交流电机、异步电机

我公司的交流电机模块化系统提供了数百万种可能的驱动组合。并且在世界范围内这意味着:交流电机满足各能效等级标准,最高达IE4,且功率范围跨度为0.09千瓦 - 225千瓦。配有各种制动器、编码器、插塞接头、强制冷却风扇、特种涂层及表面保护的模块化设计让您有机会选择您的完美电机。

什么是交流电机?

交流电机
交流电机

这组感应机器包括电动机器,其运行模式基于定子和转子之间空气间隙中的一个磁场。这组设备中最为重要、最为常用的机器是鼠笼式异步交流感应电机。其特点如下:

  • 设计简单而坚固
  • 运行可靠性高
  • 运行维护简单
  • 价格低廉

在电气 驱动技术中,一般使用下列电动机:

  • 异步交流电机(鼠笼式转子、滑环式转子、力矩电机)
  • 异步单相交流电机
  • 异步或同步伺服电机
  • 直流电机

由于带有变频器的交流电机提供更好、更简单、维护量更低的速度控制,带滑环的直流和交流电机的相关性越来越低。在驱动工程中,其他类型的交流异步电机无足轻重。因此,此处不再详述。

如果将一台电动机(如交流电机)与一台 减速机进行组合,就得到一台 减速电机。抛开电动机的电气原理不谈,从电动机的机械设计角度来看,电动机在减速机上的安装方式变得尤为重要。本着这一目的,SEW‑EURODRIVE使用经过特殊改造的电机

交流电机是如何工作的?

布局

转子

在转子叠片铁芯的槽中,有一个压入或插入的绕组(例如,由铝和/或铜制成)。该绕组被两端由相同材料制成的环短路。带有短路环的长条让人联想到一个笼子。这是交流电机第二个常用名的由来:“鼠笼式电机。”

定子

用合成树脂封装的绕组插入定子叠片铁芯上的半封闭槽中。线圈的数目和宽度不尽相同,以获得不同的极数(=转速)。叠片铁芯与电机壳共同构成定子。

端罩

端罩由钢、灰口铸铁或压铸铝制成,封住电动机的A侧和B侧。过渡到定子时的构造设计决定了电机的IP防护等级。

转子轴

转子侧叠片铁芯连到一根钢轴上。两个轴端穿过A侧和B侧的端罩。输出轴端安装在A侧(设计为减速电机的一个小齿轮轴端);风扇及其风扇冷却翼和/或机械制动器和编码器等辅助系统安装在B侧。

电机壳

当额定功率为低到中时,电机壳可由压铸铝制成。但是,功率等级高于这些等级的所有电机的外壳由灰口铸铁制成。定子绕组在其中进行端接的一个接线盒连至一个接线排,因为客户端的电气连接附到外壳上。散热片扩大了外壳的表面积,还可促进余热向环境的排放。

风扇、风扇护罩

B侧轴端的一台风扇装有防护罩。该防护罩引导转动时产生的气流通过外壳上的散热片,与转子的转动方向无关。一个可选顶盖可防止(小)件在安装位置垂直时落入风扇罩格栅中。

轴承

A侧和B侧端罩中的轴承通过机械方式将转动件连到固定件上。通常采用深沟球轴承。很少使用圆柱滚子轴承。轴承尺寸取决于有关轴承需要吸收的力和速度。不同类型的密封系统确保轴承中所需的润滑性能保持不变,油和/或油脂不会逸出。

工作原理

定子的对称三相绕组系统连接至具有适当电压和频率的三相电流电力系统。具有相同振幅的正弦电流在三个绕组相中的每一相中流动。各电流暂时互差120°。由于相位在空间上也相差120°,定子建立起一个随着所施加的电压的频率旋转的磁场。

该旋转磁场 – 或简称旋转场 – 在转子绕组或转子条中感应出一个电压。由于绕组被环短路,短路电流产生流动。这些电流与旋转场一起形成力并在转子半径上并产生一个扭矩,此扭矩加快了转子在旋转场方向上的速度。随着转子转速的增加,转子中产生的电压的频率下降。这是因为旋转场速度与转子转速的差变小了。

此时感应电压降低,导致转子笼中的电流减小,从而降低了作用力和扭矩。如果转子的转速与旋转场的速度相同,将会同步旋转,不会感应出电压,并且电机将因而无法产生任何扭矩。但是,轴承中的负载扭矩和摩擦扭矩导致转子速度和旋转场速度之间产生一个差,并且这导致加速扭矩和负载扭矩出现平衡。电机异步运行

此差异的大小随着电机负载的变化而增加或减小,但从不为零, 因为摩擦力始终存在, 即使在空载运行中也是如此。如果负载扭矩超过了电机所能产生的最大加速扭矩,则电机“失速”,进入一个可能导致热损坏的、不允许存在的运行状态。

旋转场速度与功能所需的机械速度之间的相对运动被定义为滑动量“s”,并作为旋转场速度的一个百分比。具有较低额定功率的电机有10%到15%的滑动量。 额定功率较高的电机有2%到5%的滑动量。

运行性能

交流电机由电压供应系统供电并将其转化为机械能 – 即速度和扭矩。如果电机运行时没有损耗,则输出机械功率Pout将与输入电功率 Pin一致。

但是,交流电机中也会出现损耗,只要有能量转化,该损耗就不可避免:载流导体中的热积聚引起的铜损PCu条损PZ具有线频率的叠片铁芯再磁化过程中热积聚所导致的铁损PFe轴承中的摩擦导致的摩擦损失PRb和使用空气进行冷却所导致的空气损失。机器的能效被定义为输出和输入功率的比率。

能效变得越来越重要。

由于法律法规的出台,在过去几年中,使用更高能效水平的电机越来越受到重视。能效等级已在相应的规范性协议中得到定义。制造商已在其技术数据中采用了这些等级。为减少机器造成的显著损失,这对于电动机的设计而言意味着已发生如下改变:

  • 电机绕组中铜的用量增加(PCu
  • 金属板的材质更好(PFe
  • 风扇几何形状得到优化(PRb
  • 轴承得到大力优化

通过记录相对于速度的转矩和电流,可获得交流电机的速度-转矩特性。每次合闸时电机都遵循该特性曲线,直至达到其稳定运行点为止。特性曲线受极数以及转子绕组的设计和材料的影响。对于运行时存在反转矩的驱动(例如起重机)来说,了解这些特性曲线尤为重要。

如果被驱动机器的反转矩高于上拉转矩,则转子转速就会“卡住。”"电机无法再达到其标称运行点(即稳定的热安全运行点)。如果反转矩大于启动转矩,电机甚至会陷入停滞。如果正在运行的驱动过载(例如过载的传送带),其转速随负载的增加而下降。如果反转矩超过极限转矩,电机“失速”并且速度减慢到上拉速度,甚至降到零。所有这些情况都会造成转子和定子中产生极高的电流,这意味着二者升温非常快。如果没有合适的保护装置,该效应可导致电机受到不可挽回的热损伤 - 或“烧毁”。

耐热等级

载有电流的导体中产生的热取决于导体的电阻及所载电流的大小。在反转矩条件下频繁合闸和启动会在交流电机上产生非常大的热负荷。电机的容许生热取决于周围冷却介质(如空气)的温度以及绕组中绝缘材料的热阻。

电机划分为不同的耐热等级(之前被称为“绝缘等级”),耐热等级规定了电机中的最大容许过热温度(IEC 60034)。电机必须能够在额定功率和设计耐热等级条件下在高温下持续运行而不出现损坏。举例来说,冷却液最高温度为40° C时,耐热等级H的最大容许过热温度为180(H)³= 125° C。

可用的运行模式

  • 最简单的运行模式涉及到施加一个恒定的负载转矩。经过一定的时间后,由于在运行点存在持续负载,电机达到其热稳定状态。将该运行称为连续工作S1
  • 短时工作S2中,电机在恒定负载条件下运行一段特定的时间 (tB)。在此期间电机未达到其热稳定状态。此后是一段闲置时间,该时间必须足够长,使电机能够将至冷却液温度。
  • 间歇工作S2中,电机在恒定负载条件下运行一个特定的时间段 (tB)。在此情况下,启动不得影响电机的发热。此后是一段特定的闲置时间(tSt)。在此运行模式下指定相对循环持续时间因数(cdf)。根据IEC 60034-1,cdf指定了一段10分钟(供说明之用)的循环时间(=运行时间+闲置时间)内运行时间的比例。

示例:如果电机以运行四分钟、关闭六分钟的间隔运行,则运行模式S3/40%适用。

什么是开关频率?

容许开关频率指定了电机在一小时内在无热过载的情况下能够合闸的频次。该频率有赖于以下各项:

  • 待加速的质量惯性距
  • “助跑”持续时间
  • 环境温度
  • 循环持续时间因数

可通过下列措施增加电机的容许启动频次:

  • 提高耐热等级
  • 选择大一号的电机
  • 装一个强制冷却风扇
  • 改变减速比从而改变惯性比

什么是变极交流电机?

通过改变极数,交流电机可在不同的速度下运行。通过向定子槽中插入若干绕组或通过逆反绕组各部分中的电流流动方向来获得不同的极数。对于单独绕组的情况,各极数的功率小于同一大小单速电机的功率的一半。

变极交流减速电机用作行走驱动。极数少的电机在运行期间行走速度高。切换到低速绕组以进行定位。由于惯性,电机在切换过程中最初保持高速运转。在此阶段交流电机具有发电机功能并减速。动能转化为电能并反输到供电系统中。切换所产生的大转矩跨步是一个缺点。但是,可以采取适当的电路措施来降低跨步。

当前的低成本变频器技术的发展促进了诸多应用中单速、变频控制电机而非变极电机的使用

单相电机

如果您的应用无需高启动转矩、连到一个单相交流供电系统并且采用相对较低的功率(<= 2.2 kW),那么单相电机是一个不错的选择。典型应用示例包括通风机、泵和压缩机。此处有两处基本设计差异

一方面,经典的异步交流电机仅连接到一个相位和中性导体。使用一个电容器产生相移,以此产生第三相。由于电容器只能产生90°而非120°的相位偏移,这类单相电机的额定功率通常只有交流电机功率的三分之二。

建造单相电机的第二种方式涉及对绕组进行的技术调整。与三相绕组不同的是,仅采用了两相,其中一个为主相,另一个为副相。空间偏移90°的线圈也是由一个暂时偏移90° 的电容器提供电流,产生旋转场。主绕组和副绕组的电流比不平衡,这也通常使电机功率仅达到同尺寸交流电机功率的三分之二。典型的单相运行电机包括电容式电动机、罩极电机和起动电机,不包括电容器。

SEW‑EURODRIVE产品范围包括两类单相电机设计 – DRK..电机。两类电机都由电机内集成的运行电容供电。由于该电容直接装在接线盒内,这就避免了干扰电路。装设运行电容后,在启动时可达到标称转矩的45%到50%左右。

力矩电机

力矩电机是带有鼠笼式转子的经过特别设计的交流电机。其设计额定值使其电流消耗仅足以确保当速度为0时不会导致自身受到无法弥补的热损伤。距离来说,对于开门和定点或者冲压模具中,当达到某个位置并且必须用电动机安全地保持该位置时,这一特点就非常有用。

另一种常见的运行模式是反向电流制动运行:外部负载能够使转子背向旋转场的旋转方向进行转动。旋转场“减慢”速度并吸收系统的可再生能量,该能量输入供电系统中 - 与旋转制动类似但无机械制动工作。

SEW‑EURODRIVE提供 DRM..以及12极力矩电机,该电机的热设计针对长期使用,在闲置状态下具有额定转矩。SEW‑EUODRIVE力矩电机适用于各种不同的要求和速度,并且最多可有三个额定扭矩,具体取决于运行模式。

防爆交流电机

防爆交流电机
防爆交流电机

如果您在有爆炸风险的地区使用电动机(依照欧盟指令 2014/34/EU;ATEX),必须在驱动上采取具体的预防措施。 考虑到这一点,SEW‑EURODRIVE根据使用区域和地区提供不同的设计。

混合电机:同一台电机中的“异步”和“同步”

SEW‑EURODRIVE为直接由供电系统供电且需要同步速度的应用提供LSPM电机系列。LSPM代表“直接启动永磁。”LSPM电机是带有附加永磁体的交流异步电机。该电机异步运行,与工作频率同步,然后在同步模式下运行。开创了应用技术中全新、灵活的应用可能的电机技术

这些 紧凑型混合电机在运行期间无任何转子损耗 并具有高能效的特点。与具有相同功率和能效等级的一系列电机相比,承载LSPM技术的DR..J电机的尺寸要小两级。

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