启动转矩与工作转矩有何区别？

启动转矩与工作转矩有什么区别？

启动转矩与工作转矩是选择电机、减速电机和减速机时的两个重要参数。工作转矩表示机器维持运行所需的扭矩，而启动转矩必须克服初始阻力并为整个机构提供加速度。

如果仅根据功率或工作转矩进行选择，电机在达到额定转速后可能运行平稳，但却无法提供足够的力来启动负载。

什么是启动转矩？

启动转矩是电机在开始旋转时，即轴转速为零或接近零时所产生的转矩。

对于直接启动的异步电动机，该参数也称为：

• Starting torque

• Locked-rotor torque

• 起动转矩

• 堵转转矩

启动转矩必须同时完成两项任务：

1. 克服静止状态下负载的阻力。

2. 产生加速度，使电机和机械机构达到所需转速。

电机的启动能力不仅取决于额定功率，还取决于转矩-转速特性、电压、启动方式以及机器负载。IEC 60034-12 标准专门对三相异步电动机的启动特性进行了分类，包括转子未旋转时的转矩和电流。

什么是工作转矩？

工作转矩是机器在正常运行条件下维持运转所需的转矩。

需要区分两个概念：

• 负载转矩：机械机构在特定时刻所要求的转矩。

• 额定转矩：电机或减速机在额定条件下能够连续提供的转矩。

在稳定运行状态下，电机转矩与负载转矩及机械损耗相平衡。此时转速几乎保持不变。

电机的额定转矩可以根据功率和转速近似计算：

T = 9.550 × P / n

其中：

• T：转矩，Nm

• P：功率，kW

• n：转速，r/min

例如，一台 1.5 kW 的电机在 1.450 r/min 下运行，其额定转矩近似为：

T = 9.550 × 1,5 / 1.450 ≈ 9,88 Nm

启动转矩与工作转矩的比较

为什么启动转矩可能大于工作转矩？

当机器稳定运行时，电机主要需要提供克服负载和机械损耗的转矩。

在启动时，电机还必须为以下部件加速：

• 电机转子

• 齿轮和轴

• 联轴器

• 链轮、皮带轮或卷筒

• 输送带和物料

• 搅拌桨

• 机器的所有旋转或运动质量

基本的动力学关系为：

Tmotor − Ttải = J × α

其中：

• Tmotor：电机转矩

• Ttải：负载阻力转矩

• J：折算转动惯量

• α：角加速度

电机转矩与负载转矩之间的差值用于系统加速。如果电机转矩仅等于负载转矩，机器几乎没有剩余转矩来加速。总转矩、转动惯量和旋转加速度之间的关系是电力传动系统的基本原理。

启动转矩是否总是大于工作转矩？

并非所有应用都要求启动转矩远高于工作转矩。

所需的转矩水平取决于负载特性。

因此，不应将固定的启动转矩比例应用于所有机器。

电动机启动转矩与减速机有何关系？

减速机可降低转速并增大输出轴的转矩。

输出转矩可估算为：

T₂ ≈ T₁ × i × η

其中：

• T₁：电动机轴转矩

• T₂：减速机输出轴转矩

• i：传动比

• η：传动效率

传动比、转速与转矩之间的关系是齿轮传动系统的基础。折算到电动机侧的惯性负载也会随传动比的平方而变化。

例如，电动机产生 15 Nm 的启动转矩，减速机传动比为 20，总效率为 90%：

T₂ ≈ 15 × 20 × 0,9 = 270 Nm

然而，不能仅凭此结果就断定减速机适用。还需要同时检查：

• 允许的连续输出转矩

• 允许的最大转矩

• 启动转矩或峰值转矩

• 每小时启动次数

• 冲击负载

• 径向负载和轴向负载

• 轴承和齿轮寿命

如果启动转矩或冲击转矩超过了短期极限，即使是转矩足够的工作减速机也可能过载。

启动方式的影响

直接启动

电动机直接接收电源电压，并根据电动机设计产生启动转矩特性。启动电流通常较大，因此需要检查电源、开关设备和机构的承载能力。

星三角启动

星形连接阶段施加在每个绕组上的电压低于三角形运行时的电压。因此，启动转矩会显著降低。

如果负载在静止状态下需要大转矩，则此方法不适用。

软启动

软启动器在启动过程中降低电压，以限制电流和机械冲击。当电压降低时，异步电动机的启动转矩也会降低。

因此，需要根据负载设置合适的升压时间和初始电压。

变频器

变频器在启动过程中控制电动机的电压、频率和电流。低速下的转矩产生能力取决于：

• V/F 模式或矢量控制 (vector control)

• 电流限制

• 电动机参数

• 自动调谐 (autotune) 结果

• 加速时间

• 变频器的过载能力

• 电动机的冷却状况

使用变频器时的启动转矩不应仅通过直接启动时电动机的堵转转矩 (locked-rotor torque) 参数来评估。

启动转矩不足时会发生什么？

常见的迹象包括：

• 电动机通电但不转动

• 启动时电动机转动非常缓慢

• 电流升高

• 热继电器或变频器报告过流

• 空载时可启动，但带载时无法运行

• 加速时间过长

• 电动机迅速发热

• 制动器已释放但负载不移动

• 输送带抖动后停止

• 联轴器、链条或皮带剧烈振动

如果电机长时间保持在极低转速下运行，电流和温度可能会迅速升高，从而缩短绕组的使用寿命。

为什么电机功率足够却无法启动？

额定功率合适的电机仍可能无法启动，原因如下：

• 启动转矩低于负载转矩

• 加速时间设置过短

• 变频器限流值过低

• 电源电压跌落

• 星三角接线错误

• 电磁制动器未完全释放

• 负载机械卡死

• 轴承或减速机抱死

• 齿轮、链条或皮带轮安装不当

• 螺旋输送机或搅拌机内物料堆积

• 负载转动惯量过大

• 减速机传动比不匹配

因此，在未查明原因之前，不应盲目通过增大电机功率来解决问题。

如何根据转矩选择电机和减速机

1. 确定工作转矩

计算机器在要求转速下维持运行所需的转矩。

2. 确定启动时的负载转矩

检查负载是空载还是满载启动，是否存在静摩擦、提升力、物料固化或初始压力等情况。

3. 计算转动惯量

评估卷筒、飞轮、转盘、皮带轮和机器轴等旋转部件的质量和尺寸。

4. 确定加速时间

加速时间越短，所需的加速转矩就越高。

5. 检查电机和控制器的特性

需要确认电机和控制设备在整个加速过程中都能产生足够的转矩，而不仅仅是在启动瞬间。

6. 检查减速机

减速机必须同时满足以下要求：

• 连续转矩

• 启动转矩

• 峰值转矩

• 启动周期

• 冲击负载

• 轴上的外部负载

7. 检查制动器和逆止器

对于倾斜输送机、卷扬机或升降机构，还需要检查电机停止或断电时保持负载的能力。

选型中的常见误区

仅根据功率（kW）选择

功率并不能完全体现启动能力。两台功率相同的电机可能具有不同的启动转矩特性。

仅检查额定转矩

额定转矩代表稳定运行能力，不能替代对启动转矩和峰值转矩的检查。

认为减速机越大越好

更大的减速机虽然能提高承载能力，但也会增加惯量、尺寸和成本。应根据实际负载进行正确选型。

将加速时间设置得过短

过短的加速时间会增加所需的加速转矩和电流。

忽略启动时的负载状态

空载螺旋输送机与满载螺旋输送机的启动要求截然不同。

使用峰值转矩评估连续运行

峰值转矩通常仅允许在短时间内出现，不得用于替代连续工作转矩。

常见问题

启动转矩是最大转矩吗？

不是。启动转矩是指速度为零时的转矩。最大转矩可能出现在电动机特性曲线上的其他速度点。

工作转矩是额定转矩吗？

不完全是。工作转矩是负载实际所需的转矩。额定转矩是电动机或减速机在额定条件下能够持续提供的能力。

电动机的额定转矩大于负载就足够了吗？

不够。还需要检查启动转矩、加速时间、负载惯量和最大转矩。

增加传动比有助于电动机更容易启动吗？

增加传动比通常会增加输出轴的转矩，并降低折算到电动机侧的负载转矩。然而，输出速度会降低，且必须检查减速机的极限。

变频器能增加启动转矩吗？

在正确选型和设置的情况下，变频器可以改善低速时的转矩控制能力。其实际能力仍受限于变频器的电流、电动机、控制模式及过载能力。

减速机工作转矩足够但启动转矩不足可以吗？

可以。减速机可能能够承受连续负载，但不足以承受启动、卡死或反转时的峰值转矩。

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• 电动机功率和转速

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• 转矩或负载特性

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结论

启动转矩是克服初始阻力并加速系统所需的转矩。工作转矩是维持机器在要求速度下运行所需的转矩。

在选择电动机和减速机时，需要同时检查启动转矩、工作转矩、最大转矩、负载惯量、加速时间和运行周期。仅根据 kW 功率进行选择可能会导致系统功率足够但仍无法启动。