电机经历漫长发展已经发展出很多种类,不同种类的电机各有优缺点,适用范围也不一样,根据不同电机的特性正确选择电机才能最大限度发挥其性能,电动执行器作为一种由电力驱动的设备,电机将电能转化成机械能,是其关键部件, 其选型正确与否直接影响执行机构整体的性能。
一、 电机种类
电机种类繁多,各有不同的适用场所,针对电动执行器性能特点及要求被广泛使用的电机有交流感应电机和直流电机等,它们各有优缺点。
1. 交流感应电机
交流感应电机是通过定子绕组产生旋转磁场,转子导条切割磁力线产生旋转力矩从而带动负载旋转,因此它结构简单,制造、使用和维护方便,运行可靠以及质量较小,成本较低,在各行各业得到广泛使用,但交流感应电机扭矩特性较软,启动和调速性能较差,带负载能力一般, 虽然当今交流变频调速非常普遍,但是变频调速受限于异步电机的低效率,电机运转在低速时转矩变小,谐波损耗大,速度变动率大,动态性能不佳等缺失;虽然采用矢量控制或直接转矩控制变频器时其可以满足性能需要,但是购置费用偏高,而且异步电机的效率,功率因数,低速发热仍然无法改善.
2. 直流电机
直流电机一般指有刷直流电机,它是通过控制励磁绕组和电枢绕组来驱动电机旋转,换相采用电刷换相,它转矩特性比交流感应电机好,具有较大的起动转矩和调速特性,输出转矩比较大,而且响应快速、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能,在速度稳定,转速控制精准方面是交流电机无法达到的,因此直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用,但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷,可靠性差,需要经常维护;换相时产生电磁干扰,噪声大,影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。
3. 直流无刷电机
直流无刷电机是直流电机与交流感应电机的结合体,直流电机的励磁绕组被永磁体取代,电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似,驱动器按转子位置为定子绕组提供交变电源,从而驱动电机旋转,由于转子采用永磁体,没有了碳刷与换向器,所以没有维修与保养的需要,其转子上既无铜耗又无铁耗,综合效率高出10~20%左右(依据功率大小而定),低速转矩更大,激活转矩可达额定3倍,转速精度可达1/3000,不受电压与负载变动的影响.电机可以做成密闭型或防尘防爆型等结构.因此能够完全取代传统有刷直流电机,而且运转费用更低, 可频繁启停,电机温升在几种电机中最小,比交流变频电机更适合作为电动执行器的动力。业界对直流无刷电机评价为“三高”(高效率,高精度,高转矩)。因此直流无刷电机是目前高端电动执行器的最佳动力选择。
不过国内直流无刷电机目前还只在小功率范围得到可靠应用,功率增大则其可靠性与价格成本都限制它广泛推广,尤其国内直流无刷电机绝大部分都是220V电源的产品,380V很少见到,这也制约了它在工业领域的应用。
二、 电机参数选择
执行器所用电机规格应根据执行器最终驱动要求来确定,直行程、角行程、多回转等不同类型的执行器计算电机参数方法也不相同,这里所介绍的计算方法只是一种粗略的计算,确定执行器所需电机的大概数据,因为牵涉到机械传动,机械效率的影响,所以电机最终参数应该在计算的基础上通过整机实际测试,结合执行器出力、电机启动、温升等多种数据选择出最佳电机参数。
1. 电机功率
不同类型执行器输出结构参数不同,所需电机功率计算方法不同。
l 直行程
直行程电动执行器最终输出是推力F(千牛KN)以及全行程时间T(秒S),全行程时间则是由执行器行程长度L(米m)及推杆运行速度V(米/秒 m/s)决定的,这些数据确定后即能计算出该款执行器输出的机械功率Pout(千瓦 kw),
Pout = F * V
= F * L/T
通过实际需要的机械输出功率在考虑机械齿轮传动效率ɳ1及推力装置的机械效率ɳ2即可得出所需电机的出轴功率Pw,
Pw = Pout * 1/ɳ1 * 1/ɳ2
影响ɳ1 ɳ2的因素很多,机械结构形式、材质、加工精度、装配效果都会对ɳ1、ɳ2造成影响,机械手册可以查到通用的数据,最终数据应该以实际测试结果来确定。
l 角行程
角行程执行器最终输出是扭矩M(牛米 Nm)及行程时间 T(秒 s),行程时间则由执行器转动角度(θ)及旋转角速度V(RPM)决定,执行器最终输出机械功率:
Pout(kw) = M(Nm) * V (RPM)/ 9549
= 0.0016 * M(Nm) / T (s)
注:执行器转动角度(θ)一般按90度考虑
考虑机械效率ɳ1,所需电机的出轴功率Pw:
Pw = Pout * 1/ɳ1
l 多回转
多回转执行器与角行程类似,行程时间 T(秒 s),只是转动角度(θ)不再是90度,而是转动圈数N(圈),执行器最终输出机械功率:
Pout(kw) = M(Nm) * V (RPM)/ 9549
= 0.0063 * M(Nm)* N (圈) / T (s)
考虑机械效率ɳ1,所需电机的出轴功率Pw:
Pw = Pout * 1/ɳ1
2. 电机输出转速
在执行器机械部分已经定型的情况下,总的机械齿轮速比n就是一定的,根据阀门行程及行程时间即可推算出电机所需转速,如果执行器在设计阶段,机械部分并不确定,那就有很多种搭配方案,考虑到产品系列,就需要综合考虑机械速比、电机速度、电机扭矩等选择最优方案。
3. 电机输出扭矩
电机输出扭矩同样面临两种情况,在机械速比确定的情况下,只需要根据执行器输出扭矩及机械总速比在考虑机械效率即可确定电机轴输出扭矩,或者按电机功率转速扭矩公式直接计算,两者结果相同,如果执行器在设计阶段,机械部分并不确定,那就有很多种搭配方案,考虑到产品系列,就需要综合考虑机械速比、电机速度、电机扭矩等选择最优方案。
4. 电压等级
电机电压等级一般根据实际情况考虑,原则上电机功率大于800W选择三相380v,小于800w则单相、三相均可选用,主要结合用户供电情况及要求考虑。
三、 电机采购注意事项
电机采购一般需要注意以下几个关键事项
1、电机参数必须明确,功率、扭矩、转速是必须,而且都是额定参数,否则电机厂也无法为你准确提供适合你要求的电机,尤其需要注意其中扭矩是电机轴的输出扭矩,这样才能明确你所要求的电机功率是轴输出功率,而不是电机输入功率,因为牵涉到电机功率因数和电机效率,以前曾有电机厂在电机输出扭矩达不到要求就曾经以输入功率为理由进行辩解,结果造成执行器输出力达不到要求。
2、电机效率要求也必须明确,一般电机效率在80%以上比较正常,而电动执行器用电机由于考虑到起动力扭矩的特殊需要,设计上电机效率会有所牺牲,但也一般在60%以上才算正常,电机效率低将会造成电机发热厉害,造成电机无法长期正常工作,电机厂家有时为节约成本,采用劣质材料,会造成电机发热严重。此时电机效率很低,曾经有电机厂家生产的电机效率30%都达不到,这种电机如何敢用。
3、正规电机厂家每一批电机出厂一般都会抽检,做电机测试,会有电机电压、电流、扭矩、转速、效率等多种数据报告,以及生成的电机特性曲线,购买电机最好让电机厂提供这种检测数据,不提供或者提供不出来就得慎重考虑了。