電機與驅動產品選型秘籍 —— 問題清單
發布時間：2024-08-08 作者：Don Congdon
圖片來源：SEW-EURODRIVE
在選擇驅動產品時，工廠工程師和維護人員時常會感到困惑。了解驅動系統應用對核心部件的要求，以及如何正確地使用選型工具有助于提高效率。
如果一臺電動的工業機器開始運動，那很可能是由一個驅動裝置（例如電子控制的齒輪電機）協調了這種運動。雖然普通齒輪電機已經推動了工業發展一個多世紀，但具有更多功能和更具性價比的電子驅動裝置在短短幾十年內發展迅速。
因此，在選擇驅動產品時，工廠工程師和維護人員可能會感到困難。過去，電機和驅動制造商通過銷售工程師指導這一過程，但現在，許多制造商提供在線選擇工具或智能手機應用作為替代。雖然這肯定會使選擇過程更方便，但如何正確使用這些工具，可能會讓人發愁。
令人欣慰的是，這個問題有一個簡單的解決方案：在使用選型工具之前，先提出正確的問題。深思熟慮地定義問題并整理應用的需求，就能為順利和成功的選擇鋪平道路。
01 驅動系統的構成
驅動系統包含為應用提供動力的所有部件（見圖1），它主要有三個核心部件：齒輪箱、電機和變頻器（VFD）。它可以直接連接到應用，也可以通過其它傳動元件（如皮帶、鏈條或主軸）輸送動力。在任何一種情況下，驅動系統都必須具有適當的耦合和安裝裝置。這包括柔性聯軸器、法蘭、支腳或扭矩臂。
電機可能需要制動器來卸載或將其保持在當前位置。如果應用需要精確的速度控制或精確的定位，則需要電機編碼器。當使用可編程邏輯控制器（PLC）或其它工業控制器來管理應用時，變頻器可能需要合適的現場總線接口或一些額外的輸入和輸出。
▲圖1：驅動系統組成及其一些可選附件。
通過思考以下的一些問題，有助于工程師們深入了解驅動裝置，幫助他們確定主要部件，并梳理出所需的專業配件。這些問題將驅動裝置大致分為機電部件和電子部件。
02 機電部件的核心問題
首先識別應用的運動類型。它是旋轉的還是線性的？對于線性運動，它是水平的、垂直的還是傾斜的？垂直和傾斜應用通常需要制動器，而水平應用可能需要也可能不需要。還要確定動作的占空比。連續工作應用，如簡單的輸送機或鼓風機，可以與普通交流感應電機配合的很好。執行重復任務的循環應用，如包裝機，可以受益于更動態的永磁同步電機。
在考慮應用的運動時，確定預期的負載。除了規格，還需要確定它們是靜態的還是動態的。對于相對靜態的負載，確定應用所需的驅動器規格很簡單。如果負載變化很大或可能突然變化，變頻器需要更大的利用系數。一定要確定應用的加速要求。在循環應用中，電機必須提供足夠的扭矩，以在時間限制內加速負載。永磁同步電機比普通感應電機能更好地處理急劇的加速。
確定應用的速度、扭矩和馬力要求。這有助于確定電機和變速箱的規格。速度和扭矩要求也決定了適當的變速箱傳動比。確定變頻器如何連接到應用。列出適當的細節，比如軸的直徑、法蘭、地腳以及聯軸器類型。最后，如果應用需要制動器，確定所需的制動扭矩。
近年來，由于能源成本上升以及法規要求適用更高效的電機，應用效率變得越來越重要。您已經回答過的問題可能會將選擇工具引導至特定的電機效率等級。例如，連續工作應用需要超高效（IE3）的電機。
采用特定類型的變速箱和安裝位置，您可以進一步提高效率?；谛饼X輪或錐齒輪的齒輪箱，往往比包含蝸輪的齒輪箱效率高得多，因此在效率至關重要時，它們是首選。
同樣，齒輪箱的安裝位置也會影響效率，因為位置決定了軸承座必須包含多少油以保持齒輪級潤滑。垂直安裝位置通常需要更多的潤滑劑，這會導致齒輪在油中犁過時產生更高的攪動損失。同樣，由于位置會決定殼體需要多少油才能維持齒輪的潤滑，因此齒輪箱安裝位置也會影響效率。垂直安裝位置通常需要更多的潤滑劑，這會導致齒輪在油中滾動時產生更高的攪拌損失。
盡可能選擇一個需要最少潤滑劑的安裝位置。每個制造商都有自己的安裝位置識別方案（見圖2）。確保您理解這些規則，以便確定齒輪箱的正確安裝位置。
▲圖2：不同制造商的齒輪箱，其安裝位置標識也不同。
03 環境因素的影響
您已經解決了最困難的機電問題。剩下的部分有助于識別確保電機驅動裝置和應用之間良好匹配所需的其它因素。首先描述應用的運行環境，是室內還是室外？干凈的還是臟的？濕的還是干的？是否涉及刺激性或腐蝕性化學物質？驅動裝置是否需要定期清洗？
這些問題的答案決定了電機驅動裝置的材料、保護涂層、密封和布線。例如，家禽加工廠中的電機，每天都需要用熱水和腐蝕性清潔劑進行多次沖洗。在這種條件下，普通的保護涂層無法使用很長時間。帶密封電機繞組和導管箱連接的不銹鋼驅動裝置是更好的選擇。
另一方面，環境可能是干燥的，但仍然非常惡劣。為礦石或巖石破碎機提供動力的電機必須承受重粉塵和磨蝕性砂礫。這些可能需要多個軸封或專門設計用于防止磨料進入的軸封。電機可能還需要軸承補充潤滑配件，以便更輕松地定期更換潤滑脂。
確定應用的預期溫度范圍。天氣是異常炎熱還是異常寒冷？溫度會影響潤滑劑的選擇。在日常溫度下，礦物油和潤滑脂表現良好，而專業合成材料在極高和極低溫度下是更好的選擇。在很冷的環境中，齒輪箱和電機可能需要進行輔助加熱，或在很熱的環境中進行更積極的冷卻。當你考慮潤滑脂時，請記住食品加工和制藥機器通常需要使用食品級潤滑油。
04 電子部件的核心問題
您已經提出了足夠多的問題來指定電機和變速箱。剩下的問題，則有助于選擇變頻器及其附件。如果你以前沒有使用過變頻器，這些領域可能是陌生的。雖然所有的變頻器作用都相同——控制電機，但它們在功能和預期應用方面有著很大的差異。同樣，提出正確的問題，將幫助你決定哪一款適合你的應用。
您之前回答的一個機電問題，該問題對于選擇變頻器同樣重要——應用的馬力要求。此外，確定可用的電源電壓和相位（單相或三相）。這些答案可以確定變頻器的類型，并識別可能的規格。在大多數情況下，變頻器制造商會提供幾種類型的變頻器，以滿足不同應用的基本電氣要求。列出其它應用需求，將幫助您從中進行選擇。
首先確定應用的運行模式——無論是基于速度、位置還是基于扭矩。基于速度的應用是最簡單的，所以幾乎任何變頻器都可以處理它們。但是，一定要確定所需的準確性。入門級變頻器可以處理要求不高的應用，例如風扇、泵和鼓風機。
需要更高精度的應用必須使用支持通過電機編碼器進行閉環控制的變頻器。雖然許多變頻器可以在閉環模式下運行，但并非所有變頻器都配有內置編碼器接口。那些沒有內置接口的將需要一個附加接口板。這必須與電機編碼器的通信標準相匹配。
就其本質而言，定位應用需要更先進的變頻器。它必須以特定的速度運行電機，同時監控一個或多個編碼器以確定應用的位置。到達指定位置后，必須準確地停止電機。如果應用需要定位，需要確定其類型（線性或角度）和所需的精度。這些答案也會影響編碼器的選擇。精確定位需要昂貴的高分辨率編碼器，而基本的定位則有更經濟的選擇。
基于轉矩控制的應用是最不常見的，因此并非所有變頻器都支持這種模式。它們需要變頻器通過調節驅動扭矩來維持負載上的特定張力。繞線機就是一個例子，卷筒紙印刷機的進紙系統也是如此。在每種情況下，變頻器都會使用傳感器（如浮動電位計）監測線路或紙張上的張力。變頻器使用該反饋來產生維持目標張力所需的扭矩。如果應用是基于扭矩的，需要確保變頻器支持此模式，并且可以與所需的傳感器接口。
另外一個核心問題是需要確定變頻器將如何集成到應用中。許多變頻器制造商提供兩種類型的產品：控制柜式和分散式（見圖3）。控制柜式變頻器，顧名思義，就是布置在電子柜中。電線進出機柜，將電源、電機和任何傳感器連接到變頻器。機柜可保護變頻器不受環境影響，在惡劣條件下運行時尤為重要。
▲圖3：控制柜（左）和分散式（右）變頻器執行相同的任務，但方式完全不同。
分散式變頻器采用不同的控制方式。它們安裝在電機本體上或離電機很近的地方。因為它們暴露在應用的運行環境中，分散式變頻器通常具有相對較高的IP保護等級，例如IP66或更高等級。
分散式變頻器集成到應用中的程度越高，需要的布線就越少，因為它安裝在離電機很近的地方。去中心化變頻器在許多行業越來越流行。一些電機驅動制造商甚至提供一種集成一體式齒輪箱、電機和變頻器的“電子齒輪電機”（見圖4）。這為許多電機驅動應用的挑戰提供了一個特別優秀的解決方案。此外，一些電機效率極高，因為它們將超高效（IE4）電機與高效變速箱和變頻器結合在一起。
▲圖4：集成了電機、螺旋齒輪箱和變頻器的高效電子齒輪電機。
一旦您確定了核心的電子設備要求，就可以提出一些問題以考慮影響變頻器的一些特殊功能。例如，許多應用包括變頻器必須監控的控制器或傳感器。這些可能是數字設備，如撥動開關、按鈕、限位開關或參考凸輪，或者是模擬設備，如溫度傳感器、速度控制電位計或表示過程變量的電壓。大多數變頻器至少包括一些數字輸入和輸出（I/O），但并非所有變頻器都支持模擬信號。在某些情況下，變頻器可能需要擴展卡來增加其內置I/O。
最后，考慮應用管理變頻器的控制方法。風扇和泵等簡單應用，可能依賴變頻器的前面板來控制并顯示狀態。更復雜的應用可能通過開關、電位計和數字指示器，在終端控制（二進制）模式下操作變頻器。
最復雜的應用可能使用PLC或類似的工業控制器來管理變頻器。它們通常通過現場總線與變頻器通信?，F場總線控制提供了最大的靈活性和復雜性，但增加了額外的復雜性。
如果應用需要現場總線控制，您需要確定控制器的品牌和型號，以及它使用的現場總線標準。較新的控制器使用基于以太網的現場總線，如EtherNet/IP、Modbus TCP或PROFINET。較舊的控制器使用傳統標準，如PROFIBUS或DeviceNet。大多數變頻器制造商支持多種現場總線標準。變頻器可能有一個內置的現場總線接口，或者可能需要一個附加卡。
至此，您已經收集了使用電機和驅動制造商提供的選擇工具所需的相關問題。您會發現，提前思考會帶來信心，無論是在選擇過程中，還是在工具生成建議后。驅動系統的選擇將不再是一種令人擔憂的體驗，它將成為一項常規任務，可以讓人輕松勝任。
關鍵概念：
■ 識別構成驅動系統的核心部件和可選附件。
■ 了解驅動系統應用的關鍵機電和電子要求。
■ 審查選擇電機與驅動裝置時要考慮的各種因素。
思考一下：
提前思考哪些問題能讓電機與驅動裝置的選型更順利？