如何确定电机的尺寸

适当的尺寸是电机选择的关键方面。如果电机是尺寸的，它将无法控制负载，导致过冲和振铃。如果电机超大，它可能会控制负载，但它也将更大，更重，以及在价格和运营成本方面更昂贵。每个人都同意适当尺寸的重要性，而且常见的是，供应商只是接到一个呼叫要求一定马力的电机。工程师可能只是购买与以前平台相同的电机。他们可能已经增加了足够的安全保证金来弥补变化。它们可能已经使用10：1或5：1的负载和惯性与电动机惯性的比率......或上述一些混合物。

最多，这些方法导致浪费金钱的超大电机。在最糟糕的情况下，他们导致未能履行预期的邋Systems，导致不合标准的产品，增加停机时间和降低的生产率。目标是指定提供在指定位置和所需时间的速度，加速度和扭矩提供速度，加速度和扭矩的电动机。它可以包括安全裕度，该安全裕度旨在补偿机器的运行条件的电动机 - 双电机变化或预期变化。然而，应在明智的计算之上添加安全保证金。

准确的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，以及设备将被使用的环境。尽管存在许多更好的分级应用程序，但它有望贯穿整个过程。

从惯性开始
惯性 - 物体抵抗加速度变化的趋势 - 是运动控制中的主要挑战之一。“惯性不是我们在运动控制世界中的朋友，特别是在运动周期短但非常高速的装配机上。”Paul Bobel是逆变器的高级产品工程师，三菱电机自动化（Vernon Hills，伊利诺伊州）。电动机需要能够施加足够的力（在线性系统）或扭矩（在旋转系统中）以改变负载的加速度，并以受控的方式这样做。

为了有效地尺寸电机，我们需要计算负载惯量（J_l）。出于本文的目的，我们将专注于旋转运动，尽管可以进行类似的计算来用于线性运动。旋转质量具有惯性矩，其描述了其抵抗扭矩施加的趋势。惯性矩的最简单的闭合表达J作为

J = MR ^ 2

这描述了从旋转轴的一些距离R处的点质量m的惯性矩。简单的表达式用于构建各种复杂形状的惯性矩，例如气缸，空心缸，轴上的磁盘，球体，块等。

负载惯量J_l应该更适当地被称为反射惯性（J_R），如在惯性中，从负载和介于之间的所有组件反射回电动机轴。它应包括系统中的任何额外的机械元件，电机将负责移动，例如铅螺钉，滑轮，皮带，联轴器等。系统的性能需求越高，这种分析应该越详细。例如，铅螺钉的惯性矩与简单气缸的惯性矩不同，它足够高的速度，这种区别会影响机器的性能。

为这些复杂的机械系统确定适当的解析表达式和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)，而不是简单的质量。此外，电机定径过程还需要系统的总惯性，这两者都包括在内J_l和电机惯性J_米（基本上，转子的惯性）。

它很容易成为一个令人生畏的过程。“通常，人们包括实际的负载，变速箱和电机，并留下带，滑轮和其他机械事物，”Bobel说。“他们只是移动到下一个主要尺寸或使用相同的框架尺寸，而是一个产生更多扭矩的框架尺寸。这是整个10％超大方法来自的地方。“

的负载惯量与电动机惯性的比率（基本上，转子惯量）给出了电动机如何控制负载的有效性。高惯量比指示系统难以控制负载的系统。A low inertia ratio (e.g. 4:1 or 1:1) indicates that the motor will do a very effective job of controlling the load but it also reveals that the motor may be oversized for the system, representing more cost, size, and weight than necessary. That said, there are no absolutes.

Bobel说道:“当你开始进入高性能机器时，如果机制很好，那些经验法则便会消失。“我们在伺服和运动控制中做过的惯性不匹配要高得多——40:1或60:1。这取决于机器的设计和你对系统的调整程度。”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支持准确的性能。

合规性（扭转弯曲）是考虑的重要因素。即使是1：1惯量比的电机尺寸也会难以控制负荷，如果系统过多的松动和符合性。根据情况，机械系统可能需要紧固或者机器的操作参数可能需要放松。

变速箱提供了管理惯性的重要工具。齿轮箱通过齿轮比的平方减少惯性。权衡是变速箱也削减了电机速度。这可能是步进电机的问题，这通常仅以数百rpm运行。大多数伺服电机以2000 rpm和6000 rpm之间的速度运行，即使在与高减速比齿轮箱一起使用时，也使它们能够以有用的速度运行。

添加应用要求
一旦获得了系统惯性，就要考虑应用程序的操作参数并使用它们来确定扭矩。首先定义负载的运动曲线。Motion Profiles因应用程序而异。最基本的形式是梯形：加速度的时期，然后是一段恒定速度，其次是一段时间减速（见图）。可以使用加速和减速（仅限于负加速）

a = v / t

图中所示的运动轮廓显示对称加速度和减速度。结果，加速可以表示为：

一种= vmax / t₁
-一种= v max / t₁

扭矩要求
现在我们已经计算了负载惯量和所需的加速度和减速，我们可以确定定位负载所需的扭矩量。总扭矩T_T是加速扭矩的总和（T_ACC.）和称为负载扭矩的数量（T_l）。负载扭矩只是系统中的机械损失之和，通常是摩擦和重力。与惯性一样，它根据形状，质量和配置而变化。

摩擦是电机定径过程中容易被遗忘的一个因素。任何两个滑动在一起的表面都会抵消所施加的扭矩。摩擦力的标准表达式F是（谁）给的

F=μ.N

在哪里μ.等于任何移动元件的滑动表面的摩擦系数N等于施加到该元素的正常力。该表达可用于估计摩擦力或可以使用诸如扭矩扳手的测量仪器。

我们可以定义加速扭矩T_ACC.作为

T_ACC.＝J_T(一)+T_l

在哪里J_T是总惯用（负载加电机）。

停止载荷所需的减速扭矩是类似的

T_12月＝J_T(一)+T_l

我们还需要考虑运行扭矩T_跑步在整个运行阶段保持负载的恒定速度，并且在移动结束时的空闲时间的短暂跨度。我们将这些数量结合在一起以确定rms扭矩（T_rms.）从电机中需要。那表达是给出的

这是应用程序所需的电机转矩。

速度扭矩曲线
仅仅找到一个扭矩合适的马达是不够的。它需要在要求的速度下额定使用。制造商提供速度-扭矩曲线的电机，描述他们的性能在整个运行速度范围。这些数据图提供了一个容易的参考，以确定电机是否将工作的应用条件。

基础设施和环境
电机不能在真空中运行。整个大小化过程的潜在考虑应该是电源的电压和频率特性。还考虑环境条件。电机会暴露在极端温度吗？在极冷的情况下，润滑剂变得更加粘稠。通常在系统中通常在系统中操作的电动机可能由于温度骤降而诸如相应的尺寸而导致的电动机可能会失速。

水分和污染也可以存在问题。考虑是否需要IP额定设备 - 并确保您选择正确代表操作条件的级别。

身体尺寸
虽然增加电机功率可以提高其有效控制负载的能力，但有实际的局限性。在某些情况下，根本没有空间与理想的框架尺寸的电机。如果主要的问题是直径，一些电机制造商增加输出功率为给定的框架尺寸堆叠更多的磁铁层在设计。马达产生更多的能量是以长而不一定宽为代价的。

然而，即使这种方法也有局限性。通过一定点，系统设计师需要减少速度要求或重新设计机械系统，以适合更大的电机。

步进电机细微差别
步进电机的尺寸涉及一些特殊的考虑因素。步进电机设计，具有非常高的极值 - 大约50或更多。结果，它们可以被命令以离散的步骤而不是连续运动来推进。这使它们能够在许多应用程序中进行操作开环。在这种模式下，它们可以廉价而有效。当电动机放置在过扭矩模式和摊位时出现的问题。因为没有监控电机轴的反馈设备，所以这种行为可能会未被发现。

结果，超大了变成规则。“从历史上看，人们会在施加步进电机时做两个因素的时候，”施耐德电动运动USA（Marlborough，Condenceut）克拉克·霍梅梅尔斯克拉克Hummel说。如果他们认为他们需要X数量的扭矩要做他们需要的工作，他们会得到一个能够两倍的机动。这是一个很大的安全保证金。“它特别有吸引力，因为步进电机的低价格点 - 比步进电机的数量级左右。

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。右侧尺寸保存的金钱可用于编码器。“尺寸明智的是你在伺服世界上更多回来，在那里有可能在电机的变化，”他说。“你想给自己一个15到20％的安全保证金，以补偿出厂的电机的变化或过程中的变化，但它使尺寸更加接近您的伺服电机。”

越过基础知识
一旦确定了基本尺寸，有几个技术，经验丰富的运动工程师适用于减少尺寸和成本的电机。第一个是添加一个齿轮减速器，如上所述。使用的变速箱类型也可以降低对电机的要求。例如，蜗杆齿轮箱的效率只有30%左右，而行星齿轮箱的效率约为85%。这种替代可能会减少电机上的负载。权衡是更高的成本，然而，这可能会减少一些成本效益去一个较小的发动机。

步进电机提供固有的更多的扭矩在低速比伺服电机。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。“如果你不需要速度，你可以获得更高的扭矩在相同的信封在较低的速度，所以有很多优势的正确应用在使用步进电机伺服电机，”Hummel说。“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。”

电机和电机驱动器针对两种模式指定：连续占空比和峰值或过载模式。电动机驱动组合可以在峰值扭矩/电流下操作，以便在不损害驱动电子器件的电动机绕组的情况下进行短暂的间隔。常见错误是选择具有连续扭矩的电动机等于应用的最大扭矩要求（通常在极端加速/减速期间看到）。运动控制应用经常包含简短的快速移动。为了选择要产生这种扭矩的电动机，连续意味着基本上支付比必要的更多电机。

如果移动在规格内落在规格内的时间间隔内，则电机可以以过载模式执行它们。“人们不使用电机的过载能力来完成这些高速加速/减速，”Bobel说。“当100％当前峰值一次仅突出时，它们最终可能最终尺寸为100％电流。相反，它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。该方法使得能够整体使用较小的电机，不仅减少了电动机和驱动器的成本和能耗，也可以使用。“

虽然这是一种有效的设计技术，但重要的是要密切关注占空比。峰值电流汲取的间隔需要足够短的时间来落下规格，但也以足够低的频率进行，以使电动机绕组和电子设备冷却。从传动装置的角度考虑占空比，以防止齿轮箱的过早意识和失败，这也很重要。

与工程中的所有事情一样，电机尺寸涉及到平衡相互冲突的需求。“每件事都是有代价的。格罗乔普普（Sioux Ctr。，爱荷华州）。“您可以贸易效率，然后丢失背部扭矩，拿起后扭矩，然后减掉电力。在电动机动力总成中的系统上一切都非常紧张。“最好的方法是尽可能地确定应用程序。使用大小调整工具可供您简化计算。与您的供应商分享详细信息。他们可以帮助您缩小潜在的候选人，并且可以将您指导您到更经济的系统，仍然满足您的需求。