Dimensionierung eines Motor- und Antriebssystems

Die richtige Dimensionierung ist ein entscheidender Aspekt bei der Motorauswahl . Wenn ein Motor zu klein ist, kann er die Last nicht steuern, was zu Überschwingen und Klingeln führt.

Die Überdimensionierung eines Systems ist genauso schlimm wie die Unterdimensionierung – es kann die Last kontrollieren, aber es wird auch größer und schwerer sowie teurer in Bezug auf Preis und Betriebskosten. Es kann körperlich nicht passen und es wird sicherlich mehr kosten. Es verbraucht mehr wertvollen Platz in einem Schaltschrank oder in der Werkstatt.

Was ist beim Kauf eines Motors zu beachten?

Allzu häufig erhalten Verkäufer einfach einen Anruf, der nach einem Motor mit einer bestimmten PS-Zahl fragt. Der Techniker kauft möglicherweise einen Motor mit der gleichen Größe wie der einer vorherigen Plattform. Sie haben möglicherweise eine kräftige Sicherheitsmarge hinzugefügt, um Änderungen auszugleichen. Sie haben möglicherweise ein Verhältnis von 10:1 oder 5:1 von Last und Trägheit zu Motorträgheit verwendet – oder eine Mischung der oben genannten.

Das Ziel sollte darin bestehen, einen Motor zu spezifizieren, der die Geschwindigkeit, Beschleunigung und das Drehmoment bereitstellt, die erforderlich sind, um die Last an der vorgesehenen Stelle und zur gewünschten Zeit zu positionieren. Es kann eine Sicherheitsspanne enthalten, die dazu bestimmt ist, Motor-Zwei-Motor-Schwankungen oder erwartete Änderungen im Laufzustand der Maschine zu kompensieren. Der Sicherheitszuschlag sollte jedoch zusätzlich zu einer fundierten Berechnung hinzugefügt werden.

Ein häufiger Fehler besteht darin, einen Motor mit einem Dauerdrehmoment zu wählen, das der maximalen Drehmomentanforderung der Anwendung entspricht (typischerweise bei extremen Beschleunigungen/Verzögerungen). ). Bewegungssteuerungsanwendungen bestehen häufig aus kurzen, schnellen Bewegungen. Die Wahl eines Motors, der für die kontinuierliche Erzeugung dieses Drehmoments ausgelegt ist, bedeutet im Wesentlichen, dass Sie für mehr Motor als nötig bezahlen.

Größe des Motorantriebs

Um den Motor effektiv zu dimensionieren, muss die Lastträgheit (JL) berechnet werden. Das Verhältnis von Lastträgheit zu Motorträgheit (im Wesentlichen Rotorträgheit). ) gibt an, wie effektiv der Motor die Last steuern kann. Ein hohes Trägheitsverhältnis zeigt an, dass das System Schwierigkeiten haben wird, die Last zu steuern. Ein niedriges Trägheitsverhältnis (z. B. 4:1 oder 1:1) zeigt an, dass der Motor die Last sehr effektiv steuert, aber es zeigt auch, dass der Motor für das System möglicherweise überdimensioniert ist

Oft beziehen Konstrukteure die tatsächliche Last, das Getriebe und den Motor mit ein, lassen aber Riemen, Riemenscheiben und andere mechanische Dinge aus der Gleichung heraus. Sie wechseln einfach zur nächsten größeren Größe oder verwenden dieselbe Rahmengröße, aber eine, die mehr Drehmoment erzeugt. Daher kommt der ganze 10 %-Oversize-Ansatz.

Der Auswahlprozess beinhaltet die Sammlung von Daten, gefolgt von einer detaillierten Analyse. Es erfordert Kenntnisse über das mechanische System, die Betriebsparameter und die Umstände, unter denen die Ausrüstung verwendet wird. Auch Angaben zur Einsatzumgebung müssen enthalten sein, denn werden diese nicht frühzeitig berücksichtigt, ist das gewählte System möglicherweise nicht geeignet.

Trägheit – die Tendenz eines Objekts, Beschleunigungsänderungen zu widerstehen – ist eine der wichtigsten Herausforderungen bei der Bewegungssteuerung . Der Motor muss in der Lage sein, eine ausreichende Kraft (in einem linearen System) oder Drehmoment (in einem rotierenden System) aufzubringen, um die Beschleunigung der Last kontrolliert zu ändern.

Die Hauptbeschränkungen, die während des Dimensionierungsverfahrens berücksichtigt werden müssen, können wie folgt zusammengefasst werden:

• Spitzendrehmoment
• RMS-Drehmoment
• Höchstgeschwindigkeit
• Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik des Motors

Darüber hinaus müssen zwei Anwendungsregime berücksichtigt werden:

• Dauerbetrieb-Anwendung
• Anwendung für Aussetzbetrieb

Der Unterschied zwischen diesen beiden Applikationsregimen lässt sich an einer Drehmaschine veranschaulichen. Der Spindelantrieb einer Drehmaschine ist eine Dauereinsatzanwendung, da er unter konstanter Belastung mit konstanter Drehzahl läuft; Die Achsantriebe sind aufgrund der Beschleunigung und Verzögerung, die erforderlich sind, um dem erforderlichen Werkzeugweg zu folgen, eine intermittierende Betriebsanwendung.

Geschwindigkeit und Motoren

Die Antriebe von Robotern und Werkzeugmaschinen ändern ständig ihre Geschwindigkeit, um das gewünschte Bewegungsprofil zu erzeugen. Die Auswahl der Getriebeübersetzung und ihr Verhältnis zum erzeugten Drehmoment des Motors muss vollständig berücksichtigt werden. Wenn die Last mit einer konstanten Geschwindigkeit oder einem konstanten Drehmoment betrieben werden muss, kann das optimale Übersetzungsverhältnis bestimmt werden. In der Praxis zu berücksichtigende Fälle sind Beschleunigungen mit und ohne extern aufgebrachtes Lastmoment und die Auswirkungen veränderlicher Lastträgheiten.

Die Kenntnis des erforderlichen Drehzahlbereichs der Last und eine anfängliche Schätzung der erforderlichen Übersetzungsverhältnisse ermöglichen eine Abschätzung der Motorspitzendrehzahl. Um zu verhindern, dass der Motor aufgrund von Schwankungen in der Versorgungsspannung seine erforderliche Drehzahl nicht erreicht, sollte die erforderliche maximale Drehzahl um den Faktor 1,2 erhöht werden. Dieser Faktor ist für die meisten industriellen Anwendungen zufriedenstellend , kann jedoch für eine spezielle Anwendung verfeinert werden, beispielsweise wenn das System mit einer begrenzten Versorgung betrieben werden muss, wie dies in so unterschiedlichen Anwendungen wie Flugzeugen und Offshore-Ölplattformen der Fall ist.

Spannung

Da die Spitzendrehzahl eines Motors von der Versorgungsspannung abhängt, müssen Unterspannungsphasen berücksichtigt werden. Als Richtlinie gilt, dass ein Frequenzumrichter normalerweise so dimensioniert ist, dass er mit Spitzengeschwindigkeit bei 80 % der Nennversorgungsspannung laufen kann. Wenn ein System von einer Versorgung gespeist wird, die anfällig für Spannungseinbrüche oder Stromausfälle ist, muss sorgfältig darauf geachtet werden, dass das Laufwerk, seine Steuerung und die Last vor Beschädigung geschützt sind; Dies ist besonders akut bei Mikroprozessorsystemen, die, wenn sie nicht ordnungsgemäß konfiguriert sind, ohne Vorwarnung abstürzen oder zurückgesetzt werden können, was zu einer möglichen katastrophalen Situation führen kann.

Wenn die Beschleunigungsleistung von entscheidender Bedeutung ist, muss die Motorträgheit zur reflektierten Lastträgheit addiert werden, und das Drehmoment, das erforderlich ist, um diese Gesamtträgheit mit der erforderlichen Rate zu beschleunigen, muss bestimmt werden. Eine Motor-Antriebs-Kombination wird mit einer Spitzendrehmomentfähigkeit von mindestens dem 1,5- bis 2-fachen dieses Wertes benötigt, um eine ausreichende Drehmomentfähigkeit zu gewährleisten.

Das Spitzendrehmoment der Motor-Antriebs-Kombination muss um mindestens 15 % die Summe aus dem geschätzten Reibungsdrehmoment plus Beschleunigungsdrehmoment plus einer während der Beschleunigung vorhandenen kontinuierlichen Drehmomentbelastung überschreiten. Wenn dies nicht möglich ist, wird ein anderer Motor oder eine andere Getriebeübersetzung benötigt.

Auf sehr leistungsstarken Maschinen können die neusten Auto-Tuning-Antriebe Maschinenresonanzen und -vibrationen sehr effektiv kompensieren und eine präzise Leistung auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten unterstützen. Die elektromagnetische Verträglichkeit hat einen erheblichen Einfluss auf die Auslegung und Anwendung eines Systems.

Kraftübertragungskomponenten

Die mechanischen Anforderungen an den Motor müssen frühzeitig im Auslegungs- und Auswahlverfahren identifiziert werden. Zu den häufig übersehenen Punkten gehören Einschränkungen in Bezug auf Abmessungen und Ausrichtung, die sich aus der mechanischen Konstruktion ergeben.

Wenn diese frühzeitig erkannt werden können, kann dies eine unbefriedigende Leistung nach der Installation des Geräts verhindern. Insbesondere wenn der Motor in vertikaler Position montiert wird, können spezielle Unterlegscheiben oder Lagervorspannungen erforderlich sein.

Bei der Ermittlung der Antriebsanforderungen sind Reibmomente vielleicht der schwierigste Aspekt bei der Motorauslegung .

Lager

Bei einer rotierenden Welle ist ein Lager die am weitesten verbreitete Art der Lagerung. Es sind viele verschiedene Typen erhältlich, von denen Rollen- und Kugellager am gebräuchlichsten sind.

Getriebe

Ein herkömmlicher Getriebezug besteht aus zwei oder mehr Zahnrädern, um die Winkelgeschwindigkeit und das Drehmoment zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangswelle zu ändern. Getriebe bieten ein wichtiges Werkzeug für das Trägheitsmanagement. Ein Getriebe reduziert die Trägheit um das Quadrat des Übersetzungsverhältnisses. Der Nachteil ist, dass Getriebe auch die Motordrehzahl reduzieren . Die meisten Servomotoren arbeiten mit Drehzahlen zwischen 2000 und 6000 U/min, wodurch sie selbst bei Verwendung mit einem Getriebe mit hohem Untersetzungsverhältnis mit einer brauchbaren Drehzahl arbeiten können.

Gerad- oder Schrägzahnräder werden normalerweise in konventionellen Getriebezügen verwendet. Das Stirnrad hat den Vorteil, dass es eine minimale Axialkraft erzeugt, wodurch das Problem jeglicher Bewegung der Getriebelager reduziert wird.

Schrägstirnräder werden in Robotersystemen häufig verwendet, da sie im Vergleich zu Stirnrädern bei gleichem Übersetzungsverhältnis ein höheres Kontaktverhältnis bieten, wobei der Nachteil die axiale Getriebebelastung ist.

Die einschränkenden Faktoren bei der Zahnradübertragung sind die Steifigkeit der Zahnradzähne, die maximiert werden kann, indem das Zahnrad mit dem größten Durchmesser für die Anwendung ausgewählt wird, zusammen mit der Minimierung des Spiels oder des Totgangs zwischen einzelnen Zahnrädern.

Leit- und Kugelumlaufspindeln

Bei einer Gewindespindel besteht ein direkter Kontakt zwischen Schraube und Mutter, was zu einer relativ hohen Reibung und damit zu einem ineffizienten Antrieb führt. Für Präzisionsanwendungen werden Kugelgewindetriebe aufgrund ihrer geringen Reibung und damit guten dynamischen Reaktion eingesetzt.

Eine Kugelumlaufspindel ist im Prinzip identisch mit einer Leitspindel, die Kraftübertragung auf die Mutter erfolgt jedoch über Linearkugellager im Gewinde der Mutter.

Riemenantrieb

Die Verwendung eines Zahnriemen- oder Kettenantriebs ist eine effektive Methode zur Kraftübertragung zwischen Motor und Last bei gleichzeitiger Beibehaltung des Gleichlaufs

In der Linearantriebsanwendung können die gleichen Verfahren, die für Leit- und Kugelgewindetriebe angewendet wurden, auf einen Riemenantrieb angewendet werden.

Eine sehr gute Referenz zur Motordimensionierung finden Sie im Internet unter:
http://www.electricmotors.com/sizing.html