永磁同步电机的工作制核心是匹配电机 “持续工作能力” 与负载 “运行时间特性”，避免电机因 “长期过载” 或 “工况错配” 导致过热损坏。确定工作制需遵循 “分析负载运行模式→对应标准工作制→计算关键参数→验证温升匹配” 的逻辑，具体步骤如下：
一、第一步：拆解负载的实际运行模式（核心前提）
先明确负载的 “运行 - 停止 - 过载” 规律，这是确定工作制的基础。负载运行模式主要分 3 大类，不同模式对应不同工作制：
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负载运行模式 |
核心特征 |
典型场景 |
关键参数 |
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连续稳定运行 |
负载转矩 / 转速长期不变，电机连续工作≥30 分钟（或超过电机热时间常数），无频繁启停 |
风机、水泵、传送带、空调压缩机 |
持续负载转矩、持续运行时间 |
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短时运行 |
电机每次运行时间短（<30 分钟，且未达到热稳定），停止时间长（足够电机冷却至环境温度），无连续循环 |
机床夹紧机构、闸门驱动、小型提升机（单次起吊后长时间闲置） |
短时运行时间（如 10 分钟）、短时负载转矩 |
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间歇循环运行 |
电机 “运行 - 停止” 交替循环（或 “运行 - 轻载 - 停止”），循环周期短（<10 分钟），停止时间不足以完全冷却 |
工业机器人关节（动作 1 分钟 + 停 2 分钟）、自动化装配线机械臂（抓取 0.5 分钟 + 停 1 分钟）、3D 打印机喷头（移动 0.8 分钟 + 停 0.2 分钟） |
负载持续率（运行时间 / 循环周期）、循环内最大负载转矩 |
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变负载 / 冲击负载运行 |
循环内负载转矩 / 转速持续变化（如先轻载加速→重载运行→空载减速），或存在瞬时冲击转矩 |
新能源汽车驱动（起步加速→匀速→刹车减速）、冲床送料机构（间歇冲击推料） |
循环周期内各阶段的负载转矩、冲击转矩峰值、各阶段持续时间 |
二、第二步：对应国标标准工作制（GB 755-2019）
根据负载运行模式，匹配《旋转电机 定额和性能》（GB 755）中定义的 10 类工作制（S1-S10），常用的是 S1、S2、S3 三类，复杂工况对应 S4-S10：
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标准工作制 |
定义 |
适用负载模式 |
选型关键要求 |
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S1（连续工作制） |
电机在额定负载下连续运行，最终温升稳定在允许值内，无时间限制 |
连续稳定运行 |
电机额定转矩≥负载持续转矩，额定功率≥负载持续功率 |
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S2（短时工作制） |
电机在额定负载下运行指定时间（如 10、30、60 分钟），运行后停止冷却至环境温度，不循环 |
短时运行 |
电机 “短时额定时间”≥负载实际运行时间，短时额定转矩≥负载短时转矩 |
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S3（间歇周期工作制） |
电机按 “运行 - 停止” 循环运行，循环周期≤10 分钟，负载持续率（D）常用 15%、25%、40%、60% |
间歇循环运行 |
1. 负载持续率 D（运行时间 / 循环周期 ×100%）匹配；2. 电机额定转矩≥循环内平均负载转矩；3. 电机峰值转矩≥循环内最大负载转矩 |
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S4（间歇周期加减速工作制） |
循环含 “加速 - 运行 - 减速 - 停止”，负载转矩随转速变化 |
变负载运行（如机器人关节） |
需计算 “等效转矩”，电机额定转矩≥等效转矩 |
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S5（间歇周期制动工作制） |
循环含 “运行 - 制动 - 停止”，有制动转矩 |
需快速启停的场景（如电梯门机） |
考虑制动转矩对电机温升的影响，等效转矩需包含制动损耗 |
三、第三步：计算关键参数（确保工况匹配）
根据对应工作制，计算核心参数，避免 “参数错配” 导致电机过热或性能不足：
1. 针对 S3（间歇周期工作制）：计算负载持续率 D
这是最常用的工况，负载持续率直接决定电机选型：
公式：D = （单次运行时间 t₁ / 单次循环周期 T）× 100%
1.循环周期 T = 运行时间 t₁ + 停止时间 t₂；
2.示例：机器人关节每次运行 1 分钟（t₁=1），停止 2 分钟（t₂=2），则 T=3 分钟，D=（1/3）×100%≈33% → 选 S3 40% 的电机（选接近且略大的标准负载持续率，无 33% 标准值，选 40%）。
2. 针对 S4-S10（变负载 / 冲击负载）：计算等效转矩 Tₑq
当负载转矩随时间变化时，需通过 “等效转矩” 判断电机是否承受：
公式：Tₑq = √[(T₁²t₁ + T₂²t₂ +... + Tₙ²tₙ) / (t₁ + t₂ +... + tₙ) ]
3.T₁、T₂：各阶段负载转矩；t₁、t₂：各阶段持续时间；
4.示例：新能源汽车驱动循环（加速 t₁=10s，T₁=200N・m；匀速 t₂=30s，T₂=80N・m；减速 t₃=5s，T₃=150N・m）
Tₑq = √[(200²×10 + 80²×30 + 150²×5) / (10+30+5) ] = √[ (400000 + 192000 + 112500) / 45 ] ≈ √[704500/45] ≈ 125N・m → 选额定转矩≥125N・m 的电机。
3. 针对所有工作制：验证过载能力
若负载有瞬时冲击（如机器人抓取重物、冲床送料），需确认电机 “峰值转矩” 是否满足：
5.普通永磁同步电机：S1 工作制峰值转矩≈1.5~2 倍额定转矩；S3 工作制峰值转矩≈2~3 倍额定转矩；
6.示例：S3 40% 的电机额定转矩 100N・m，峰值转矩 250N・m，若负载冲击转矩 220N・m → 满足（220≤250）。
四、第四步：验证温升匹配（避免过热损坏）
工作制的本质是 “控制电机温升不超过绝缘等级允许值”（如 B 级绝缘允许温升 80K，H 级 120K），需注意 2 个关键点：
1.负载持续率与功率的关系：相同功率的电机，负载持续率越低，允许的短时转矩越大。
1.例：10kW 电机，S1 工作制额定转矩≈63.7N・m；S3 25% 工作制额定转矩≈127N・m（因停止时间长，可承受更高短时负载）。
2.误区：若用 S1 10kW 电机跑 S3 25%、120N・m 的负载，会因转矩不足过载；若用 S3 25% 10kW 电机跑 S1 60N・m 的负载，会因长期运行温升超标。
1.环境温度修正：若设备在高温环境（如 45℃）运行，需降低电机额定负载（或选更高绝缘等级）。
1.修正公式：修正后额定转矩 = 额定转矩 × √[(Tₘₐₓ - Tₐ) / (Tₘₐₓ - T₀) ]
2.Tₘₐₓ：绝缘等级最高允许温度（如 B 级 130℃）；Tₐ：实际环境温度；T₀：标准环境温度（40℃）；
3.示例：B 级电机在 50℃环境运行，修正后转矩 = 100×√[(130-50)/(130-40) ]≈100×√(80/90)≈94N・m → 负载转矩需≤94N・m。
五、总结：确定工作制的 4 步流程（示例）
以 “工业机器人关节” 为例，完整流程如下：
1.分析负载模式：运行 1 分钟（T₁=80N・m）→ 停止 2 分钟 → 循环（周期 3 分钟），有瞬时冲击（Tₚₑₐₖ=180N・m）→ 间歇循环 + 冲击负载；
2.对应工作制：S3（间歇周期工作制）；
3.计算参数：D=1/3×100%≈33%，选 S3 40%；等效转矩≈80N・m（因运行阶段转矩稳定，等效转矩≈实际转矩）；
4.验证匹配：选 S3 40%、额定转矩≥80N・m、峰值转矩≥180N・m 的永磁同步电机（如额定转矩 100N・m，峰值 250N・m，满足要求）。
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