图片来源：SEW-EURODRIVE

作者：Don Congdon

　　在选择驱动产品时，工厂工程师和维护人员时常会感到困惑。了解驱动系统应用对核心部件的要求，以及如何正确地使用选型工具有助于提高效率。

　　如果一台电动的工业机器开始运动，那很可能是由一个驱动装置（例如电子控制的齿轮电机）协调了这种运动。虽然普通齿轮电机已经推动了工业发展一个多世纪，但具有更多功能和更具性价比的电子驱动装置在短短几十年内发展迅速。

　　因此，在选择驱动产品时，工厂工程师和维护人员可能会感到困难。过去，电机和驱动制造商通过销售工程师指导这一过程，但现在，许多制造商提供在线选择工具或智能手机应用作为替代。虽然这肯定会使选择过程更方便，但如何正确使用这些工具，可能会让人发愁。

　　令人欣慰的是，这个问题有一个简单的解决方案：在使用选型工具之前，先提出正确的问题。深思熟虑地定义问题并整理应用的需求，就能为顺利和成功的选择铺平道路。

　　01 驱动系统的构成

　　驱动系统包含为应用提供动力的所有部件（见图1），它主要有三个核心部件：齿轮箱、电机和变频器（VFD）。它可以直接连接到应用，也可以通过其它传动元件（如皮带、链条或主轴）输送动力。在任何一种情况下，驱动系统都必须具有适当的耦合和安装装置。这包括柔性联轴器、法兰、支脚或扭矩臂。

　　电机可能需要制动器来卸载或将其保持在当前位置。如果应用需要精确的速度控制或精确的定位，则需要电机编码器。当使用可编程逻辑控制器（PLC）或其它工业控制器来管理应用时，变频器可能需要合适的现场总线接口或一些额外的输入和输出。

▲图1：驱动系统组成及其一些可选附件。

　　通过思考以下的一些问题，有助于工程师们深入了解驱动装置，帮助他们确定主要部件，并梳理出所需的专业配件。这些问题将驱动装置大致分为机电部件和电子部件。

　　02 机电部件的核心问题

　　首先识别应用的运动类型。它是旋转的还是线性的？对于线性运动，它是水平的、垂直的还是倾斜的？垂直和倾斜应用通常需要制动器，而水平应用可能需要也可能不需要。还要确定动作的占空比。连续工作应用，如简单的输送机或鼓风机，可以与普通交流感应电机配合的很好。执行重复任务的循环应用，如包装机，可以受益于更动态的永磁同步电机。

　　在考虑应用的运动时，确定预期的负载。除了规格，还需要确定它们是静态的还是动态的。对于相对静态的负载，确定应用所需的驱动器规格很简单。如果负载变化很大或可能突然变化，变频器需要更大的利用系数。一定要确定应用的加速要求。在循环应用中，电机必须提供足够的扭矩，以在时间限制内加速负载。永磁同步电机比普通感应电机能更好地处理急剧的加速。

　　确定应用的速度、扭矩和马力要求。这有助于确定电机和变速箱的规格。速度和扭矩要求也决定了适当的变速箱传动比。确定变频器如何连接到应用。列出适当的细节，比如轴的直径、法兰、地脚以及联轴器类型。最后，如果应用需要制动器，确定所需的制动扭矩。

　　近年来，由于能源成本上升以及法规要求适用更高效的电机，应用效率变得越来越重要。您已经回答过的问题可能会将选择工具引导至特定的电机效率等级。例如，连续工作应用需要超高效（IE3）的电机。

　　采用特定类型的变速箱和安装位置，您可以进一步提高效率。基于斜齿轮或锥齿轮的齿轮箱，往往比包含蜗轮的齿轮箱效率高得多，因此在效率至关重要时，它们是首选。

　　同样，齿轮箱的安装位置也会影响效率，因为位置决定了轴承座必须包含多少油以保持齿轮级润滑。垂直安装位置通常需要更多的润滑剂，这会导致齿轮在油中犁过时产生更高的搅动损失。同样，由于位置会决定壳体需要多少油才能维持齿轮的润滑，因此齿轮箱安装位置也会影响效率。垂直安装位置通常需要更多的润滑剂，这会导致齿轮在油中滚动时产生更高的搅拌损失。

　　尽可能选择一个需要最少润滑剂的安装位置。每个制造商都有自己的安装位置识别方案（见图2）。确保您理解这些规则，以便确定齿轮箱的正确安装位置。

▲图2：不同制造商的齿轮箱，其安装位置标识也不同。

　　03 环境因素的影响

　　您已经解决了最困难的机电问题。剩下的部分有助于识别确保电机驱动装置和应用之间良好匹配所需的其它因素。首先描述应用的运行环境，是室内还是室外？干净的还是脏的？湿的还是干的？是否涉及刺激性或腐蚀性化学物质？驱动装置是否需要定期清洗？

　　这些问题的答案决定了电机驱动装置的材料、保护涂层、密封和布线。例如，家禽加工厂中的电机，每天都需要用热水和腐蚀性清洁剂进行多次冲洗。在这种条件下，普通的保护涂层无法使用很长时间。带密封电机绕组和导管箱连接的不锈钢驱动装置是更好的选择。

　　另一方面，环境可能是干燥的，但仍然非常恶劣。为矿石或岩石破碎机提供动力的电机必须承受重粉尘和磨蚀性砂砾。这些可能需要多个轴封或专门设计用于防止磨料进入的轴封。电机可能还需要轴承补充润滑配件，以便更轻松地定期更换润滑脂。

　　确定应用的预期温度范围。天气是异常炎热还是异常寒冷？温度会影响润滑剂的选择。在日常温度下，矿物油和润滑脂表现良好，而专业合成材料在极高和极低温度下是更好的选择。在很冷的环境中，齿轮箱和电机可能需要进行辅助加热，或在很热的环境中进行更积极的冷却。当你考虑润滑脂时，请记住食品加工和制药机器通常需要使用食品级润滑油。

　　04 电子部件的核心问题

　　您已经提出了足够多的问题来指定电机和变速箱。剩下的问题，则有助于选择变频器及其附件。如果你以前没有使用过变频器，这些领域可能是陌生的。虽然所有的变频器作用都相同——控制电机，但它们在功能和预期应用方面有着很大的差异。同样，提出正确的问题，将帮助你决定哪一款适合你的应用。

　　您之前回答的一个机电问题，该问题对于选择变频器同样重要——应用的马力要求。此外，确定可用的电源电压和相位（单相或三相）。这些答案可以确定变频器的类型，并识别可能的规格。在大多数情况下，变频器制造商会提供几种类型的变频器，以满足不同应用的基本电气要求。列出其它应用需求，将帮助您从中进行选择。

　　首先确定应用的运行模式——无论是基于速度、位置还是基于扭矩。基于速度的应用是最简单的，所以几乎任何变频器都可以处理它们。但是，一定要确定所需的准确性。入门级变频器可以处理要求不高的应用，例如风扇、泵和鼓风机。

　　需要更高精度的应用必须使用支持通过电机编码器进行闭环控制的变频器。虽然许多变频器可以在闭环模式下运行，但并非所有变频器都配有内置编码器接口。那些没有内置接口的将需要一个附加接口板。这必须与电机编码器的通信标准相匹配。

　　就其本质而言，定位应用需要更先进的变频器。它必须以特定的速度运行电机，同时监控一个或多个编码器以确定应用的位置。到达指定位置后，必须准确地停止电机。如果应用需要定位，需要确定其类型（线性或角度）和所需的精度。这些答案也会影响编码器的选择。精确定位需要昂贵的高分辨率编码器，而基本的定位则有更经济的选择。

　　基于转矩控制的应用是最不常见的，因此并非所有变频器都支持这种模式。它们需要变频器通过调节驱动扭矩来维持负载上的特定张力。绕线机就是一个例子，卷筒纸印刷机的进纸系统也是如此。在每种情况下，变频器都会使用传感器（如浮动电位计）监测线路或纸张上的张力。变频器使用该反馈来产生维持目标张力所需的扭矩。如果应用是基于扭矩的，需要确保变频器支持此模式，并且可以与所需的传感器接口。

　　另外一个核心问题是需要确定变频器将如何集成到应用中。许多变频器制造商提供两种类型的产品：控制柜式和分散式（见图3）。控制柜式变频器，顾名思义，就是布置在电子柜中。电线进出机柜，将电源、电机和任何传感器连接到变频器。机柜可保护变频器不受环境影响，在恶劣条件下运行时尤为重要。

▲图3：控制柜（左）和分散式（右）变频器执行相同的任务，但方式完全不同。

　　分散式变频器采用不同的控制方式。它们安装在电机本体上或离电机很近的地方。因为它们暴露在应用的运行环境中，分散式变频器通常具有相对较高的IP保护等级，例如IP66或更高等级。

　　分散式变频器集成到应用中的程度越高，需要的布线就越少，因为它安装在离电机很近的地方。去中心化变频器在许多行业越来越流行。一些电机驱动制造商甚至提供一种集成一体式齿轮箱、电机和变频器的“电子齿轮电机”（见图4）。这为许多电机驱动应用的挑战提供了一个特别优秀的解决方案。此外，一些电机效率极高，因为它们将超高效（IE4）电机与高效变速箱和变频器结合在一起。

▲图4：集成了电机、螺旋齿轮箱和变频器的高效电子齿轮电机。

　　一旦您确定了核心的电子设备要求，就可以提出一些问题以考虑影响变频器的一些特殊功能。例如，许多应用包括变频器必须监控的控制器或传感器。这些可能是数字设备，如拨动开关、按钮、限位开关或参考凸轮，或者是模拟设备，如温度传感器、速度控制电位计或表示过程变量的电压。大多数变频器至少包括一些数字输入和输出（I/O），但并非所有变频器都支持模拟信号。在某些情况下，变频器可能需要扩展卡来增加其内置I/O。

　　最后，考虑应用管理变频器的控制方法。风扇和泵等简单应用，可能依赖变频器的前面板来控制并显示状态。更复杂的应用可能通过开关、电位计和数字指示器，在终端控制（二进制）模式下操作变频器。

　　最复杂的应用可能使用PLC或类似的工业控制器来管理变频器。它们通常通过现场总线与变频器通信。现场总线控制提供了最大的灵活性和复杂性，但增加了额外的复杂性。

　　如果应用需要现场总线控制，您需要确定控制器的品牌和型号，以及它使用的现场总线标准。较新的控制器使用基于以太网的现场总线，如EtherNet/IP、Modbus TCP或PROFINET。较旧的控制器使用传统标准，如PROFIBUS或DeviceNet。大多数变频器制造商支持多种现场总线标准。变频器可能有一个内置的现场总线接口，或者可能需要一个附加卡。

　　至此，您已经收集了使用电机和驱动制造商提供的选择工具所需的相关问题。您会发现，提前思考会带来信心，无论是在选择过程中，还是在工具生成建议后。驱动系统的选择将不再是一种令人担忧的体验，它将成为一项常规任务，可以让人轻松胜任。

　　关键概念：

　　■ 识别构成驱动系统的核心部件和可选附件。

　　■ 了解驱动系统应用的关键机电和电子要求。

　　■ 审查选择电机与驱动装置时要考虑的各种因素。

　　思考一下：

　　提前思考哪些问题能让电机与驱动装置的选型更顺利？