如何调整电机

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适当的大小是选择电机的关键。如果电机尺寸过小,将无法控制负载,导致过冲和振铃。如果电机尺寸过大,则可能会对负载进行控制,但电机的重量也会越来越大,而且价格和操作成本也会更高。每个人都认同正确尺寸的重要性,但是经常会有厂商只是打个电话问一个马力的马达。工程师可能只是购买一台与之前平台相同尺寸的电机。他们可能会增加一个很大的安全余地来弥补变化。他们可能已经使用了10:1或5:1的负载和惯性与电机惯性的比率,或者是上述的一些混合。
充其量,这些方法导致超大型电机浪费金钱。最糟糕的是,它们导致系统不能达到预期,导致产品不合格,停机时间增加,生产力下降。目标是指定一个电机,提供在指定位置和所需时间定位负载所需的速度,加速度和转矩。它可能包括一个安全余量,用于补偿电机双电机变化或机器运行状态的预期变化。但是,应该在知情计算的基础上增加安全裕度。
准确测量尺寸是一个关键的过程,需要了解机械系统的细节,操作参数以及设备使用的环境。尽管存在许多更好的尺寸应用,但可能希望贯穿整个过程。
从惯性
惯性开始 - 物体抵制加速度变化的趋势 - 是运动控制中的主要挑战之一。三菱电机自动化(弗农山,伊利诺斯州)逆变器高级产品工程师Bob Bobel说:“惯性不是我们在运动控制领域的朋友,特别是在运动周期短而速度很快的装配机器上。电机需要能够施加足够的力(在线性系统中)或力矩(在旋转系统中)来改变负载的加速度,并且以受控的方式来实现。
为了有效地确定电机的大小,我们需要计算负载惯量(J L)。就本文而言,尽管可以对线性运动进行类似的计算,但我们将集中于旋转运动。旋转质量有一个惯性矩,它描述了它抵抗扭矩应用的趋势。惯性力矩的最简单的封闭形式的表达式Ĵ如
J = mr ^ 2
其中描述了离旋转轴一定距离r处的点质量m的惯性矩。简单的表达式用于为各种复杂形状(如圆柱体,空心圆柱体,轴上的圆盘,球体,块体等)建立惯性矩。
负载惯量J L应该更好地称为反射惯量(J R),就像从负载反射回电机轴的惯性和其间的所有组件一样。它应该包括系统中电机负责移动的任何附加机械元件,例如丝杠,皮带轮,皮带,联轴器等。系统的性能要求越高,这个分析应该越详细。例如,丝杠的惯性矩与简单气缸的惯性矩不同,它的速度足够高,这种差别将影响机器的性能。
确定适当的分析表达式并计算这些复杂机械系统的质量和位置可能是相当具有挑战性的。另外,这些计算需要基于重量(因重力引起的加速度)而不是简单的质量。此外,电机尺寸调整过程还需要包括J L和电机惯量J M(基本上是转子的惯性)的总系统惯量。
它可以很容易地成为一个艰巨的过程。Bobel说:“通常情况下,人们将实际负载,变速箱和电机包括在内,并将皮带,滑轮和其他机械部件排除在外。“他们只是移动到下一个主要尺寸或使用相同的框架尺寸,但产生更多的扭矩。这是整个10%超大尺寸方法的来源。“
负载惯量与电机惯性的比率 (主要是转子惯量)给出了电机如何有效控制负载的测量。高惯性比表示将难以控制负载的系统。低惯性比例(例如4:1或1:1)表示电机将对控制负载做出非常有效的工作,但是也显示电机可能超大系统,代表更多的成本,尺寸和重量比必要的。这就是说,没有绝对的。
Bobel说:“当你开始进入性能非常好的机器时,如果机械性能好,这些经验法则就会出来。“我们已经完成了伺服和运动控制中的惯性不匹配,它们要高得多 - 40:1,60:1。这取决于机器的设计和调整系统的能力。“最新的自动调谐驱动器可以非常有效地补偿机器共振和振动,即使在非常高的速度下也能保证精确的性能。
符合性(扭转挠曲)是一个重要的考虑因素。即使是尺寸为1:1惯性比的电机,如果系统中的松动和顺应性太高,将难以控制负载。根据情况,可能需要拧紧机械系统,或者可能需要放松机器的操作参数。
变速箱是惯性管理的重要工具。变速箱通过传动比的平方来降低惯量。换一种说法是,齿轮箱也会降低电机转速。这可能是步进电机的问题,步进电机通常只能运行几百RPM。大多数伺服电机的运转速度在2000 RPM和6000 RPM之间,即使与高减速比齿轮箱一起使用,也能以有用的速度运转。
添加应用要求
获得系统惯性后,是时候考虑应用的运行参数并使用它们来确定转矩。首先定义载荷的运动曲线。运动配置文件因应用程序而异。最基本的形式是梯形:一个加速时期,一个恒速时期,接着是一个减速时期(见图)。加速和减速(这只是负加速度)可以使用确定
A = V / t
图中所示的运动轮廓显示对称的加速度和减速度。结果,加速度可以表示为:
一个 =的Vmax /吨1
- 一个 = V最大/吨1

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对称的加速度和减速度


转矩要求
现在我们已经计算了负载惯量和所需的加速度和减速度,我们可以确定定位负载所需的转矩量。总转矩T T 是加速转矩(T acc)和称为负载转矩(T L)的量之和。负载转矩只是系统中机械损耗的总和,通常是摩擦力和重力。与惯性一样,它根据形状,质量和配置而变化。
摩擦是容易在电机尺寸确定过程中被遗忘的一个因素。任何两个滑动在一起的表面将抵消施加的扭矩。摩擦力F的标准表达式由下式给出
˚F =μ Ñ
其中μ等于任何移动元件的滑动表面的摩擦系数,N等于施加到该元件的法向力。这个表达式可以用来估计摩擦力,或者可以使用诸如扭矩扳手的测量仪器。
我们可以定义加速转矩T acc为
T acc = J T(a)+ T L
其中J T 是总惯量(负载加电机)。
停止负载所需的减速转矩同样由下式给出
T dec = J T(-a)+ T L
我们还需要考虑在整个运行阶段保持恒定负载速度的运行转矩T 运行以及在运行结束时短暂的空闲时间。我们将这些量组合在一起,以确定电机所需的RMS转矩(T RMS)。这个表达式是由
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电机所需的扭矩

这是应用中电机所需的扭矩。
速度 - 转矩曲线
只需找到适当转矩的电机是不够的。它需要被评定为在所需的速度下使用。制造商提供电机的速度 - 扭矩曲线,描述其在整个运行速度范围内的性能。这些数据图提供了一个简单的参考,以确定电机是否适用于应用条件。

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速度转矩显示电机的额定转矩点


图2:速度转矩显示电机的额定转矩点。 在扭矩曲线的低端,电机可以安全运行,但在扭矩曲线的高端时可能会过大(绿色),如果在此状态下持续运行(橙色),则电机会过小并容易失效。 。 (由Groschopp提供) 基础设施和环境
马达不能在真空中运行。整个调整过程中的一个基本考虑因素应该是电源的电压和频率特性。还要考虑环境条件。电机是否会暴露在极端温度下?在极端寒冷的情况下,润滑油变得更加粘稠。在系统中正常工作的马达可能因温度下降而导致耐润滑剂失效,因此尺寸相应地变化。
潮湿和污染同样可能是问题。考虑是否需要IP级别的设备 - 并确保选择正确表示操作条件的级别。
物理尺寸
虽然增加电机功率可以提高其有效控制负载的能力,但是存在实际的实际限制。在某些情况下,根本没有空间可以安装所需车架尺寸的电机。如果主要问题是直径,一些电机制造商通过在设计中堆叠更多的磁体叠片来增加给定框架尺寸的输出功率。电机产生更多的功率,但代价是更长,但不一定更宽。
但是,即使这种方法也有局限性。在某一点上,系统设计人员需要降低速度要求或重新设计机械系统,以适应更大的电机。
步进电机细微差别步进电机的
尺寸设计需要特殊考虑。步进电机设计有极高的极数 - 大约50或更多。因此,他们可以被命令以不连续的步骤前进,而不是连续的移动。这使得它们能够在许多应用中被开环操作。在这种模式下,它们可以是便宜而有效的。当电机处于过转矩模式并失速时出现问题。由于没有反馈装置监测电机轴,所以这种行为可能不被发现。
结果,超大规模成为了规则。施耐德电气美国公司(美国康涅狄格州马尔堡市)Flex中心经理Clark Hummel说:“从历史上看,人们在确定步进电机尺寸时会考虑两个因素。如果他们认为他们需要X的扭矩来完成他们需要做的工作,他们会得到一个能够两倍的电机。这是一个很大的安全余地。“鉴于步进电机的低价位,这特别具有吸引力 - 比步进电机低一个数量级。
今天,对于正确的应用,运行步进电机闭环补贴是两全其美的好处。编码器可以使用保存在合适尺寸上的钱。他说:“明智的是,你将会回到伺服世界,在这个世界上,电机将会发生变化。“你想给自己一个15%到20%的安全裕度,以补偿工厂出现的电动机变化或工艺变化,但它使得上浆更接近你使用伺服电机。
通过基础知识
一旦确定了基本尺寸,经验丰富的动作工程师会采用几种技术来减小电机的尺寸和成本。首先是增加一个齿轮减速器,如上所述。所使用的变速箱类型也可以降低电机的要求。例如,蜗轮减速机的效率只有约30%,而行星齿轮箱的效率约为85%。这种替代可能会减少电机的负载。折衷是成本较高,但是,这可能会降低一些小型电机的成本效益。
步进电机在低速下比在伺服电机上提供更高的扭矩。对于低速运行的应用,步进电机可能提供更经济的解决方案。Hummel说:“如果你不需要这种速度,在较低的速度下,可以在同一个信封中获得更高的扭矩,所以在伺服电机上使用步进电机的正确应用有很多好处。“对于一个给定的车架尺寸,你可能不需要增加一个变速箱,这是一个巨大的成本差异。”
电机和电机驱动器被指定为两种模式:连续工作模式和峰值或过载模式。电机驱动组合可以在短时间间隔内以峰值转矩/电流运行,而不会损坏驱动电子装置的电机绕组。一个常见的错误是选择一个连续负载扭矩等于应用的最大扭矩要求的电机(通常在极端加速/减速期间看到)。运动控制应用程序通常由简短的快速移动组成。要选择一个额定的电机连续产生这个扭矩意味着必要时支付更多的电机。
如果这些动作发生在符合规范的时间间隔内,那么电机可以在过载模式下执行。Bobel说:“人们不会使用电机的超负荷能力来完成这些高加速/减速。“当100%的电流峰值一次只发生几毫秒时,他们最终可能会将电机的电流设为100%。相反,他们可以使用过载能力或驱动器和电机的扩展容量来通过这些峰值。这种方法能够使整个电机尺寸更小,不仅减小了物理尺寸,而且还降低了电机和驱动器的成本和能耗。“
虽然这是一个有效的设计技术,但重要的是要密切关注工作周期。峰值电流消耗的间隔需要足够短以符合规范,但也要在足够低的频率下进行以使电机绕组和电子装置冷却。从齿轮传动的角度来看,考虑负荷周期也是很重要的,以防止齿轮箱过早感知和失效。
与所有的工程技术一样,电机尺寸也需要平衡相互矛盾的要求。Groschopp(爱荷华州苏克斯市)销售和市场经理Ed Tullar说:“一切都有一个权衡,你可以交易效率,然后你失去你的扭矩,你拿起你的扭矩,然后你输功率。在电动机动力系统中,一切都非常紧张。“最好的办法是尽可能多地确定应用。使用可用的大小调整工具来简化计算。与供应商分享细节。他们可以帮助你缩小潜在的候选人,并可能引导你到一个更经济的系统,仍然可以满足你的需求。

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