Dlaczego mikrosilniki prądu stałego zmniejszają całkowitą masę przenośnych urządzeń wentylacyjnych do szaf chłodzących

Dlaczego mikrosilniki prądu stałego zmniejszają całkowitą masę przenośnych urządzeń wentylacyjnych do szaf chłodzących

Przy dobieraniu wentylatora chłodzącego do przenośnego obudowy lub kompaktowej szafy elektrycznej waga rzadko jest pierwszym parametrem, którego inżynierowie poszukują. Strumień powietrza, ciśnienie statyczne, poziom hałasu — to one zwykle dominują na wczesnym etapie rozmów. Jednak w miarę jak sprzęt chłodzący do szaf przenośnych stawał się z kolejnymi generacjami projektowymi coraz mniejszy i lżejszy, silnik w każdym jednostkowym wentylatorze stał się jedną z najważniejszych zmiennych wpływających na całkowitą wagę zespołu. Pracując z zastosowaniami zarządzania ciepłem w środowiskach przemysłowych, doszedłem do wniosku, jak bardzo wybór małe silniki DC kształtuje wynik wagi całego urządzenia — nie tylko na poziomie silnika, ale także w całym zespole mechanicznym i elektrycznym.

Dlaczego mikrosilniki prądu stałego są z natury lżejsze

Odpowiedź nie sprowadza się po prostu do faktu, że silniki są fizycznie mniejsze — chodzi o to, czego w nich brakuje. Konwencjonalny silnik prądu stałego opiera się na laminowanym rdzeniu żelaznym wirnika, służącym do utworzenia obwodu magnetycznego. Takie rdzenie żelazne zwiększają masę, zwiększają bezwładność obrotową i określają minimalne wymiary silnika. Silnik bezrdzeniowy lub bezżelazny micro silnik DC całkowicie eliminuje ten element, zastępując rdzeń żelazny lekkim uzwojeniem cewki sklejoną żywicą epoksydową. Wynikiem jest zespół wirnika, którego masa stanowi jedynie ułamek masy odpowiednika konwencjonalnego. W najmniejszych wersjach bezrdzeniowych mikrosilnik prądu stałego może ważyć mniej niż gram, a mimo to zapewniać prędkość obrotową niezbędną do napędu łopatek wentylatora chłodzącego przy użytecznych wartościach przepływu powietrza.

To rozumowanie odnosi się również do konfiguracji bezszczotkowych. mały silnik DC zbudowany na zasadach silnika prądu stałego bezszczotkowego (BLDC) eliminuje zestaw szczotek i mechaniczny komutator, które zwiększają masę i wymagają dodatkowej przestrzeni w obudowie. Usunięcie tych elementów pozwala zmniejszyć rozmiary obudowy silnika. Mniejsza obudowa silnika bezpośrednio przekłada się na lżejszą obudowę wentylatora — a lżejsza obudowa wentylatora oznacza mniejszą ilość materiału konstrukcyjnego, mniej elementów łączących oraz niższą całkowitą masę złożonego urządzenia.

Zmniejszenie wymiarów, które wpływa łańcuchowo na całe złożenie

Mikroskopijne silniki prądu stałego stosowane w wentylatorach obejmują zwykle zakres średnic od ok. 6 mm do 50 mm. W konstrukcjach bezrdzeniowych średnica robocza może zaczynać się poniżej 10 mm. Dane opublikowane na temat technologii silników bezrdzeniowych wskazują, że usunięcie rdzenia żelaznego pozwala zmniejszyć średnicę wirnika silnika o ok. 50 % oraz grubość zespołu wentylatora o ok. 41 % w porównaniu do konwencjonalnych silników o podobnej klasie wydajności — przynajmniej w kompaktowych zastosowaniach chłodzenia, gdzie wymagana wydajność przepływu powietrza jest dopasowana do formatu silnika. Te redukcje nie są abstrakcyjne. W przenośnym wentylatorze chłodzącym szafę 40-procentowe zmniejszenie grubości zespołu wentylatora bezpośrednio zmniejsza głębokość jednostki, co prowadzi do zmniejszenia objętości obudowy, a tym samym do obniżenia zużycia materiału obudowy i całkowitej masy produktu.

Wielu nabywców utożsamia wyższą moc silnika (w watach) z bardziej skutecznym chłodzeniem. Dla małe silniki DC w zastosowaniach w przenośnych obudowach to założenie nie jest spełnione — przynajmniej nie w scenariuszach, w których zakres prędkości wentylatora jest dopasowany do rzeczywistego obciążenia termicznego. Mikrosilnik prądu stałego bezszczotkowy o napięciu 3,3 V lub 5 V może zapewnić wystarczające natężenie przepływu powietrza dla kompaktowych obudów elektronicznych, pobierając jedynie ułamek prądu wymaganego przez większy wentylator z silnikiem prądu przemiennego. Niższe zapotrzebowanie na moc elektryczną oznacza cieńsze przewody, mniejsze złącza, a w przenośnych urządzeniach zasilanych bateryjnie — mniejsze lub lżejsze źródło zasilania.

Logika masy na poziomie systemu

Przewaga masy małe silniki DC jest najbardziej widoczna, gdy uwzględnia się cały system chłodzenia, a nie tylko silnik. Efekt przejawia się w następującej kolejności:

• Lekki wirnik silnika zmniejsza bezwładność obrotową, umożliwiając zastosowanie lżejszych elementów równoważących w zespoле łopatek wentylatora.
• Mniejsza obudowa silnika pozwala na zastosowanie mniejszej ramy wentylatora, co redukuje ilość blachy lub polimeru potrzebnego do wykonania obudowy zawierającej i chroniącej urządzenie.
• Niższe pobór mocy zmniejsza wymagania dotyczące prądu znamionowego dla elementów wejściowych zasilania, umożliwiając lżejszą płytkę PCB oraz zespół łącznika.
• Brak zespołu szczotek w wariantach silników BLDC eliminuje zużywające się elementy mechaniczne i zmniejsza masę wzmocnienia konstrukcyjnego wymaganą wokół mocowania silnika.

To, co zaobserwowałem w projektach wentylatorów chłodzących przenośnych szafek, które przechodzą z tradycyjnych silników wentylatorów prądu przemiennego na zintegrowane mikrosilniki prądu stałego typu BLDC, jest spójne: mierzalne zmniejszenie całkowitej masy urządzenia — jeszcze przed jakimkolwiek zmodyfikowaniem geometrii łopatek wentylatora lub materiałów obudowy. Wybór technologii silnika wpływa na projekt mechaniczny w sposób, który nie wynika bezpośrednio z danych technicznych komponentu zamieszczonych w karcie katalogowej.

Uwagi praktyczne przy doborze mikrosilników prądu stałego do wentylatorów chłodzących przenośne szafki

Istnieje uzasadnione uzasadnienie stosowania tradycyjnych silników w chłodzeniu szaf stacjonarnych z stałym montażem: interfejs elektryczny jest prosty, dostępne jest prąd przemienny, a początkowa prostota ma rzeczywistą wartość. Mimo to, z chwilą, gdy przenośność staje się ograniczeniem projektowym — lub gdy gęstość wyposażenia rośnie, a obudowy zmniejszają się — argument dotyczący masy małe silniki DC staje się trudny do zignorowania.

Formaty mikrosilników prądu stałego obejmujące zakresy napięć od ok. 3,3 V do 48 V DC oraz średnice od poniżej 10 mm do 50 mm zapewniają szerokie zastosowanie w projektowaniu chłodzących wentylatorów do przenośnych szaf. Przed określeniem szczegółowych parametrów należy zweryfikować: zgodność napięcia roboczego z założoną architekturą zasilania, nominalną wydajność przepływu powietrza przy oczekiwanej statycznej odporności systemu, dopuszczalny zakres temperatur otoczenia dla pracy silnika oraz to, czy wymiary silnika mieszczą się w geometrii obudowy wentylatora. Wydajność przepływu powietrza podana dla warunków swobodnego przepływu nie odzwierciedla rzeczywistej wydajności w zainstalowaniu w szafie z kanałami lub ograniczonym dopływem powietrza — potwierdzenie wydajności przy rzeczywistym oporze systemu uzasadnia dodatkowy etap weryfikacji.

Redukcja masy jako czynnik umożliwiający projektowanie

Głębsze implikacje są takie, że małe silniki DC nie ograniczają się jedynie do redukcji masy jako końcowego efektu — umożliwiają kategorię przenośnych projektów wentylatorów chłodzących szafy, które byłyby niewykonalne przy użyciu konwencjonalnych technologii silników. Wentylatory na tyle zwarte, by zmieścić się w przenośnym przemysłowym sprzęcie pomiarowym, na tyle lekkie, by stosować je w obudowach przeznaczonych do użytku terenowego, oraz na tyle ciche, by można je było umieszczać w pobliżu operatora w przenośnych urządzeniach — wszystkie te cechy są bezpośrednimi następstwami redukcji masy i rozmiaru silnika zapewnianej przez technologie silników bezrdzeniowych i prądu stałego bezszczotkowych.

Dla firm handlowych i dystrybutorów zakupujących wentylatory chłodzące szafy do zastosowań przenośnych i kompaktowych zrozumienie platformy technologicznej silnika stojącej za każdym produktem ma większe znaczenie niż sugerują to podstawowe dane techniczne. Wartość masy podana w arkuszu danych jest odbiciem decyzji projektowych podjętych na etapie wyboru silnika — a te decyzje mają skutki trwające przez cały okres eksploatacji produktu. Gdy masa stanowi ograniczenie projektowe, mały silnik DC platforma technologiczna jest zwykle punktem wyjścia rozwiązania.