电动机基本知识介绍

电动机的工作原理

转子绕组感应电流
三相定子绕组接上三相交流电压后，会产生一旋转磁场，用n1的箭头表示旋转磁场的转向。转子导体切割旋转磁场因而在导体中产生感应电势，感应电势方向可由右手定则决定。由于转子导体呈闭合状态，因而感应电势在线圈中产生感应电流。感应电势和电流的大小与转子导体切割旋转磁场的相对速度有关，当电动机转子静止时，感应电势和电流最大，当转子转动时，相对速度减小，感应电势及电流减小。

旋转磁场与感应电流间相互作用
载有感应电流的转子绕组在旋转磁场中将产生电磁力，根据磁场和电流的方向（假设转子电路是纯电阻性，转子电流和电势同相位），利用左手定则可确定转子导体电磁力F和电磁力矩的方向。

1．电机基本概念介绍：
  1.1电机的基本运行条件：
      1.1.1电机的现场运行条件：
      1)除非另有约定或规定，电机应适合于下列现场运行条件，如有偏差则按1.1.2条件进行修正
      2)海拔：应不超过1000m
      3)最高环境温度：应不超过40℃
      4)最低环境温度：对于任何电机应不低于-15℃，但在下述电机不低于0℃:
      A)额定输出功率>3300KW(KVA)/1000r/min；
      B)额定输出功率<0.6KW(KVA) ；
      C)带换向器；
      D)带滑动轴承；
      E)以水作为冷却介质的。
      5)对于水冷电机或空水冷却的电机：冷却水温在+5℃～+25℃,特殊情况下最高不超过33℃；
      1.1.2电气运行条件：
       1）电源：三相50Hz或60Hz交流电机的电压应符合GB156《标准电压》所规定的标称电压。选用电机的额定电压时，应考虑配电系统与用电系统两者电压的差别。对静止变流电源供电的交流电动机，电压、频率和波形的规定均不使用，额定电压应按协议规定。
      2)电压和电流的波形和对称性：对用于由交流发电机供电，频率为固定的电源上的交流电动机，供电电压谐波压因数(HVF)应不超过以下0.02。
  HVF=(ΣU2n/n)1/2
  UN——谐波电压的标么值
  N——谐波次数(5、7、11、13)。
   三相交流电动机在三相电压系统的电压负序分量不超过正序分量的1%(长期运行)，或不超过1.5%(不超过几分钟的短时运行)且零序分量不超过正序分量1%的条件下运行。
   即使HVF和负序分量和零序分量的限值在电机额定负载运行时同时发生，也不应导致在电机中产生任何有害的温度。建议其温升或温度允许超过本标准规定限值，但不能超过10K。
      3)运行期间电压和频率的变化：对用于由交流发电机供电(无论是地区供电或经电网)，且频率为固定的电源上的交流电机，电压和频率的综合变化分为A和B两个区
   电机应能在区域A内连续运行，并实现规定的基本功能(对电动机应能输出额定转距)，但其性能不必与额定电压和频率时的性能完全符合，可能呈现某些差异，温升可较额定电压和频率时高。
   电机应能在区域B内运行，并实现其基本功能，但其性能与额定电压和频率时的差异，将大于区域A内运行的电机，温升可较额定电压和频率时高，并很可能高于区域A。不推荐在区域B的边界上持续运行。
       A)在实际使用和运行条件下，有时要求电机在区域A的边界之外运行，但应在数值、持续时间及发生频度等方面加以限制。若有可能，应在合理的时间内采取校正措施，例如降低输出，这种措施可以避免应温度影响而缩短电机的寿命。
       B)本标准规定的温升或温度限值仅使用于定额运行点。当运行点逐步偏离定额点时，则电机的温升或温度可能逐步超起限值。如电机在区域A的边界上运行，温升或温度可能超过本标准规定的限值约达10K。
      C)交流电动机只要其起动转矩与负载阻力矩3匹配，可以在较低的电压限值下起动，但此不属本条款的要求。
      D)运行在不接地系统的三相交流电机，三相交流电机应能在中点为接地电位或接近接地电位的情况下连续运行。
   三相交流电动机也可能在不接地系统中一线处于地地位的情况下偶然短时(例如排除故障所需的时间)运行。如果要求电机在这种情况下连续运行或长期运行，则需要加强电机绝缘，使之能适应这种条件，并在使用说明中加以说明。
   注：未经向制造厂咨询，不允许将电机的中点相互连接或接地，因为在某些运行条件下这将会产生各种频率零序电流的危险，以及在线端至中点发生故障时，可能是绕组受到机械损伤。
      1.1.3现场运行条件偏离的修正：
  当现场运行条件(主要是最高环境温度、海拔高度)与规定发生偏离时，一般电机需要降低输出功率(或在订购电机时需要扩大功率)：
      1)海拔高度偏离规定时，其电机实际输出功率与额定功率的比值如下表：
  海拔 1000m 1500m 2000m 2500m 3000m 3500m 4000m
功率比值 1.00 0.97 0.94 0.90 0.86 0.82 0.77
               
               
      2)最高环境温度偏离规定时，其电机实际输出功率与额定功率的比值如下表：
  最高环境温度 30～40℃ 45℃ 50℃ 55℃ 60℃
功率比值 1.00 0.96 0.92 0.87 0.82
           
      3)几个绝缘等级在额定功率时，海拔与最高环境温度变化的关系表：
  海拔
m 绝缘等级
 B F H
 最高环境温度℃
1000 40 40 40
2000 32 30 28
3000 24 19 15
4000 16 9 3
       
  1.2电机的工作制和定额
      1)工作制：
  工作制慢电机所承受的一系列负载状态的说明，包括起动、电制动、空载停机和断能及起持续时间和先后顺序等。工作制可分为连续、短时、周期性或非周期几种类型，计有：
  S1工作制——连续工作制
  S2工作制——连续工作制
  S3工作制——短时工作制
  S4工作制——断续周期工作制
  S5工作制——包括起动的断续周期工作制
  S6工作制——包括电制动的断续周期工作制
  S7工作制——包括电制动的连续周期工作制
  S8工作制——包括负载----转速相应变化的连续工作制
  S9工作制——包括负载和转速相应变化的工作制
  S10工作制——离散恒定负载工作制
   上述各种工作制中，连续工作制是保持在恒定负载下运行至热稳定状态。短时工作制是在恒定负载下按给定的时间运行，电机在该时间内不足以达到热稳定，随之停机和断能，其时间足以使电机再度冷却介质温度之差在2K以内。周期性工作制是按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一种或多种规定了持续时间的恒定负载。非周期工作制是负载和转速在允许的范围内作非周期性变化的工作制。
      2)定额
  定额是指一组额定值和运行条件，定额类别有：
  连续工作制定额——相应于S1工作制
  短时工作制定额——相应于S2工作制
  周期工作制定额——相应于S3～S8工作制
  非周期工作制定额——相应于——工作制
  离散恒定负载工作制定额——相应于S9工作制
  等效负载定额——一种作为试验目的而规定的定额，与S3～S10工作制中的某一工作制等效
  按一般用途制造的电机应具有连续工作制定额，并能以S1工作制运行。
  1.3电机的基本结构和材料
      1)电动机的基本结构：
  电动机一般由以下几部分组成：定子(包括机座、有绕组定子铁芯、出线盒)、转子(包括铸铝转子、轴)、端盖、风扇、风罩。
      2)构成电动机的主要材料：
  构成电动机的主要材料有：硅钢片、漆包线、铝锭、圆钢、生铁、轴承、绝缘材料。
  1.4电机铭牌参数及其含义：
  电动机铭牌一般有以下参数：
      A)电动机品名，如三相交流异步电动机
      B)生产厂名及商标
      C)电动机型号，如Y2 315L1-2(Y2表示异步电动机第二次设计、315表示电动机中心高、L表示铁芯长度、1表示同类长度中不同功率、2表示2极也反映同步转速)；
      D)功率：电动机额定输出功率;
      E)电压：电动机额定电源电压;
      F)电流：电动机输出额定功率时的额定电流;
      G)绝缘等级：表示电动机所用绝缘材料等级;
      H)cosQ：电动机功率因数标准值
      J)转速：电动机输出额定功率时的转速
      L)Hz：电动机额定电源频率
      K)IP：电动机防护等级
      M)CONN：电动机对应额定电源电压下的接法
      N)IM：电动机安装方式
  1.5电动机的主要性能指标：
  电动机的主要性能指标有：效率、功率因数、温升、堵转转矩、堵转电流、最大转矩、最小转矩、噪声、振动，以及其它安全性能指标(如耐压、匝间等)。
      a)效率：电动机输出机械功率与输入电功率之比，通常用百分数表示
      b)功率因数COSφ：电动机输入有效功率与视在功率之比；
      c)堵转电流I1(起动电流Ist)：电动机在额定电压、额定频率和转子堵住时从供电回路输入的最大稳态方均根电流
      d)堵转转矩T1(起动转矩Tst)：电动机在额定电压、额定频率和转子堵住时所产生的转矩的最小测得值
      e)最小转矩Tu(最小转矩Tmin)：电动机在额定电压、额定频率下，在零速与对应于最大转矩的转速之间所产生的稳态异步转矩的最小值。
      f)最大转矩Tb(最小转矩Tmax)：电动机在额定电压、额定频率下所能产生的最大稳态异步转矩。
      g)噪声：电动机在空载稳态运行时A计权声功率级(dB(A)),以及在额定负载运行时超过空载运行的噪声场功率级增量。
      h)振动：电动机在空载稳态运行时振动速率有效值(mm/s)

三相异步电动机的铭牌
1、型号
Y—112M—4
Y——异步电动机
112——中心高度（毫米）
M——机座类别（L长机座、M 中机座、S短机座）
4——磁极数
2、额定功率PN 指电动机在额定运行状态下运行时电动机轴上输出的机械功率，瓦或千瓦。
UN1、IN1、hN、cosjN分别为电动机额定的线电压、线电流、效率、功率因数。
3、额定电压UN1 指电动机在额定运行状态下运行时定子绕组所加的线电压，单位为V或KV。
4、额定电流IN1 指电动机加额定电压、输出额定功率时，流入定子绕组中的线电流，单位为A。
5、额定转速nN 指电动机在额定运行状态下运行时转子的转速，单位为r/min.
6、额定频率fN 规定工频为50HZ。
7、额定功率因数cosjN 指电动机在额定运行状态下运行时定子边的功率因数。
8、接法 指电动机定子三相绕组与交流电源的联接方法。
9、防护等级 指电动机外壳防护的型式。

电动机电压等级的选择

我国工业用三相交流电的频率为50HZ，而电压等级一般分为：127V、220V、380V、660V、1140V、6000V、10000V等几个等级。根据GB755的推荐，一般来说，对于380V电压，由于电机电流的限制上限功率为1000KW；而对于6000V和10KV电机，下限功率等级为160KW。

电动机的结构

定子
异步电动机的定子主要由定子铁心、定子绕组和机座等部分组成。
定子铁心是电机磁路的一部分。为了减少涡流损耗，定子铁心由硅钢片叠成，硅钢片两面涂有绝缘漆作为片间绝缘，该组件靠护板和端压件保持压力成形。组件中还有分隔片，把该组件分成几部分，以形成冷却通道。大型电机的铁心沿长度方向被通风井分成数段，两段铁心间的径向通风道宽约10mm。小型电机的铁心长度较短，散热较容易，不需要径向通风沟。定子铁心硅钢片叠装压紧后，用压圈和扣片固紧为一个整体的铁心，固定在机座内。
绕组用高导电性的材料制成。单根导体的横截面很小，以使得槽内导体的附加损耗降到最小。每相的电源线引至端子箱，三相形成的中性点也引到端子箱。
电动机的结构
转子
异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子的磁路也是由低损耗硅钢片，经抛光、叠压，留出冷却通道，靠两端的端压件通过压制而成。
转轴穿过铁心，并通过键将其固定在铁心中。转轴是钢制的，有很高的机械强度，一端设计成与被驱动的设备相连，另一端则可设计成安装驱动一些可能有的辅件，如冷却风扇。
空气隙
异步电动机的空气隙对其性能的影响很大，因为异步电动机的电流是由电网供给的，空气隙越大，磁路的磁阻越大，励磁电流就越大。由于励磁电流是无功性质的，所以空气隙越大，电机的功率因数就越低。为了减小励磁电流以提高功率因数，空气隙应尽可能小。
电动机的结构
冷却：空气冷却、水冷却、空气/空气冷却电动机、空气/水冷却电动机
转向
所有电动机都是一个旋转方向，当观察者面对单轴端或大轴端时是顺时针方向。该旋转方向通常在工厂的图纸中给出，或在电机壳上用箭头标出。
电机可承受2秒钟的120%超速。
温度探头
定子绕组中装有电阻式温度探头。这种探头共有三个，每相一个，均匀分布安装在定子圆周上的槽内。探头的位置应该是位于估计的定子绕组中温度最高处。
所有的轴承和刹车装置的温度探测点都应设计成能探测到滚动轴承外圈上或轴瓦抗摩擦金属面上最热点的温度。
热电式温度测量热电偶的连接、安装、拆卸应无需电动机处于静止状态，也无需拆卸电动机的其它部件。
电动机的结构
端子箱
电动机是由连接到接线箱的中压绝缘电缆供电的，同时电动机还装有温度测量电缆，它与动力电缆接线箱分开。
接线箱的基座是可移动的，留有不钻孔的接线排，直到现场安装电缆法兰时才钻孔。
电源端子箱
高压大容量电动机的定子绕组接线一般接成星形，中性点在电机座内接好，只将三个绕组的三个端头引出接在接线盒内。低压小容量电机一般将三相绕组六个端头引出到两个接线盒内（相线盒和中性线盒），根据需要可接成△形或Y形。
电动机的中性点就在中性线盒内形成。接线盒应有一个或几个开口，以保证盒内的通风和凝结水的排出。
测量端子箱
该端子箱用来连接绕组温度探头，每个探头引出三个端子，共九个端子，再加一个接地端子。
用于探测轴承温度的热电偶高温探头将直接接出去，端子箱内无需留其位置。

防护型式IPXX （GB/T 4208-1993 外壳防护分级（IP代码）
防护标志由字母IP和两个表示防护等级的表征数字组成。第一位数字表示：防止人体触及或接近壳内带电部分及壳内转动部件，以及防止固体防异物进入电机。第二位数字表示：防止由于电机进水而引起的有害影响。
第一位表征数字含义
0 无防护电机
1 防止>φ50mm固体进入壳内
2 防止>φ12mm固体进入壳内
3 防止>φ2.5mm固体进入壳内
4 防止>φ1mm固体进入壳内
5 防尘电机
第二位数字表示：防止由于电机进水而引起的有害影响。
0 无防护电机
1 垂直滴水无有害影响
2 电机从各方向倾斜15度，垂直滴水无有害影响
3 与垂直线成60度角范围内淋水应无有害影响
4 承受任何方向溅水应无有害影响
5 承受任何方向喷水应无有害影响
6 在海浪冲击或强烈喷水时电机的进水量不应达到有害成度
常用电机的防护等级有：
IP23：防止大于2.5 mm固体的进入和与垂线成60°以内角度的淋水对电机应无影响
IP44：防止大于1mm固体的进入和任一方向的溅水对电机应无影响
防爆电机的外壳防护等级不低于IP44
IP54：能防止触及或接近电机带电或转动部件，不完全防止灰尘进入，但进入量不足以影响电机的正常运行和任一方向的溅水对电机应无影响
凡使用于户外的电动机外壳防护等级不低于IP54
IP55：能防止触及或接近电机带电或转动部件，不完全防止灰尘进入，但进入量不足以影响电机的正常运行，和用喷水从任何方向喷向电机时，应无有害影响
粉尘防爆电机的防尘式外壳防护等级不低于IP55，尘密式外壳防护等级不低于IP65。

行星减速机

1.行星减速机是行星齿轮围绕太阳齿轮旋转，从而达到把输入速率降低，增加输出扭矩的目的，行星减速机一般都是伺服马达或步进马达做配套的，通过减速机的减速，来提高伺服马达或步进马达的输出扭矩。
2.应用：
行星减速机广泛应用于机械手臂、印刷机械、输送机、分割器、数控机床、木工机械、光线切割机等，需要把伺服马达放大的地方都可以用到。
3.分类以及优势分析：
行星减速机从安装方式上分为：法兰输出和轴输出两种。
 法兰输出的扭矩大、刚性好，但是价格要贵一些；轴输出的扭矩要比法兰输出小一些，但是轴输出的价格便宜、安装方便。

伺服电机惯量匹配

https://wenku.baidu.com/view/3a2a2c59804d2b160b4ec00c.html

伺服电机惯量问题  在伺服系统选型及调试中，常会碰到惯量问题。
 其具体表现为：

在伺服系统选型时，除考虑电机的扭矩和额定速度等等因素外，我们还需要先计算得知机械系统换算到电机轴的惯量，再根据机械的实际动作要求及加工件质量要求来具体选择具有合适惯量大小的电机；在调试时，正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统最佳效能的前提。此点在要求高速高精度的系统上表现尤为突出，这样，就有了惯量匹配的问题。

 一、什么是“惯量匹配”？

1、根据牛顿第二定律：“进给系统所需力矩T = 系统传动惯量J × 角加速度θ角”。 加速度θ影响系统的动态特性，θ越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应越慢。如果θ变化，则系统反应将忽快忽慢，影响加工精度。由于马达选定后最大输出T值不变，如果希望θ的变化小，则J应该尽量小。 2、进给轴的总惯量“J＝伺服电机的旋转惯性动量JM ＋ 电机轴换算的负载惯性动量JL。负载惯量JL由（以平面金切机床为例）工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到马达轴上的惯量组成。 JM为伺服电机转子惯量，伺服电机选定后，此值就为定值，而JL则随工件等负载改变而变化。如果希望J变化率小些，则最好使JL所占比例小些。这就是通俗意义上的“惯量匹配”。

二、“惯量匹配”如何确定？ 
 传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响。 惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。 
 衡量机械系统的动态特性时，惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越大，马达的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和马达惯量相匹配才行。 不同的机构，对惯量匹配原则有不同的选择，且有不同的作用表现。 不同的机构动作及加工质量要求对JL与JM大小关系有不同的要求，但大多要求JL与JM的比值小于十以内。一句话，惯性匹配的确定需要根据机械的工艺特点及加工质量要求来确定。 对于基础金属切削机床，对于伺服电机来说，一般负载惯量建议应小于电机惯量的5倍。 
 惯量匹配对于电机选型很重要的，同样功率的电机，有些品牌有分轻惯量，中惯量，或大惯量。其实负载惯量最好还是用公式计算出来。常见的形体惯量计算公式在以前学的书里都有现成的（可以去查机械设计手册）。 我们曾经做过一试验，在一伺服电机的轴伸，加一大的惯量盘准备用来做测试，结果是：伺服电机低速时停不住，摇头摆尾，不停地振荡怎么也停不下来。 后来改为：在两个伺服电机的轴伸对接加装联轴器，对其中一个伺服电机通电，作为动力即主动，另一个伺服电机作为从动，即做为一个小负载。原来那个摇头摆尾的伺服电机，启动、运动、停止，运转一切正常！   
 
三、惯量的理论计算的功式？

 惯量计算都有公式，至于多重负载，比如齿轮又带齿轮，或涡轮蜗杆传动，只要分别算出各转动件惯量然后相加即是系统惯量，电机选型时建议根椐不同的电机进行选配。 负载的转动惯量肯定是要设计时通过计算算出来拉，如果没有这个值，电机选型肯定是不那么合理的，或者肯定会有问题的，这是选伺服的最重要的几个参数之一。至于电机惯量，电机样本手册上都有标注。 当然，对某些伺服，可以通过调整伺服的过程测出负载的惯量，作为理论设计中的计算的参考。毕竟在设计阶段，很多类似摩擦系数之类的参数只能根据经验来猜，不可能准确。 理论设计中的计算的公式：（仅供参考） 通常将转动惯量J用飞轮矩GD2来表示，它们之间的关系为

 J=mp^2= GD^2/4g 
 式中 m与G－转动部分的质量（kg）与重量（N）；

 与D－惯性半径与直径（m）；

 g=9.81m/s2 －重力加速度

 飞轮惯量=速度变化率*飞轮距/375

 当然，理论与实际总会有偏差的，有些地区（如在欧洲），一般是采用中间值通过实际测试得到。这样，相对我们的经验公式要准确一些。不过，在目前还是需要计算的，也有固定公式可以去查机械设计手册的。

 四、关于摩擦系数？

关于摩擦系数，一般电机选择只是考虑一个系数加到计算过程中，在电机调整时通常都不会考虑。不过，如果这个因素很大，或者讲，足以影响电机调整，有些日系通用伺服，据称有一个参数是用来专门测试的，至于是否好用，本人没有用过，估计应该是好用的。 有网友发贴说，曾有人发生过这样的情况：设计时照搬国外的机器，机械部分号称一样，电机功率放大了50%选型，可是电机转不动。因为样机的机械加工、装配的精度太差，负载惯量是差不多，可摩擦阻力相差太多了，对具体工况考虑不周。 当然，黏性阻尼和摩擦系数不是同一个问题。 摩擦系数是不变值，这点可以通过电机功率给予补偿，但黏性阻尼是变值，通过增大电机功率当然可以缓解，但其实是不合理的。况且没有设计依据，这个最好是在机械状态上解决，没有好的机械状态，伺服调整完全是一句空话。 还有，黏性阻尼跟机械结构设计、加工、装配等相关，这些在选型时是必须考虑的。而且跟摩擦系数也是息息相关的，正是因为加工水平不够才造成的摩擦系数不定，不同点相差较大，甚至技术工人装配水平的差异也会导致很大的差异，这些在电机选型时必须要考虑的。这样，才会有保险系数，当然归根结底还是电机功率的问题。
 五、惯量的理论计算后，微调修正的简单化

 可能有些朋友觉的：太复杂了！ 实际情况是，某品牌的产品各种各样的参数已经确定，在满足功率，转矩，转速的条件下，产品型号已经确定，如果惯量仍然不能满足，能否将功率提高一档来满足惯量的要求？

答案是：功率提高可以带动加速度提高的话，应是可以的。

 六、伺服电机选型
在选择好机械传动方案以后，就必须对伺服电机的型号和大小进行选择和确认。
（1）选型条件：一般情况下，选择伺服电机需满足下列情况：
  1.马达最大转速＞系统所需之最高移动转速。
  2.马达的转子惯量与负载惯量相匹配。
3连续负载工作扭力≤马达额定扭力
4.马达最大输出扭力＞系统所需最大扭力（加速时扭力）
（2）选型计算：
1. 惯量匹配计算（JL/JM）
2. 回转速度计算（负载端转速，马达端转速）
3. 负载扭矩计算（连续负载工作扭矩，加速时扭矩）