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驱动装置部件的效率

DCXDCX

人们经常会提出哪一种电机效率最高这样的问题。尤其是在应用中可以使用的电源有限时,比如各种由电池驱动的工具或由太阳能电池板供电的卫星等,更需要考虑效率问题。我个人认为,这个问题其实应该扩展到包括控制器、电机、齿轮箱及其他机械装置在内的整个驱动系统。表1概括显示不同能量转换设备的典型效率。

Tabelle_Efficiency

我们可以看到,效率在很大程度上取决于机械装置的制造方式。机械系统中的高摩擦会消耗大量能量。因此,提高传动系的效率总是应该从优化机械系统开始。

请注意,DC驱动系统经常通过固定电压进行供电。因此,需要优化的事实上并不是整体效率。效率是一个相对参数,代表每单位输入功率的损耗。但在使用固定电压时,需要最小化电流消耗(作为一个绝对参数)。充分利用全电压可以降低电流消耗,并延长电池的使用寿命。

下面列出提高效率和降低电流消耗的几条规则。

机械转换规则

  • 使用低摩擦机械装置或完全避免摩擦。
  • 以滚动摩擦(摩擦系数 < 0.01)代替滑动摩擦(典型的摩擦系数在0.1至0.4之间)。例如,滚珠丝杠系统的摩擦比丝杠低得多。但是,滚珠丝杠解决方案通常不具备自锁功能;它需要通电才能保持在停止位置。如果考虑整个工作周期,梯形丝杠在某些情况下消耗的总能量可能更少。

行星齿轮箱和正齿轮箱规则

  • 使用更少输出级。
  • 使用额定转矩只略高于所需转矩的小型齿轮箱。不得使用过大的齿轮箱。齿轮箱负载低时,效率也不佳。
  • 在效率方面,没有齿轮箱的大型直接驱动电机的效率通常优于电机齿轮箱组合。但是,直接驱动装置可能更大、更重并且更昂贵。
grafik

齿轮箱效率与额定输出转矩之间的关系(示意图)。如果齿轮箱负载合理,在效率几乎可以维持恒定并保持在较高水平。

电机规则

  • 以每分钟几千转的转速运行电机。
  • 不要选择太大的电机。不要在接近无负载的情况下运行电机。
  • 选择绕组时要十分小心。使用最能充分利用电压并在负载下达到所需转速的电机;也就是所需电流最低的电机。

控制器规则

控制器的规则类似于齿轮箱。让控制器正确负载,并且不要在过低的电流下运行。不要选择额定电流过高的控制器。使输出级的大小与所需的电机电流匹配。  

总结

充分利用全电压。这样可以降低电流消耗并由此降低成本;您需要的电源更小、控制器更小、导线屏蔽更少……或许,正如我的一位同事所说:电压是免费的,电流才有成本。

Motor_efficiency_grafik

电机效率是不同电源电压下的转矩的函数。提高电压对于最大效率没有重大影响,而是会对高效率的转矩范围产生重大影响。在一般情况下,效率在持续运行范围内达到最高。但也要注意,转矩值非常低时,效率也降低。

Author: Urs Kafader

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