机械设计中的电动机选择方法

2．1选择电动机的原则

本设计选用交流电动机。

电动机的选择是异步电动机节能运行的第一步。只有选好电动机，再加上采取一定的节能措施才能达到节能的目的。其基本原则是:

（1）根据生产机械的负载性质和生产工艺及各种不同的用途，对电动机的起动、制动、正反转、调速的要求，选择适合负载特性的电动机。

（2）选则具有与使用场所的环境相适应的，如温度、湿度、灰尘、淋水及易燃易爆等确定防护及冷却方式的电动机。其外壳防护和冷却方式选择方法见有关资料.

（3）根据负载转矩、转速变化和启动频繁程度等要求，计算和确定合适的电动机容量。通常电动机在75%—100%额定负载率时效率最高。但应考虑其温升限度和过载能力和启动转矩，一般应留有一定的余量，选择其负载率在80%—90%为最好。

（4）根据电源情况，对电动机功率因数等性能的影响，选择电动机的额定电压和类型。

（5）根据生产机械所要求的转速 ，以及传动设备系统的复杂程度，选择电动机的转速。

（6）选择可靠性高、便于维修，并应考虑互换性，所以尽量选用标准电动机。

2．2电动机效率的选择

电动机的效率指电动机输出功率与输入功率的比值称为电动机的效率，即

                                                                 2．1



式中     ——电动机的效率；

         ——输入功率kW；

         ——输出功率kW。

    电动机的效率是节能的重要指标。效率高说明电动机的损耗小，节能好。但过高的效率要求将使电动机的成本增加。一般异步电动机在额定负载时的效率通常在73%~94%之间，电动机的功率越大，效率越高。为了确保电动机节能，力求提高电动机的运行效率或系统效率，GB12497—1990三相异步电动机经济运行对电动机效率的选择作了如下规定：

（1）应给出电动机负载率100%，75%，和50%时对应的效率，供用户选择。

（2）选择或更换电动机时，应考虑电动机额定效率随额定功率，额定转速增加而增加。

（3）N，NY，比HY设计代号电动机的效率高，能用N ，NY设计代号的电动机的场合不选用H，HY设计代号的电动机。

（4）对频繁起动，断续运行和反复冲击负载的场合，应选用H，HY设计代号的电动机，以提高系统效率。



2．3电动机类型的选择原则

2．3．1三相异步电动机选择的规定

电动机合理选择，是确保电动机经济运行的先决条件。GB 12497—1990的有关规定，具体选择规定见2，4。

2．3．2电动机类型选择的原则

在选择电动机的种类时，必须从技术和经济两个方面考虑，必须满足生产机械对拖动系统的静态和动态特性。在这个基础上应优先选用结构简单，价格便宜，运行可靠，维修方便的电动机。为此，GB 12497—1990中5.1款规定了电动机类型的选择原则，具体见2.4。



2．4电动机功率的选择

    正确选择电动机额定功率对提高电力拖动的经济运行水平，减少能耗，增加经济效益具有重要意义。

    功率选择不可过大，也不可过小。如功率选的过大，不能充分利用和发动电动机的效用，不但增加了设备的投资和运行费用，能耗增加，功率因数变坏，造成很大的浪费。

    如果选择的功率较小，会使电动机超负载工作，长期运行会使电动机过度发热，缩短电动机的寿命，甚至将其烧毁。同时也不能保证生产机械的正常运行。

2．4．1争取选择电动机功率的原则

（1）电动机应能胜任声场机械的负载和所需要的起动转矩。

（2）电动机在规定运行状态工作时，其温升不能超过额定温升。

（3）电动机应有一定的过载能力，能保证频繁起动，短时过载等情况下能正常运行。

2．4．2电动机功率选择的步骤与方法

GB12497—1990对电动机额定功率的选择作了如下规定：

（1）应从机械负载变化的规律，确定其典型的负载图，从而计算所需要的实际负载功率。

（2）应根据机械类型和重要性，诚意适当的储备系数，并使电动机的实际负载率接近负载率。

（3）当电动机使用地点的还把和介质温度与规定的工作条件不同时，其额定功率按GB 755—1987或制造厂规定予以修正。

2．4．3根据电动机不同运行状态进行选择

2．4．3．1连续工作制（或长期工作制）其代号为S1

连续工作制电动机负载图如图8-1所示。这种工作制是电动机长时间工作，一般为数小时或多日长期运行。启动后经过一段时间其温升可达到相应的稳定值。例如拖动风机，水泵等负载的电动机。连续工作制电动机功率的选择如下：

（1）恒定负载时连续运行工作制电动机的功率选择，可由下式计算生产机械所需的轴功率，即

                                                           2.2  



式中     —机械的轴功率，kW；

          —折算到电动机轴上的负载扭矩，N·W;

          —电动机额定转速，r/min。

（2）变负载连续工作作制时电动机功率选择。因受各种因素影响，绝对恒定的负载是不存在的。另外很多机械负载本身就是不断变化的，如龙门刨床，其负载是周期变化的。其等效转矩可用下式计算

其电动机额定功率为

                                                                  2.3



按电动机最大转矩校验其过载能力：                             2.4



式中    —电动机过载能力，一般为1.8~3.0；

        —电动机最大转矩，N·M；

        —电动机额定转矩，N·M。

最后进行电动机起动转矩的校验。

电动机起动转矩大于1.3倍机械起动转矩。

2．4．3．2短时工作制

其代号为S2，短时工作制，我国规定短时工作电机分10、30、60、90min四种。这种电机工作时间较短，运转时间是不定期不定时，其控制电路称之为点动控制，如桥式吊车、机床的快速进给、冲动控制等。因此在运行期间温度不会达到稳定值。在停止运行时温度可将到周围温度值。

    这种电机因运行时间短（除故障情况外），一般不会达到长期运行电机的那种热稳定状态，所以电机的选择方法也不同。

    短时工作机械，宜选用专供短时运行的电动机，其额定功率应按机械轴功率选择。如不能采购到短时运行电动机，可将连续定额电动机作短时工作使用，在很多情况下，其温升一般不会达到稳定其运行到结束了，因此，从发热的角度看，电动机的额定功率可以提高，使得在给定工作时间内，电动机温升接近连续时的温升。

  

连续工作制电动机作为短时工作制的电动机功率选定后，但必须进行转矩校验，以保证电动机一定的过载能力和起动能力。

等效短时工作电动机的输出功率 与作为连续工作时的额定功率 的关系为

                                                              2.5



式中  t—短时工作时间，h。

对Y（IP44），T=0.7~1.2h，对Y(IP23)，T=0.6~0.9h。一般情况下，因t/T>1，> >0,说明输出功率可以提高。

2．4．3．3断续周期工作制

    其代号为S3，是指该电动机在铭牌规定的额定值下，只能断续周期性地运行。按国家标准规定每个工作时间（）与停歇时间（ ）的周期 10min。每个周期内工作时间占的百分数称为负载持续率（亦称暂载率），用FS%表示，计算公式为

                        FS%=                                      2.6



电动机短时输出额定功率，但可多次断续重复。我国规定的标准负载持续率为15%、25%、40%及60%四种。这种电动机的工作时间和停止时间的是交规变化的，所达到的温升要低于用同样功率而长期运行的电动机的温升。如龙刨刀架进给、横式起重机横向和纵向运行等。

断续周期工作电动机的选择应按GB12497—1990中5.2.3条规定，断续周期工作机械应采用周期工作制的电动机，其额定功率应按典型周期的等效负载换到额定负载持续率来选择，之后还要进行过载能力校验。电动机的过载能力按下式计算

                                                      2.7



式中     —负责的最大转矩，N·M;

      —电动机的转矩过载倍数，可参考表8—2选取；

     —电动机额定转矩，  N·M。

对于交流电动机     

                                          2.8



式中0.8~0.85是考虑电网电压下降引起的 及下降的系数。

最后进行发热、过载能力校验。如果校验通过，说明电动机功率选择适当。如果过载能力等任何一项不能通过时，应另选电动机，重新校验，

2．5电动机运行中的节能措施

要想电动机在运行中达到节能的目的，就必须在电动机的外部环境，使电动机在效率高、损耗低的状态下运行。

目前解决异步电动机负载变化经济运行的有效措施是采用轻载节电器。装设无功补偿装置。异步电动机同步化、△—Y自动切换等。

2．5．1电动机经济负载率

2．5．1．1负载率

电动机的负载率是输出功率 与额定输出功率 之比,用 表示，即

                        

                                                                  2.9



式中  —电动机的负载电流，A;

      —电动机的空载电流，A;

      —电动机的额定电流，A。

2．5．1．2经济负载率

理论上可以证实，当电动机的固定损耗等于可变损耗时，电动机效率最高，此时对应的负载率称为经济负载率，用 表示。即

                                                                  2.10









式中   —电动机空载功率，kW；

       —电动机额定功率；

       —电动机输入功率；KW；

       —电动机输出功率，KW；

       —电动机各种损耗功率之和，KW。

经济负载率又有电动机有功经济负载率 和电动机综合经济负载率之分，当满足            

                                                                2.11



时,所求出的负载率为综合经济负载率，即

                                                               2.12





从以上各式中可见，当电动机在有功经济负载率 下，效率最高。

2．5．2电动机经济运行区

（1）非经济运行区

当电动机的综合运行效率小于额定综合运行效率减去容差时，其对应的负载率至负载率为0的负载范围，即0 ，称为非经济运行区。

（2）一般运行区

当电动机的综合运行效率等于额定综合运行效率减去效率容差时，其对应的负载率至经济运行区的最低负载率的负载范围，即40% 70%，称为一般运行区。

（3）经济运行区

当电动机综合运行效率与额定功率时的综合运行效率相等到时，其对应的负载率最小值至100%的负载范围，即 ，称为经济运行区。

2．5．3电动机的轻载节电器及其应用

当电动机处于轻载、空载时，功率因数和运行效率都很低。如小型机床的主拖动电机，

电焊机等，由于这种类型的设备（尤其C620、C630等手工操作的机床）加工零件比较小，

加之测量、换件、换刀等操作程序，使这种机床的电动机负载率不足40%。如依靠电动机

选择是无法解决的。若采用电动机轻载节电器，使电动机在轻载、空载时降低端电压，可

达到节能的效果。

   2．5．4节电器轻载降压节电原理

        当电动机从满载转换为轻载或空载时，定子电流的的有功分量减小，所以这时的电

机的效率很低。

    如果这时适当降低定子电压，则磁通也成比例下降，即励磁无功电流也成比例的下降，这样定子电流中的无功分量减小，功率因数就提高了，适当控制定子电压，可使功率因数接近最佳值。电动机定子铁损为        

                                                      2.13

式中    —定子电压降低值；

        —定子额定电压。

从式中可以看到 下降， 以平方比例下降，这样轻载、空载时占主要损耗的铁损大大减少，使电动机运行效率大大提高。

2．5．5节电器的性能特点

节电器是通过其内部工业设计计算机实时检测电动机的负载情况，分析出负荷大小和变化情况，计算出供给电动机的最佳电压、电流，通过控制晶闸管的导通角的大小，控制电动机的供电电压，使输出功率与负载转矩精确匹配，电动机始终（不论在重载或空载时），保持较高恒定的效率。

采用节电器电效果非常明显，其综合节电率在30%左右，功率因数可提高一倍。目前我国已研制出许多电动机轻载节电器，可供用户使用。

2．5．6异步电动机重、轻载的 —Y自动切换

通常电动机负载处于75%-100%时，电动机的有效效率较高。目前，改进电动机运行状态，防止电动机轻载或空载运行的措施主要是降低运行电压，即采用电动机 —Y转换运行。现在广泛应用于机床电动机的 —Y转换运行装置和轻载时电抗器减压运行逐步在全国范围内推广应用。

电动机从 转换为Y运行时，定子绕组端电压减小到，空载电流、铁损和无功功率可减少2/3，电动机的最大转矩下降到原来的1/3.一般机床拖动用的电动机在大部分时间是在轻载运行或空载运行，其最大转矩往往小于1/3，从而取得节电效果。

（一）电动机 —Y改接的条件

     1）根据负载率改接

     时，改接的意义不大，因为浪费电能的负载区比节电负载率大，有功损耗有可能增加。不能改接，因这时改接不但没有节电效果，反而会增加电能损耗和造成转子电流超过允许值，引起电动机过热； —Y变换由于电压变化是阶跃式的（电压升、降都经过零点），故当负载增加时，如不及时变换，会造成“堵转”，甚至烧毁电动机。只有电动机负载率小于其临界负载率 时才有意义。即Y接与 接的总损耗相等时的负载率。

    2）应满足启动条件

     为了满足启动时电动机有足够的起动转矩，对于380V三角形起动和运转的电动机，可采用 接起动，轻载或空载时自动转为Y形运转。

   3）应满足稳定性的条件

     为了保证电动机改成Y接后，负载保持稳定，其最高负载与额定容量之比，即电动机的极限负载率 应满足

                                                                                          



式中     —最大转矩与额定转矩之比；

         k—安全系数，根据经验可取1.5。

2．5．7异步电动机重、轻载 —Y自动切换电路的原理

    1）控制电路概况

    异步电动机重、轻载 —Y自动切换电路。

    主电路有接触器KM，它的作用是接通或断开电动机定子绕组的电源。KM1是星形接法的接触器，KM2是三角形接法的接触器。电动机 —Y自动转换是利用反向电动机负载的电流继电器KA和时间继电器KT1和KT2进行，为了避免在负载瞬时波动时不必要的切换，延长设备的使用寿命，用时间继电器KT1作为电动机由Y切换到的过渡，其动作时间比电动机起动时间长5—10s。KT2用于电动机由到Y的延时过渡，其动作时间可整定在50s左右。保护电器有熔断器FU1和FU2作短路保护，FR作过载保护。

   2）控制原理

    电动机起动：先合上电源开关，按下启动按钮SB2，接触器KM吸合并自锁。KM的自锁触电接通KM1线圈电路，KM、KM1主接触点闭合后，使电动机接成Y形起动。由于在起动状态时，起动电流较大，使电流继电器吸合，接通时间继电器KT1通电，经一段时间的延时，KT1处于在KM1电路上的动断触电断开，在KM2电路上的动合触电闭合。使接触器KM1断开，KM2吸合，电动机接成形带负荷运转。

    由形接法自动转为Y形接法：如遇轻载或空载时，电流互感器感应电压较小，电流继电器不吸合，其触点接通时间继电器KT2,KT2又接通时间继电器KT1经过一段时间的延时，接触点断开KM2的线圈电路，接通KM1电路，电动机接成Y形运行。

由Y形接法自动转为形接法：当电动机负载过大时，由于电流继电器的作用，使时间继电器KT2断电，其触电又接通时间继电器KT1电路，使电路自动产生翻转。如果是瞬间的负载波动，KT虽然通一下电，但其触电是较长时间延时，不会使电路立即翻转。如果负载波动时间非常短，波动过去后KT2又恢复通电状态，KT1的延时触点还没有动作又被KT2的触点间断，因此，避免了瞬间负载变动时Y接和接不断的翻转。

3）设备选择

    使用轻、重载 —Y自动转换的控制电路，要注意选择合适的设备，对于一些加工小型零件的车床，一般不采用这种方法。

应选用加工大工件的机床设备，因为大型设备在装、卸工件检测工件时用时比较长采用 —Y接法时，节电效果比较明显。最好选用原电路本来是Y— 起动的电气设备进行改装，这样既节能，又节约了资金是一举两得的事。

再就是选择负载比较衡定，如风机，水泵等。其实用的电机又处于轻载的设备。