为涂料循环泵选择最佳马达

多年来，气动泵一直是涂料循环领域的中流砥柱，其背后有诸多原因：它们操作简便、性能可靠，活塞往复运动速度相对较慢，不会对涂料造成破坏，相比离心和其他回转泵送技术更适宜涂料循环输送系统的应用。虽然具有以上诸多益处，但使用气动泵的主要优势是其在危险场所的自身安全性。

由于许多涂料是溶剂型或含有溶剂成分，因此输调涂料系统通常被视为危险场所。根据《美国国家电气规范》（NEC），危险场所定义为“由于易燃气体或蒸气、易燃液体、可燃粉尘或可燃纤维或飞溅物而可能存在火灾或爆炸危险的区域”。因此，需要制造特定的设备用于危险场所。由于气动泵依靠空气而非电力运行，因此不存在电火源。 

此外，对于危险场所，气动泵是一种成本相对较低的解决方案。若要使用电动马达，除需要更多的布线和防爆型导管外，还需要第二方认证（如 UL），因此成本通常会有所增加。

虽然气动泵有诸多优点，但是也存在一些缺点 — 能源消耗最大。气动马达从本质上而言，充其量只有 10% 左右的工作效率。由于气动泵依靠压缩空气运行，所用的压缩机效率并不高，因此以这种效率全天候运行确实会增加能源费用。这种情况在国际市场中更为明显，在一些国家中，每千瓦时的能源成本高达 30 美分，而在美国，每千瓦时的能源成本仅为 6 到 8 美分。

除了效率低下外，气动泵还存在结冰风险。若空气中有水分并在排气中迅速膨胀，则会出现冷却甚至结冰。在路易斯安那州或韩国等潮湿、湿润以及存在冷空气的地区，出现此类风险尤为高。在这种环境下，气动泵出现结冰并可能停止工作。此外，气动泵在运行时噪音过大。许多工人在附近工作时需要佩戴护耳用具，防止听力受损。

由于气动泵效率低下，目前市场一直在向电动往复泵等其他解决方案转型。虽然电动泵有诸多优势，但最主要优势是其工作效率。电动泵的工作效率是气动泵的四到七倍。这可节省大量能源和成本，特别是对于每日 24 小时运行的大型循环泵。除工作效率之外，电动泵更安静，并可提供更多的功能控制（包括速度和压力）。例如，若系统中的某个组件发生故障，电动马达能够支持操作员对此进行监控并关闭系统。

电动泵需要能够将电能转换为用于驱动泵的机械能的电动马达。目前工业已投入使用几种不同类型的电动马达，其中交流感应马达和无刷直流马达 (BLDC) 最为常见。 

对于绝大多数一般工业应用，交流感应马达更受欢迎。此类马达操作简单、经济高效，若不要求速度控制，则不需要任何形式的控制器（通常称为变频驱动器 -VFD 或变频器）。另一方面，BLDC 马达需要控制器，自 1970 年代末开始出现低成本电力电子设备以来，BLDC 马达才变得更加普遍。

交流感应马达和 BLDC 马达非常相似；主要区别在于转子的内在结构。 

交流感应电动机的转子上没有磁铁；不过，它拥有一系列层压和绕组。将定子接通 3 相电源，便会产生旋转磁场。该旋转磁场通过感应会在转子中产生电流。转子电流会产生对应的磁铁，与定子磁场相互作用并产生扭矩。大多数交流感应马达无需控制器，可直接采用交流电源运行，但如需进行变速（许多泵的实际应用中），该优势便不复存在，因为必须在交流电源和马达之间安装 VFD。 

VFD 通过改变向马达提供的电源频率来改变马达的速度。例如，额定转速为 1800 rpm 和 60 Hz 的马达可通过以 30 Hz 的速度运行减速至 900 rpm。即使采用变频器，工业交流感应马达的速度范围也存在一定限制，约为额定速度的 30% 至 130%。此类马达不适合在低速或停机下提供额定扭矩。

BLDC 马达组件

交流马达组件

或者，BLDC 马达可用一系列永久磁铁代替转子上的绕组。永久磁铁可产生与定子磁场相互作用的磁场，并产生扭矩。然而，BLDC 马达并非简单地依靠三相电源产生旋转磁场，而是需要可精确控制定子的磁场，并与转子位置及其固定磁铁对齐。定子磁场由一台设备控制，该设备与交流感应马达配套使用的变频器几乎完全相同，但配有一项额外输入；需要连接到转子的轴编码器帮助马达控制器保持转子和定子磁场正确对齐。通过精确控制定子的磁场，可对马达实现全面控制，包括速度、扭矩和加速度。BLDC 马达可在速度为“0”的情况下产生全扭矩。对于所有给定的功率水平，BLDC 马达体积通常更小，并且带有永久磁铁的转子比相应的感应转子重量更轻。这两项特性支持 BLDC 马达能够对不断变化的负载条件做出更快速地响应。 

交流感应马达比 BLDC 马达更为常见，操作员为什么仍选择 BLDC 马达用于泵应用？ 只有 BLDC 马达具有以下优势和功能，包括：

• 高效率：BLDC 马达可降低能耗和热生成量。
• 精确控制扭矩和速度：泵可对系统需求的变化做出快速响应。该泵还可处于“顶部停机”状态，能够支持马达在速度为“0”的情况下产生全扭矩。此外，马达还可以产生恒定的扭矩。凭借这一功能，可对马达进行控制以产生恒定压力 — 即可对类似于气动泵的循环系统的变化做出反应。 
• 转子惯性更低：这导致泵对系统压力变化的响应比其他类似供电交流感应的马达快得多。
• 体积更小：对于所有给定的功率输出，BLDC 马达体积通常比交流马达更小，进而泵体积也更小。

经改进的 BLDC 马达效率如下图所示。图 1 比较了交流感应马达和 BLDC 马达。图 2 显示了各种类型循环泵将总电能转化为机械能的效率。 

除惯性更低和扭矩控制更佳（泵能够更快速响应需求变化）、精确的压力控制功能以及在保持压力的同时使泵处于“顶部停机”之外，BLDC 马达固有的快速响应功能还大大简化了机械连接。 

这两种类型的马达皆需要一种方式，能够将马达的旋转运动转变为容积式活塞泵的线性往复运动。交流感应马达相对恒定的速度运行和缓慢的动态响应需要复杂的机械机制才能实现。例如，可使用凸轮或支架布置。通常，此类设备比实际马达体积大两到三倍。此外，其自身构造含有极易断裂或磨损的部件和轴承，且维护或更换费用昂贵。

下方是交流感应马达驱动泵示例。请注意，交流马达、齿轮箱以及较大型凸轮驱动系统均为独立系统，但皆需要将旋转运动转变为直线运动。凸轮驱动系统由多个部件构成，这些部件一直处于持续磨损状态。

相比之下，涂料循环泵系统可采用小型 BLDC、两级齿轮减速以及简易齿轮驱动系统将旋转运动转变为直线运动。 

为了产生往复运动，只需将 BLDC 马达反向旋转。凭借更低的惯性和精确的扭矩控制，BLDC 马达可简单且高效地完成此操作。除泵外，此类解决方案在其他自动化设备中也很常见，例如超精密高速 CNC 加工设备。 

马达循环 

在涂料循环系统中投入使用 BLDC 电动泵，能够支持操作员实现最佳效率、控制和性能。此外，由于BLDC 电动泵易于连接且运行安静，极大地改善了工作环境，能够支持操作员留在泵附近确保连续性能。