Размерение двигателя и привода: избегайте недо- или переразмерения для оптимальной производительности

Правильный подбор размера — критически важный аспект выбора двигателя. Если двигатель недоразмерен, он не сможет контролировать нагрузку, приводя к перерегулированию и колебаниям.

Переразмерение системы так же плохо, как недоразмерение — оно может контролировать нагрузку, но будет больше, тяжелее, а также дороже по цене и эксплуатационным расходам. Может не поместиться физически и точно будет стоить больше. Занимает больше ценного места в шкафу управления или на заводском полу.

Что учитывать при покупке двигателя?

Слишком часто поставщики получают звонок с просьбой двигателя определенной мощности. Инженер может покупать двигатель того же размера, что и на предыдущей платформе. Может добавить крупный запас прочности для компенсации изменений. Может использовать соотношение инерции нагрузки к инерции двигателя 10:1 или 5:1 — или смесь вышеперечисленного.

Цель — специфицировать двигатель, обеспечивающий скорость, ускорение и момент, необходимые для позиционирования нагрузки в заданной точке и в желаемое время. Может включать запас прочности для компенсации вариаций двигатель-к-двигателю или ожидаемых изменений в рабочих условиях. Запас прочности должен добавляться поверх обоснованного расчета.

Частая ошибка — выбор двигателя с непрерывным рабочим моментом, равным максимальному моменту приложения (обычно видимому при экстремальных ускорениях/замедлениях). Приложения контроля движения часто состоят из кратковременных быстрых перемещений. Выбор двигателя, рассчитанного на генерацию этого момента непрерывно, означает по сути оплату за более мощный двигатель, чем необходимо.

Размерение двигатель-привод

Для эффективного размерения двигателя необходимо рассчитать инерцию нагрузки (JL). Отношение инерции нагрузки к инерции двигателя (по сути, инерции ротора) дает меру того, насколько эффективно двигатель может контролировать нагрузку. Высокое отношение инерции указывает на систему, которая будет испытывать трудности с контролем нагрузки. Низкое отношение (например, 4:1 или 1:1) показывает, что двигатель очень эффективно контролирует нагрузку, но также раскрывает, что двигатель может быть переразмерен для системы.

Часто проектировщики включают реальную нагрузку, редуктор и двигатель, но оставляют ремни, шкивы и другие механические элементы за пределами уравнения. Они просто переходят к следующему крупному размеру или используют тот же размер рамы, но с большим моментом. Отсюда и весь подход с 10% запасом.

Процесс подбора включает сбор данных и детальный анализ. Требует знания механической системы, операционных параметров и обстоятельств использования оборудования. Должен также включать детали операционной среды, иначе выбранная система может не подойти.

Инерция — стремление объекта сопротивляться изменению ускорения — одна из главных проблем в контроле движения. Двигатель должен приложить достаточное усилие (в линейной системе) или момент (в вращательной) для изменения ускорения нагрузки и делать это контролируемо.

Главные ограничения, учитываемые при размерении:

• Пиковый момент
• RMS-момент
• Максимальная скорость
• Скоростно-моментные характеристики двигателя

Кроме того, нужно учитывать два режима приложения:

• Режим непрерывной работы
• Режим прерывистой работы

Разницу между режимами можно проиллюстрировать токарным станком. Привод шпинделя — непрерывный режим, так как работает на постоянной скорости под постоянной нагрузкой; осевые приводы — прерывистый режим, из-за ускорений и замедлений для следования за траекторией инструмента.

Скорость и двигатели

Приводы роботов и станков непрерывно меняют скорость для генерации требуемого профиля движения. Подбор передаточного числа и его отношение к генерируемому двигателем моменту нужно полностью учитывать. Если нагрузка должна работать на постоянной скорости или моменте, оптимальное передаточное число можно определить. На практике рассматривают случаи ускорения с внешней нагрузочной моментом и без, и эффекты переменных инерций нагрузки.

Знание требуемого диапазона скоростей нагрузки и первоначальная оценка необходимых передаточных чисел позволят оценить пиковую скорость двигателя. Чтобы предотвратить недогрузку двигателя до требуемой скорости из-за колебаний напряжения питания, максимальная требуемая скорость должна быть увеличена в 1.2 раза. Этот фактор удовлетворителен для большинства промышленных приложений, но может быть уточнен для специальных, например, при работе от ограниченного источника питания, как в авиации или на морских нефтяных платформах.

Напряжение

Так как пиковая скорость двигателя зависит от напряжения питания, периоды пониженного напряжения нужно учитывать. Как руководство, привод обычно размеряют так, чтобы он мог работать на пиковой скорости при 80% номинального напряжения питания. Если система питается от источника, уязвимого к просадкам или отключениям, нужна особыя осторожность для защиты привода, его контроллера и нагрузки от повреждений; это особенно остро для микропроцессорных систем, которые, если не настроены правильно, могут заблокироваться или перезагрузиться без предупреждения, веду к возможной катастрофе.

Где производительность ускорения критична, инерция двигателя должна быть добавлена к отраженной инерции нагрузки, и нужно определить момент, необходимый для разгона этой общей инерции с требуемой скоростью. Комбинация двигатель-привод понадобится с пиковой способностью момента не менее 1.5–2 раз этого значения для обеспечения достаточного запаса момента.

Пиковый момент комбинации двигатель-привод должен превышать, с безопасным запасом минимум 15%, сумму оценочного трения, ускорения и любого непрерывного нагрузочного момента, присутствующего при разгоне. Если это недостижимо, потребуется другой двигатель или передаточное число.

На очень высокопроизводительных станках новейшие автонастраиваемые приводы очень эффективно компенсируют резонансы и вибрации машины, поддерживая точную работу даже на очень высоких скоростях. Электромагнитная совместимость оказывает значительное влияние на проектирование и применение системы.

Компоненты передачи мощности

Механические требования к двигателю должны быть идентифицированы на ранней стадии размерения и подбора. Часто упускаемые элементы — любые размерные и ориентационные ограничения, вытекающие из механического дизайна.

Если их можно выявить рано, это может предотвратить неудовлетворительную работу после установки. В частности, если двигатель монтируется вертикально, могут потребоваться специальные прокладки или предварительная нагрузка подшипников.

В определении требований к приводу трения моменты, пожалуй, самый сложный аспект процедуры размерения двигателя.

Подшипники

В случае вращающегося вала подшипник — наиболее распространенный способ опоры. Доступно много типов, наиболее общий — роликовый и шариковый.

Редукторы

Конвенциональная редукторная передача состоит из двух или более шестерен для изменения угловой скорости и момента между входным и выходным валом. Редукторы дают важный инструмент управления инерцией. Редуктор уменьшает инерцию в квадрате передаточного числа. Компромисс — редукторы также снижают скорость двигателя. Большинство сервоприводов работают на скоростях 2000–6000 об/мин, позволяя им работать на полезной скорости даже с высоким передаточным числом редукции.

Шестерни с прямыми или косыми зубами обычно используются в конвенциональных редукторах. Шестерня с прямыми зубами имеет преимущество минимальной осевой силы, снижая проблему движения подшипников шестерен.

Косозубые шестерни широко применяются в роботизированных системах, так как дают более высокое контактное отношение при том же передаточном числе, платой за это — осевая нагрузка на шестерню.

Ограничивающие факторы в шестеренной передаче — жесткость зубьев, максимизируемая выбором максимально возможного диаметра шестерни и минимизацией люфта или потерянного хода между отдельными шестернями.

Винтовые пары и шарикоподшипниковые винты

В винтовой паре прямой контакт между винтом и гайкой ведет к относительно высокому трению и неэффективному приводу. Для точных приложений используют шарикоподшипниковые винты за счет низкого трения и хорошей динамической отзывчивости.

Шарикоподшипниковый винт по принципу идентичен винтовой паре, но мощность передается к гайке через линейные шарикоподшипники в резьбе гайки.

Ременная передача

Использование зубчатого ремня или цепной передачи — эффективный способ передачи мощности между двигателем и нагрузкой с сохранением синхронизма.

В линейном приводе те же процедуры, применяемые к винтовым парам и шарикоподшипниковым винтам, применимы к ременной передаче.

 

Очень хорошая справка по размерению двигателей в интернете:
https://www.electricmotors.com/sizing.html