机电传动控制 课件 第8章 电动机选择及适用场景

第八章电动机选择及适用场景8.1机电传动系统的运动学基础8.2电动机选择时应考虑的基本因素和问题8.3如何选择电动机类型8.4新型电动机未来趋势与发展22026/6/238.1机电传动系统的运动学基础机电传动系统的运动方程式多轴传动系统中转矩折算的基本原则和方法了解几种典型生产机械的负载特性了解机电传动系统稳定运行的条件以及学会分析实际系统的稳定性机电传动系统的过渡过程分析32026/6/23机电传动系统的运动方程式（1）机电传动系统的组成电动机M通过连接件与生产机械相连，由电动机M产生输出转矩TM，用来克服负载转矩TL

，带动生产机械以角速度ω（或速度n）进行运动。电动机电动机的驱动对象，可以包括多种传功机构连接件转矩方向8.1机电传动系统的运动学基础42026/6/23机电传动系统的运动方程式（2）运动方程式

运动方程式转矩平衡方程式动态转矩（N·m）TM

─电动机的输出转矩（N·m）;TL─负载转矩（N·m）;J─转动惯量（kg·m2）;

─角速度（rad/s）；n─速度（r/min）；t─时间（s）;8.1机电传动系统的运动学基础52026/6/23机电传动系统的运动方程式（2）运动方程式在实际工程计算中，用飞轮惯量GD2代替转动惯量J，用转速n代替角速度

8.1机电传动系统的运动学基础62026/6/23机电传动系统的运动方程式（3）传动系统的状态

8.1机电传动系统的运动学基础72026/6/23机电传动系统的运动方程式

8.1机电传动系统的运动学基础82026/6/23机电传动系统的运动方程式

8.1机电传动系统的运动学基础92026/6/23机电传动系统的运动方程式（5）生产机械的机械特性在同一轴上，负载转矩和转速之间的函数关系，称为生产机械的机械特性。①恒转矩型机械特性恒转矩型机械特性根据其特点可分为反抗转矩和位能转矩两种a.反抗转矩：又称摩擦性转矩，其特点如下：转矩大小恒定不变；作用方向始终与速度n的方向相反，当n的方向发生变化时，它的作用方向也随之发生变化，恒与运动方向相反，即总是阻碍运动的。8.1机电传动系统的运动学基础102026/6/23机电传动系统的运动方程式（5）生产机械的机械特性

8.1机电传动系统的运动学基础112026/6/23机电传动系统的运动方程式（5）生产机械的机械特性

8.1机电传动系统的运动学基础122026/6/23机电传动系统的运动方程式（5）生产机械的机械特性

8.1机电传动系统的运动学基础132026/6/23机电传动系统的运动方程式

8.1机电传动系统的运动学基础142026/6/23机电传动系统的运动方程式（6）机电系统稳定运行的条件机电传动系统中，电动机与生产机械连成一体，为了使系统运行合理，就要使电动机的机械特性与生产机械的机械特性尽量相配合。特性配合好的一个起码要求是系统能稳定运行。①机电系统稳定运行的含义系统应能以一定速度匀速运行；系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转矩波动等）使运行速度发生变化时，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度（状态）。8.1机电传动系统的运动学基础152026/6/23机电传动系统的运动方程式

8.1机电传动系统的运动学基础162026/6/23机电传动系统的运动方程式分析举例异步电动机的机械特性生产机械的机械特性交点a交点ba、b两点是否为稳定平衡点？？

8.1机电传动系统的运动学基础172026/6/23机电传动系统的运动方程式如图所示，曲线1为异步电动机的机械特性，曲线2为异步电动机拖动的生产机械的机械特性。两曲线有交点b，即拖动系统有一个平衡点。b点符合稳定运行的条件，因此b点为是稳定平衡点。此系统能在b点稳定运行。

8.1机电传动系统的运动学基础182026/6/23典型传动系统的转动惯量和扭矩折算（1）负载转矩和惯量的折算方法（动能守恒原则）电动机通过传动机构（如减速齿轮箱、蜗轮蜗杆、皮带轮、丝杠螺母等）与生产机械相连，在应用中需要将负载的扭矩和惯量折算到电机轴上，折算的原则是：折算前后系统总的传输功率不变或能量不变。8.1机电传动系统的运动学基础192026/6/23典型传动系统的转动惯量和扭矩折算①齿轮传动系统的分析电动机通过减速机构（如减速齿轮箱、蜗轮蜗杆等）与生产机械相连，如图所示：为了对多轴拖动系统进行运行状态的分析，一般是将多轴拖动系统等效折算为单轴系统折算的原则是：静态时，折算前后系统总的传输功率不变或能量不变。8.1机电传动系统的运动学基础202026/6/23典型传动系统的转动惯量和扭矩折算

8.1机电传动系统的运动学基础212026/6/23典型传动系统的转动惯量和扭矩折算②丝杠螺母传动机构③同步带轮/齿条结构1/2MVV=1/2JWW8.1机电传动系统的运动学基础222026/6/23机电传动系统的过渡过程过渡过程的概念研究过渡过程的实际意义产生过渡过程的原因机电时间常数的概念加快过渡过程的方法8.1机电传动系统的运动学基础232026/6/23机电传动系统的过渡过程（1）过渡过程的概念

8.1机电传动系统的运动学基础242026/6/23机电传动系统的过渡过程（2）产生过渡过程的原因

8.1机电传动系统的运动学基础252026/6/23机电传动系统的过渡过程（3）机电传动系统过渡过程的分析

8.1机电传动系统的运动学基础262026/6/23机电传动系统的过渡过程（3）机电传动系统过渡过程的分析例如：直流电动机拖动恒转矩负载

令：

8.1机电传动系统的运动学基础272026/6/23机电传动系统的过渡过程一阶线性常系数非齐次微分方程全解

对（4.3）求导，代入运动方程式化简得

8.1机电传动系统的运动学基础282026/6/23机电传动系统的过渡过程

求导，可得t=0时的加速度机电时间常数是当速度达到目标速度的0.632倍时所需时间。8.1机电传动系统的运动学基础292026/6/23机电传动系统的过渡过程

8.1机电传动系统的运动学基础302026/6/23机电传动系统的过渡过程（4）加快机电传动系统过渡过程的方法1.减少系统GD2或J例如：龙门刨床的刨台采用两台电动机同轴运行。

使用小惯量电机2.增加动态转矩Td从电机方面考虑：使用大惯量电动机，但是最大转矩很大从控制系统方面考虑：在过渡过程中，尽可能在最大转矩下运行。Td越大，系统加速度越大，过渡过程时间就短。因此，在过渡过程中，尽可能在最大转矩下运行。但又要保证不超过允许值。

8.1机电传动系统的运动学基础312026/6/23机电传动系统的过渡过程（4）加快机电传动系统过渡过程的方法充满系数：K越接近1越好。如：串多段电阻启动。

8.1机电传动系统的运动学基础322026/6/23练习题1．机电系统稳定运行的必要条件是电动机的输出转矩和负载转矩

a.大小相等b.方向相反c.大小相等，方向相反d.无法确定2.某机电系统中，电动机输出转矩大于负载转矩，则系统正处于

a.加速b.减速c.匀速d.不确定

3.在单轴拖动系统中，已知电动机输出转矩和负载转矩的作用方向与转速的方向相同，则系统正处于

a.加速b.减速c.匀速d.不确定

4．在机电系统中，已知电动机输出转矩小于负载转矩，且电动机的输出转矩作用方向与转速的方向相同，而负载转矩的方向与转速相反，则系统正处于

a.加速b.减速c.匀速d.静止

8.1机电传动系统的运动学基础332026/6/23高起动转矩需求：如起重机、电梯等，需要电机在启动瞬间就能提供巨大的力量，克服静摩擦力。稳定运行需求：如输送带、风机等，要求电机在运行中保持速度的恒定，不受负载微小波动的影响。精准控制和快速响应需求：如机器人、数控机床，负载变化频繁，要求电机响应迅速、控制精准。持续高负载与温升控制需求：长时间在高负载下工作的电机，必须考虑其散热和温升问题，以保证寿命。8.2电动机选择时应考虑的基本因素和问题

8.2.1负载特性对电动机的要求342026/6/238.2电动机选择时应考虑的基本因素和问题

电动机选择的原则（1）电动机的容量（功率、扭矩）电动机容量小：不能充分发挥机械设备的能力；在过载下运行会过早损坏；启动困难，经受不起冲击负载。容量大：设备投资费用增加；轻载下运行，效率和功率因数下降。启动能力：为保证电动机的可靠启动，必须发热：保证电机实际最高温度等于或小于电机绝缘的允许最高温度。

352026/6/238.2电动机选择时应考虑的基本因素和问题

电动机选择的原则过载能力：电动机在运行时必须有一定的过载能力。特别是短期工作时主要考虑它。所选取的电动机的最大转矩或所允许的最大电流，必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩和电流。对于异步电动机：对于直流电动机：

362026/6/238.2电动机选择时应考虑的基本因素和问题

电动机选择的原则（2）不同工作制下的电动机容量的选择连续工作制电动机容量的选择：对于负载恒定时，选择电动机为：对于变动负载时，不能按最大或最小负载功率来选择，而用所谓“等值法”来计算电动机功率。即把实际的变化负载化成一等效的恒定负载（两者的温升相同）来确定电动机的功率。按发热来考虑：电动机的温升取决于热量，是由损耗造成，包括不变的铁耗、机械损耗和可变的铜耗，后者又取决于负载电流和通电时间。

372026/6/238.2电动机选择时应考虑的基本因素和问题

电动机选择的原则（2）不同工作制下的电动机容量的选择其等值电流为：

等效转矩法为：

等效功率法为：

然后选择电动机：

382026/6/238.2电动机选择时应考虑的基本因素和问题

电动机选择的原则

392026/6/238.2电动机选择时应考虑的基本因素和问题

电动机选择的原则

402026/6/23功率过大：造成能源的巨大浪费；增加设备初期购置成本；设备体积过大，占用空间。功率过小：电机效率低下，能耗高；发热严重，易烧毁电机；存在严重的安全隐患。合理匹配：电机运行在高效区间；节约能源，降低运营成本；延长设备使用寿命。8.2电动机选择时应考虑的基本因素和问题

8.2.2电动机功率与负载需求的匹配关键设计考量需预留10-20%的过载能力以应对突发负载；同时需根据电机工作制（连续/间歇）进行综合选型。412026/6/238.2电动机选择时应考虑的基本因素和问题

8.2.3输出参数选择与工作环境条件核心输出参数匹配转速匹配：根据设备运行需求选择额定转速，过高或过低都会降低系统整体效率，需确保与负载特性一致。扭矩匹配：必须覆盖负载在各个工况下的扭矩需求，确保电机有足够的“力气”应对峰值负载，避免堵转或失速。环境适应性与防护温度环境：高温影响绝缘寿命，需选用耐高温或带冷却系统的电机。湿度与腐蚀：潮湿或腐蚀环境需选择高防护等级（如IP65+）以防止损坏。防护等级(IP)：决定电机在尘埃、水汽环境下的耐受性，是选型的关键标准。422026/6/238.2电动机选择时应考虑的基本因素和问题

8.2.4节能与效率、可靠性与维护节能与效率：降低长期运营成本高效能电机是大势所趋，能显著降低长期运行的能源成本，提升能效比。高效率意味着更低的热量产生，有助于降低冷却系统负担，延长电机及周边部件寿命。可靠性与维护：保障设备稼动率电机可靠性决定设备稼动率，需优先选择质量可靠的品牌，结构简单、易损件通用。制定定期维护计划（如润滑、清洁）是保证电机长期可靠运行的关键。432026/6/238.3如何选择电动机类型

8.3.1初学者学习掌握电动机类型选择的基本途径1.学习基础知识深入理解不同类型电机的工作原理、特点和适用场景，构建扎实的理论框架。2.积累实践经验在实际项目中尝试选型，勇于试错，从每一次的成功和失败中总结宝贵的经验教训。3.咨询专业人士不要闭门造车，积极向有经验的同事或行业专家请教，获取一手的实战建议。4.参考案例文献研读已有的成功案例和技术文献，了解不同电机在各领域的实际应用情况。5.多方比较选型从性能、成本、可靠性、维护等多个维度综合比较，权衡利弊后再做决定。6.技术交流参加行业会议、研讨会，与同行交流，更快地了解和应对设计挑战。442026/6/238.3如何选择电动机类型

8.3.2基于电动机的特点及其应用场景实施选型直流电动机(DCMotor)核心特点：控制性能优异，调速范围宽，可实现精准的速度和位置控制。典型应用：自动化设备（机械臂）、家用电器（洗衣机）、电动车等对控制要求高的场合。交流电动机(ACMotor)核心特点：结构相对简单，制造成本低，运行可靠，维护方便。典型应用：工业领域主力军，广泛用于压缩机、泵、风机、输送带等通用机械。452026/6/238.3如何选择电动机类型

8.3.2基于电动机的特点及其应用场景实施选型直流伺服电动机追求极致的高精度和快速响应，是CNC机床、机器人、半导体制造设备的核心动力。无刷直流电动机结合直流电机控制性能与交流电机长寿命优点，高效节能，广泛应用于家电、电动工具及电动汽车。线性电动机直接产生直线运动，无需传动机构。适用于高速列车、数控机床等需要高精度、高速度直线运动的场合。462026/6/238.3如何选择电动机类型

8.3.3善用厂家资源，紧跟行业趋势利用电动机生产厂家资源研读手册与指南仔细阅读产品手册和应用指南，获取专业选型建议与典型应用案例，作为决策参考采纳行业专用方案优先选择针对