如何确定电动机的尺寸

适当的尺寸是电机选择的一个关键方面。如果电机过小，它将无法控制负载，导致超调和振铃。如果电机过大，可以控制负载，但也会更大更重，价格和运营成本也会更贵。每个人都同意适当的大小的重要性，但所有太频繁，供应商只是得到一个电话，要求一定马力的发动机。工程师可能只是买了一个与之前平台相同大小的发动机。他们可能已经增加了一个巨大的安全边际来弥补变化。他们可能使用了10:1或5:1的负载和惯性与电机惯性的比率…或以上的一些混合物。

最好的情况是，这些方法会导致发动机过大，浪费资金。在最坏的情况下，它们会导致草率的系统，无法达到预期的性能，导致产品不合格，增加停机时间，降低生产力。目标是指定一个电机，提供所需的速度、加速度和扭矩，以将负载定位在指定的位置和所需的时间。它可能包括一个安全裕度设计，以补偿电机-双电机的变化或预期的变化，在机器的运行条件。然而，安全边际应该在知情的计算之上加上。

准确测量尺寸是一个关键过程，需要了解机械系统的细节、操作参数和设备使用环境。尽管存在许多更好的大小调整应用程序，但它有望在整个过程中运行。

从惯性
惯性——物体抵抗加速度变化的趋势——是运动控制的主要挑战之一。“在运动控制领域，惯性不是我们的朋友，尤其是在运动周期短但速度非常快的组装机器上。”Paul Bobel，变频器高级产品工程师，三菱电机自动化(伊利诺斯州的弗农山)。电机需要能够施加足够的力(在线性系统中)或扭矩(在旋转系统中)来改变负载的加速度，并以一种可控的方式进行。

为了有效地确定电机的大小，我们需要计算负载惯性(J_L）.为了达到本文的目的，我们将重点放在旋转运动上，虽然类似的计算也可以用于线性运动。一个旋转的质量有一个转动惯量，它描述了它抵抗力矩作用的趋势。转动惯量的最简单的封闭表达式J作为

J = mr ^ 2

它描述了质量为m的点在离旋转轴一定距离r处的转动惯量。这个简单的表达式用于建立各种复杂形状的惯性矩，如圆柱体、空心圆柱体、轴上的圆盘、球体、块等。

负载惯性J_L应更恰当地称为反射惯性(J_R)，如在惯性反射回电机轴从负载和所有组件之间。它应该包括系统中电机负责移动的任何附加机械元件，如丝杠、滑轮、皮带、联轴器等。系统的性能要求越高，分析就越详细。例如，丝杠的转动惯量与简单气缸的转动惯量是不同的，如果转速足够高，这种差别就会影响机器的性能。

对于这些复杂的机械系统，确定合适的解析表达式并计算质量和位置是相当具有挑战性的。此外，这些计算需要基于重量（考虑重力引起的加速度），而不仅仅是质量。此外，电机尺寸调整过程还需要总系统惯性，包括J_L和运动惯性J_M(基本上是转子的惯性)。

这很容易成为一个令人畏惧的过程。“通常情况下，人们会考虑实际负载、变速箱和电机，而不会考虑皮带、滑轮和其他机械因素，”Bobel说。“它们只是移动到下一个主要尺寸，或使用相同的框架尺寸，但产生更大的扭矩。这就是10%的超大规模策略的来源。”

这个负载惯性与电机惯性的比率(本质上，转子惯性)给出了一个衡量电机如何有效地控制负载。高惯性比表明系统将难以控制负载。低惯性比(例如4:1或1:1)表明电机将非常有效地控制负载，但它也揭示了电机可能过大的系统，代表更多的成本，尺寸和重量超过必要的。也就是说，没有绝对的。

“当你开始进入高性能的机器时，如果机械性能好，那么这些经验法则就不适用了，”Bobel说。“我们在伺服和运动控制中的惯性失配率要高得多–40:1、60:1。这取决于机器设计和系统的调节程度。”最新的自动调节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支持精确的性能。

柔度(扭转弯曲)是需要考虑的一个重要因素。即使是惯量为1:1的电机，如果系统中存在太多的松动和顺应性，也难以控制负载。根据情况，机械系统可能需要收紧或机器的操作参数可能需要放松。

齿轮箱为管理惯性提供了一个重要的工具。齿轮箱以齿轮传动比的平方来减少惯量。这样做的代价是，变速箱也降低了电机的速度。这可能是步进电机的一个问题，它通常只能运行在几百RPM。大多数伺服电机在2000 RPM和6000 RPM之间运行，这使他们在一个有用的速度运行，即使使用高减速比变速箱。

添加应用程序需求
一旦获得了系统惯量，就该考虑应用程序的运行参数并利用它们来确定转矩了。首先定义负载的运动轮廓。运动配置文件因应用程序而异。最基本的形式是梯形:一个加速周期，一个匀速周期，然后是一个减速周期(见图)。加速度和减速(只是负加速度)可以用

= V / t

如图所示的运动廓线，加速度和减速是对称的。因此，加速度可以表示为:

一个= Vmax / t_1.
-一个= V max / t_1.

转矩要求
现在我们已经计算了负载惯量和期望的加速度和减速，我们可以确定定位负载所需的扭矩量。总转矩T_T为加速度力矩之和(T_acc)和一个称为负载转矩(T_L）.负载扭矩就是系统中机械损失的总和，通常是摩擦和重力。与惯性一样，它的变化取决于形状、质量和结构。

摩擦是电机尺寸调整过程中容易忘记的一个因素。任何两个表面一起滑动都会抵消施加的扭矩。摩擦力的标准表达式F是由

F=µN

哪里µ等于任何运动元件的滑动面的摩擦系数N等于作用在这个元素上的法向力。这个表达式可以用来估计摩擦力，也可以使用力矩扳手等测量工具。

我们可以定义加速度扭矩T_acc作为

T_acc=J_T（a）+T_L

哪里J_T为总惯性(负载加电机)。

停止负载所需的减速转矩同样为

T_12月=J_T（-a）+T_L

我们还需要考虑运行扭矩T_运行这使负载在整个运行阶段保持恒定的速度，并在移动结束时保持短暂的空闲时间。我们将这些量组合在一起，以确定RMS转矩(T_RMS)需要从马达。这个表达式是由

这是应用所需的电机扭矩。

转速力矩曲线
仅仅找到一个具有适当扭矩的电机是不够的。它需要在规定的速度下使用。制造商提供电机的转速-转矩曲线，描述其在整个工作转速范围内的性能。这些数据图为确定电机是否在应用条件下工作提供了一个简单的参考。

基础设施和环境
电动机不是在真空中运转的。在整个评估过程中，一个基本的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?在极冷条件下，润滑剂变得更粘稠。当温度骤降时，一个在系统中正常运转的发动机可能会由于耐油而停止工作，因此尺寸要相应调整。

湿气和污染同样会成为问题。考虑您是否需要一个ip级设备，并确保您选择的级别正确代表操作条件。

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，但存在实际的局限性。在某些情况下，根本没有空间容纳具有所需机架尺寸的电机。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铁叠片来增加给定机架尺寸的输出功率。电机产生的功率更大，但其代价是更长，但不一定更宽。

然而，即使是这种方法也有局限性。超过某一点，系统设计师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。

步进电机的细微差别
步进电机的选型涉及一些特殊考虑。步进电机的设计非常高的极计数-在50或更多的订单。因此，可以命令它们以离散的步骤前进，而不是以连续的动作前进。这使得它们能够在许多应用中开环操作。在这种模式下，它们既便宜又有效。当电机处于过扭矩模式和失速时，问题就出现了。因为没有反馈装置监测电机轴，这种行为可能不会被发现。

结果，超大尺寸成了惯例。“从历史上看，人们在选择步进电机时，会考虑两倍的因素，”施耐德电气运动美国公司(Marlborough, Connecticut) Flex中心经理克拉克·哈梅尔(Clark Hummel)说。如果他们认为他们需要X个扭矩来做他们需要做的工作，他们就会得到一个两倍于这个扭矩的马达。这是一个很大的安全边际。”考虑到步进电机的低价格点——大约比步进电机低一个数量级，它特别吸引人。

今天，对于正确的应用，运行步进电机闭环允许两个世界的好处。在合适的尺寸上节省下来的钱可以用于编码器。他表示:“就尺寸而言，你更像是回到了伺服世界，那里的电机将会有各种各样的变化。”“你要给自己15%到20%的安全边际，以补偿工厂生产的电机或过程中的变化，但这使尺寸更接近你用伺服电机做的。”

通过基础知识
一旦确定了基本尺寸，经验丰富的运动工程师就可以采用几种技术来降低电机的尺寸和成本。第一个是添加齿轮减速器，如上所述。使用的齿轮箱类型也可以降低电机要求。例如，蜗轮蜗杆变速箱的效率仅为30%，而行星齿轮变速箱的效率约为85%。这种替代可能会降低电机上的负载。然而，折衷的办法是更高的成本，这可能会降低使用小型电机的成本效益。

步进电机在低速时提供比伺服电机更大的转矩。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：“如果你不需要速度，你可以在较低的速度下在相同的包络线内获得更高的扭矩，因此正确应用步进电机比伺服电机有很多优势。”。“对于给定的车架尺寸，您可能不需要添加变速箱，这是一个巨大的成本差异。”

电机和电机驱动器指定为两种模式: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内以峰值扭矩/电流运行，而不损害驱动电子设备的电机绕组。一个常见的错误是选择一个连续工作扭矩等于应用程序要求的最大扭矩的电机(通常在极端加速/减速时看到)。运动控制应用程序通常由简短、快速的动作组成。选择一个电机额定产生这个扭矩连续意味着支付更多的电机比必要的。

如果动作发生在规格范围内的时间间隔内，则电机可以在过载模式下执行动作。Bobel说:“人们不用电机的过载能力来实现这些高加速/减速。”“当100%的电流峰值一次只发生几毫秒时，他们可能最终会将电机尺寸调整为100%电流。相反，他们可以利用过载能力或驱动器和电机的扩展能力来度过这些峰值。这种方法可以使用更小的电机，不仅减少了物理尺寸，还降低了电机和驱动的成本和能耗。”

虽然这是一种有效的设计技术，但密切关注占空比是很重要的。峰值电流消耗的间隔必须足够短，以符合规范要求，但也必须以足够低的频率进行，以使电机绕组和电子设备冷却。从齿轮的角度考虑占空比也是重要的，以防止齿轮箱的过早察觉和故障。

与工程中的所有事情一样，电机尺寸调整涉及平衡相互冲突的需求。“每件事都有一个折衷方案，”该公司的销售和营销经理EdTullar说Groschopp(苏族Ctr。爱荷华州)。”你可以交换效率，然后失去后转矩，你获得后转矩，然后失去动力。发动机动力系统的压力非常大。”最好的方法是尽可能多地确定应用程序。使用可用的大小调整工具来简化计算。与你的供应商分享细节。他们可以帮助你缩小潜在候选人的范围，也许还能指导你找到一个更经济、仍能满足你需求的系统。