第七章機(jī)電傳動控制系統(tǒng)中電動機(jī)的選擇

機(jī)電傳動與控制第七章機(jī)電傳動控制系統(tǒng)

中電動機(jī)的選擇

本章學(xué)習(xí)要求了解電動機(jī)的發(fā)熱與冷卻規(guī)律；重點掌握電動機(jī)容量的選擇特別注意電動機(jī)運行時的允許溫度，過載能力和啟動能力；熟悉電動機(jī)種類、電壓、轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)形式的選擇原那么。本章重點掌握長期工作制，短期工作制、重復(fù)工作制三種運行方式下電動機(jī)容量的選擇。7.1電動機(jī)容量選擇的原那么正確選擇電動機(jī)容量是非常重要的，選擇電動機(jī)的容量時，一般應(yīng)考慮兩個方面的因素：即電動機(jī)的發(fā)熱情況和過載能力，對于鼠籠式異步電動機(jī)還要考慮其啟動能力1.發(fā)熱a：電動機(jī)運行中的最高工作溫度小于絕緣材料允許的最高溫度演變?yōu)?.在電機(jī)額定運行情況下：負(fù)載電流小于等于額定電流2.假設(shè)電機(jī)不調(diào)速，那么為負(fù)載功率小于等于負(fù)載功率b：電動機(jī)的發(fā)熱是有過程的，故其溫升不僅取決于負(fù)載的大小，而且也和負(fù)載的持續(xù)時間有關(guān)，即和電動機(jī)的運行方式有關(guān)2.從過載能力觀點選擇電動機(jī)容量電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩〔或者最大電流〕必須大于最大實際負(fù)載轉(zhuǎn)矩〔或者實際負(fù)載電流〕，即

對于異步電機(jī)而言：

對于直流電機(jī)而言：3.啟動能力由于鼠籠式異步電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩一般較小，為使其可靠啟動必須保證7.2電動機(jī)的發(fā)熱和冷卻1.電動機(jī)的熱源來自電機(jī)內(nèi)部，電流流過定子繞組時產(chǎn)生的銅損耗，在鐵芯內(nèi)當(dāng)磁通變化時所產(chǎn)生的鐵損耗，軸承摩擦所產(chǎn)生的機(jī)械損耗及附加損耗。電機(jī)產(chǎn)生的熱量，首先借傳導(dǎo)作用傳送到電機(jī)的外外表，然后借輻射和對流作用將熱量從電機(jī)外外表散發(fā)到周圍冷卻介質(zhì)中去。銅耗鐵耗機(jī)械損耗電動機(jī)溫度升高2.

電機(jī)溫度與周圍冷卻介質(zhì)溫度之差，稱為溫升，它是電機(jī)的一項重要性能指標(biāo)。規(guī)定表示電機(jī)發(fā)熱及散熱情況的是溫升,而不是溫度。電機(jī)溫升是衡量電機(jī)性能的一個重要指標(biāo)，它表征電機(jī)的內(nèi)部損耗，即表征電機(jī)發(fā)熱的物理量。電機(jī)內(nèi)部耐熱性最差的局部就是絕緣材料電機(jī)運行時，輸出功率越大，那么電流和損耗越大，溫度越就越高，但最高溫度不得超過絕緣的最高允許溫度。因此，電機(jī)容許的長期最大輸出功率〔即電機(jī)的容量或額定功率〕受絕緣的最高允許溫度限制，或者說容量由絕緣的最高允許溫度所決定。電機(jī)銘牌上所說明的額定功率就是指在標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境溫度〔我國規(guī)定為40℃〕和規(guī)定的工作方式下，其溫度不超過絕緣的最高允許溫度時的最大輸出功率。絕緣等級AEBFH溫度限值

105120130155180材料舉例浸漬處理過的有機(jī)材料：如紙、棉紗等聚脂薄膜、三醋酸纖維薄膜云母帶、云母紙云母、石棉、玻璃纖維，用合成樹脂做粘和濟(jì)云母、石棉、玻璃纖維等，以硅有機(jī)樹脂做粘和濟(jì)電機(jī)中常用絕緣材料的耐熱等級和溫度限值3.電機(jī)的發(fā)熱過程電機(jī)中的各種損耗產(chǎn)生的熱量，使電機(jī)的溫度升高。電機(jī)溫度升高以后，便借輻射和對流作用向周圍空氣散發(fā)熱量。當(dāng)所產(chǎn)生的熱量與所散熱的熱量相等時，電機(jī)溫度便不再上升而到達(dá)某一穩(wěn)定數(shù)值開始發(fā)熱時，電機(jī)所產(chǎn)生的熱量全部用于提高本身的溫度，所以溫度上升得很快。隨著電機(jī)溫度的升高，電機(jī)與周圍介質(zhì)之間的溫差逐漸增大，電機(jī)向外散發(fā)的熱量也逐漸增多，這樣，溫度的升高也就逐漸緩慢下來，形成以下圖所示的溫升曲線。

均質(zhì)等溫體的發(fā)熱曲線Th為發(fā)熱時間常數(shù)4.

電機(jī)的冷卻過程如果溫升到達(dá)穩(wěn)定值后，電機(jī)停止運行，電機(jī)內(nèi)部便不再產(chǎn)生熱量，此時，由于電機(jī)內(nèi)部熱量逐漸散發(fā)到周圍空氣中去，電機(jī)溫度開始下降。冷卻過程如下圖，也是一條指數(shù)曲線。均質(zhì)等溫體的冷卻曲線T’h散熱時間常數(shù)T’h5.電機(jī)的通風(fēng)冷卻方式電機(jī)的冷卻情況決定了電機(jī)的溫升，溫升又直接影響電機(jī)的使用壽命和額定容量，由此可見，冷卻問題對電機(jī)具有重要意義。中小型電機(jī)一般都利用空氣來進(jìn)行通風(fēng)冷卻。按其冷卻方式可分為自然冷卻、自通風(fēng)冷卻、強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻以及管道通風(fēng)冷卻等數(shù)種方式〔1〕自然冷卻這種電機(jī)僅靠外表的輻射和空氣自然流動獲得冷卻，不裝任何專門的冷卻裝置，僅適用于幾百瓦以下的小型電機(jī)〔2〕自通風(fēng)冷卻這種電機(jī)由本身所驅(qū)動的風(fēng)扇供給冷卻空氣，以冷卻發(fā)熱部件的外表和內(nèi)部?！?〕強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻這種電機(jī)的冷卻空氣是獨立驅(qū)動的風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)供給〔4〕管道通風(fēng)冷卻這種電機(jī)的冷卻空氣經(jīng)過管道引入或排除。電機(jī)中的溫度升高過程是極為復(fù)雜的，在電機(jī)中有繞組、鐵芯、軸承等好幾個不同的熱源，各熱源之間一定存在有熱交換，再加上每局部的散熱條件又不相同，因此要精確計算電機(jī)中的溫度分布情況是十分困難的。為了使問題簡化，只討論均質(zhì)等溫固體的發(fā)熱過程。即認(rèn)為物體外表各點的散熱條件完全一樣，體內(nèi)各點的溫度相同。書上電動機(jī)的溫升和溫降均把電動機(jī)等效成均質(zhì)等溫固體而得到的曲線。補(bǔ)充7.3不同工作制下電動機(jī)容量的選擇一、電動機(jī)的工作方式

1、連續(xù)〔長期〕工作制

其特點是：電機(jī)連續(xù)工作時間長，其工作時間tg>(3～4)Th，可達(dá)幾小時甚至幾十小時，因此電機(jī)溫升可到達(dá)穩(wěn)定值。屬于此類工作制的生產(chǎn)機(jī)械有水泵、通風(fēng)機(jī)、造紙機(jī)、機(jī)床主軸等。2、短時工作制

其特點是：電機(jī)工作時間短,tp

<(3～4)Th

，在工作時間內(nèi)溫度達(dá)不到穩(wěn)定值；停車時間

t0

很長，

t0

>(3～4)T’h，電機(jī)的溫度足以降到和周圍環(huán)境溫度一樣，即溫升足以降到零。屬于此類工作制的生產(chǎn)機(jī)械有機(jī)床的輔助運動，如水閘閘門的起閉機(jī)械等。電機(jī)在短時工作時，其容量往往只受過載能力和起動能力的限制，因此專門為短時工作制設(shè)計的電機(jī)，其過載能力和起動轉(zhuǎn)矩都較大。我國生產(chǎn)的短時工作制電機(jī)，其工作時間有15min、30min、60min、90min四種定額。3、重復(fù)短時工作制重復(fù)短時工作制又稱為斷續(xù)周期工作制。其特點是：工作和停止周期性地交替進(jìn)行，但工作時間停止時間都較短，tp<(3～4)Th，t0<(3～4)T’h，且規(guī)定工作周期tp+t0<10min。工作時溫升增加，但達(dá)不到穩(wěn)定值溫升值；停止時溫升下降，但降不到零。周期工作時，電機(jī)的發(fā)熱和冷卻過程是交錯進(jìn)行的，故它到達(dá)的溫升將比連續(xù)運行時低，不管是周期工作定額的電機(jī)還是短時定額的電機(jī)，都不可按其周期工作定額或短時工作定額作長期連續(xù)運行，否那么會使電機(jī)過熱而損壞。連續(xù)工作制下電動機(jī)容量的選擇1.帶恒定負(fù)載時電動機(jī)容量的選擇τ0PτstPLt只需按照負(fù)載功率選擇即可一般不必校驗啟動能力和負(fù)載能力恒定負(fù)載長期連續(xù)工作的負(fù)載圖及溫升曲線例：一臺低壓離心式水泵，它與電動機(jī)直接連接，流量Q=50立方米/h，總揚程H=15m，轉(zhuǎn)速n=1450r/min，水泵的效率η1=0.4，試選擇電動機(jī)。解：PL=〔Q×γ×H〕/〔102×η1×η2〕=5.1kW選擇:Y132S-4:5.5KW,1450r/min傳動裝置效率2.帶變動負(fù)載時電動機(jī)容量的選擇考慮到在過渡過程中電機(jī)的電流較正常工作時大，而可變損耗與電流平方成正比，故電機(jī)發(fā)熱較嚴(yán)重。變動負(fù)載長期連續(xù)工作的負(fù)載圖及溫升曲線ττP0tPL負(fù)載連續(xù)但是大小變化*一般采用“等值法〞來計算電功率*再校驗其過載能力和啟動能力設(shè)對應(yīng)工作時間t1,t2…..的負(fù)載電流i1,i2….那么總損耗：△P－－不隨負(fù)載變化的不變損耗（鐵耗和機(jī)械損耗）I2R－－與負(fù)載電流的平方成正比的可變損耗（銅耗）在等值的恒定負(fù)載下，同一工作時間下，電動機(jī)的損耗如二者相等，那么等值電流為對于直流電動機(jī)〔他勵或并勵〕或工作在同步轉(zhuǎn)速的異步電動機(jī)等值轉(zhuǎn)矩1.等效轉(zhuǎn)矩法選擇電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩TN使2.等效功率法選擇電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩PN使條件:較硬的機(jī)械特性,n變化很小,Pd與Td成正比。例：由一臺電動機(jī)直接拖動某生產(chǎn)機(jī)械，其轉(zhuǎn)矩變化負(fù)載圖如圖，試選擇電動機(jī)。生產(chǎn)機(jī)械要求的轉(zhuǎn)速n=1450r/min。解：1、計算等效轉(zhuǎn)矩2、計算等效功率3、選擇電動機(jī)4、驗算過載能力和啟動能力7.3.2短時工作制電動機(jī)容量的選擇工作特點：工作時溫度達(dá)不到穩(wěn)定值所以可以選擇專用短時工作制電動機(jī)連續(xù)工作制普通電動機(jī)1.選用短時工作制電動機(jī)

a：我國生產(chǎn)的短時工作制電機(jī)，其工作時間有15min、30min、60min、90min四種定額。b：銘牌上PN

與一定的標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)運行時間ts

對應(yīng)假設(shè)實際工作時間tp與ts不同，那么將tp下的功率PP折算到ts下的PS根據(jù)，再校驗過載能力和啟動能力

生產(chǎn)機(jī)械短時工作的實際功率2.選用連續(xù)工作制普通電動機(jī)普通電機(jī)的額定功率是按長期運行設(shè)計的，連續(xù)工作時其溫升可以到達(dá)穩(wěn)定值，但是短時工作制，輸出功率不變的情況下，電動機(jī)達(dá)不到允許溫升，可以過載運行過載系數(shù)與有關(guān)所以選短時實際工作時間電動機(jī)的發(fā)熱時間常數(shù)短時實際負(fù)載功率連續(xù)工作制電動機(jī)的額定功率K由圖查出工作時間tp<(3～4)Th，空載時間t0<(3～4)T’h通常用暫載率〔或持續(xù)率〕ε來表征重復(fù)短時工作制的工作情況，即7.3.3重復(fù)短時工作制電動機(jī)容量的選擇重復(fù)短時工作制的電動機(jī)的選擇有兩種方法：選用重復(fù)短時工作制的電動機(jī)我國生產(chǎn)的專供重復(fù)短時工作制的電動機(jī)，規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)暫載率εs為15％，25％，40％，60％四種，并以25％為額定負(fù)載暫載率εsN每一個電動機(jī)在不同的εs值下，都有不同的額定功率PsN

JZR-11-6型電動機(jī)εs15％25％40％60％PsN2.72.21.81.5可見，電動機(jī)的一周期內(nèi)工作時間越長，即εs越大，電動機(jī)所允許的輸出功率〔額定功率〕便越小。重復(fù)短時工作制的電動機(jī)容量選擇步驟：1〕根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載圖算出電機(jī)的實際暫載率，假設(shè)算出的ε值與電動機(jī)的額定負(fù)載暫載率εsN(25％)相等。那么可從產(chǎn)品目錄中查得額定功率PsN，所選的PsN應(yīng)等于或略大于生產(chǎn)機(jī)械所需的功率。2)假設(shè)：ε不等于εsN，那么可算出其等效負(fù)載功率選取PsN等于或大于Ps的電動機(jī)即可。

2.選用連續(xù)工作制的普通電動機(jī)此時可看成εs＝100％，再按照上述方法選擇電動機(jī)。等效負(fù)載功率：3.一般情況a負(fù)載暫載率ε<10%時，可按短時工作制選擇電動機(jī)，當(dāng)ε>70%時，可按連續(xù)工作制選擇電動機(jī)b重復(fù)周期很短〔tp＋t0<2min),啟動、制動或正反轉(zhuǎn)頻繁的情況下，必須考慮啟動電流的影響，因而電動機(jī)容量選大些。以上不同工作制的電動機(jī)容量選擇是基于一定的假設(shè)條件進(jìn)行的，計算方法近似，實際應(yīng)用中需要進(jìn)行修正。假設(shè)：電動機(jī)的負(fù)載圖和生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載圖近似相等。7.4電動機(jī)容量選擇的統(tǒng)計法和類比法對于短時工作制和重復(fù)短時工作制電動機(jī)容量的選擇比較復(fù)雜，對于長時工作制，其校驗也是比較復(fù)雜。但人們在工程實踐中，總結(jié)出了某些生產(chǎn)機(jī)械選擇電動機(jī)功率的實用方法。這些方法比較簡單，但有一定的局限性。1.統(tǒng)計分析法：這種方法是將同類型生產(chǎn)機(jī)械所選用的電動機(jī)功率進(jìn)行統(tǒng)計分析，找出電動機(jī)功率和該類生產(chǎn)機(jī)械主要參數(shù)之間的關(guān)系，再根據(jù)實際情況，定出相應(yīng)的指數(shù)。

1、車床：P=36.5D1.54(kW)

式中D——工件的最大直徑m2、立式車床：P=20D0.88(kW)

式中D——工件的最大直徑m3、搖臂鉆床P=0.0646D1.19(kW)

式中D——最大鉆孔直徑mm

4、外圓磨床：P=0.1KB(kW)

式中B——砂輪寬度mm

K——考慮砂輪主軸采用不同軸承時的系數(shù)，當(dāng)采用滾動軸承時K=0.8~1.1，假設(shè)采用滑動軸承時K=1.0~1.3。2.類比法：對經(jīng)過長期運行考驗的同類型生產(chǎn)機(jī)械的電動機(jī)容量進(jìn)行調(diào)查，并對其主要參數(shù)和工作條件進(jìn)行比照，從而確定新設(shè)計生產(chǎn)機(jī)械的所需電動機(jī)的容量。7.6電動機(jī)的種類、電壓、轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)型式的選擇7.6.1根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性來選擇電動機(jī)的類型對調(diào)速和啟動性能要求不高的生產(chǎn)機(jī)械優(yōu)先考慮一般鼠籠式異步電動機(jī)。假設(shè)要求啟動轉(zhuǎn)矩大，那么可選用高啟動轉(zhuǎn)矩的鼠籠式異步電動機(jī)。2.啟動、制動頻繁，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大的且有調(diào)速要求的考慮用線繞式異步電動機(jī)。對于周期波動負(fù)載，為了削平尖峰負(fù)載，一般都采用電動機(jī)帶飛輪工作，也可選用線繞式異步電動機(jī)。3.對于只需要幾種調(diào)速，而不要求無級調(diào)速的的負(fù)載，為了簡化變速機(jī)構(gòu)，可選用多速異步電動機(jī)。4.對于要求恒速運行的負(fù)載，且需要補(bǔ)償電網(wǎng)功率因數(shù)的場合，應(yīng)優(yōu)先考慮選用同步電動機(jī)。5.對于需要大的啟動轉(zhuǎn)矩，又要求恒功率調(diào)速的負(fù)載，選用直流串勵或復(fù)勵電動機(jī)。6.對于要求大范圍無級調(diào)速，且啟動、制動，正反轉(zhuǎn)頻繁的生產(chǎn)機(jī)械，選用帶調(diào)速裝置的直流電動機(jī)或鼠籠式異步電動機(jī)。7.6.2電動機(jī)電壓等級的選擇交流電動機(jī)額定電壓主要根據(jù)電動機(jī)運行場所供電電網(wǎng)的電壓等級而定。直流電動機(jī)一般由單獨電源供電，選擇電動機(jī)額定電壓時只考慮供電電源電壓配合恰當(dāng)即可。7.6.3電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇1、對于不需要調(diào)速的高轉(zhuǎn)速與中轉(zhuǎn)速的機(jī)械，一般選相應(yīng)額定轉(zhuǎn)速的異步電動機(jī)或同步電動機(jī)，直接與機(jī)械相連；2、對于不需要調(diào)速的低運轉(zhuǎn)的機(jī)械，一般是選用適當(dāng)轉(zhuǎn)速的電動機(jī)通過減速器機(jī)構(gòu)來傳動，但電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速也不易太高，否那么減速器機(jī)構(gòu)會很龐大；3、對于需要調(diào)速的機(jī)械，電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速應(yīng)與生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，采用直接傳動或減速機(jī)構(gòu)來傳動；4、對于經(jīng)常啟動、制動和反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，要著重考慮縮短過渡過程，減少啟制動時間，提高生產(chǎn)率，應(yīng)根據(jù)最小GD平方×n平方的數(shù)值來選擇電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。7.6.4電動機(jī)機(jī)構(gòu)形式的選擇1、開啟式：適合枯燥清潔環(huán)境2、防護(hù)式：適合比較枯燥、灰塵不多、無腐蝕性和爆炸性氣體的場合3、封閉式：適合于液體工作的生產(chǎn)機(jī)械4、防爆式：適合于有易燃、易爆場合。本章小結(jié)1、電機(jī)在運行時產(chǎn)生的各種損耗都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚闺姍C(jī)的熱量逐漸升高。電機(jī)的溫度高于周圍介質(zhì)的溫度時，就開始向周圍冷卻介質(zhì)散發(fā)熱量，最后，電機(jī)產(chǎn)生的熱量全部散發(fā)給周圍介質(zhì)，電機(jī)的溫度就不再升高，到達(dá)了熱穩(wěn)定狀態(tài)，這時的溫度稱為電機(jī)的穩(wěn)定溫度。電機(jī)的穩(wěn)定溫度與周圍介質(zhì)溫度之差稱為穩(wěn)定溫升。2、電機(jī)發(fā)熱和冷卻過程的溫升都是隨時間按指數(shù)函數(shù)增長和下降的。3.電機(jī)中耐熱性最差的局部是絕緣材料，因此電機(jī)的額定功率由絕緣材料的最高允許溫度〔也就是電機(jī)的最高允許溫度〕決定。電機(jī)的額定功率就是在標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境溫度〔40oC〕和規(guī)定的工作方式下，其溫度〔或溫升〕不超過絕緣的最高允許溫度〔或最高允許溫升〕時的最大輸出功率。4、按負(fù)載持續(xù)時間的不同，把電機(jī)分成為三種工作方式，連續(xù)時間工作制、短時時間工作制和重復(fù)短時工作制。作業(yè)7.1、7.4、7.8、7.12練習(xí)題：1、有一直流調(diào)速系統(tǒng)，其高速時的理想空載轉(zhuǎn)速n01=1480rpm，低速時的理想空載轉(zhuǎn)速n02=157rpm，額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降△nN=10rpm。試畫出該系統(tǒng)的靜特性〔即電動機(jī)的機(jī)