電動機選擇基礎PPT課件

1、電動機分類 按照電源類型分類直流電機交流電機 單相電機 三相電機第1頁/共27頁 按照結構和工作原理分直流電動機異步電動機 永磁式電動機 磁阻式電動機同步電動機 磁滯式電動機感應電動機 交流換向電動機有刷直流電動機無刷直流電動機第2頁/共27頁 按起動與運行方式分類 電容起動式單相異步電動機電容運轉式單相異步電動機 電容起動運式單相異步轉電動機分相式單相異步電動機 第3頁/共27頁 按用途分類 驅動用電動機 控制用電動機 電動工具用家電用通用小型設備步進電機伺服電機電機內部運動形式分類旋轉電機直線電機 以上是電動機的常見分類方式。我們常用的電動機是步進電機與伺服電機。后續(xù)的內容主要關注這兩種電

2、機，并簡要介紹普通交流電機和直線電機。第4頁/共27頁步進電機特點 步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的控制電機。它每接收一個電脈沖，轉子就轉過一定角度 ，稱為步距角。由于這種電機的轉動是斷續(xù)地一步步進行的，所以被稱為步進電動機。電機的旋轉角度與輸入脈沖數(shù)成正比例，因而電機轉速取決于輸入脈沖頻率。 在非超載的情況下，電機的停止位置只取決于信號的脈沖數(shù)，轉速只取決于信號的脈沖頻率，而不受負載變化的影響，因此控制位置、控制速度都很很簡單而且準確，并且步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差。因而通常被用作定位控制和定速控制。 步進電機有慣量低、定位精度高、無累

3、積誤差、控制簡單等特點。一般步進電機的精度為步距角的3-5%，且不累積。步進電機外表允許的最高溫度因電機采用的磁性材料不同而有差別，一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度也可以正常工作。 步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。步進電機不能超載運行，否則就會出現(xiàn)丟步堵轉過沖等異常。第5頁/共27頁步進電機選型參數(shù) 這是東方馬達東方馬達(Oriental Motor)的步進電機選型參數(shù)摘錄。從機械設計的角度來說，需要關注的是保持轉矩、轉子轉動慣量、基本步距角、最大同步轉矩曲線。至于電流、電源輸入等，用來選擇與其匹配的電源，

4、而與其匹配的驅動器，廠家的選型手冊上都會有指定。訂購時要注意馬達與驅動器是否各用一個訂購代碼，還是作為一個組合共用一個訂購代碼，也要注意是否需要單獨訂購數(shù)據(jù)線、連接器等附件。第6頁/共27頁步進電機選型參數(shù) 這是信濃馬達信濃馬達(Shinano Motor)的步進電機選型參數(shù)摘錄。同樣，從機械設計的角度來說，需要關注的是保持力矩、轉子慣量、步距角、轉矩曲線。第7頁/共27頁步進電機選型參數(shù)說明 步進電機選型要關注的是四個參數(shù)，即：保持力矩、轉子慣量、步距角、轉矩曲線。步進電機選型要關注的是四個參數(shù)，即：保持力矩、轉子慣量、步距角、轉矩曲線。 1.保持力矩，保持力矩，也叫保持轉矩，指通電狀態(tài)(額

5、定電流)下，電機停止時保有的最大保持力矩。一旦負載力矩超過此力矩，電機軸就可能被負載強行扭動。 2.轉子慣量，轉子慣量，也叫轉動慣量、電機慣量，指電機轉子相對于其旋轉中心的慣量。負載慣量與轉子慣量之比稱為慣量比。慣量比越小，系統(tǒng)響應速度越快、工作越穩(wěn)定。慣量比過大，響應速度變慢，甚至導致過沖現(xiàn)象。若無特別說明，步進電機慣量比不應超過10，最好在慣量比超過5就采用減速機構，以確保系統(tǒng)的整體運行性能。采用減速機構后的慣量比為原慣量比除以減速比的平方。 3.步距角，步距角，也叫基本步距角，電機本身的一個固定參數(shù)，與驅動器無關，也就是給一個標準脈沖，電機所轉過的角度。一般為1.8、 1.2 、 0.9

6、 、0.72 等。對電機絲杠組合來說，步距角就決定了最小單步運動距離，如步距角為1.8 ，絲杠螺距為10，則最小單步運動距離為(1.8*10)/360=0.05mm。因此，設計時需要根據(jù)系統(tǒng)的精度要求選擇適合的步距角。此外，步進電機驅動器上還采用了“細分”技術，通過精準地控制電流，將原來的一個脈沖細化為若干個小脈沖，從而減小系統(tǒng)的震動及提高系統(tǒng)精度。假如細分數(shù)為10，則前例最小單步運動距離就成為0.05/10=0.005mm，也就是提高了精度。但能否精準的控制電流以及細分的小脈沖電流能不能驅動馬達轉動，都直接影響細分后的馬達精度，因此細分技術能提高馬達精度，但并不能直接以細分數(shù)為倍數(shù)提高馬達精

7、度。 4.轉矩曲線。轉矩曲線。步進電機的保持轉矩隨速度變化而變化，不同的馬達其轉矩曲線也不一樣。設計時要根據(jù)工作速度從轉矩曲線中找到此速度下的保持轉矩，確保負載轉矩小于此保持轉矩，并預留一定的安全額度。第8頁/共27頁伺服電機特點 伺服電機，是一種補助馬達間接變速裝置，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)，將編碼器反饋回來的電壓信號轉化為轉矩和轉速，從而精確的控制負載的速度、位置。 伺服電機，可分直流伺服電機和交流伺服電機，直流伺服電機又分為有刷電機和無刷電機。有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)

8、和民用場合。無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定。控制復雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應用。 伺服電機具有恒力矩特性，只要速度小于額定速度，其輸出轉矩都保持為額定轉矩值，當速度大于額定速度時，輸出轉矩隨速度增大而降低。 伺服電機允許瞬時超載，通常發(fā)生在啟動時，瞬時超

9、載的最大轉矩，一般為額定轉矩的3倍。 伺服電機調速性能好。從0到額定轉速下速度可調，并且調速準確。 低慣量電機可以有比較高的速度，大慣量電機一般速度比較低。伺服電機的慣性比最好在3以下，以確保系統(tǒng)反應的快速、精準。 當負荷較大、起停頻繁時要加剎車電阻，必要時選擇帶剎車的伺服電機。第9頁/共27頁伺服電機選型參數(shù) 這是松下電機(Panasonic)的伺服馬達選型資料摘錄。需要關注的是額定功率、額定轉矩、額定轉速、轉子慣量、慣量比、轉矩曲線。第10頁/共27頁伺服電機選型參數(shù) 這是三菱電機(Mitsubishi electric)的伺服馬達選型資料摘錄。第11頁/共27頁伺服電機選型參數(shù)說明 步進

10、電機選型要關注的是五個參數(shù)，即：額定功率、額定轉矩、額定轉速、轉子慣量、步進電機選型要關注的是五個參數(shù)，即：額定功率、額定轉矩、額定轉速、轉子慣量、(慣量比慣量比)、轉矩曲線。、轉矩曲線。 1.額定功率，額定功率，即是額定條件（額定電壓和額定電流）下電機的功率。由于負載的不同，電機的實際電流是變化的，故實際功率也隨負載變化，若實際電流長時間超過額定電流，電機將發(fā)熱燒毀。 2.額定轉矩，額定轉矩，即是額定條件下電機輸出軸上的電磁轉矩。伺服電機具有恒轉矩特性，在速度不超過額定速度的情況下，其輸出轉矩等于額定轉矩。負載轉矩只要不超過額定轉矩，便能保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。伺服電機允許短時超載，其允許的瞬時最大

11、轉矩一般約為額定轉矩的3倍。但不應讓電機一直在超載狀態(tài)下運行。 3.額定轉速，額定轉速，即是額定條件下的電機轉速，也是電機能長時間正常運行的最高速度。伺服電機一般允許短時超速，但是超速運行時，電機輸出轉矩不再是恒轉矩，而是隨速度增加而變小（保持功率恒定），并且不可以長時間超速運行。 4.轉子慣量與慣量比，轉子慣量與慣量比，轉子慣量是電機轉子相對于其旋轉中心的慣量。負載慣量與轉子慣量之比稱為慣量比。伺服電機通常有一個推薦的最大慣量比，這個值僅僅保證系統(tǒng)能工作，要想系統(tǒng)有良好的穩(wěn)定性及響應速度，慣量比一般不要超過10，追求高響應速度的系統(tǒng)，慣量比盡可能不要超過3，否則要采用減速機構來降低慣量比。

12、5.轉矩曲線。轉矩曲線。伺服電機的轉矩曲線比步進電機的轉矩曲線顯得簡單，一般有連續(xù)運轉曲線和短時運轉曲線兩條曲線，設計時要使用連續(xù)運轉曲線，確保實際速度小于額定速度，負載轉矩小于額定轉矩并預留一定的安全額度，也就是使用連續(xù)運轉曲線的直線段下方區(qū)域。第12頁/共27頁步進電機與伺服電機的差異 步進電機與伺服電機都大量運用于自動控制系統(tǒng)中。何時用步機，何時用伺服？這要先了解步進電機與伺服電機的差異。 1.控制方式不同。控制方式不同。步進電機是開環(huán)控制，按照脈沖指令運行，不檢查指令的執(zhí)行結果，也就不能發(fā)現(xiàn)丟步等異常。伺服電機是閉環(huán)控制，按照脈沖指令運行的同時還根據(jù)編碼器反饋信號校正指令，若出現(xiàn)運行異

13、常(如丟步)能及時發(fā)現(xiàn)并處理。使用步機電機的系統(tǒng)為了提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也可配合編碼器來構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 2.控制精度不同?？刂凭炔煌２竭M電機精度首先取決于步距角，其次是驅動器的細分技術。但一般來說，就算配上細分技術，步進電機的精度也不及伺服電機。伺服電機的精度取決于編碼器，17位的編碼器，單脈沖轉動量為360/131072=0.0027466，是1.8步距角步進電機單脈沖轉動量1.8的1/655。 3.低速特性不同。低速特性不同。步進電機在低速運行時會在某個特定的速段出現(xiàn)低頻共振，需要使用阻尼器或細分技術來減弱或消除。伺服電機運轉很平穩(wěn)，沒有低頻共振現(xiàn)象。 4.轉矩特性不同。轉矩特性不同

14、。步進電機的轉矩曲線是一條復雜的不規(guī)則曲線，只有速度低于某個值時才能保持轉矩的大致平穩(wěn)，一旦超過此值，轉矩就大幅下降。伺服電機的轉矩曲線在轉速小于額定轉速時都是一條直線，大于額定轉速后保持恒功率隨轉速提升而降低。 5.過載能力不同。過載能力不同。步進電機一般不具備過載能邊，基本上只要超載就會出現(xiàn)異常。伺服電機允許瞬時超載。因此，步進電機的轉矩安全余量要比伺服電機的大得多。 6.響應速度不同。響應速度不同。從靜止狀態(tài)加速到正常運行速度，步進電機約需要數(shù)百毫秒，而伺服電機可以做到幾毫秒。 7.運行性能不同。運行性能不同。步進電機容易出現(xiàn)丟步、堵轉、過沖現(xiàn)象，且無法獲知異常，需要更準確的處理加減速問

15、題。伺服電機自動處理編碼器信號，基本不會出現(xiàn)這些異常。第13頁/共27頁步進與伺服電機選型計算 步進電機與伺服電機的計算大致相同?？梢杂猛粋€計算模型。電機選型計算的數(shù)學模型很多，有各種Excel計算版本，較大的電機供應商也有開發(fā)自動選型計算軟件。各種不同的計算模型其原理基本一致，只是表達方式不同。本講使用一種比較簡單的模型。電機選型計算步驟大致如下： 1.計算電機轉速。計算電機轉速。首先根據(jù)工作條件計算出正常工作時電機的轉速。轉速計算有根據(jù)步距角-分辨率-脈沖數(shù)進行詳細計算的方法，也可根據(jù)宏觀移動量與移動時間計算，二者計算結果略有差別，但差異不會太大。若有減速機構，折算到電機輸出軸的速度才是

16、電機轉速，而折算到減速機構輸出軸的速度將用于計算啟動轉矩。 2.計算負載轉動慣量計算負載轉動慣量。被電機驅動的所有零件構成一個系統(tǒng)，需要計算出此系統(tǒng)的轉動慣量，有減速機構，就折算到減速機構的輸出軸上，沒有的話，就折算到電機的輸出軸上。 3.計算轉矩。計算轉矩。轉矩包括兩部份內容，一是負載受力及自重、摩擦力等導致的轉矩，這部份稱為負載轉矩，二是轉動慣量導致的轉矩，這部份稱為啟動轉矩，也叫加速轉矩。 4.復核轉矩。復核轉矩。根據(jù)計算結果和電機的轉矩曲線，確認電機是否超載及轉矩安全余量是否足夠。步進電機的安全余量取大一些，伺服電機的余量可取少一點。 5.復核慣量比。復核慣量比。計算出慣量比，根據(jù)系統(tǒng)

17、要求及電機特性，確認慣量比是否合理，是否需要采用減速機構或調整減速比。若減速比變化，則需要再次確認電機轉速是否滿足要求，同時啟動轉矩也將發(fā)生變化，需要重新復核轉矩。 6.復核功率。復核功率。對于伺服電機，以上工作完成后，還應復核負載功率是否超過電機額定功率，避免超載運行。一般來說，轉矩與慣量比符合要求后，功率一般也不會超。第14頁/共27頁轉動慣量計算(1)第15頁/共27頁轉動慣量計算(2)2.旋轉運動轉動慣量的計算。旋轉運動轉動慣量的計算。 旋轉運動轉動慣量的計算，如采用公式計算，需要按不同的負載形狀采用不同的公式，計算起來很復雜。因此，本講采用Proe軟件計算的方法。1.打開運動系統(tǒng)的模

18、型.2.選取所有負載零件，創(chuàng)建一個簡化表示.3.在簡化表示名字上點右鍵，選取“Copy as exteral”，在新窗口里打開所創(chuàng)建的簡化表示.4.在這個新窗口里，在電機軸所在位置創(chuàng)建一個坐標系.5.相對于所創(chuàng)建的坐標系進行質量分析，得到轉動慣量矩陣，與電機軸重合的那個軸的值，就是總轉動慣量J.注意單位！第16頁/共27頁轉矩計算(1)第17頁/共27頁轉矩計算(2)第18頁/共27頁選型復核第19頁/共27頁 在控制系統(tǒng)中，為了精準的控制速度、定位，獲得高速響應及優(yōu)良的系統(tǒng)整體性能，一般都使用步進電機或伺服電機。當僅僅作為動力使用時，則應使用普通交流電機，以降低系統(tǒng)成本及維護難度。 普能交流

19、電機有單相、三相、同步、異步等不同的分類方式。不同的結構帶來不同的電機特性，不同的電機特性適用于不同的應用環(huán)境。通常應先根據(jù)應用環(huán)境，采用類比法選擇電機類型，再根據(jù)動力及速度要求，選取具體的電機型號，如果需要的話，還要選擇與其匹配的變頻器。 不要求調速和啟動性能要求不高的場合，如各種機床、水泵、通風機等生產(chǎn)機械上應優(yōu)先選用三相籠型異步電動機。 要求大啟動轉矩的生產(chǎn)機械，如紡織機械、空氣壓縮機、皮帶傳送機等，可選用具有高啟動轉矩的三相籠型異步電動機，如斜槽式、深槽式或雙籠式異步電動機等。 需要有級調速的生產(chǎn)機械，如某些機床和電梯等，可選用多速籠型異步電動機。 啟動、制動比較頻繁，啟動、制動轉矩較

20、大，而且有一定調速要求的生產(chǎn)機械上，如橋式起重機、礦井提升機等，可以優(yōu)先選用三相繞線轉子異步電動機。 要求大功率、恒轉速和改善功率因數(shù)的場合，如大功率水泵、壓縮機、通風機等生產(chǎn)機械上應選用三相同步電動機。 若沒有特別的要求，則優(yōu)先選用結構簡單、價格便宜、運行可靠、維修方便的電動機。在這方面，交流電動機優(yōu)于直流電動機，籠型電動機優(yōu)于繞線轉子電動機，異步電動機優(yōu)于同步電動機。 普通交流電機特點與選型第20頁/共27頁普通交流電機選型參數(shù) 這是臺州豪力電機(HaoLe)的微型馬達選型資料摘錄。需要關注的是功率、額定轉矩、額定轉速、電壓這四項內容，前三項要計算匹配。第21頁/共27頁普通交流電機選型計

21、算第22頁/共27頁 也稱線性電機，線性馬達，直線馬達，推桿馬達。直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開，并展成平面而成。 由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側稱為次級。在實際應用時，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內初級與次級之間的耦合保持不變。 與旋轉電機相比，主要有如下幾個特點： 一是結構簡單。由于直線電機不需要把旋轉運動變成直線運動的附加裝置，可直接將負載零件作為初級或次級，因而使得系統(tǒng)本身的結構大為簡化，重量和體積大大地下降。 二是定位精度高。在需要直線運動的地方，直線電機可以實現(xiàn)直接傳動，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來的各種定位誤差，故定位精度高，如采用微機控制，