如何选择合适的电动机

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. 有三个主要系列的电动机可供选择：
   • 交流异步电机（单相或三相）。
   • 同步电机 ：直流（DC）电机，无刷电机。
   • 步进式电机

2. 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。

3. 根据所需的运动，你还需要确定电机的技术规格和尺寸。
   • 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）。

4. 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。

5. 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。

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。 泵、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：单相和三相电机。

• 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的动态应用，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。

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 基本的工业设备和低预算的应用。

• 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。

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

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%。 其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和新西兰。

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。