【设计基础】电机选型参数、原理和方法
电动机的发热和冷却
1.电动机的发热过程
电动机在运行过程中, 由于总损耗转换的热量不断产生, 电动机温度升高, 就有了温升, 电动机就要向周围散热。温升越高,散热越快。当单位时间发出的热量等于散出的热量时, 电动机温度不再升高, 而保持一个稳定不变的温升, 即处于发热与散热平衡的状态。此过程是升高的热过渡过程, 称为发热。
由于电动机发热的具体情况比较复杂, 为了研究分析方便, 假设电动机长期运行, 负载不变, 总损耗不变, 电动机本身各部分温度均匀, 周围环境温度不变。
2、电动机的冷却过程
对负载运行的电动机, 在温升稳定以后, 如果使其负载减小或使其停车, 那么电动机内的总损耗及单位时间的发热量 Q 都将随之减小或不再继续产生。这样就使发热少于散热, 破坏了热平衡状态, 电动机的温度下降,温升降低。
在降温过程中,随着温升的降低, 单位时间散热量 也减小。当发热量等于散热量时,电动机不再继续降温,其温升又稳定在一个新的数值上。在停车时,温升将降为零。温升下降的过程称为冷却。
电动机容量的选择方法
选择电动机的容量较为繁琐,不仅需要一定的理论分析计算, 还需要经过校验。其基本步骤是：根据生产机械负载提供的负载图 PL= f ( t )及温升曲线τ= f ( t ) , 并考虑电动机的过载能力, 预选一台电动机, 然后根据负载图进行发热校验, 将校验结果与预选电动机的参数进行比较, 若发现预选电动机的容量太大或太小, 再重新选择, 直到其容量得到充分利用, 最后再校验其过载能力与启动转矩是否满足要求。
电动机种类、型式、电压、转速的选择
1.电动机种类的选择
选择电动机种类的原则是在满足生产机械技术性能的前提下,优先选用结构简单、 工作可靠、 价格便宜、 维修方便、 运行经济的电动机。从这个意义上看, 交流电动机优于直流电动机, 异步电动机优于同步电动机, 笼型异步电动机优于绕线转子异步电动机。
当生产机械负载平稳, 对启动、 制动及调速性能要求不高时, 应优先采用异步电动机。例如普通机床、水泵、 风机等可选用普通笼型异步电动机。像空压机、 皮带运输机等要求电动机有较好的启动性能, 则可选用深槽式或双笼型异步电动机。而像电梯、 桥式起重机一类提升机械, 启、制动频繁, 对电动机的启动、制动、调速有一定要求时, 应选用绕线转子异步电动机。对于功率较大而又不需调速的生产机械, 如大功率水泵、 空压机等, 为了提高电网的功率因数, 可选用同步电动机。
调速范围要求不大, 并可由机械变速箱配合的生产机械, 如普通机床、 锅炉引风机等, 可选用多速笼型异步电动机。
调速范围要求较大, 且需要平滑调速的生产机械,如轧钢机、龙门刨床、大型精密机床、造纸机等, 应选用他励直流电动机或采用变频调速的笼型异步电动机。
要求启动转矩大、机械特性软的生产机械,如电车、电机车、重型起重机、挖掘机、便携工具等, 一般应选用串励或复励直流电动机。如有易燃、易爆气体的矿井等特殊场所, 不能使用直流电动机, 而应采用异步电动机和同步电动机。
随着交流变频调速技术的发展, 交流电动机的应用将越来越广泛, 正逐渐取代直流电动机。
2、电动机电压等级的选择
交流电动机额定电压的选择主要按使用场所的供电电压等级选择。一般低压电网为380 V，因此中小型三相异步电动机的额定电压大多为380 V(Y或△形法),220/380 V（△/Y形接法)和380/660 V（△/Y形接法）。单相异步电动机的额定电压多采用220 V, 矿山及钢铁企业的大型设备用大功率电动机, 可采用高压电动机, 这样既减小了电动机的体积, 又节约了铜线的用量。
直流电动机的额定电压也要与电源电压相配合。由直流发电机供电的直流电动机额定电压一般为110 V或220 V。大功率电动机可提高到 600～1000 V, 当电网电压为 380 V, 直流电动机由晶闸管整流电路供电时, 采用三相整流可选额定电压为 440 V, 单相整流可选额定电压为160 V或180 V。
3、电动机额定转速的选择
电动机的额定转速是根据生产机械传动系统的要求来选择的。在一定功率时, 电动机的额定转速越高,其体积越小, 重量越轻, 价格越低, 运行的效率越高, 电动机的飞轮矩越小, 因此选用高速电动机较经济。但是, 若生产机械要求的转速低, 如果选择高速电动机, 则会使传动机构复杂。
对于经常启动、制动、反转的生产机械, 若过渡过程时间对生产效率有较大影响, 则应以 GD2 · nN 为最小来选择电动机的额定转速。若过渡过程时间对生产效率影响不大, 则应以过渡过程中能量损耗最小来选择电动机的额定转速。
4、电动机结构形式的选择
电动机的结构形式有开启式、防护式、封闭式和防爆式四种。为使电动机能正常工作于不同环境下, 必须根据工作环境条件来选择电动机的防护形式, 以保护电动机长期工作而不被损坏。
(1)开启式
开启式电动机的价格便宜, 散热条件较好, 但由于转子和绕组暴露在空气中, 容易被水汽、 灰尘、 铁屑、油污等侵蚀,影响电动机的正常工作及使用寿命。因此, 它只能用于干燥、灰尘很少又无腐蚀性和爆炸性气体的环境。
(2) 防护式
防护式电动机一般可防止水滴、铁屑等外界杂物落入电动机内部, 但不能防止潮气及灰尘的侵入。它只适用于较干燥且灰尘不多又无腐蚀性和爆炸性气体的工作环境。这种电动机的通风散热条件也较好。
(3)封闭式
封闭式电动机有自冷式、强迫通风式和密闭式三种。自冷式电动机一般自带风扇, 自冷式和强迫通风式电动机能防止任何方向的水滴或杂物侵入电动机, 潮湿空气和灰尘也不易侵入, 因此适用于潮湿、多尘、易受风雨侵蚀, 有腐蚀性气体等较恶劣的工作环境, 应用较普遍。而密闭式电动机, 则适用于浸入液体中的生产机械, 如潜水泵等。
(4)防爆式
防爆式电动机是在密封结构的基础上制成隔爆型、增安型和正压型等, 适用于有爆炸危险的工作环境, 如矿井、油库、煤气站等场所。
此外, 对于湿热地带、高海拔地带及船舶等用电动机, 还应选具有特殊防护要求的电动机。
电动机的温升和绝缘
提电动机在负载运行时, 其内部总损耗转变为热能使电动机温度升高。而电动机中耐热差的是绝缘材料,若电动机的负载太大, 损耗太大而使温度超过绝缘材料允许的限度时, 绝缘材料的寿命就急剧缩短, 严重时会使绝缘遭到破坏, 电动机冒烟而烧毁。这个温度限度称为绝缘材料的允许温度。由此可见, 绝缘材料的允许温度就是电动机的允许温度；绝缘材料的寿命就是电动机的寿命。