proudu, který vyžaduje větší ventilátor s AC motorem. Nižší elektrický výkon umožňuje použít tenčí vodiče, menší konektory a u přenosných zařízení napájených bateriemi i menší nebo lehčí zdroj energie.

Systémová váhová logika

Výhoda hmotnosti micro DC motory je nejvýraznější, pokud zohledníte celý chladicí systém, nikoli pouze motor samotný. Tento efekt se projevuje postupně:

• Lehčí rotor motoru sníží rotační setrvačnost, čímž se snižují požadavky na protizávaží v sestavě lopatek ventilátoru.
• Menší tělo motoru umožňuje menší rám ventilátoru, což snižuje množství plechu nebo polymerového materiálu potřebného k uzavření a ochraně zařízení.
• Nižší spotřeba výkonu snižuje požadavky na proudové zatížení vstupních napájecích komponent, což umožňuje lehčí desku plošných spojů a spojovací sestavu.
• Žádné kartáčové uspořádání u variant BLDC eliminuje mechanické součásti náchylné k opotřebení a snižuje hmotnost konstrukčního zpevnění požadovaného v okolí upevnění motoru.

To, co jsem pozoroval u chladicích ventilátorů pro přenosné skříně, kde se přechází ze standardních střídavých ventilátorových motorů na integrované mikrostejnosměrové ventilátory BLDC, je konzistentní: měřitelné snížení hmotnosti celé jednotky – ještě před jakoukoli změnou tvaru lopatek ventilátoru nebo materiálů použitých pro skříň. Výběr technologie motoru ovlivňuje mechanický návrh způsoby, které nejsou ihned zřejmé pouze z údajů uvedených v technické dokumentaci komponentu.

Praktické aspekty při specifikaci mikrostejnosměrových motorů pro chladicí ventilátory přenosných skříní

Pro chlazení skříní s pevnou instalací a nepohyblivými motory existuje rozumné odůvodnění: elektrické rozhraní je jednoduché, střídavý proud je k dispozici a okamžitá jednoduchost má skutečnou hodnotu. Nicméně jakmile se přenosnost stane návrhovým omezením – nebo jakmile se zvyšuje hustota zařízení a skříně se zmenšují – argument váhy pro micro DC motory se stává těžko ignorovatelným.

Malé stejnosměrné motory v různých provedeních s napěťovými rozsahy přibližně od 3,3 V do 48 V DC a průměry od méně než 10 mm do 50 mm pokrývají širokou škálu scénářů návrhu chladicích ventilátorů pro přenosné skříně. Před stanovením specifikací je nutné ověřit následující klíčové parametry: kompatibilitu provozního napětí s cílovou napájecí architekturou, jmenovitý výkon proudění při očekávaném statickém tlaku systému, povolený rozsah okolní teploty pro provoz motoru a zda rozměrové rozměry motoru vyhovují geometrii pouzdra ventilátoru. Proudění vzduchu udávané za podmínek volného proudění neodráží skutečný výkon dodávky ve vedeném nebo omezeném vstupu do skříně – potvrzení výkonu za reálných podmínek odporu systému je proto krok, který stojí za dodatečné ověření.

Snížení hmotnosti jako nástroj pro návrh

Hlubší důsledek je ten, že micro DC motory nepouze snižují hmotnost jako konečný výsledek – umožňují kategorii přenosných chladicích ventilátorů pro skříně, jejichž návrh by byl s konvenčními technologiemi pohonu nepraktický. Ventilátory natolik kompaktní pro přenosné průmyslové zkušební zařízení, natolik lehké pro skříně určené k nasazení v terénu a natolik tiché pro přenosná zařízení umístěná v blízkosti obsluhy jsou všechny důsledky redukce hmotnosti a rozměrů motoru, kterou umožňují bezjádrové a bezkartáčové stejnosměrné motory.

Pro obchodní společnosti a distributory, kteří nakupují chladicí ventilátory pro skříně určené pro přenosné a kompaktní aplikace, je pochopení platformy motorové technologie stojící za každým produktem důležitější, než naznačují hlavní technické údaje. Hodnota hmotnosti uvedená v technické dokumentaci je důsledkem rozhodnutí o výběru motoru – a tato rozhodnutí mají dopad po celou dobu provozu produktu. Je-li hmotnost konstrukčním omezením, pak malý dc motor platforma motorové technologie je obvykle místem, kde řešení začíná.