仔细的设计和选择的感应和永磁交流电动机将使它们更节能。
加布里埃尔Venzin•ABM驱动器公司||ABM Greiffenberger美国分公司
电动机设计中的效率比以往任何时候都更加重要。由于电动机提供了60%以上的工业电力，效率是一个关键的设计参数。在这里，我们将看看一些通用要求以及更具体的永磁交流(PMAC)电机，这是在有限的功率范围内的常见工业应用。
首先，效率被定义为输送的机械功率与提供的电力的比率。一个有效率为85%的电动机可以将85%的电能转化为机械能。剩下的15%以热量的形式消散。
图示交流感应电动机外壳、轴承和风扇部件的爆炸图。
节能电机使用高质量的材料和优化的设计，以实现更高的效率。例如，更多的铝在转子和更好的槽填充系数在定子减少电阻损失。优化的转子结构和转子到定子的气隙减少杂散负载损失。改进的冷却风扇设计提供电机冷却与最小的风损。更高质量和更薄的钢叠层在转子和定子铁芯，允许大大降低磁化损失的操作。最后，更高质量的轴承减少了摩擦损失。
诱导和PMAC电机的选择点
优化转子和定子叠层的尺寸和所用钢材的质量是提高性能的关键:磁滞损耗和涡流损耗一起称为铁芯损耗。大约20%的总损耗是由涡流和磁芯饱和造成的。
在相对于变化的磁场移动的薄片中产生的涡流会造成显著的功率损失。叠片定子铁芯减少了涡流损耗，并基于铁的质量、电阻率、密度、厚度、频率和磁通密度。涡流损耗可以用较高的层数最小化。
磁通量不断变化时，在磁电路中引起滞后损耗。电动机中使用的大部分助焊材料是用于定子和转子芯的钢。
通过降低叠片的厚度来最小化磁通密度和核心损耗。通过退火更好的钢胶水来减少磁滞损耗以改变易磁化的晶粒结构。
通过增加含硅钢的电阻率来减少涡流损耗，但硅含量增加了钢的硬度，从而增加了冲压过程中的模具磨损。冲压过程中损坏的钢晶体严重降低了受影响体的磁性。
退火使叠片变平，并在冲压期间重结晶晶体损坏的晶体，其将一个纸张厚度延伸到层压中。
ABM的Sinochron电机转子的特殊设计具有内磁体，使磁通量几乎达到理想的正弦分布。它是为无传感器控制模式而设计的，使其成为伺服驱动的另一种选择。
使用浴浸渍工艺进行层压，与滴水为最佳热管理：浸渍定子加强定子绕组电绝缘，防止化学品或恶劣环境，并提高热耗散。包括环氧树脂，酚类和聚酯在内的热固性塑料用于浸渍定子。ABM采用沐浴方法，在长时间浸入树脂中的定位，以确保最佳的渗透和保护。另一种浸渍方法称为真空压力，其使用首先抽空的罐，然后加压以实现渗透到定子中。从电动绕组驱动空气口袋提高了绕组的导热率。
定子的槽设计，以最大限度地增加可插入的铜的体积:低定子绕组质量导致总损耗的高达60％，从而减少定子绕组的质量必须越大，这降低了电阻。与标准效率电动机相比，高效高效的电动机含有超过20％的铜。定子的绝缘电绕组放置在钢叠片的槽内。横截面积必须足够大，以便电动机的功率额定值。
一般情况下，感应电动机采用开式或半闭式定子槽。在半封闭槽中，槽的开口比槽的宽度小得多，与开槽相比，绕线制造更加困难和耗时。然而，与开式相比，气隙特性更好。
定子槽的数量必须在设计阶段进行选择，因为这个数量会影响重量、成本和运行特性。多槽的优点是减少漏抗，减少齿脉动损失，提高过载能力。定子槽越多的缺点是成本增加，重量增加，磁化电流增加，铁损耗增加，冷却效果差，温升增加，效率降低。
与部分负载下的标准异步电动机相比，SINOCHRON PMAC电机效率大于两次。它是由连续激励的同步电动机实现的，其实际上没有转子损耗。
转子压铸采用优质或纯铝:定制设计的转子可以最大化启动扭矩，降低导体阻力并提高效率。大多数感应电动机转子是松鼠笼设计。它们在施工中坚固耐用，施工简单，更便宜，但它们具有低启动扭矩。铜转子增加效率，但难以制造且昂贵。
收紧制造公差允许转子和定子之间的最佳空气间隙:在标准的径向电机中，气隙是电机转子和定子之间的径向距离。为了提高设计效率，需要保持最佳的气隙。气隙尺寸涉及定子、转子、电机外壳和轴承的设计。所有这些都影响定子和转子轴的精确对准。
使用符合DIN EN 13601和UL标准的铜绕组:欧洲标准DIN EN 13601规定了通用电气用铜和铜合金，包括尺寸和公差、拉伸试验、硬度试验、弯曲试验、电阻率试验。它还规定了电气用铜的特性，包括首选无氧或脱氧铜，这些铜可以进行热处理、焊接或钎焊，而不需要特别预防措施以避免氢脆导致开裂。
对于全球合规性，UL决定磁丝符合IEC 60317.磁体或搪瓷线是电解精制的铜或铝线，其已经完全退火并涂有一层或多层绝缘层。例如，ABM使用总共12个绝缘涂层的电线。典型的绝缘膜在增加温度范围的顺序是聚乙烯，聚氨酯，聚酯和聚酰亚胺，高达250℃。用高温聚酰亚胺或玻璃纤维胶带包裹更厚的矩形或方形磁铁线。
使用更多的铜，更大的导体棒和导体增加了定子和转子绕组的横截面积。这降低了绕组的电阻，减少了电流造成的损耗。一个高效率的电动机通常在定子绕组中多使用20%的铜。
通用电机选型指南
电机选择过程涉及一些基本的考虑因素。对于初学者，验证应用程序要求。那么，何时何时且多久需要扭矩和速度？什么是占空比？温度和压力等环境条件是什么？如果用于错误的应用，即使是最有效的电机也不会效率效率。
这里讨论的许多电动机用于齿轮电机，齿轮减速器和电动机的组合。齿轮电动机以低速提供高扭矩。简而言之，齿轮电机采用电机功率并降低速度，同时放大扭矩。
齿轮电机的占空比不仅影响电机的性能等级，例如，连续占空比
S1电机将提供更高的输出，如果它被用于S3间歇负载周期，但也特别适用于扭矩峰值和系统冲击可能的特殊应用的变速箱。对于这种情况，仔细确定每个特定时间段所经历的占空比和峰值/冲击是至关重要的，这样电机/变速箱OEM的工程团队才能选择和推荐合适的驱动系统。
一个良好的开端是回顾过去应用程序将要运行的极端温度或压力条件，以及与设计相关的任何其他独特条件的数据。如果您的应用程序正在极端条件下使用，总是通知电机OEM -这可能是一个游戏规则改变者。
设计电机外壳，以便最佳冷却
电动机的电气效率提高了很多，冷却风扇的功率在总损耗中所占的比例越来越大。冷却风扇尺寸的优化涉及使用风扇的最小功率，同时提供足够的冷却。最佳的风扇设计可能会导致风扇功率需求减少65%。一个重要的设计特征是叶片和机壳之间的间隙。外壳和风扇叶片之间的空间应该尽可能小，以防止紊流和减少回流。
冷电机更有效地运行。为了获得最佳气流，优化冷却风扇和风扇护罩设计。确保定子和电机壳体之间的紧密结合提供了最佳的冷却性能。
选择适合运行速度的低摩擦轴承
球或滚柱轴承用于高效电动机。它们由内部和外圈和含有钢或陶瓷辊或球的笼组成。外部竞争连接到定子和内部圈子到转子。当轴旋转时，元件也旋转并且轴旋转的摩擦最小化。他们的寿命长，维护成本低。高精度应用允许最小的气隙。热收缩和膨胀可以影响轴和壳体拟合以及内部轴承间隙。
电源输出控制轴尺寸和轴承孔。负载幅度和方向确定轴承尺寸和类型。考虑额外的力，例如不对称的空气隙，导致磁拉出，超出平衡的力，齿轮中的间距误差和推力载荷。对于轴承负载计算，将轴视为搁在刚性，不动的支撑件上的梁。滚珠轴承比滚子轴承更适合高速应用。高速因子包括笼式设计，润滑剂，运行精度，间隙，共振频率和平衡。
了解环境温度范围和正常工作温度范围将有助于确定轴承最有效的润滑方法:油或润滑脂。这里考虑的齿轮电机的正常工作温度范围为-25到40°C。合成润滑脂在较宽的温度范围内具有良好的性能。润滑脂可以简化维护，清洁，减少泄漏和污染保护。
轴承需要最小负载，因此滚动元件旋转并形成润滑剂薄膜而不是滑动，这促进了操作温度并降解了润滑剂。允许最小负载等于球轴承的动态径向载荷额定值约0.01倍。当轴承接近推荐评级的70％时，尤其重要。
采用优质平衡机，高标准平衡在运行速度下的电机应用:当质心与旋转轴不共存时，会产生噪声和振动。平衡对效率的影响有限，但会影响运行噪音和预期寿命，这对最大限度地利用资源也很重要。
轴承振动读数通常在三个平面上取-垂直、水平和轴向。垂直振动可能表明安装有问题。水平振动可能意味着平衡问题，而轴向振动可能表明轴承问题。在运行速度下保持平衡是很重要的，因为不平衡也可以由轴承上的向心力引起。
PMAC电机的附加设计标准
PMAC电机是交流感应电机的一个日益增长的替代品，而交流感应电机几十年来一直是几乎所有电机应用的主要工具。PMAC电机保持了交流感应电机的可靠性和简单性，同时提供更高的效率，同步操作，并有机会使用更小的框架尺寸。
PMAC电机用永磁体(通常由稀土金属合金制成)代替转子导体中感应到的磁场，由于转子中没有感应到电流，因此比交流感应电机的电阻损耗要低得多。代替机械换向，需要一个控制系统来确定哪些线圈提供电流以产生最大的转矩。稀土PMAC电机产生的磁场，可以提供与交流感应电机相同的扭矩，更小，更轻的电机。
这张图显示了SINOCHRON PMAC电机转子叠片和内嵌磁铁的特殊设计，允许正弦电机运动。
选择PMAC电机尺寸，允许在部分负载区域运行，以获得最佳效率:PMAC电机的节能取决于服务时间，电机尺寸和电机负载数。PMAC电机几乎始终保持更高的效率 - 无论与交流感应电机相比的速度或扭矩，并使它们在可变速度应用中的感吸附电动机有吸引力的替代品。通过用PMAC电机代替现有的线型三相电动机，可以预期20％至35％的节能。
优化转子叠片设计，显示正弦磁场：例如，带有高性能永磁体的ABM同步电机具有正弦磁通分布以及电动力。分布式绕组的定子绕组通常与异步电机绕组相同。它可以降低振动、噪音和维护成本，并提高整体性能。
稀土磁体与铁氧体(陶瓷)磁体的选择
钕稀土，钐钴磁铁或铁氧体（陶瓷）磁铁用于PMAC电动机。稀土磁铁比铁氧体或陶瓷永磁体强2至3倍，但更昂贵。钐钴磁铁是高温应用的最佳，因为它们的高能量密度，250至550°C耐温性，参数减少，由于温度升高，氧化保护。
选择钐钴或钕作为电机磁铁是基于操作温度，耐腐蚀性和要求的性能。如果加热到80°C以上，低等级的钕磁铁可能会开始失去“强度”。高档钕磁铁工作温度高达220°C。
铁氧体或陶瓷磁铁赢得了广泛的验收，因为它们具有强的耐退火，卓越的耐腐蚀性和低价格。在高于250°C的温度下操作时发生磁损失，但是当磁铁降至较低温度时被回收。除非为这种极端设计，否则-40°C的冷温度可能导致磁力的永久性损失。
PMAC电机需要逆变器
PMAC逆变器驱动单元可以在空载运行/静止状态下无损耗。新的电机设计组合在输送设备、自动扶梯、绕线机、压缩机和牵引驱动单元上具有优势。通过替代现有的线路供电三相驱动装置，可预期节省高达30%的能源。
PMAC驱动单元的特点使其非常适合驱动连续运行的泵和风扇。不需要额外的组件，如编码器。占地面积减少25%，使机器设计更加紧凑。该电机具有出色的控制性能，并结合无传感器驱动控制器单元，即使在低速下也有出色的真实运行，在脉冲负载和速度变化时也有令人印象深刻的动态。
选择一个可以提供无传感器操作的逆变器:标准PMAC驱动器可以“自检”并跟踪转子的永磁体位置。这对于光滑的电机开始至关重要，并且还允许最佳扭矩产生，从而导致最佳效率。缺少位置或速度传感器降低了成本并提高了驱动系统的可靠性。
逆变器编程与优化:对特定电机进行编程控制器设置以获得最佳效率的重要性随着效率的规定而越来越重要。
选择制造合作伙伴：在机器构建过程中选择合作伙伴时，请记住选择电动机源有两种方法。挑选一个可能或可能不适合特定应用的标准电机，或者选择主管电机合作伙伴，并制造完全适合应用的电机。
标准电机解决方案是合适的，如果设计工程师没有时间或工程资源有一个定制版本工程-或如果它需要一个快速安装。新的模块化方法的设计和施工，让制造工程师得到合理的价格定制电机，即使在适度的数量。
无论选择电机的方法是什么，一定要通过比较性能预测和测量来不断改进设计/驱动系统。然后使用分析的结果来改进下一个迭代。
反弹道导弹驱动器•www.abm-drives.com.
你也可以喜欢:
提交：运动控制技巧，齿轮•齿轮头•减速机，汽车(齿轮电动机)
告诉我们你的想法！