電機(jī)的分類(lèi)和選型

一、所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載類(lèi)型

這個(gè)得反過(guò)來(lái)從電機(jī)特點(diǎn)說(shuō)。電機(jī)可以簡(jiǎn)單劃分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，交流又分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。

1、直流電機(jī)

直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以方便地通過(guò)改變電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并可以提供較大的轉(zhuǎn)矩。適用于需要頻繁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的負(fù)載，如鋼廠的軋機(jī)，礦山的提升機(jī)等。但現(xiàn)在隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)也可以通過(guò)改變頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。不過(guò)雖然變頻電機(jī)價(jià)格比普通電機(jī)貴不了多少，但變頻器價(jià)格在整套設(shè)備中占據(jù)主要部分，所以直流電機(jī)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是便宜。

直流電機(jī)的缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，任何設(shè)備只要結(jié)構(gòu)復(fù)雜，必然導(dǎo)致故障率增加。直流電機(jī)相比于交流電機(jī)，除了繞組復(fù)雜（勵(lì)磁繞組、換向極繞組、補(bǔ)償繞組、電樞繞組），還增加了滑環(huán)、電刷和換向器。不僅對(duì)制造商的工藝要求高，而且后期維護(hù)成本也相對(duì)較高。因此直流電機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中是處在一個(gè)逐漸沒(méi)落但過(guò)渡階段仍有用武之地的尷尬境地。如果用戶(hù)資金比較充裕的話(huà)，建議選擇交流電機(jī)配變頻器的方案，畢竟使用變頻器也帶來(lái)很多好處，這個(gè)不細(xì)說(shuō)了。

2、異步電機(jī)

異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，維護(hù)方便，價(jià)格便宜。且制造工藝上也是最簡(jiǎn)單的，曾聽(tīng)車(chē)間的老技師說(shuō)過(guò)，裝配一臺(tái)直流電機(jī)的所用工時(shí)，可以完成差不多功率的兩臺(tái)同步電機(jī)或者四臺(tái)異步電機(jī)，由此可見(jiàn)一斑。因此異步電機(jī)在工業(yè)中得到了最廣泛的應(yīng)用。

異步電機(jī)又分為鼠籠型電機(jī)和繞線型電機(jī)，其區(qū)別在于轉(zhuǎn)子。鼠籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子由金屬條制成，銅制或鋁制。鋁的價(jià)格比較低，我國(guó)又是鋁礦大國(guó)，在要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。但銅的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能都好于鋁，就我所接觸的絕大部分都是銅制轉(zhuǎn)子。鼠籠型電機(jī)在工藝上解決了斷排的問(wèn)題后，可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)繞組型轉(zhuǎn)子的電機(jī)。而其缺點(diǎn)在于，金屬轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)中切割磁感線獲得的轉(zhuǎn)矩較小，且起動(dòng)電流較大，對(duì)起動(dòng)力矩要求較大的負(fù)載難以勝任。盡管增加電機(jī)鐵心長(zhǎng)度可以獲得更多的轉(zhuǎn)矩，但力度十分有限。繞線型電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)通過(guò)滑環(huán)給轉(zhuǎn)子繞組通電，形成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，與旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此獲得轉(zhuǎn)矩更大。且在啟動(dòng)過(guò)程中串聯(lián)水電阻來(lái)降低啟動(dòng)電流，水電阻由成熟的電控裝置控制隨啟動(dòng)過(guò)程改變阻值。適用于軋機(jī)、提升機(jī)等負(fù)載。由于繞線型異步電機(jī)相對(duì)鼠籠型電機(jī)增加了滑環(huán)、水電阻等，在整體設(shè)備價(jià)格上有一定提高。其與直流電機(jī)相比，調(diào)速范圍較為狹窄且轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小，相應(yīng)價(jià)值也低。

然而異步電機(jī)由于給定子繞組通電建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而繞組屬于電感性元件不做功，要從電網(wǎng)中吸收無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)沖擊很大。直觀體驗(yàn)有大功率電感性電器接入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)電壓下降，電燈亮度一下都降低。因此供電局對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的使用會(huì)有所限制，這也是很多工廠必須考慮的地方。部分用電大戶(hù)如鋼廠、鋁廠等，選擇建立自備電廠，形成自己獨(dú)立的電網(wǎng)，以減免對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的使用限制。所以異步電動(dòng)機(jī)如果要滿(mǎn)足大功率負(fù)載使用，需配備無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，而同步電動(dòng)機(jī)則可通過(guò)勵(lì)磁裝置向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，功率越大同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)就越明顯，由此產(chǎn)生了同步電動(dòng)機(jī)的舞臺(tái)。

3、同步電動(dòng)機(jī)

同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)除了過(guò)勵(lì)狀態(tài)可以補(bǔ)償無(wú)功功率外，還包括1）同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?lài)?yán)格遵守n=60f/p，可以精確控制轉(zhuǎn)速；2）運(yùn)行穩(wěn)定性高，當(dāng)電網(wǎng)電壓突然下降，其勵(lì)磁系統(tǒng)一般會(huì)強(qiáng)行勵(lì)磁，保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩（與電壓平方成正比）則會(huì)大幅下降；3）過(guò)載能力比相應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)大；4）運(yùn)行效率高，尤其是低速同步電動(dòng)機(jī)。

同步電動(dòng)機(jī)無(wú)法直接啟動(dòng)，需要異步啟動(dòng)或變頻啟動(dòng)。異步啟動(dòng)指同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子上裝有類(lèi)似于異步電機(jī)籠式繞組的啟動(dòng)繞組，在勵(lì)磁回路中串接約為勵(lì)磁繞組電阻值10倍的附加電阻來(lái)構(gòu)成閉合電路，把同步電動(dòng)機(jī)的定子直接接入電網(wǎng)，使之按異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到亞同步轉(zhuǎn)速（95%）時(shí)，再切除附加電阻的啟動(dòng)方式；變頻啟動(dòng)不多贅述。所以同步電動(dòng)機(jī)缺點(diǎn)之一是需要為啟動(dòng)增加額外的設(shè)備裝置。

同步電機(jī)是靠勵(lì)磁電流運(yùn)行的，如果沒(méi)有勵(lì)磁，電機(jī)就是異步的。勵(lì)磁是加在轉(zhuǎn)子上的直流系統(tǒng)，它的旋轉(zhuǎn)速度和極性與定子是一致的，如果勵(lì)磁出現(xiàn)問(wèn)題，電動(dòng)機(jī)就會(huì)失步，調(diào)整不過(guò)來(lái)，觸發(fā)保護(hù)“勵(lì)磁故障”電動(dòng)機(jī)跳閘。所以同步電動(dòng)機(jī)缺點(diǎn)之二是需要增加勵(lì)磁裝置，以前是由直流機(jī)直接供給，現(xiàn)在大多由可控硅整流供給。還是那句老話(huà)，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、設(shè)備裝置越多，故障點(diǎn)就越多，故障率越高。

（同步電機(jī)參考資料：百度文庫(kù)>專(zhuān)業(yè)資料>工程科技>電力/水利《同步電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)》）

根據(jù)同步電機(jī)的性能特點(diǎn)，其應(yīng)用主要在提升機(jī)、磨機(jī)、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、軋機(jī)、水泵等負(fù)載上。

綜上所述，選擇電動(dòng)機(jī)的原則是電動(dòng)機(jī)性能滿(mǎn)足生產(chǎn)機(jī)械要求的前提下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、工作可靠、維護(hù)方便的電動(dòng)機(jī)。在這方面交流電動(dòng)機(jī)優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī)，交流異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)于交流同步電動(dòng)機(jī)，鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)于繞線型異步電動(dòng)機(jī)。

負(fù)載平穩(wěn)，對(duì)起、制動(dòng)無(wú)特殊要求的連續(xù)運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械，宜優(yōu)先選用普通鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，其廣泛用于機(jī)械、水泵、風(fēng)機(jī)等。

起動(dòng)、制動(dòng)比較頻繁，要求有較大的起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械，如橋式起重機(jī)、礦井提升機(jī)、空氣壓縮機(jī)、不可逆軋鋼機(jī)等，應(yīng)采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)。

無(wú)調(diào)速要求，需要轉(zhuǎn)速恒定或要求改善功率因數(shù)的場(chǎng)合，應(yīng)采用同步電動(dòng)機(jī)，例如中、大容量的水泵，空氣壓縮機(jī)、提升機(jī)、磨機(jī)等。

調(diào)速范圍要求在1∶3以上，且需連續(xù)穩(wěn)定平滑調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，宜采用他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)或用變頻調(diào)速的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)或同步電機(jī)，例如大型精密機(jī)床、龍門(mén)刨床、軋鋼機(jī)、提升機(jī)等。

要求起動(dòng)轉(zhuǎn)距大，機(jī)械特性軟的生產(chǎn)機(jī)械，使用串勵(lì)或復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，例如電車(chē)、電機(jī)車(chē)、重型起重機(jī)等。

二、額定功率

電動(dòng)機(jī)的額定功率是指輸出功率，即軸功率，也稱(chēng)容量大小，是電動(dòng)機(jī)標(biāo)志性參數(shù)。常有人問(wèn)電機(jī)多大的，一般不是指電機(jī)的尺寸大小，而是指額定功率。它是量化電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載能力的最重要的指標(biāo)，也是電機(jī)選型時(shí)必須提供的參數(shù)要求。

（為額定功率，為額定電壓，為額定電流，cosθ為功率因素，η為效率）

正確選擇電動(dòng)機(jī)容量的原則，應(yīng)在電動(dòng)機(jī)能夠勝任生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載要求的前提下，最經(jīng)濟(jì)最合理地決定電動(dòng)機(jī)的功率。若功率選得過(guò)大，設(shè)備投資增大，造成浪費(fèi)，且電動(dòng)機(jī)經(jīng)常欠載運(yùn)行，效率及交流電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)較低；反之，若功率選得過(guò)小，電動(dòng)機(jī)將過(guò)載運(yùn)行，造成電動(dòng)機(jī)過(guò)早損壞。

決定電動(dòng)機(jī)主要功率的因素有三個(gè)：

1）電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與溫升，這是決定電動(dòng)機(jī)功率的最主要因素；2）允許短時(shí)過(guò)載能力；3）對(duì)異步鼠籠型電動(dòng)機(jī)還要考慮起動(dòng)能力。

首先具體生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)其發(fā)熱、溫升及其負(fù)載要求，計(jì)算并選擇負(fù)載功率，電動(dòng)機(jī)再根據(jù)負(fù)載功率、工作制、過(guò)載要求預(yù)選額定功率。電動(dòng)機(jī)的額定功率預(yù)選好后，還要進(jìn)行發(fā)熱、過(guò)載能力及必要時(shí)的起動(dòng)能力校驗(yàn)。若其中有一項(xiàng)不合格，須重新選擇電動(dòng)機(jī)，再進(jìn)行校核，直到各項(xiàng)都合格為止。因此工作制也是必要提供的要求之一，若無(wú)要求則默認(rèn)按最常規(guī)的S1工作制處理；有過(guò)載要求的電機(jī)也需要提供過(guò)載倍數(shù)及相應(yīng)運(yùn)行時(shí)間；異步鼠籠型電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)等大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載時(shí)，還需要提供負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及起動(dòng)阻力矩曲線圖來(lái)校核起動(dòng)能力。

以上關(guān)于額定功率的選擇是在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度為40℃前提下進(jìn)行的。若電動(dòng)機(jī)工作的環(huán)境溫度發(fā)生變化，則必須對(duì)電動(dòng)機(jī)的額定功率進(jìn)行修正。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐，在周?chē)h(huán)境溫度不同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率可粗略地按下表相應(yīng)增減。

因此氣候惡劣地區(qū)還需要提供環(huán)境溫度，例如印度，環(huán)境溫度就需要按50℃進(jìn)行校核。此外，高海拔對(duì)電機(jī)功率也會(huì)有影響，海拔越高，電機(jī)溫升越大，輸出功率越小。并且高海拔使用的電機(jī)還需考慮電暈現(xiàn)象的影響。

對(duì)于目前市場(chǎng)上電動(dòng)機(jī)的功率范圍，謹(jǐn)列舉所掌握的本人所在公司業(yè)績(jī)表數(shù)據(jù)以供參考。

直流電機(jī)：ZD9350（磨機(jī)） 9350kW

異步電機(jī)：鼠籠型YGF1120-4（高爐風(fēng)機(jī)） 28000kW

繞線型YRKK1000-6（生料磨機(jī)） 7400kW

同步電機(jī)：TWS36000-4（高爐風(fēng)機(jī)） 36000kW（試驗(yàn)機(jī)組達(dá)到40000kW)

三、額定電壓

電動(dòng)機(jī)的額定電壓，是指在額定工作方式下的線電壓。

電動(dòng)機(jī)的額定電壓的選擇，取決于電力系統(tǒng)對(duì)該企業(yè)的供電電壓和電動(dòng)機(jī)容量的大小。

交流電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)的選擇主要依使用場(chǎng)所供電電壓等級(jí)而定。一般低電壓網(wǎng)為380V，故額定電壓為380V(Y或△接法)、220/380V(△/Y接法)、380/660V(△/Y接法)3種。低壓電機(jī)功率增大到一定程度(如300KW/380V)，電流受到導(dǎo)線承受能力的限制就難以做大，或成本過(guò)高。需要通過(guò)提高電壓實(shí)現(xiàn)大功率輸出。高壓電網(wǎng)供電電壓一般為為6000V或10000V，國(guó)外也有3300V、6600V和11000V的電壓等級(jí)。高壓電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是功率大，承受沖擊能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是慣性大，啟動(dòng)和制動(dòng)都困難。

直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓也要與電源電壓相配合。一般為110V、220V和440V。其中220V為常用電壓等級(jí)，大功率電機(jī)可提高到600～1000V。當(dāng)交流電源為380V，用三相橋式可控硅整流電路供電時(shí)，其直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓應(yīng)選440V，當(dāng)用三相半波可控硅整流電源供電時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓應(yīng)為220V。

四、額定轉(zhuǎn)速

電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，是指在額定工作方式下的轉(zhuǎn)速。

電動(dòng)機(jī)和由它拖動(dòng)的工作機(jī)械都有各自的額定轉(zhuǎn)速。在選擇電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)注意轉(zhuǎn)速不宜選的過(guò)低，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速越低，其級(jí)數(shù)越多，體積就越大，價(jià)格也就越高；同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也不宜選的過(guò)高，因?yàn)檫@樣會(huì)使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，而且難以維護(hù)。

此外功率一定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。

所以啟動(dòng)、制動(dòng)要求不高者可從設(shè)備初始投資、占地面積和維護(hù)費(fèi)用等方面，以幾個(gè)不同的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行全面比較，最后確定額定轉(zhuǎn)速；而經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)及反轉(zhuǎn)，但過(guò)渡過(guò)程持續(xù)時(shí)間對(duì)生產(chǎn)率影響不大者，除考慮初始投資外，主要以過(guò)渡過(guò)程量損耗最小為條件來(lái)選擇轉(zhuǎn)速比及電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。例如提升機(jī)電機(jī)，需要頻繁正反轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)矩很大，轉(zhuǎn)速就很低，電機(jī)體積龐大，價(jià)格昂貴。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，還需考慮電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中都會(huì)發(fā)生振動(dòng)，轉(zhuǎn)子的振幅隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，到某一轉(zhuǎn)速時(shí)振幅達(dá)到最大值（也就是平常所說(shuō)的共振），超過(guò)這一轉(zhuǎn)速后振幅隨轉(zhuǎn)速增大逐漸減少，且穩(wěn)定于某一范圍內(nèi)，這一轉(zhuǎn)子振幅最大的轉(zhuǎn)速稱(chēng)為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。這個(gè)轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)子的固有頻率。當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，接近2倍固有頻率時(shí)振幅又會(huì)增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速等于2倍固有頻率時(shí)稱(chēng)為二階臨界轉(zhuǎn)速 ，依次類(lèi)推有三階、四階等臨界轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子如果在臨界轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)劇烈的振動(dòng)，而且軸的彎曲度明顯增大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行還會(huì)造成軸的嚴(yán)重彎曲變形，甚至折斷。電機(jī)的一階臨界轉(zhuǎn)速一般在1500轉(zhuǎn)/分以上，故而常規(guī)低速電機(jī)一般不考慮臨界轉(zhuǎn)速的影響。反之，對(duì)2極高速電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速接近3000轉(zhuǎn)/分，則需考慮該影響，需避免讓電機(jī)長(zhǎng)期使用在臨界轉(zhuǎn)速范圍。

一般來(lái)說(shuō)，提供了驅(qū)動(dòng)的負(fù)載類(lèi)型、電機(jī)的額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速便可以將電機(jī)大致確定下來(lái)。但如果要最優(yōu)化地滿(mǎn)足負(fù)載要求，這些基本參數(shù)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。還需要提供的參數(shù)包括：頻率，工作制，過(guò)載要求，絕緣等級(jí)，防護(hù)等級(jí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，負(fù)載阻力矩曲線，安裝方式，環(huán)境溫度，海拔高度，戶(hù)外要求等，根據(jù)具體情況提供。