第七章机电传动控制系统中电动机的选择

机电传动与控制第七章机电传动控制系统

中电动机的选择

本章学习要求了解电动机的发热与冷却规律；重点掌握电动机容量的选择特别注意电动机运行时的允许温度，过载能力和启动能力；熟悉电动机种类、电压、转速和结构形式的选择原那么。本章重点掌握长期工作制，短期工作制、重复工作制三种运行方式下电动机容量的选择。7.1电动机容量选择的原那么正确选择电动机容量是非常重要的，选择电动机的容量时，一般应考虑两个方面的因素：即电动机的发热情况和过载能力，对于鼠笼式异步电动机还要考虑其启动能力1.发热a：电动机运行中的最高工作温度小于绝缘材料允许的最高温度演变为1.在电机额定运行情况下：负载电流小于等于额定电流2.假设电机不调速，那么为负载功率小于等于负载功率b：电动机的发热是有过程的，故其温升不仅取决于负载的大小，而且也和负载的持续时间有关，即和电动机的运行方式有关2.从过载能力观点选择电动机容量电动机的最大转矩〔或者最大电流〕必须大于最大实际负载转矩〔或者实际负载电流〕，即

对于异步电机而言：

对于直流电机而言：3.启动能力由于鼠笼式异步电动机的启动转矩一般较小，为使其可靠启动必须保证7.2电动机的发热和冷却1.电动机的热源来自电机内部，电流流过定子绕组时产生的铜损耗，在铁芯内当磁通变化时所产生的铁损耗，轴承摩擦所产生的机械损耗及附加损耗。电机产生的热量，首先借传导作用传送到电机的外外表，然后借辐射和对流作用将热量从电机外外表散发到周围冷却介质中去。铜耗铁耗机械损耗电动机温度升高2.

电机温度与周围冷却介质温度之差，称为温升，它是电机的一项重要性能指标。规定表示电机发热及散热情况的是温升,而不是温度。电机温升是衡量电机性能的一个重要指标，它表征电机的内部损耗，即表征电机发热的物理量。电机内部耐热性最差的局部就是绝缘材料电机运行时，输出功率越大，那么电流和损耗越大，温度越就越高，但最高温度不得超过绝缘的最高允许温度。因此，电机容许的长期最大输出功率〔即电机的容量或额定功率〕受绝缘的最高允许温度限制，或者说容量由绝缘的最高允许温度所决定。电机铭牌上所说明的额定功率就是指在标准的环境温度〔我国规定为40℃〕和规定的工作方式下，其温度不超过绝缘的最高允许温度时的最大输出功率。绝缘等级AEBFH温度限值

105120130155180材料举例浸渍处理过的有机材料：如纸、棉纱等聚脂薄膜、三醋酸纤维薄膜云母带、云母纸云母、石棉、玻璃纤维，用合成树脂做粘和济云母、石棉、玻璃纤维等，以硅有机树脂做粘和济电机中常用绝缘材料的耐热等级和温度限值3.电机的发热过程电机中的各种损耗产生的热量，使电机的温度升高。电机温度升高以后，便借辐射和对流作用向周围空气散发热量。当所产生的热量与所散热的热量相等时，电机温度便不再上升而到达某一稳定数值开始发热时，电机所产生的热量全部用于提高本身的温度，所以温度上升得很快。随着电机温度的升高，电机与周围介质之间的温差逐渐增大，电机向外散发的热量也逐渐增多，这样，温度的升高也就逐渐缓慢下来，形成以下图所示的温升曲线。

均质等温体的发热曲线Th为发热时间常数4.

电机的冷却过程如果温升到达稳定值后，电机停止运行，电机内部便不再产生热量，此时，由于电机内部热量逐渐散发到周围空气中去，电机温度开始下降。冷却过程如下图，也是一条指数曲线。均质等温体的冷却曲线T’h散热时间常数T’h5.电机的通风冷却方式电机的冷却情况决定了电机的温升，温升又直接影响电机的使用寿命和额定容量，由此可见，冷却问题对电机具有重要意义。中小型电机一般都利用空气来进行通风冷却。按其冷却方式可分为自然冷却、自通风冷却、强迫通风冷却以及管道通风冷却等数种方式〔1〕自然冷却这种电机仅靠外表的辐射和空气自然流动获得冷却，不装任何专门的冷却装置，仅适用于几百瓦以下的小型电机〔2〕自通风冷却这种电机由本身所驱动的风扇供给冷却空气，以冷却发热部件的外表和内部。〔3〕强迫通风冷却这种电机的冷却空气是独立驱动的风扇和鼓风机供给〔4〕管道通风冷却这种电机的冷却空气经过管道引入或排除。电机中的温度升高过程是极为复杂的，在电机中有绕组、铁芯、轴承等好几个不同的热源，各热源之间一定存在有热交换，再加上每局部的散热条件又不相同，因此要精确计算电机中的温度分布情况是十分困难的。为了使问题简化，只讨论均质等温固体的发热过程。即认为物体外表各点的散热条件完全一样，体内各点的温度相同。书上电动机的温升和温降均把电动机等效成均质等温固体而得到的曲线。补充7.3不同工作制下电动机容量的选择一、电动机的工作方式

1、连续〔长期〕工作制

其特点是：电机连续工作时间长，其工作时间tg>(3～4)Th，可达几小时甚至几十小时，因此电机温升可到达稳定值。属于此类工作制的生产机械有水泵、通风机、造纸机、机床主轴等。2、短时工作制

其特点是：电机工作时间短,tp

<(3～4)Th

，在工作时间内温度达不到稳定值；停车时间

t0

很长，

t0

>(3～4)T’h，电机的温度足以降到和周围环境温度一样，即温升足以降到零。属于此类工作制的生产机械有机床的辅助运动，如水闸闸门的起闭机械等。电机在短时工作时，其容量往往只受过载能力和起动能力的限制，因此专门为短时工作制设计的电机，其过载能力和起动转矩都较大。我国生产的短时工作制电机，其工作时间有15min、30min、60min、90min四种定额。3、重复短时工作制重复短时工作制又称为断续周期工作制。其特点是：工作和停止周期性地交替进行，但工作时间停止时间都较短，tp<(3～4)Th，t0<(3～4)T’h，且规定工作周期tp+t0<10min。工作时温升增加，但达不到稳定值温升值；停止时温升下降，但降不到零。周期工作时，电机的发热和冷却过程是交错进行的，故它到达的温升将比连续运行时低，不管是周期工作定额的电机还是短时定额的电机，都不可按其周期工作定额或短时工作定额作长期连续运行，否那么会使电机过热而损坏。连续工作制下电动机容量的选择1.带恒定负载时电动机容量的选择τ0PτstPLt只需按照负载功率选择即可一般不必校验启动能力和负载能力恒定负载长期连续工作的负载图及温升曲线例：一台低压离心式水泵，它与电动机直接连接，流量Q=50立方米/h，总扬程H=15m，转速n=1450r/min，水泵的效率η1=0.4，试选择电动机。解：PL=〔Q×γ×H〕/〔102×η1×η2〕=5.1kW选择:Y132S-4:5.5KW,1450r/min传动装置效率2.带变动负载时电动机容量的选择考虑到在过渡过程中电机的电流较正常工作时大，而可变损耗与电流平方成正比，故电机发热较严重。变动负载长期连续工作的负载图及温升曲线ττP0tPL负载连续但是大小变化*一般采用“等值法〞来计算电功率*再校验其过载能力和启动能力设对应工作时间t1,t2…..的负载电流i1,i2….那么总损耗：△P－－不随负载变化的不变损耗（铁耗和机械损耗）I2R－－与负载电流的平方成正比的可变损耗（铜耗）在等值的恒定负载下，同一工作时间下，电动机的损耗如二者相等，那么等值电流为对于直流电动机〔他励或并励〕或工作在同步转速的异步电动机等值转矩1.等效转矩法选择电动机的额定转矩TN使2.等效功率法选择电动机的额定转矩PN使条件:较硬的机械特性,n变化很小,Pd与Td成正比。例：由一台电动机直接拖动某生产机械，其转矩变化负载图如图，试选择电动机。生产机械要求的转速n=1450r/min。解：1、计算等效转矩2、计算等效功率3、选择电动机4、验算过载能力和启动能力7.3.2短时工作制电动机容量的选择工作特点：工作时温度达不到稳定值所以可以选择专用短时工作制电动机连续工作制普通电动机1.选用短时工作制电动机

a：我国生产的短时工作制电机，其工作时间有15min、30min、60min、90min四种定额。b：铭牌上PN

与一定的标准持续运行时间ts

对应假设实际工作时间tp与ts不同，那么将tp下的功率PP折算到ts下的PS根据，再校验过载能力和启动能力

生产机械短时工作的实际功率2.选用连续工作制普通电动机普通电机的额定功率是按长期运行设计的，连续工作时其温升可以到达稳定值，但是短时工作制，输出功率不变的情况下，电动机达不到允许温升，可以过载运行过载系数与有关所以选短时实际工作时间电动机的发热时间常数短时实际负载功率连续工作制电动机的额定功率K由图查出工作时间tp<(3～4)Th，空载时间t0<(3～4)T’h通常用暂载率〔或持续率〕ε来表征重复短时工作制的工作情况，即7.3.3重复短时工作制电动机容量的选择重复短时工作制的电动机的选择有两种方法：选用重复短时工作制的电动机我国生产的专供重复短时工作制的电动机，规定的标准暂载率εs为15％，25％，40％，60％四种，并以25％为额定负载暂载率εsN每一个电动机在不同的εs值下，都有不同的额定功率PsN

JZR-11-6型电动机εs15％25％40％60％PsN2.72.21.81.5可见，电动机的一周期内工作时间越长，即εs越大，电动机所允许的输出功率〔额定功率〕便越小。重复短时工作制的电动机容量选择步骤：1〕根据生产机械的负载图算出电机的实际暂载率，假设算出的ε值与电动机的额定负载暂载率εsN(25％)相等。那么可从产品目录中查得额定功率PsN，所选的PsN应等于或略大于生产机械所需的功率。2)假设：ε不等于εsN，那么可算出其等效负载功率选取PsN等于或大于Ps的电动机即可。

2.选用连续工作制的普通电动机此时可看成εs＝100％，再按照上述方法选择电动机。等效负载功率：3.一般情况a负载暂载率ε<10%时，可按短时工作制选择电动机，当ε>70%时，可按连续工作制选择电动机b重复周期很短〔tp＋t0<2min),启动、制动或正反转频繁的情况下，必须考虑启动电流的影响，因而电动机容量选大些。以上不同工作制的电动机容量选择是基于一定的假设条件进行的，计算方法近似，实际应用中需要进行修正。假设：电动机的负载图和生产机械的负载图近似相等。7.4电动机容量选择的统计法和类比法对于短时工作制和重复短时工作制电动机容量的选择比较复杂，对于长时工作制，其校验也是比较复杂。但人们在工程实践中，总结出了某些生产机械选择电动机功率的实用方法。这些方法比较简单，但有一定的局限性。1.统计分析法：这种方法是将同类型生产机械所选用的电动机功率进行统计分析，找出电动机功率和该类生产机械主要参数之间的关系，再根据实际情况，定出相应的指数。

1、车床：P=36.5D1.54(kW)

式中D——工件的最大直径m2、立式车床：P=20D0.88(kW)

式中D——工件的最大直径m3、摇臂钻床P=0.0646D1.19(kW)

式中D——最大钻孔直径mm

4、外圆磨床：P=0.1KB(kW)

式中B——砂轮宽度mm

K——考虑砂轮主轴采用不同轴承时的系数，当采用滚动轴承时K=0.8~1.1，假设采用滑动轴承时K=1.0~1.3。2.类比法：对经过长期运行考验的同类型生产机械的电动机容量进行调查，并对其主要参数和工作条件进行比照，从而确定新设计生产机械的所需电动机的容量。7.6电动机的种类、电压、转速和结构型式的选择7.6.1根据生产机械的负载特性来选择电动机的类型对调速和启动性能要求不高的生产机械优先考虑一般鼠笼式异步电动机。假设要求启动转矩大，那么可选用高启动转矩的鼠笼式异步电动机。2.启动、制动频繁，且负载转矩较大的且有调速要求的考虑用线绕式异步电动机。对于周期波动负载，为了削平尖峰负载，一般都采用电动机带飞轮工作，也可选用线绕式异步电动机。3.对于只需要几种调速，而不要求无级调速的的负载，为了简化变速机构，可选用多速异步电动机。4.对于要求恒速运行的负载，且需要补偿电网功率因数的场合，应优先考虑选用同步电动机。5.对于需要大的启动转矩，又要求恒功率调速的负载，选用直流串励或复励电动机。6.对于要求大范围无级调速，且启动、制动，正反转频繁的生产机械，选用带调速装置的直流电动机或鼠笼式异步电动机。7.6.2电动机电压等级的选择交流电动机额定电压主要根据电动机运行场所供电电网的电压等级而定。直流电动机一般由单独电源供电，选择电动机额定电压时只考虑供电电源电压配合恰当即可。7.6.3电动机额定转速的选择1、对于不需要调速的高转速与中转速的机械，一般选相应额定转速的异步电动机或同步电动机，直接与机械相连；2、对于不需要调速的低运转的机械，一般是选用适当转速的电动机通过减速器机构来传动，但电动机的额定转速也不易太高，否那么减速器机构会很庞大；3、对于需要调速的机械，电动机的最高转速应与生产机械的最高转速相适应，采用直接传动或减速机构来传动；4、对于经常启动、制动和反转的生产机械，要着重考虑缩短过渡过程，减少启制动时间，提高生产率，应根据最小GD平方×n平方的数值来选择电动机的额定转速。7.6.4电动机机构形式的选择1、开启式：适合枯燥清洁环境2、防护式：适合比较枯燥、灰尘不多、无腐蚀性和爆炸性气体的场合3、封闭式：适合于液体工作的生产机械4、防爆式：适合于有易燃、易爆场合。本章小结1、电机在运行时产生的各种损耗都转变为热量，使电机的热量逐渐升高。电机的温度高于周围介质的温度时，就开始向周围冷却介质散发热量，最后，电机产生的热量全部散发给周围介质，电机的温度就不再升高，到达了热稳定状态，这时的温度称为电机的稳定温度。电机的稳定温度与周围介质温度之差称为稳定温升。2、电机发热和冷却过程的温升都是随时间按指数函数增长和下降的。3.电机中耐热性最差的局部是绝缘材料，因此电机的额定功率由绝缘材料的最高允许温度〔也就是电机的最高允许温度〕决定。电机的额定功率就是在标准的环境温度〔40oC〕和规定的工作方式下，其温度〔或温升〕不超过绝缘的最高允许温度〔或最高允许温升〕时的最大输出功率。4、按负载持续时间的不同，把电机分成为三种工作方式，连续时间工作制、短时时间工作制和重复短时工作制。作业7.1、7.4、7.8、7.12练习题：1、有一直流调速系统，其高速时的理想空载转速n01=1480rpm，低速时的理想空载转速n02=157rpm，额定负载时的转速降△nN=10rpm。试画出该系统的静特性〔即电动机的机