Руководство по выбору двигателя постоянного тока: крутящий момент, скорость, напряжение и области применения

Двигатель постоянного тока Руководство по выбору: с чего начать

Выбор правильного двигателя постоянного тока сводится к четырем факторам: требуемый крутящий момент, требуемая скорость, доступное напряжение питания и рабочий цикл . Любое другое решение — щеточный или бесщеточный, размер двигателя, передаточное число коробки передач — следует в первую очередь правильно определить эти четыре. Наиболее распространенная причина, по которой двигатели перегреваются, останавливаются под нагрузкой или преждевременно изнашиваются, — это исходная номинальная мощность двигателя, а не фактическая требуемая нагрузка.

Практическая последовательность выбора сначала учитывает механическую нагрузку, а затем преобразует ее в электрические требования: определяет момент нагрузки и скорость на выходном валу, учитывает любое понижение редуктора, рассчитывает электрическую мощность и потребляемый ток, необходимые для крутящего момента, и только затем проверяет это на соответствие доступному напряжению питания и температурным ограничениям возможных двигателей.

Расчет требований к крутящему моменту и скорости

Требования к крутящему моменту начинаются с механической нагрузки: для вращающейся нагрузки крутящий момент (в Нм) равен силе, приложенной к радиусу, умноженной на этот радиус; для линейного движения посредством ходового винта или ремня крутящий момент определяется как требуемая сила, разделенная на механическое преимущество системы привода. Добавьте запас прочности примерно на 20–50 % выше расчетного установившегося крутящего момента, чтобы покрыть пусковую инерцию, потери на трение и изменение нагрузки.

Требования к скорости обычно определяются длительностью цикла применения или скоростью процесса, выраженной в об/мин на выходном валу. Если между двигателем и нагрузкой находится редуктор, собственная скорость вала двигателя должна быть равна выходной скорости, умноженной на передаточное число, и требуемый крутящий момент двигателя падает пропорционально (до потери эффективности, которая обычно снижает полезный крутящий момент на 5–15 % в зависимости от типа коробки передач).

Выбор правильного напряжения питания

Выбор напряжения определяется источником питания системы и током, который может выдержать электроника привода, а не только скоростью двигателя. Для данной выходной мощности более высокое напряжение означает меньшее потребление тока. , что позволяет сделать проводку тоньше, разъемы меньшего размера и снизить резистивные потери — важный фактор при длинных кабелях или мощных промышленных приводах.

• Портативное оборудование с батарейным питанием: обычно ограничивается напряжением шины постоянного тока 12 В, 24 В или 48 В.
• Линии промышленной автоматизации: часто работают от управляющего напряжения 24 В или 48 В или от шин постоянного тока более высокого напряжения для больших сервоприводных и бесщеточных систем.
• Избегайте выбора двигателя с номиналом, значительно превышающим доступное напряжение питания — его эксплуатация при пониженном напряжении снижает доступный крутящий момент и может привести к неустойчивому регулированию скорости.

Двигатели постоянного тока в промышленности и автоматизации

В промышленном и автоматическом оборудовании предпочтение отдается двигателям постоянного тока (особенно бесщеточным), где точное и повторяемое управление движением имеет большее значение, чем просто выходная мощность. Конвейерные системы, упаковочные линии, приводы с ЧПУ и погрузочно-разгрузочное оборудование обычно используют бесщеточные двигатели постоянного тока или серводвигатели постоянного тока в сочетании с энкодерами для обратной связи по положению и скорости с обратной связью.

• Приводы конвейеров и роликов: щеточные или бесщеточные двигатели постоянного тока, соответствующие требованиям к крутящему моменту нагрузки и скорости ленты.
• Оси захвата и перемещения и ЧПУ: бесщеточные серводвигатели постоянного тока или постоянного тока для точного и повторяемого позиционирования.
• Насосы и вентиляторы в технологическом оборудовании: двигатели PMDC или BLDC, выбранные с учетом эффективности непрерывной работы.
• Автоматизированные транспортные средства (AGV) и мобильные роботы: компактные двигатели BLDC, выбранные из-за высокой плотности крутящего момента и эффективности аккумулятора.

Приложения с высоким крутящим моментом и компактные двигатели для робототехники

Применения двигателей постоянного тока с высоким крутящим моментом — краны, лебедки, электроприводы и стартеры для тяжелых условий эксплуатации — обычно требуют бесщеточных конструкций с последовательной обмоткой или большим количеством полюсов, способных создавать большой крутящий момент при низких оборотах, часто в сочетании с коробкой передач для дальнейшего увеличения крутящего момента на выходном валу. В этих приложениях пусковой момент и теплоемкость отдаются приоритету над максимальной скоростью.

Приложения робототехники находятся на другом конце спектра: компактные бесщеточные двигатели постоянного тока с высоким крутящим моментом и встроенными энкодерами являются стандартным выбором для шарнирных приводов и мобильных платформ, где каждый грамм веса и каждый миллиметр диаметра корпуса влияют на общую производительность системы. Конструкции BLDC без сердечника и без рамы все чаще используются в роботизированных соединениях именно потому, что они уменьшают крутящий момент и улучшают плавность управления на низких скоростях.

Двигатель постоянного тока против двигателя переменного тока

Фундаментальное различие заключается в простоте управления и чистой масштабируемости: Двигатели постоянного тока обеспечивают простое управление скоростью и крутящим моментом посредством регулировки напряжения и тока, а двигатели переменного тока обеспечивают высокую мощность и непрерывную работу с меньшими затратами на техническое обслуживание. . Асинхронные двигатели переменного тока доминируют в крупных промышленных приводах с фиксированной скоростью — насосах, компрессорах, больших вентиляторах — где их прочность и отсутствие щеток или магнитов приводят к более длительному сроку службы при высоких уровнях мощности.