如何选择合适的电动机

电动机是一种将电能转换为机械能的机电设备。大多数情况下,运动是旋转的,机械能的特点是旋转速度和电机扭矩。本购买指南只涉及这种类型的发动机。直线电机将在另一篇文章中介绍。据估计,电动机系统占全球电力消耗的46%。在工业领域,电动机无处不在。 电动机可以发动泵,驱动压缩机和输送机,并操作风扇、鼓风机、钻机或搅拌机。电动机可以被称为行业的工作母机。

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  • 选择电动机的标准是什么?

    工业电动机

    电动机允许不同类型的运动:快速、精确、连续、有无换挡…所有这些应用都需要有自己的电机技术。

    1. 三个主要系列的电动机可供选择:
    1. 然后需要确定应用的类型, 因为这是指导在这三个系列中选择发动机的关键。
      • 如果你想让你的电机连续运行,而且速度变化不大,就选择异步电机。
      • 对于动态应用,同步电机是正确的选择。
      • 最后,为了精确定位,选择步进电机。
    1. 根据所需的运动,你还需要确定电机技术规格尺寸
      • 对于技术规格,还须确定发动机的功率、扭矩和速度。
      • 对于选型,应注意占地面积(电机的尺寸)和安装类型(电机在系统中的固定方式)。
    1. 电机的尺寸和强度特性的选择也取决于电机所处的工业环境
      • 有一种结构适合任何类型的特殊环境(爆炸性、潮湿、腐蚀性环境、高温…)。
      • 对于严苛的环境, 有强化的、密封的、抗冲击的或抗污的外壳的电机。
    1. 近年来,在选择电机时,能源效率已经成为一个重要的标准。
      • 一个使用较少能量的电动机将具有较低的能源影响, 从而降低能源成本
  • 如何在交流和直流电动机之间进行选择?

    这两种类型的发动机的构造是不同的。

    • 最根本的区别是电源 : 交流电(单相或三相)和直流电(DC/DC),例如用于电池。
    • 速度是差异化的另一个标志。 直流电机的速度是通过改变电机中的电压来控制的,而交流电机的速度是通过改变频率来控制的,最常见的是使用变频驱动器。

    1. 交流电机:

    交流电机是行业中最受欢迎的电机,因为有几个优点:

    • 交流电机的结构很简单
    • 由于启动时消耗较少,更经济。
    • 也更坚固,因此通常有更长的寿命。
    • 几乎不需要维护

    由于其操作涉及到转子旋转与电流频率的同步,交流电机的速度保持不变。 这使得它们特别适用于需要连续运动和很少换档的应用。 输送机和风扇是这种类型电机的理想应用。

    如果与变速箱一起使用,它们也可以被整合到不需要高精度的系统中。

    然而,速度控制功能使它们比其他发动机更昂贵。

    交流电机分为两个系列:单相三相电机。

    • 单相电机的区别是:
      • 电功率(单位:千瓦),决定扭矩
      • 极数,给出旋转的速度
      • 安装方法:法兰(B14,B5)或脚踏(B3)
      • 效率
      • 工业性质较弱,因为力量较弱
      • 有可能在国内电力网中使用
    • 三相电机的区别是:
      • 一种可以提供比单相电压电机高得多的电功率的结构
      • 在工业环境中的使用(约80%)
      • 用于用于高电功率的基础设施和设备。

    2. 直流电动机:

    直流电动机在工业应用中也被广泛使用,因为根据结构的不同,它们具有显著的优势(见无刷电机问题)。

    • 非常精确高速
    • 电机的速度可以通过改变电源电压来控制
    • 易于安装,包括在移动系统中(电池操作)
    • 启动扭矩很高
    • 启动、停止、加速或倒车都是快速进行的

    电机非常适用于要求高精度动态应用,特别是在速度方面,如升降机,或在位置方面,如机器人或其他设备。机床工具.
    它们对于需要高功率(如10,000千瓦)的应用也很有帮助。

    然而,与交流电机相比,有一些缺点,这取决于其结构:

    • 不太常见,因为它们不太适合于高功率应用
    • 有许多零件会磨损,更换起来很昂贵

    3. 如今市场的趋势是什么?

    • 有刷直流电动机正越来越多地被用于工业应用中。 对于低功率,则使用交流电机代替,因为在同等用途下需要很少的维护。
    • 由于直流电动机部件的更换成本太高,一些制造商选择了交流电动机,在其中集成了一个电气控制器。
      • 对于大多数需要速度变化的应用来说,交流电机和变频器的组合已经成为一种具有成本效益的解决方案。
  • 为什么选择无刷或有刷电机?

    BODINE直流有刷电机
    BODINE直流有刷电机

    最常见的两种类型的直流电动机是无刷和有刷电动机。

    1.有刷电机

    电刷电机是最简单和最经常使用的电机,特别是对于 基本的工业设备低预算的应用。

    • 有刷电机确实有一些优点:
    • 很容易控制
    • 低端扭矩非常好
    • 价格低廉

    根据应用的不同,存在四种类型的有刷电机。

    • 串联励磁电动机 
      • 在这种类型的电机中,定子与转子串联,通过改变电源电压来控制速度。
      • 然而,这种速度控制相当差:一旦发动机的扭矩增加,速度就会下降。
      • 这种类型的电机在需要高启动扭矩的应用中很有用,如汽车或起重机。
    • 并联励磁电机 
      • 在这种类型的电机中,定子与转子并联,随着电机电流的增加,可以获得更高的扭矩而不降低速度。
      • 这种类型的电机适用于具有恒定速度的应用,如吸尘器或输送机。
    • 复合励磁电机 :
      • 这种类型的电机结合了串联励磁和并联励磁电机的结构。
      • 因此,它提供了一个高启动扭矩和更高的速度变化。
      • 是旋转压力机、升降机、行李传送带、离心泵或压缩机的完美选择。
    • 永磁电机 :
      • 这种类型的电机包含一个永久磁铁,可以实现低扭矩。
      • 电机与需要精确控制的应用有关,如机器人或伺服系统。

    然而,所有有刷电机都有明显的缺点。

    • 电机的效率比无刷电机低(75-80%,而无刷电机为85-90%)。
    • 使用寿命很短,因为电刷由于经常摩擦,随着时间的推移磨损得更快(根据应用频率、功率、速度、振动等因素,服务时间在1000到10000小时之间)。
    • 电刷和换向器的电弧会产生电磁噪音,可能导致火灾。
    • 同样,由于摩擦产生火花的风险使其在爆炸性环境中的使用不可取。
    • 由于刷子的加热,速度通常受到限制。
    • 由石墨制成的刷子产生的灰尘可能会损坏其他设备,特别是光学设备。
    • 电机需要被润滑,这使得它们无法在吸尘器中使用。

    2. 无刷电机

    无刷电机克服了有刷电机的一些弱点,特别是有刷的存在。 但这类发动机也有其他优点:

    • 可以在更高的速度下运行(高达100,000rpm,而有刷电机为20,000rpm)。
    • 有更长的使用寿命(超过10,000小时的运行)。
    • 更加可靠和高效。
    • 除了轴承之外没有其他易损件,这就减少了维护。

    这类电机能够在非常高的速度下运行,使其特别适用于 研磨机、风扇或锯子

    无刷电机总是配备一个编码器,一个允许电子开关和确定转子位置的传感器。 因此,这类电机是以下情况的理想选择伺服电机用于精密应用。

    然而,也有一些缺点:

    • 最初的成本很高,因为需要集成一个专门的开关设备(控制器)。
    • 在驱动应用中通常还需要一个齿轮箱。

    这就意味着不需要无刷电机吗? 还是有机会使用

    人们会认为,在有刷电机与无刷电机的竞争中,电刷会败下阵来,别无选择。 事实并非如此,因为有刷电机在工业甚至太空中仍然很受欢迎。 Maxon, 瑞士电动马达制造商,不断开发新的有刷马达技术,正是他们的有刷马达装备了美国国家航空航天局2003年派往火星的漫游车。

    机遇号搭载了34台无刷直流电机,能够在温度变化较大的极端条件下成功运行。 NASA的选择很简单:从控制无刷电机的简单性中获益,因此有可能从一个控制器中控制所有34个电机 无刷电机将需要为每个电机配备一个控制器,有可能造成成本和复杂化。

  • 为什么选择步进电机?

    SANYO DENKI双相步进电机
    SANYO DENKI双相步进电机

    步进电机将电脉冲转换为角运动。 它对需要开环位置控制的应用很有用。

    有三种类型的步进电机:

    • 可变磁阻电机 可变磁阻电机:在相同的电气特性下,这种电机的功率较小,但比永磁电机快。
    • 永磁电机 :它是一种低成本的电机,具有很高的分辨率。
      平均(高达100步/圈)
    • 混合动力发动机  :该发动机结合了之前的两种技术,但价格更加
      昂贵。 其优点是扭矩更好,速度更高。 分辨率为100到400步/转。

    永磁电机和混合电机是最常用的电机,因为它们具有某些优势:

    • 非常精确
    • 价格低廉
    • 结实耐用
    • 电机的结构很简单
    • 启动时和低速时的扭矩都很高

    然而,它们并非没有缺点:

    • 速度和扭矩都比较低
    • 转矩随速度增加而急剧下降
    • 产生的振动会造成共振问题
    • 存在着过热的风险

    要选择步进电机,需要考虑 :

    • 扭矩和负载
    • 步进的数量
    • 电机的尺寸(重量、电机安装法兰盘等)
    • 成本
  • 电动机的能源效率标准是什么?

    制造商越来越多地关注能源效率.这样的问题。 一个更绿色、更环保的经济确实是许多国家承诺的21世纪缔约会的目标之一。 但主要是为了限制消耗和节约,近年来工业界一直在装备更多的节能设备。 根据欧盟委员会的一项研究,电机占欧洲工业能源消耗的65%。 因此,在发动机层面采取行动是减少二氧化碳排放的一个重要杠杆。 委员会甚至预测, 到2020年有可能将欧洲制造的发动机的能源效率提高20-30%。 结果是大气中的二氧化碳减少了6300万吨,节省了1350亿千瓦时。

    如果你也想整合节能电机,在节约资金的同时帮助地球,你应该先看看 所在国家或地理区域的电机 能效标准 。 然而,这些标准并不适用于所有的电机,只适用于 异步交流电机

    国际标准

    • 国际电工委员会(IEC)对投放市场的电动机的能源效率等级进行了定义,称为IE代码,并为国际标准IEC。
    • IEC已经确定了四个能效等级,定义了电机的能源性能。
      • IE1指的是标准级别的性能
      • IE2指的是高水平的性能
      • IE3相当于最高级别的性能
      • IE4仍在研究中,可以提供超级卓越的性能
    • IEC还推出了用于 测试电动机的IEC 60034-2-1:2014。 许多国家使用国家测试标准,同时也参考国际标准IEC 60034-2-1。

    欧洲

    欧盟已经通过了一些旨在减少发动机能耗的指令,包括制造商有义务向市场投放高能效的发动机:

    • 因此,自2011年起,所有的发动机都必须采用IE2级别。
    • 自2015年1月起,功率为7.5至375千瓦的电机必须达到IE3级(如果这些电机有变频器,则为IE2级)。
    • 自2017年1月起,功率为0.75至375千瓦的电机必须达到IE3级(如果这些电机有变频器,则为IE2级)。

    美国

    在美国,由美国协会NEMA(国家电气制造商协会)定义的标准是有效的。 自2007年起,要求的最低级别是IE2。
    同样的分类适用于澳大利亚新西兰

    亚洲

    中国, 自2002年以来,韩国MEPS(最低能效标准)适用于中小型三相异步电动机(GB 18693)。 2012年,MEPS标准与IEC标准进行了协调,从IE1到IE2,现在是IE3。

    日本 已将其国家法规与IEC效率等级相协调,并在2014年将IE2和IE3级别的电动机纳入其 “最佳运行者 “计划。 1998年推出的Top Runner计划,要求日本制造商必须始终向市场推出比前几代更节能的新车型,从而迫使人们效仿并进行能源创新。

    印度 从2009年开始有了一个比较效率标签,从2012年开始有了IE2级别的国家标准。

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