选择电机，使机器效率最大化

“合适的尺寸”电机最大限度地减少能源消耗和所需的材料量。

在飙升的能量和磁铁成本的这些日子里，绿色设计已经超越了沟通，以实现实际必需品。制造商经常超大电机并移至设计的下一部分时，已经走了。仔细选择电机提供最佳的性能，可靠性，能效和采集成本。让我们仔细看看如何以及原因。

如果我们生活在一个完美的世界，假设一个刚性的机器会导致一个理想的电机选择。事实上，所有的机器都有一定程度的依从性。有效地核算合规要求复杂、详细的分析-机电型建模，由越来越多的商业软件工具支持。“能够优化，真正做到所需的核心工程，这一直是不容易做到的事情，”迈克尔·克伦heecke说，他是机电一体化产品组合经理罗克韦尔自动化(Mequon,威斯康辛州)。“为了真正优化系统，需要大量的学习曲线，大量的工程投资，对问题机理的重要细节理解。大多数中等规模的组织都没有这样的工程能力，所以他们倾向于在使用传统的经验法则时过于谨慎而犯错误。”

保持安全
多年来，为了弥补机械系统顺应性的负面影响，事实上的行业标准是将负载惯性与电机(实质上是转子)惯性的比例设计为10:1。这是一个大概的数字，它设定了一个基本水平，在一个闭环系统中控制负载的能力，包括电气、机械和控制系统。惯性不匹配越大，顺应性对系统性能的影响就越大。克伦heecke说:“这就像拖着一辆大得装不下你的车的拖车。”“你可能有足够的扭矩拉动拖车，但在一天结束时，当系统出现干扰时，拖车可能会把汽车拉离道路，而不是让汽车在道路上行驶。很多时候，机器制造商会把他们的电机尺寸加大，不是因为他们需要更多的扭矩或速度，而是为了让电机的惯性更好地匹配负载的惯性。”

一个经验法则是，从用于可比系统的电机尺寸开始，并添加5%的安全系数。虽然这可能是一种安全的方法，但在多代机器上重复使用时，这种看似无害的经验法则往往导致超大的设计。

最近，高分辨率反馈设备的普及和驱动器中控制回路关闭的速度，使得控制具有更高惯性不匹配的系统变得非常容易。问题是，有多高?设计人员如何确定一个特定系统中50:1的惯性不匹配是否过多?它变得非常依赖于诸如整体机械系统的顺应性，机制的质量等因素。

尽管这种建模可能非常复杂，但越来越多的系统公司已经开发了机电一体化建模工具，旨在帮助原始设备制造商优化他们的系统(见图1)。“个人客户不一定要承担(开发这些工具的)负担，因为他们的组织不会得到投资回报。他们仍然需要努力改变他们现在的马达尺寸，但我们正在努力减轻这种负担，这样他们就可以享受我们的投资回报。”

在一天结束时，该系统将表现更好的驱动相同的负载与较小的电机。电机可能消耗更多的功率，但最终系统从少量的铜和磁铁材料获得更多的功率。理想情况下，设计师应该根据1:1的惯性不匹配来确定电机的尺寸，Michael Mueller说博世Rexroth公司（霍夫曼庄园，伊利诺伊州）。“当您对惯性有一对一的不匹配时，您可以通过系统最大限度地提高您的能量，并优化您的性能，以获得高水平的重复性，高水平的定位，”他说。“当你开始有一个与电动机惯性相比，大量负载惯量很难满足应用要求的要求。“

这个想法是转子的惯性应该与通过传动系统反射回来的惯性相匹配。这种方法的有效性部分取决于系统的机械部件的质量。“你在机械方面遇到的困难越多，你在输出方面遇到的困难也就越多。假设有一个伺服变速箱，或同步带和滑轮的安排，现在你可以优化，并在电机侧的控制回路中获得真正高的增益。”消除机械元素，采用直接驱动设计可以提高性能(见图2)。

保持凉爽
有一个时间机器建设者和系统集成商倾向于遵循“更大更好”的电机尺寸。在某些情况下，它是由于未能充分理解组件的工作温度范围而驱动。触摸的热电机被滞留了，思考去了。建立一个将持续二十年或更长时间的系统，最好的选择是超大。

虽然延长的寿命仍然适用于某些特定的应用，如玻璃制造，但大多数机器在一小部分时间内进行翻新或更换。因此，超大尺寸电机的概念，以确保长寿命不再相关。“真正推动这个行业发展的整车厂的设计周期可能是三到五年，”克伦heecke说。“终端用户使用这些机器的时间可能比原始设备制造商将其作为现有产品的时间更长，但很可能在这10年的窗口期内，新技术的优势会促使用户购买新机器，或对其进行改造，以利用新技术。”

运行热的电机问题可以呈现折衷的东西。如果电机埋入机器内，随着电动机在其额定值内运行，温度通常是令人担忧的。当电动机位于机箱的外部时，它可以呈现操作员损伤的可能性。在这种情况下，设计师需要在进入更大的电机尺寸和屏蔽操作员从触摸危险的成本之间进行权衡。在诸如塑料的注射成型的某些应用中，电动机消散的过量热量也可能损坏最终产品，在这种情况下，最终用户可能希望超大电机以防止热积聚。电机不仅运行冷却器，它们还有更大的底盘来消散热量。

保持瘦
传统上，库存减少促使设计师将一些电机的尺寸扩大，从而使机器作为一个整体使用较少的不同部件。是的，一些企业最终会动用更多的力量，但这样做的代价是限制了OEM的制造库存和终端用户的备件库存所占用的资金。这尤其适用于半导体和汽车制造业，这些行业拥有庞大的高轴数生产线。

用于简化库存管理的折磨电机的权衡是，较大的电机在电机方面增加惯性，潜在地降低性能和效率。“现在你正在失去能量，”穆勒说。“最好的举动是使用电机的最佳尺寸并匹配。现在你必须在货架上有两个备件而不是一个，但我认为这是客户最好的解决方案。”

克伦heecke说:“我们真的希望客户了解什么是合适的尺寸，这样他们就可以对比这些数据，做出明智的商业决策，而不是仅仅应用经验法则，把甚至最大的发动机都调大，以减少备件库存。”“他们现在相对盲目地这么做，在很多情况下，我们认为这不是正确的做法。这是公司需要进行的一次商业会议，我们只是希望他们能够基于全套数据进行会议。”

电动机的选型是一项重要的任务，它会显著影响最终系统的性能和经济性。尽管标准的行业经验规则可能很简单，但对于许多应用程序来说，通过行业工具进行详细的建模可能是最好的解决方案。