Влияние крутящего момента, радиальных и осевых нагрузок на выбор двигателя

Валентин Рашке | 07 июля 2023 г.

Выбор двигателя для конкретного применения может оказаться непростой задачей. Необходимо учитывать множество факторов, включая, среди прочего, требуемое напряжение, максимальный ток и диаметр, скорость, эффективность и мощность. Сочетание этих соображений с другими уникальными требованиями применения поможет обеспечить выбор идеального двигателя. Сотрудничество между командами разработчиков решений для движения и инженерами-конструкторами имеет жизненно важное значение с самого начала.

При первом обращении к поставщику за помощью в выборе миниатюрного двигателя необходимо ответить на жизненно важный вопрос: какова конкретная рабочая точка приложения или требуемый крутящий момент и скорость? Понимание нагрузки на двигатель поможет определить необходимую мощность двигателя и необходимые аксессуары. Также важно обсудить, как двигатель будет интегрирован в приложение. Различные типы нагрузок будут оказывать существенное влияние на требуемую конструкцию двигателя, а также на срок его службы и надежность.

Крутящий момент, радиальная и осевая нагрузка — это различные типы нагрузок, присутствующие в обычных миниатюрных двигателях. Они имеют решающее значение для процесса выбора двигателя.

Крутящий момент – это величина вращательной силы, создаваемой двигателем во время его работы. (См. рисунок 1 выше.) Типичным назначением двигателя является преобразование электрической энергии (Pelec = напряжение x ток) в механическую энергию (Pmech = крутящий момент x скорость вращения), поэтому крутящая нагрузка присутствует практически в любом приложении для роторных двигателей. .

Простого выбора двигателя на основе требуемого значения крутящего момента «x» обычно недостаточно. Требуемый крутящий момент (и скорость) в приложении необходимо учитывать на протяжении всего цикла движения, поскольку двигатель должен обеспечивать необходимую механическую мощность без перегрева. Поставщик приводов часто просит вас указать точный цикл движения, который должен пройти двигатель; это позволяет проанализировать максимальную температуру, которую может достичь двигатель до перегрева. Пример этого представлен ниже на рисунке 2.

Рисунок 2: Типичный цикл движения двигателя, используемого в промышленном электроинструменте.

Имейте в виду: выбор правильного двигателя требует не только понимания требуемого значения крутящего момента, но также профиля крутящего момента/скорости в течение всего цикла движения и его рабочего цикла.

Рисунок 3: Пример ременной передачи.

В некоторых случаях двигатель или редуктор должен не только обеспечивать определенный крутящий момент для приведения нагрузки в движение, но также должен выдерживать радиальную нагрузку. Это сила, действующая радиально на вал двигателя. Одним из примеров является ременная передача (рис. 3 слева), которая используется для приведения в движение оси, параллельной двигателю. Силу натяжения следует рассматривать как радиальную нагрузку, действующую на вал двигателя, особенно если ремень предварительно натянут.

Второй пример — диафрагменный насос. Поршень перемещается вверх и вниз до положительного или отрицательного давления в клапане, чтобы облегчить поток жидкости или другого материала. Установленный на валу двигателя поршень создает движение и оказывает радиальную нагрузку на двигатель.

Радиальная нагрузка важна при выборе двигателя, поскольку она влияет на варианты подшипников. В примере со щеточным двигателем постоянного тока или шаговым двигателем имеется два стандартных варианта подшипников — подшипники скольжения или шарикоподшипники. Подшипники скольжения обычно выдерживают меньшую радиальную нагрузку и имеют меньший срок службы, но эти недостатки компенсируются их более низкой стоимостью. В зависимости от общей стоимости двигателя использование двух подшипников скольжения вместо шарикоподшипников может значительно снизить затраты. Однако в приложениях, где присутствует радиальная нагрузка, например, в ременной передаче и диафрагменном насосе, использование хотя бы одного шарикоподшипника в переднем подшипнике двигателя помогает обеспечить разумный срок службы и, таким образом, является лучшим выбором.

Рисунок 4. Радиальная нагрузка на двигатель BLDC с двумя шарикоподшипниками.

Напротив, в бесщеточных двигателях постоянного тока обычно используются два шарикоподшипника, и они могут работать на гораздо более высоких скоростях, чем двигатели постоянного тока или шаговые двигатели. Производитель двигателя рекомендует максимальную радиальную динамическую силу, при которой может быть достигнут минимальный срок службы двигателя на определенной скорости. Максимальная радиальная динамическая сила будет зависеть от размера используемых подшипников, расстояния между двумя шарикоподшипниками в двигателе (Рисунок 4: Расстояние «B») и положения, в котором действует радиальная нагрузка (Рисунок 4: Расстояние «A»). ). Длинный двигатель с шарикоподшипниками увеличенного размера обычно выдерживает большую радиальную нагрузку, чем более короткий двигатель (рис. 4).