瞭解負載、電機和應用的主要類型,可以幫助簡化電機及其附件產品的選擇。

在選擇電機時，有很多因素需要考慮，如應用、運營、機械和環境等問題。一般來說，要麼選擇交流電機、直流電動機，要麼選擇伺服/步進電機。到底選擇哪一種，取決於工業應用類型以及是否有特殊需要（見圖1）。

圖1：直流電機適合於低成本、低速或恆轉矩的工業應用。例如直流電機在圖中這個皮帶驅動輥式輸送機上工作的很好。圖片來源：Automation Direct

電機需要恆定還是可變的扭矩和功率，具體取決於電機驅動的負載類型。負載的大小、所需的速度、和加速度/減速度（特別是如果它是快速或頻繁的），將決定電機所需的扭矩和功率。此外，還需要考慮控制電機速度和位置的要求。

電機負載類型

一般來說在工業自動化應用中，有4種類型的電機負載：

• 變功率和恆轉矩；

• 變轉矩和恆功率；

• 變功率和變轉矩；

• 位置或轉矩控制。

變功率和恆轉矩應用包括輸送機、起重機和齒輪泵等。在這些應用中，由於負載保持恆定，因此轉矩是常數。所需的功率隨應用的不同而有所變化，在這種情況下，恆速交流和直流電動機是一個很好的選擇。

捲紙機就是變轉矩和恆功率應用的一個典型例子。物料速度保持不變，這意味著功率不變。但是隨著軋輥直徑的增大，負載在變化。在小型系統中，直流電機或伺服電機都可以很好的完成該功能。再生動力也是需要關注的問題之一，在確定電機尺寸或選擇能量控制方法時應加以考慮。對大型系統而言，帶解碼器、閉環控制、以及全象限驅動器的交流電機可能是更好的選擇。

圖2:交流感應電機是工業旋轉運動應用的熱門選擇。

風扇、離心泵和攪拌器需要不同的功率和扭矩。隨著電機轉速的增加，負載輸出也隨著所需的功率和轉矩而增加。這種類型的負載適合使用具有變速傳動裝置的交流變頻電機，能夠幫助提升電機效率。

類似直線驅動器的應用，要精確地移動到多個位置，就需要精密的定位或轉矩控制，因此就經常需要反饋來驗證電機是否處於正確的位置。對這些應用來講，伺服或步進電機通常是最好的選擇。不過，帶反饋的直流電機或帶編碼器的交流變頻電機，經常用於鋼鐵和造紙生產線或類似應用中的緊轉矩控制。

不同的電機類型

儘管電機主要分成兩類——交流和直流，但實際在工業應用中使用的電動機類型超過30多種。雖然電機類型很多，但在工業應用中有很多重疊，市場已經開始推動簡化電機選擇。這樣就大大縮小了為大多數應用選擇電機的範圍。最常見的有6種電機：無刷和有刷直流電動機、交流鼠籠式電機、繞線轉子電機、伺服電機以及步進電機。這些電機類型適用於絕大多數的應用場合，還有一些類型的電機專門在特定領域使用。電動機的3個主要應用類型是恆速、變速和位置（或轉矩）控制。不同的工業自動化應用環境對電機有不同的要求。例如，如果應用最高速度小於電機的基本速度，則可能需要一個變速箱。這也能使較小的電動機以更有效的速度運行。

儘管網上有大量的如何為電機選型的信息，但因為有很多細節問題，用戶在選型時必須考慮多種因素。計算負載慣量、力矩和速度，要求用戶瞭解總質量和負載大小（半徑）以及摩擦力、齒輪箱損失、和機器週期等參數。負載變化、加速或減速、以及應用的佔空比，也必須加以考慮，否則的話可能會導致電機過熱。

電機選型完成後，用戶還需要考慮環境因素和電機外殼類型，比如開放式框架或者在沖洗應用中的不鏽鋼外殼。

電機選型的3個問題

即使在做出所有這些決定之後，用戶也需要在做最終決策之前解決以下這3個問題。

1、它是恆速應用嗎？

在恆速應用中，電動機往往以接近的速度運行，很少或根本不需要關心加速和減速問題。這種類型的應用通常使用開/關控制。控制電路通常包括連接接觸器熔斷的分支電路、過載電機啟動器、手動電機控制器、和軟起動器。

交流和直流電機都適用於恆速應用。直流電動機提供零速全扭矩，並需要較大的安裝基礎。交流電機也是一個不錯的選擇，因為它有較高的功率因數，而且維護工作比較少。相比較而言，伺服或步進電機具有較高的性能，不過，對簡單應用而言屬於超配。

2、它是變速應用嗎？

變速應用通常需要緊湊的速度和加速度，以及預定義的加速和減速斜率。在降低電機轉速的應用中（如風扇和離心機泵），通常可以通過匹配負載，而不是全速運行和節流或抑制輸出功率來提高效率。在傳輸應用中（如灌裝線），這些都是非常重要的考慮因素。

交流和直流電機，配置合適的驅動器，在變速應用中都可以很好的工作。在很長一段時間裡，直流電機和驅動器的配置是變速電機的唯一選擇，組件經過長期的開發並得到驗證。即使現在，直流電機在變速、部分功率應用中也很流行，並且由於它們在低轉速下也可以提供全扭矩，而且在較廣的速度範圍內都可以保持恆速，因此在低速環境中仍有廣泛應用。

然而，對直流電機而言，因為許多需要電刷進行換向，並且它們與運動部件接觸時會磨損，維修可能是一個問題。無刷直流電機消除了這個問題，但它們的前期成本更為昂貴，可供選擇的電機範圍也更小。

對交流異步電動而言，電刷磨損不是問題，變頻驅器（VFD）為超過1馬力的應用提供了很更好的選擇，從而提高了效率（參見圖3）。選擇運行電機的驅動器類型時，可以增加一些位置檢測。如果應用需要，可以向電機添加編碼器，並且可以指定驅動器以使用編碼器反饋。這種設置可以提供類似伺服的速度。

圖3:交流電機和變頻器的組合，被廣泛用於提高效率，在各種變速應用中工作良好。

3、應用是否需要位置控制？

在運行時，通過連續監測電機的位置來實現位置控制。諸如線性驅動器定位方面的應用，可以使用步進電機，配不配置反饋都可以，也可以使用帶固有反饋的伺服電機。

步進器的設計，使其可以以中等速度精確地移動到目標位置，然後保持在該位置。如果選型合適，開環步進系統可以提供強大的位置控制。即使沒有反饋，步進器也能精確的按照設定步數移動，除非它遇到超出其能力的負載而中斷。

隨著應用速度和動態的增加，開環步進控制可能無法滿足系統的要求，這就需要升級到帶反饋的步進器或伺服電機系統。

閉環系統提供精確、高速的運動控制和位置控制。和步進器相比，伺服系統在高速下可以提供更高的扭矩，而且在高動態負載或複雜運動應用中工作的更好。

對於具有低位置超調的高性能運動，反射負載慣量應儘可能與伺服電機慣量匹配。在某些應用中，失配即使高達10:1，也能正常工作，但1:1一般是最佳選擇。

齒輪減速是解決慣性匹配問題的一種比較好的方法，因為反射負載慣性下降與齒輪比的平方成比例，但變速箱慣性必須包括在計算中。

電機生產廠家為工業應用提供了大量可供選擇的電機。步進、伺服、交流和直流電機可以滿足大多數工業自動化的要求，但獲取理想的運動效果取決於不同應用的具體要求。無論是恆速、變速、還是位置控制應用，用戶都應與電機和驅動器廠商緊密合作，為應用選擇最適合的電機。

本文來自於《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年8月刊《技術文章》欄目，原標題為：工業用電機的選型要點