如何选择适合的工业电机？——选型四大关键因素

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作者 | Roy Sarkar

电机种类繁多，在提升工业自动化水平方面起着重要作用。本文介绍了选择适合的工业电机以及与系统集成时需要重点考虑的关键因素。

电机被誉为工业自动化的“心脏”，在驱动制造过程中的机械运行方面发挥着至关重要的作用。它们将电能高效转化为机械运动的能力，使其成为机器人系统中精确控制和稳定运行的关键组件。

尽管制造业的最新趋势主要聚焦于物联网、人工智能（AI）和数字孪生技术，但电机仍然是执行核心任务的基础。在汽车装配线上，配备电机的机器人精准完成焊接和喷涂，而食品行业则依赖专门设计的冲洗电机，以满足饮料加工和装瓶等潮湿环境下严格的卫生要求。

工业电机的类型

电机在确保组装、包装和材料处理等任务的一致性与效率方面，发挥着关键作用。此外，它们还有助于扩大生产规模、保持质量，这在竞争激烈的工业环境中尤为重要。一般来说，电机被分为以下几种主要的类型：

■ 直流电机由直流电驱动，适用于需要连续且受控运动的应用。其结构简单，速度控制便捷，使其成为多种工业自动化任务的理想选择。

■ 交流电机则由交流电驱动，以高效性和可靠性著称，通常适用于大功率、恒速应用，如泵、压缩机和输送机。

■ 伺服电机采用闭环控制系统，利用位置反馈实时保持所需的位置或速度，特别适用于高精度任务，如数控加工、机器人和自动检测系统。

■ 步进电机以离散步长方式转动，不需要位置反馈，可以精确控制位置和速度。它们非常适合需要精确定位和比伺服电机更简单的设计应用，如3D打印和医疗设备。

无刷电机在工业应用中的增长

技术进步和对高效可靠系统不断增长的需求推动了无刷电机使用的增加。顾名思义，无刷电机是用电子驱动器取代了有刷电机的机械驱动功能。电子控制器产生可变电流，为磁场提供动力，从而产生电机的旋转运动。

无刷直流电机通常用于无人机和输送机应用，在这些应用中控制和效率至关重要。无刷交流电机通常用于暖通空调系统和电动汽车，其中降低复杂性和延长使用寿命是最重要的。

比较不同类型的电机优势

每种类型的电机都有其独特的优势。直流电机以其简单的速度控制以及在低速时提供高扭矩的特性而闻名，特别适合电动汽车等需要精确控制的应用。相比之下，交流电机因其出色的耐用性和高效性而广泛应用于各类场合，尤其是在输送机系统等需要持续运行的应用中表现得尤为理想。

电机的选择将受到特定应用需求的影响。例如，伺服系统通常具备紧凑的结构和轻便的重量，并能根据需求精确消耗功率，使其非常适合节能应用。此外，伺服电机也非常适合需要复杂运动和精确协调的多轴控制系统，如机器人手臂。

相比之下，步进电机在成本效益方面可能优于其它类型的电机。然而，它们需要经过精确编程，以避免丢失步骤，并弥补缺乏内置反馈的不足。步进电机广泛应用于工业机器人领域，因为它们能提供精确的控制，并且易于集成，非常适合需要多轴运动的应用。

选择合适电机的四个关键因素

无论在何种应用中，企业都依赖电机来可靠有效地运行。在选择下一台工业电机时，请考虑以下四个因素：

性能要求

了解给定应用程序的具体性能要求，决定在选择电机时哪些功能需要优先考虑。例如，高速运行需要具有快速响应时间的电机，精密任务需要高精度，重型应用则需要高扭矩。

成功满足这些要求在实现生产力、能源效率、可扩展性和维护成本等业务目标方面发挥着重要作用。例如，高效电机可以降低能耗，而高可靠性和精确度的电机可以提高产品质量并减少停机时间。

环境条件

温度、湿度和接触灰尘或化学物质等因素也将决定您的电机选择。对于铸造厂或化工厂等恶劣环境中的应用，具有坚固外壳和耐环境压力的电机至关重要。将给定电机的规格和设计与环境条件相匹配，对于实现最佳运行至关重要的环境因素包括：

■ 电机有额定温度值，超过额定值可能会导致过热和过早故障。高温会降低效率，可能需要额外的冷却措施。在寒冷环境中，电机可能会遇到与润滑和刚度相关的挑战。

■ 潮湿环境中的电机可能需要特殊涂层或外壳，以防止进水和腐蚀。电气连接也会受到影响，从而导致电气故障。

■ 在多尘或污染环境中运行的电机，可能需要密封的外壳和适当的通风，以防止颗粒物造成磨损或损坏。

■ 某些环境会使电机受到过度振动或冲击。为这些环境选择的电机，其设计为能够承受这种机械应力。

■ 在海拔较高的地方，空气密度的降低会影响冷却效率。布置在较高位置的电机，可能需要调整以获得适当的冷却和持续的性能。

电源和电压

将电机的电源要求与可用电压相匹配至关重要。电源不足会导致性能不佳或损坏，而电源过大则会缩短电机的预期寿命。电源方面需要考虑的七个关键因素是：

■ 电压和电流兼容性：电机在特定的电压和电流范围内运行。电压不匹配会导致效率低下、过热或故障。

■ 额定功率和容量：电机额定功率表示其转换电能的能力。与电源兼容，可防止过载或利用不足。

■ 频率（交流电机）：交流电机在特定频率下运行。匹配电源频率，对于高效同步运行至关重要。

■ 启动和运行条件：电机启动条件受电源的影响，选择具有合适特性的机组，可以防止在初始运行期间出现问题。

■ 控制系统的兼容性：为了在需要高精度的应用中最佳地工作，如运动控制和3D打印，电机必须与其电源控制系统的要求兼容。

■ 效率和能耗：将电机与电源相匹配，对于提高能源效率至关重要，这是最大限度地降低运营成本和确保可持续性的核心。

■ 安全：了解电源要求，对于实施足够的安全措施至关重要。与在较低电压下运行的电机相比，较高直流电压的电机可能需要额外的预防措施。

成本

预算限制会影响制造商可用电机的类型和质量。虽然高质量的电机可能具有更高的前期成本，但它们可以通过提高效率和降低维护成本来实现长期的节约。平衡初始投资和长期效益至关重要。

了解总体拥有成本（TCO）有助于在预算限制内做出明智的决策。TCO分析考虑了电机整个生命周期的总体成本。维护成本是一个因素，因为维护要求较低的电机（如无刷直流电机）可能会提供长期的成本节约，从而具有较低的TCO。当电机选择与预算一致时，评估长期节能也很重要。具有特殊功能或定制的电机也往往价格较高。评估预算内所有功能的必要性，对于明智决策至关重要。

电机与控制系统的集成

与现有控制系统的兼容性有助于确保电机的顺利集成和运行。例如，在实施工业4.0的制造企业中，将电机与智能控制系统集成对于有效的数据驱动决策和预测性维护至关重要。以下九个关键策略可以促进电机集成到控制系统：

■ 全面了解当前控制系统的规格和需求，包括通信协议和反馈机制。

■ 向电机和控制系统制造商寻求指导，以解决兼容性问题并获得建议。

■ 选择具备标准化通信接口的电机（如 PROFINET、Modbus、EtherNet/IP 或 EtherCAT等）至关重要，以确保系统的兼容性。

■ 确认电机的通信协议与控制系统支持的协议一致，包括工业4.0或其它相关要求。

■ 确保电机采用的反馈机制（如编码器），与控制系统解释和使用反馈数据的能力相一致。

■ 电机和控制系统之间交互的潜在问题。

■ 如果需要单独的控制器，请考虑通信协议和命令信号，确认其与现有控制系统的兼容性。采用由PLC控制的电机可以增强对各种控制系统的适应性，有助于实现无缝集成。

■ 如有必要，考虑更新或改装控制系统以支持现代电机技术，从而提高整体系统效率和使用寿命。

■ 最好的电机是满足应用需求的电机。从直流电机的简单性到伺服电机的精度，每种类型都有其优势。仔细考虑特定于业务的因素，对于成功部署至关重要。

通过了解最新的电机技术和最佳实践，制造商可以优化其运营，提高效率并保持竞争力。