电机噪声的抑制(续)(精)

步进电机发热问分析 步进电机作为一种数字式执行元件，在运动控制系统中得到广泛的应用。许多用户朋友在使用步进电机的时候，感觉电机工作时有较大的发热，心存疑虑，不知这种现象是否正常。实际上发热是步进电机的一个普遍现象，但怎样的发热程度才算正常，以及如何尽量减小步进电机发热. 1，步进电机为什么会发热？ 任何电机都会发热，只是发热程度不同罢了。对于各种步进电机而言，内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。 2，步进电机发热的合理范围？。 电机发热允许到什么程度，主要取决于电机内部绝缘等级。内部绝缘性能在高温下（130度以上）才会被破坏。所以只要内部不超过130度，电机便不会损坏，而这时表面温度会在90度以下。所以，步进电机表面温度在70-80度都是正常的。简单的温度测量有用点温计的，也可以粗略判断：用手可以触摸1-2秒以上，不超过60度；用手只能碰一下，大约在70-80度；滴几滴水迅速气化，则90度以上了。 3，步进电机工作方式不同，发热也不同。 遇采用恒流驱动技术时，步进电机在静态和低速下，电流会维持相对恒定，以保持恒力矩输出。速度高到一定程度，电机内部反电势升高，电流将逐步下降，力矩也会下降。因此，因铜损带来的发热情况就与速度相关了。静态和低速时一般发热高，高速时发热低。但是铁损（虽然占的比例较小）变化的情况却不尽然，而电机整个的发热是二者之和，所以上述只是一般情况。 4，步进电机发热会影响步进电机的工作寿命吗？ 电机发热虽然一般不会影响电机的寿命，对大多数客户来说没必要理会。但是，严重的发热会带来一些负面影响。如电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的微小变化，会影响电机的动态响应，高速会容易失步。又如有些场合不允许电机的过度发热，如医疗器械和高精度的测试设备等。因此对电机的发热应当进行必要的控制。我们的步进电机用在钢铁机器人上，环境温度100多度，至今工作正常。 5，步进电机发热问题的解决？ 如果步进电机驱动器有自动半流模式，尽量让其工作在半流状态，因为此时步进电机全流工作发热最大 。 如果负载力矩范围允许的情况下，可以把电机额定电流降下来，比如5A电机，让其工作在4A状态下； 选择低电阻，低电流的步进电机，减少铜损和铁损。 加装风机，强制散热。 电动机的效率和温升的关系 不论那种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。拒资料介绍，以目前普遍使用的正弦波PWM型变频器为例，其低次谐波基本为零，剩下的比载波频率大一倍左右的高次谐波分量为：2u+1（u为调制比）。 高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。除此之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。这些损耗都会使电动机额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%~20%。 永磁同步电机的功率因数怎样提高 摘要：由于供用电方式的转换，地方电网对油田油井实施单井点计量考核，如功率因数达不到0.9，需支付调整电费。针对油井所用永磁电机功率因数低的情况，进行了调整。关键词：永磁同步电机；功率因数；提高中图分类号：TM351　文献标识码：B由于油田供用电由原来的关口计量改为单井（点）计量，故单井（点）功率因数不能达标。2003年，临盘采油厂仅功率因数调整电费就多付150万元。为此，采取了多种措施，以提高功率因数，达到了节能降耗的目的。一、影响永磁同步电机功率因数的原因抽油机上所用的永磁同步电动机是一种异步启动的同步电机，由转子交流启动后牵入同步运行，类似于交流同步电动机。其运行是靠定子线圈在气隙中产生的旋转磁场与转子上磁钢间的相互吸引，使转子与定子气隙磁场同步旋转而做功。其转子等效为电阻电路，故功率因数高。因无励磁电流，其空载损耗小。电动机效率可达96%左右，较三相异步电动机高。影响永磁同步电机功率因数的原因是电压质量（电压幅值）和负载率。当电网电压高于电动机的反电势点时，永磁电机呈感性负载运行；反之，电动机呈容性负载运行。因此，电网电压波动会造成电机的功率因数波动，补偿困难。若电压幅值与电动机反电势点接近，偏差在±2%电压范围内时，电机功率因数大于或等于0.9，否则，功率因数较低；另外，当永磁同步电机的负载率低于25%时，电机功率因数也偏低。二、提高永磁电机功率因数的方法通过对各单井点功率因数低的原因分析，分别采取了以下方法进行调整。1.根据实测负载率适当调换电机，以保证适当的负载率。2.稳定系统电压，尤其是重载线路末端，电压普遍偏低。3.稳定单井电压使其接近永磁同步电机的空载反电势。4.当运行电压高于永磁电机的反电势点时，可根据感性无功功率的大小，加电容补偿，以提高功率因数。5.当运行电压低于永磁电机的反电势点时，可调节变压器分接开关，适当提高二次电压的幅值，使电机运行电压在反电势点附近，提高功率因数。6.对于重负荷长线路，调节变压器分接开关后，变压器二次电压幅值仍低于永磁电机反电势点时，可更换永磁同步电机，采用电容柜补偿。三、调整情况及效果分析通过对采油六队部分油井的调整试验，使功率因数不达标的油井基本达标。首先对变电所及线路电容做了调整，使末端电压有所提高。其次，根据对单井的测试结果，采取了相应对策，有的增加电容，有的调整变压器挡位，对部分井调整了电动机功率。测试结果显示，使用永磁同步电机的各井功率因数除一台外，其他全部合格，功率因数调整电费大幅度下降。该办法在采油六队取得成功后，现已在全厂推广应用。目前，临盘采油厂的功率因数调整电费由2004年初的50万元下降到5万元，取得了良好效果。 电动机轴承过热的处理方法 （1）轴承损坏，应更换。 （2）滚动轴承润滑脂过少、过多或有铁屑等杂质。承轴润滑脂的容量不应超过总容积的70%，有杂质者应更换。 （3）轴与轴承配合过紧或过松。过紧时应重新磨削，过松时应给转轴镶套。 （4）轴承与端盖配合过紧或过松。过紧时加工轴承室，过松时在端盖内镶钢套。 （5）电动机两端盖或轴承盖装配不良。将端盖或轴承盖止口装进、装平，拧紧螺钉。 （6）皮带过紧或联轴器装配不良。调整皮带张力，校正联轴器。 （7）滑动轴承润滑油太少、有杂质或油环卡住。应如加油、换新油，修理或更换油环。 电机过热的原因 1)、电源方面使电动机过热的原因 电源方面使电动机过热原因有以下几种： a、电源电压过高 当电源电压过高时，电动机贩反电动势、磁通及磁通密度均随之增大。由于铁损耗的大小与磁通密度平方成正比，则铁损耗增加，导致铁心过热。而磁通增加，又致使励磁电流分量急剧增加，造成定子绕组1铜损增大，使绕组过热。因此，电源电压超过电动机的额定电压时，会使电动机过热。 b、电源电压过低 电源电压过低时，若电动机的电磁转矩保持不变，磁通将降低，转子电流相应增大，定子电流中负载电源分量随之增加，造成绕线的铜损耗增大,致使定、转子绕组过热。 c、电源电压不对称 当电源线一相断路、保险丝一相熔断，或闸刀起动设备角头烧伤致使一相不通，都将造成三相电动机走单相，致使运行的二相绕组通过大电流而过热，及至烧毁。 d、三相电源不平衡 当三相电源不平衡时，会使电动机的三相电流不平衡，引起绕组过热。 由上述可见，当电动机过热时，应首先考虑电源方面的原因。确认电源方面无问题后，再去考虑其他方面因素。 2)、负载使电动机过热的原因 负载方面使电动机过热原因有以下几种： a、电动机过载运行 当设备不配套，电动机的负载功率大于电动机的额定功率时，则电动机长期过载运行（即小马拉大车），会导致电动机过热。维修过热电动机时，应先搞清负载功率与电动机功率是否相符，以防盲无目的的拆卸。 b、拖动的机械负载工作不正常 设备虽然配套，但所拖动的机械负载工作不正常，运行时负载时大时小，如脱粒机喂入量过大时，电动机过载而发热。 c、拖动的机械有故障 当被拖动的机械有故障，转动不灵活或被卡住，都将使电动机过载，造成电动机绕组过热。 故，检修电动机过热时，负载方面的因素不能忽视。 3)、电动机本身造成过热的原因 电动机本身造成过热原因有以下几种： a、电动机绕组断路 当电动机绕组中有一相绕组断路，或并联支路中有一条支路断路时，都将导致三相电流不平衡，使电动机过热。 b、电动机绕组短路 当电动机绕组出现短路故障时，短路电流比正常工作电流大得多，使绕组铜损耗增加，导致绕组过热，甚至烧毁。 c、电动机接法错误 当三角形接法电动机错接成星形时，电动机仍带满负载运行，定子绕组流过的电流要超过额定电流，乃至导致电动机自行停车，若停转时间稍长又未切断电源，绕组不仅严重过热，还将烧毁。 当星形连接的电动机错接成三角形，或若干个线圈组串成一条支路的电动机错接成二支路并联，都将使绕组与铁心过热，严重时将烧毁绕组。 e、电动机接法错误 当一个线圈、线圈组或一相绕组接反时，都会导致三相电流严重不平衡，而使绕组过热。 f、电动机的机械故障 当电动机轴弯曲、装配不好、轴承有毛病等，均会使电动机电流增大，铜损耗及机械摩擦损耗增加，使电动机过热。 4)、通风散热不良使电动机过热的原因 通风散热不良使电动机过热的原因有以下几种： a、环境温度过高，使进风温度高。 b、进风口有杂物挡住，使进风不畅，造成进风量小 c、电动机内部灰尘过多，影响散热 d、风扇损坏或装反，造成无风或风量小 e、未装风罩或电动机端盖内未装挡风板，造成电动机无一定的风路 什么是防爆电机？ 防爆电机是一种可以在易燃易爆厂所使用的一种电机,运行时不产生电火花。 防爆电机主要用于煤矿、石油天然气、石油化工和化学工业。此外，在纺织、冶金、城市煤气、交通、粮油加工、造纸、医药等部门也被广泛应用。防爆电机作为主要的动力设备，通常用于驱动泵、风机、压缩机和其他传动机械。 随着科技、生产的发展，存在爆炸危险的场所也在不断增加。例如，食用油生产过去是用传统的压榨法工艺，20世纪70年代以后，我国开始引进国外先进的浸出油工艺，但此工艺中要使用含有己烷的化学溶剂，己烷是易燃易爆物质；因此浸出油车间就成了爆炸危险场所，需要使用防爆电机和其他防爆电气产品。又如，近年来我国公路发展迅速，一大批燃油加油站出现，也给防爆电机提供了新的市场。 产品分类 1． 按电机原理分 可分为防爆异步电机、防爆同步电机及防爆直流电机等。 2． 按使用场所分 可分为煤矿井下用防爆电机及工厂用防爆电机。 3． 按防爆原理分 可分为隔爆型电机、增安型电机、正压型电机、无火花型电机及粉尘防爆电机等。 4． 按配套的主机分 可分为煤矿运输机用防爆电机、煤矿绞车用防爆电机、装岩机用防爆电机、煤矿局部扇风机用防爆电机、阀门用防爆电机、风机用防爆电机、船用防爆电机、起重冶金用防爆电机及加氢装置配套用增安型无刷励磁同步电机等。此外，还可以按额定电压、效率等技术指标来分，如高压防爆电机、高效防爆电机、高转差率防爆电机及高起动转矩防爆电机等。本文按防爆原理分类介绍。 产品系列及其特点 1． 隔熄型电机 它采用隔爆外壳把可能产生火花、电弧和危险温度的电气部分与周围的爆炸性气体混合物隔开。但是，这种外壳并非是密封的，周围的爆炸性气体混合物可以通过外壳的各部分接合面间隙进入电机内部。当与外壳内的火花、电弧、危险高温等引燃源接触时就可能发生爆炸，这时电机的隔爆外壳不仅不会损坏或变形，而且爆炸火焰或炽热气体通过接合面间隙传出时，也不能引燃周围的爆炸性气体混合物。 我国当前广泛应用的低压隔爆型电机产品的基本系列是YB系列隔爆型三相异步电机，它是Y系列(IP44)三相异步电机的派生产品。防爆性能符合GB3836．1—83《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》和GB3836．2—83《爆炸性环境用防爆电气设备隔爆型电气设备“d”，》的规定；电机功率范围为O．55—200kW，相对应的机座号范围是机座中心高为80—315nun；防爆标志为dI、dIIAT4、dIIBT4，分别适用于煤矿井下固定式设备或工厂IIA、IIB级，温度组别为T1—T4组的可燃性气体或蒸气与空气形成的爆炸性混合物的场所；主体外壳防护等级为IP44，也可制成IP%4，接线盒防护等级为IP54；额定频率为50Hz，额定电压为380、1660、1140、380／660、660／140V；电机绝缘等级为F级，但按B级考核定子绕组的温升，具有较大的温升裕度。低压隔爆型三相异步电机派生系列的主要型号有：YB系列(dIIcT4)(机座中心高为80—315mm)，YBSO系列(小功率，机座中心高为63—90mm)，YBF系列(风机用，机座中心高为63—160mm)，YB—H系列(船用，机座中心高为80~280mm)，YB系列(中型，机座中心高为355—450mm)，YBK系列(煤矿用，机座中心高为100—315mm)，YB—W、B—TH、YB—WTH系列(机座中心高为80—315mm)，YBDF—WF系列(户外防腐隔爆型电动阀门用，机座中心高为80—315mm)及YBDC系列(隔爆型电容起动单相异步电机，机座中心高为71—100mm)和YBZS系列起重用隔爆型双速三相异步电机。另外，还有YB系列高压隔爆型三相异步电机(机座中心高为355~450mm，560—710mm)。行业联合的YB2系列已于1四年底通过了全国鉴定，将逐步取代YB系列，成为我国隔爆型三相异步电机的基本系列。YB2系列共15个机座号(机座中心高为63、355nmm)，功率范围为O．12—315kW。 其主要特点是： (1) 功率等级、安装尺寸及转速的对应关系与DIN42673一致，同时考虑到与YB系列 的继承性和Y2系列的互换性，作了必要调整，更加有效和适用。 (2) 全系列采用F级绝缘，温升按B级考核。 (3) 噪声限值比YB系列低，接近YB系列的I级噪声，振动限值与YB系列相当。 (4) 外壳防护等级提高到IP55。 (5) 全系列选用低噪声深沟球轴承，机座中心高在180mm以上电机设注排油装置。 (6) 电机散热片有平行水平分布和辐射分布两种，以平行水平分布为主。 (7) 主要性能指标达到20世纪90年代初国际先进水平。 2.增安型电机它是在正常运行条件下不会产生电弧、火花或危险高温的电机结构上，再采取一些机械、电气和热的保护措施，使之进一步避免在正常或认可的过载条件下出现电弧、火花或高温的危险，从而确保其防爆安全性。 我国当前应用的低压增安型的基本系列是YA系列增安型三相异步电动机，它是Y系列(IP44)三相异步电机的派生产品。防爆性能符合GB3836．1—83《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》和GB3836．3—83《爆炸性环境用防爆电气设备增安型电气设备“e”》的规定；功率范围为O．55~90kW，相对应的机座中心高为80—280mm； 防爆标志为eIITl、eIIT2、eIIT3，分别适用于工厂中具有温度组别为Tl—T3组爆炸性混合物并具有轻微腐蚀介质的场所；主体外壳的防护等级为IP54，接线盒防护等级为IP55；额定频率为50Hz，额定电压为380V；电机采用F级绝缘。 低压增安型电机派生系列的主要型号有：YASO系列小功率增安型三相异步电机(机座中心高为56—90mm)，YA—W、YA—WFl系列户外、户内防腐增安型三相异步电机(机座中心高为80—280mm)。 目前，已完成YA2、系列的行业联合设计工作，并正在组织试制，以取代YA系列。YA2全系列共15个机座号(机座中心高为63—355mm)，功率范围为0．12—400kW，将使我国增安型电机达到国际上同类产品20世纪80年代先进水平。 高压(6kV)增安型三相异步电机系列有：YA355—450，功率160—450kW；YA560—900，功率500—1800kW；YAm355—630水冷，功率220—2500kw；YAKK355~630空—空冷，功率185—2000kW。1999年试制生产的TAKW4000—20／2600、4000kW增安型无刷励磁同步电机，是适应炼油厂石油深加工加氢装置需要而发展的新型防爆电机。 其特点是： (1)满足增安型防爆电机的要求，采取一系列可靠的防止火花、电弧和危险高温的措施，可以安全运行于2区爆炸危险场所。 (2)采用无刷励磁，设置旋转整流盘和静态励磁柜，励磁控制系统可靠；顺极性转差投励准确，无冲击；励磁系统失步保护可靠，再整步能力强；线路设计合理，放电电阻在工作中不发热；励磁电流调节范围宽。 (3)同步机、交流励磁机及旋转整流盘同轴。整流盘位于主电机和励磁机之间，或置于轴承座之外。 (4)外壳防护等级为IP54。 (5)采用F级绝缘，温升按B级考核。 (6)改变传统的下水冷为上水冷，即水冷却器置于电机上部。 (7)设增安型防潮加热器，固定在电机底部的罩内，用于停机时加热防潮用。 (8) 选优质原材料，电气及机械计算留有较大裕度，能满足运行可靠性和增安型电机的温度要求。 (9)设置有完善的监控措施；主接线盒内设置用于差动保护的增安型自平衡电流互感器；定子绕组埋设工作和备用的铂热电阻，分度号为Pt100；设漏水监控仪，监控水冷却器的泄漏；两端座式滑动轴承分别设现场温度显示仪表和远传信号端子。 3.正压型电机是正压型电气设备的一种。 其结构特点是： (1) 配置有一套完整的通风系统，电机内部不存在可能影响通风的结构死角。 (2) 外壳和管道由不燃材料制成，并具有足够的机械强度。 (3) 外壳及主管道内相对于外界大气保持足够大的正压。 (4) 电机须有安全保护装置(如时间继电器和流量监测器)，以保证足够的换气量， 还必须有壳内气压欠压的自动保护或报警装置。 (5) 外壳上的快开门或盖须有与电源联锁的装置。我国目前尚无统一的正压型电机系列产品。 5． 无火花型电机：是指在正常运行条件下，不会点燃周围爆炸性混合物，且一般又不会发生点燃故障的电机。与增安型电机相比，除对绝缘介电强度试验电压、绕组温升、te(在最高环境温度下达到额定运行最终温度后的交流绕组，从开始通过起动电流时计起至上升到极限温度的时间)以及起动电流比不像增安型那样有特殊规定外，其他方面与增安型电机的设计要求一样。 无火花型电机符合GB3836．1—83和GB3836．8—87《爆炸性环境用防爆电气设备无火花型电气设备“n”》的规定。设计上注重电机的密封措施，主体外壳防护等级为IP54、IP55，接线盒为IP55。额定电压在660V以上的电机，其空间加热器或其他辅助装置的连接件应置于单独的接线盒内。 目前，国内已研制、生产了YW系列无火花型电机产品(机座中心高度为80~315mm)。防爆标志为nIIT3，适用于工厂含有温度组别为T1—T3组的可燃性气体或蒸气与空气形成的爆炸性混合物的2区场所。额定频率为50Hz，额定电压为380、660、380／660V，电机采用F绝缘，但按B级考核定子绕组的温升限值，具有较大的温升裕度及较高的安全可靠性，功率为0．55~200kW。 6． 粉尘防爆电机：指其外壳按规定条件设计制造，能阻止粉尘进入电机外壳内或虽不能完全阻止粉尘进入，但其进入量不妨碍电机安全运行，且内部粉尘的堆积不易产生点燃危险，使用时也不会引起周围爆炸性粉尘混合物爆炸的电机。其特点是： (1) 外壳具有较高的密封性，以减少或阻止粉尘进入外壳内，即使进入，其进入量也不致于形成点燃危险。 (2) 控制外壳最高表面允许温度不超过规定的温度组别。目前，已用于国家粮食储备库的机械化设备上。粉尘防爆电气设备的国家标准为 GBl2476．1—90《爆炸性粉尘环境用防爆电气设备》。 发展趋势 1． 矿用防爆电机 (1) 发展大功率电机：目前世界上采煤机的最大装机容量已超过1200kw，其驱动电机功率达600kW；相适应的采区工作面刮板输送机的最大装机容量已超过1500kW，其驱动电机功率已达725kW。国内目前的采煤机驱动电机最大功率是400kW，刮板输送机驱动电机最大功率是315kW。 (2) 发展3．3kV、6kV和IOkV级电压的矿用电机：这是因为普及综合机械化采煤机组后采区走向加长，导致电压降增大，同时大功率电机的使用也要求提高电压等级。 (3) 发展矿用双速电机：为了适应煤矿输送机低速起动和高速运行的工作需要，国外矿用刮板输送机都是采用双速电机驱动的。但目前国产矿用双速电机的功率范围、性能指标及配套控制开关的性能等与国外先进水平相比均有一定差距。 (4) 提高矿用电机的可靠性：矿用防爆电机的工况条件较差，电机频繁大负荷起动、负荷变化大、电压波动大、环境温度高且有一定的腐蚀性等，这些都影响电机的使用可靠性和寿命。 (5) 加快矿用防爆电机的更新换代。 (6) 统一矿用防爆电机的标准。 2． 石化系统用防爆电机 (1) 增安型和无火花型电机的需求将呈上升趋势。石化系统的用户在使用实践中；已认识到发展我国增安型和无火花型电机的必要性。此外，大量20世纪70年代弓[进装置中配套的增安型、无火花型电机目前已到了采用合适的国产品替代的时候。 (2) 防爆电机的可靠性已越来越被石化系统用户关注。石化企业发展日趋装置大型化、运行连续化，要求系统运行实现长周期、免维修或少维修。因此，防爆电机就成为保证上述要求的关键设备。 (3) 防爆和高效变频调速电机已成为石化用户迫切要求开发的节能产品。近年已系列生产了YBx、YAX防爆高效电机，投入市场后很受用户欢迎。防爆电机节能有两方面工作：一是研制高效率防爆电机产品，二是大量开发各种防爆调速电机的专用产品，尤其是将具有巨大节能潜力的风机、泵和压缩机配套的电机设计为调速电机。 (4) 沿海石化企业的发展带来的新要求。我国沿海一带将建一批炼油厂，原油均需进口，而进口原油含硫量高、腐蚀性严重，因而要求防爆电机提高防腐性能；另外进口原油均需海运，其储油罐就需要配套高扬程大流量油泵的防爆电机。 (5) 我国西部石油工业的大发展，要求开发适于沙漠干热环境的防爆电机产品。加氢装置配套用的中大容量的增安型无刷励磁同步电机的市场需要将逐年增长。