Motor- und Antriebssystem-Dimensionierung: Unter- und Überdimensionierung vermeiden für optimale Leistung

Richtige Dimensionierung ist ein entscheidender Aspekt der Motorauswahl. Wenn ein Motor unterdimensioniert ist, kann er die Last nicht kontrollieren, was zu Überschwingen und Schwingen führt.

Überdimensionierung eines Systems ist genauso schlecht wie Unterdimensionierung – es mag die Last kontrollieren, wird aber auch größer und schwerer sowie teurer in Bezug auf Preis und Betriebskosten. Es passt möglicherweise nicht physisch und wird sicherlich mehr kosten. Es wird mehr wertvollen Platz in einem Steuerungsschrank oder auf dem Shopfloor beanspruchen.

Was beim Motorkauf zu beachten ist

Allzu häufig erhalten Anbieter einfach einen Anruf mit der Bitte um einen Motor einer bestimmten Pferdestärke. Der Ingenieur kauft vielleicht einen Motor derselben Größe wie bei einer vorherigen Plattform. Er hat vielleicht einen großzügigen Sicherheitszuschlag hinzugefügt, um Änderungen zu kompensieren. Er hat vielleicht ein 10:1- oder 5:1-Verhältnis von Last- und Trägheit zur Motorträgheit verwendet – oder eine Mischung aus dem Obigen.

Das Ziel sollte sein, einen Motor zu spezifizieren, der die für die Positionierung der Last am vorgesehenen Ort und zur gewünschten Zeit erforderliche Geschwindigkeit, Beschleunigung und Drehmoment liefert. Er kann einen Sicherheitszuschlag enthalten, der darauf ausgelegt ist, Motor-zu-Motor-Variationen oder erwartete Änderungen in den Laufbedingungen der Maschine zu kompensieren. Der Sicherheitszuschlag sollte jedoch auf einer fundierten Berechnung aufbauen.

Ein häufiger Fehler ist die Wahl eines Motors mit einem Dauer-Drehmoment, das dem maximalen Drehmomentbedarf der Anwendung entspricht (typischerweise bei extremen Beschleunigungen/Verzögerungen zu sehen). Motion-Control-Anwendungen bestehen häufig aus kurzen, schnellen Bewegungen. Einen Motor zu wählen, der für die kontinuierliche Erzeugung dieses Drehmoments ausgelegt ist, bedeutet im Wesentlichen, für mehr Motor zu bezahlen als nötig.

Motor-Antriebs-Dimensionierung

Um den Motor effektiv zu dimensionieren, ist es notwendig, die Lastträgheit (JL) zu berechnen. Das Verhältnis von Lastträgheit zu Motorträgheit (im Wesentlichen Rotorträgheit) gibt ein Maß dafür, wie effektiv der Motor die Last kontrollieren kann. Ein hohes Trägheitsverhältnis deutet auf ein System hin, das Schwierigkeiten haben wird, die Last zu kontrollieren. Ein niedriges Trägheitsverhältnis (z. B. 4:1 oder 1:1) zeigt an, dass der Motor einen sehr effektiven Job bei der Lastkontrolle macht, offenbart aber auch, dass der Motor für das System überdimensioniert sein könnte.

Oft berücksichtigen Designer die tatsächliche Last, das Getriebe und den Motor, lassen aber Riemen, Scheiben und andere mechanische Dinge aus der Gleichung. Sie gehen einfach zur nächstgrößeren Größe oder verwenden dieselbe Rahmengröße, aber eine, die mehr Drehmoment produziert. Hierher kommt der ganze 10%-Überdimensionierungsansatz.

Der Auswahlprozess beinhaltet die Datensammlung gefolgt von detaillierter Analyse. Er erfordert Kenntnis des mechanischen Systems, der Betriebsparameter und der Umstände, unter denen die Ausrüstung verwendet wird. Er muss auch Details der Betriebsumgebung enthalten, denn wenn diese nicht in einem frühen Stadium berücksichtigt werden, kann das ausgewählte System ungeeignet sein.

Trägheit – die Tendenz eines Objekts, Änderungen der Beschleunigung zu widerstehen – ist eine der primären Herausforderungen in der Bewegungssteuerung. Der Motor muss in der Lage sein, ausreichend Kraft (in einem linearen System) oder Drehmoment (in einem rotatorischen System) aufzubringen, um die Beschleunigung der Last zu ändern und dies kontrolliert zu tun.

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

• Spitzen-Drehmoment
• Effektivwert-Drehmoment (RMS)
• Maximale Drehzahl
• Motor-Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie

Zusätzlich müssen zwei Anwendungsregime berücksichtigt werden:

• Dauerlastanwendung (Continuous Duty)
• Intermittierende Lastanwendung (Intermittent Duty)

Der Unterschied zwischen diesen beiden Anwendungsregimen kann an einer Drehbank veranschaulicht werden. Der Spindelantrieb einer Drehbank ist eine Dauerlastanwendung, da er mit konstanter Geschwindigkeit unter konstanter Last läuft; die Achsenantriebe sind eine intermittierende Lastanwendung, aufgrund der Beschleunigung und Verzögerung, die erforderlich sind, um dem erforderlichen Werkzeugpfad zu folgen.

Drehzahl und Motoren

Die Antriebe von Robotern und Werkzeugmaschinen ändern kontinuierlich die Drehzahl, um das erforderliche Bewegungsprofil zu erzeugen. Die Wahl der Übersetzungsverhältnisse und deren Beziehung zum erzeugten Drehmoment des Motors muss vollständig berücksichtigt werden. Wenn die Last mit konstanter Drehzahl oder Drehmoment betrieben werden soll, kann das optimale Übersetzungsverhältnis bestimmt werden. In der Praxis sind Fälle zu berücksichtigen, die Beschleunigung mit und ohne extern angewendetes Lastdrehmoment und die Auswirkungen variabler Lastträgheiten umfassen.

Kenntnis des erforderlichen Drehzahlbereichs der Last und eine initiale Schätzung der benötigten Übersetzungsverhältnisse erlauben die Schätzung der Spitzenmotordrehzahl. Um zu verhindern, dass der Motor seine erforderliche Drehzahl nicht erreicht, aufgrund von Schwankungen in der Versorgungsspannung, sollte die maximal erforderliche Drehzahl um einen Faktor von 1,2 erhöht werden. Dieser Faktor ist für die meisten industriellen Anwendungen zufriedenstellend, kann aber für eine spezielle Anwendung verfeinert werden, beispielsweise wenn das System aus einer eingeschränkten Versorgung betrieben werden muss, wie in Anwendungen so vielfältig wie Flugzeuge und Offshore-Ölplattformen.

Spannung

Da die Spitzendrehzahl eines Motors von der Versorgungsspannung abhängt, müssen Perioden niedriger Spannung berücksichtigt werden. Als Richtlinie wird ein Antrieb normalerweise so dimensioniert, dass er bei 80 % der Nennversorgungsspannung Spitzendrehzahl laufen kann. Wenn ein System aus einer Versorgung gespeist wird, die anfällig für Spannungseinbrüche oder -ausfälle ist, muss beträchtliche Sorgfalt darauf verwendet werden, sicherzustellen, dass der Antrieb, sein Controller und die Last vor Schäden geschützt sind; dies ist besonders akut bei Mikroprozessorsystemen, die, wenn sie nicht ordnungsgemäß konfiguriert sind, ohne Warnung sperren oder zurücksetzen können, was zu einer möglicherweise katastrophalen Situation führen kann.

Wenn Beschleunigungsleistung alles entscheidend 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 1,5 bis 2-mal diesem Wert benötigt, um ausreichende Drehmomentfähigkeit zu gewährleisten.

Das Spitzendrehmoment der Motor-Antriebs-Kombination muss um einen sicheren Rand von mindestens 15 % die Summe aus geschätztem Reibungsdrehmoment plus Beschleunigungsdrehmoment plus eventuell vorhandenem kontinuierlichem Lastdrehmoment während der Beschleunigung überschreiten. Wenn dies nicht erreichbar ist, wird ein anderer Motor oder das Übersetzungsverhältnis erforderlich sein.

An sehr leistungsstarken Maschinen können die neuesten Auto-Tuning-Antriebe Maschinenresonanzen und Vibrationen sehr effektiv kompensieren und präzise Leistung selbst bei sehr hohen Drehzahlen unterstützen. Elektromagnetische Verträglichkeit hat erheblichen Einfluss auf Design und Anwendung eines Systems.

Leistungsübertragungskomponenten

Die mechanischen Anforderungen des Motors müssen in einem frühen Stadium des Dimensionierungs- und Auswahlverfahrens identifiziert werden. Häufig übersehene Punkte sind alle dimensions- und ausrichtungsbedingten Einschränkungen, die sich aus dem mechanischen Design ergeben.

Wenn diese in einem frühen Stadium identifiziert werden können, kann dies unbefriedigende Leistung verhindern, sobald die Ausrüstung installiert ist. Insbesondere, wenn der Motor in vertikaler Position montiert ist, können spezielle Distanzscheiben oder Lager-Vorspannungen erforderlich sein.

Bei der Bestimmung der Antriebsanforderungen sind Reibungsdrehmomente vielleicht der schwierigste Aspekt des Motordimensionierungsverfahrens.

Lager

Im Fall einer rotierenden Welle ist ein Lager die am weitesten verbreitete Unterstützungsmethode. Viele verschiedene Typen sind verfügbar, von denen der häufigste das Rollen- und Kugellager ist.

Getriebe

Ein konventioneller Getriebetrieb besteht aus zwei oder mehr Zahnrädern, um die Winkelgeschwindigkeit und das Drehmoment zwischen Ein- und Ausgangswelle zu ändern. Getriebe bieten ein wichtiges Werkzeug für das Trägheitsmanagement. Ein Getriebe reduziert die Trägheit um das Quadrat des Übersetzungsverhältnisses. Der Kompromiss ist, dass Getriebe auch die Motordrehzahl reduzieren. Die meisten Servomotoren arbeiten bei Drehzahlen zwischen 2000 und 6000 U/min, was ihnen ermöglicht, auch bei Verwendung mit einem Hochreduktionsgetriebe mit nützlicher Drehzahl zu arbeiten.

Stirn- oder Schrägverzahnungen werden normalerweise in konventionellen Getriebetrieben eingesetzt. Das Stirnrad hat den Vorteil, minimale Axialkraft zu erzeugen, was das Problem jeder Bewegung der Lager reduziert.

Schrägverzahnungen werden in Robotersystemen weit verbreitet eingesetzt, da sie im Vergleich zu Stirnrädern bei demselben Drehzahländerungsverhältnis einen höheren Kontaktverhältnis bieten, die Strafe ist axiale Zahnradbelastung.

Die begrenzenden Faktoren in der Zahnradübertragung sind die Steifigkeit der Zahnräder, die maximiert werden kann, indem der größte praktische Zahnraddurchmesser für die Anwendung gewählt wird, zusammen mit der Minimierung des Rückschlags oder der verlorenen Bewegung zwischen einzelnen Zahnrädern.

Gewinde- und Kugelgewindetriebe

Bei einem Gewindetrieb gibt es direkten Kontakt zwischen Spindel und Mutter, was zu relativ hoher Reibung und damit einem ineffizienten Antrieb führt. Für Präzisionsanwendungen werden Kugelgewindetriebe aufgrund ihrer geringen Reibung und damit guten dynamischen Antwort verwendet.

Ein Kugelgewindetrieb ist im Prinzip identisch mit einem Gewindetrieb, aber die Kraft wird über lineare Kugellager im Gewinde der Mutter an die Mutter übertragen.

Riemenantrieb

Die Verwendung eines Zahnriemens oder Kettenantriebs ist eine effektive Methode der Kraftübertragung zwischen Motor und Last, während Synchronismus beibehalten wird.

In der linearen Antriebsanwendung können dieselben Verfahren, die auf Gewinde- und Kugelgewindetriebe angewendet wurden, auf einen Riemenantrieb angewendet werden.

Eine sehr gute Referenz zur Motordimensionierung findet sich im Web unter:
https://www.electricmotors.com/sizing.html