Motor- En Aandrijvingssysteem Dimensioneren: Onderdimensionering En Overdimensionering Vermijden Voor Optimale Prestaties

Juiste dimensionering is een cruciaal aspect van motorselectie. Als een motor ondergedimensioneerd is, kan hij de belasting niet controleren, wat leidt tot overshoot en ringing.

Overdimensionering van een systeem is net zo slecht als onderdimensionering – het kan de belasting wel controleren, maar het zal ook groter en zwaarder zijn, evenals duurder in termen van prijs en exploitatiekosten. Het past misschien niet fysiek en het zal zeker meer kosten. Het zal meer waardevolle ruimte innemen in een controleschakelaar of op de shopfloor.

Wat te overwegen bij het kopen van een motor?

Altijd te vaak krijgen leveranciers simpelweg een oproep om een motor van een zekere pk. De ingenieur koopt misschien een motor van dezelfde grootte als die van een vorig platform. Zij hebben misschien een flinke veiligheidsmarge toegevoegd om veranderingen te compenseren. Zij hebben misschien een verhouding van 10:1 of 5:1 van belasting en inertie tot motorinertie gebruikt – of een mengvorm van het bovenstaande.

Het doel zou moeten zijn om een motor te specificeren die de snelheid, versnelling en koppel levert die nodig zijn om de belasting op de aangewezen locatie en op het gewenste moment te positioneren. Het kan een veiligheidsmarge omvatten die ontworpen is om motor-tussen-motor-variatie of verwachte veranderingen in de draaiomstandigheden van de machine te compenseren. De veiligheidsmarge moet echter bovenop een gefundeerde berekening worden toegevoegd.

Een veelgemaakte fout is het kiezen van een motor met een continu-koppel gelijk aan de maximale koppelvereiste van de applicatie (meestal gezien tijdens extreme versnellingen/vertragingen). Motion control-applicaties bestaan vaak uit korte, snelle bewegingen. Een motor kiezen die gedimensioneerd is om dit koppel continu te genereren, betekent in wezen betalen voor meer motor dan nodig is.

Motor-aandrijving dimensionering

Om de motor effectief te dimensioneren, is het noodzakelijk de belastinginertie (JL) te berekenen. De verhouding van belastinginertie tot motorinertie (in wezen, rotorinertie) geeft een maat voor hoe effectief de motor de belasting kan controleren. Een hoge inertieverhouding duidt op een systeem dat moeite zal hebben de belasting te controleren. Een lage inertieverhouding (bijv. 4:1 of 1:1) geeft aan dat de motor een heel effectief werk zal doen van het controleren van de belasting, maar het onthult ook dat de motor mogelijk overgedimensioneerd is voor het systeem.

Ontwerpers nemen vaak de daadwerkelijke belasting, de tandwielkast en de motor mee, maar laten riemmen, katrollen en andere mechanische dingen buiten de vergelijking. Ze gaan gewoon naar de volgende grote maat of gebruiken dezelfde framemaat maar een die meer koppel produceert. Hier komt de hele 10% overdimensioneringsbenadering vandaan.

Het selectieproces omvat de verzameling van data gevolgd gedetailleerde analyse. Het vereist kennis van het mechanische systeem, de bedrijfsparameters en de omstandigheden waaronder de apparatuur zal worden gebruikt. Het moet ook details van de bedrijfsomgeving omvatten, want als deze niet op een vroeg stadium worden overwogen, kan het geselecteerde systeem niet geschikt zijn.

Inertie – de neiging van een object om veranderingen in versnelling te weerstaan – is een van de primaire uitdagingen in motion control. De motor moet in staat zijn voldoende kracht (in een lineair systeem) of koppel (in een rotatie systeem) toe te passen om de versnelling van de belasting te veranderen en dit op een gecontroleerde manier te doen.

De belangrijkste beperkingen die tijdens de dimensioneringsprocedure moeten worden overwogen, kunnen als volgt worden samengevat:

• Piekkoppel
• RMS-koppel
• Maximale snelheid
• Motor snelheid-koppel kenmerken

Daarnaast moeten twee applicatieregimes worden overwogen:

• Continu duty-applicatie
• Intermittent duty-applicatie

Het verschil tussen deze twee applicatieregimes kan worden geïllustreerd door een draaibank. De spindaandrijving van een draaibank is een continuous duty-applicatie, omdat het op constante snelheid onder constante belasting draait; de asdrijvingen zijn een intermittent duty-applicatie, door de versnelling en vertraging die nodig is om de vereiste gereedpad te volgen.

Snelheid en motoren

De aandrijvingen van robots en werktuigmachines veranderen continu van snelheid om het vereiste bewegingsprofiel te genereren. De selectie van de tandwielverhouding en zijn relatie tot het gegenereerde koppel van de motor moet volledig worden overwogen. Als de belasting vereist is om op een constante snelheid of koppel te opereren, kan de optimale tandwielverhouding worden bepaald. In de praktijk zijn gevallen te overwegen zoals versnelling met en zonder extern toegepast belastingkoppel en de effecten van variable belastinginertiën.

Kennis van het vereiste snelheidsbereik van de belasting en een initiële schatting van de benodigde tandwielverhoudingen zal de piekmotorsnelheid toelaten te schatten. Om te voorkomen dat de motor zijn vereiste snelheid niet haalt door fluctuaties in de voedingsspanning, moet de vereiste maximale snelheid met een factor 1,2 worden verhoogd. Deze factor is bevredigend voor de meeste industriële applicaties, maar kan worden verfijnd voor een speciale applicatie, bijvoorbeeld wanneer het systeem moet opereren vanaf een beperkte voeding zoals te vinden in toepassingen uiteenlopend als vliegtuigen en offshore-olieplatforms.

Spanning

De pieksnelheid van een motor is afhankelijk van de voedingsspanning, dus periodes van lage spanning moeten worden overwogen. Als richtlijn wordt een aandrijving normaal gedimensioneerd zodat hij op pieksnelheid kan draaien bij 80% van de nominale voedingsspanning. Als een systeem gevoed wordt vanaf een voeding die kwetsbaar is voor spanningsdalingen of stroomuitval, moet grote zorg worden besteed aan het waarborgen dat de aandrijving, zijn controller en de belasting beschermd zijn tegen schade; dit is met name acuut bij microprocessorsystemen, die, als niet goed geconfigureerd, zonder waarschuwing kunnen vastlopen of resetten, wat leidt tot een mogelijke catastrofaal situatie.

Waar versnellingsprestaties van alles beslissend zijn, moet de motorinertie worden opgeteld bij de gereflecteerde belastinginertie, en het koppel dat nodig is om deze totale inertie met de vereiste snelheid te versnellen, moet worden bepaald. Een motor-aandrijving combinatie zal nodig zijn met een piekkoppelcapaciteit van ten minste 1,5 tot 2 keer deze waarde om voldoende koppelcapaciteit te waarborgen.

Het piekkoppel van de motor-aandrijving combinatie moet, met een veilige marge van ten minste 15%, de som overschrijden van de geschatte wrijvingskoppel plus versnellingskoppel plus eventueel continuelastende koppellasting tijdens versnelling. Als dit niet haalbaar is, zal een andere motor of de tandwielverhouding vereist zijn.

Krachtoverdrachtcomponenten

De mechanische eisen van de motor moeten op een vroeg stadium in de dimensionerings- en selectieprocedure worden geïdentificeerd. Veelal over het hoofd geziene items omvatten eventuele dimensionale en oriëntatiebeperkingen voortvloeiend uit het mechanische ontwerp.

Als deze op een vroeg stadium geïdentificeerd kunnen worden, kan het ontevredenstellende prestaties voorkomen zodra de apparatuur geïnstalleerd is. In het bijzonder, als de motor in verticale positie gemonteerd is, kunnen speciale afstanzers of lager voorspanning vereist zijn.

Bij de bepaling van de aandrijvingseisen zijn wrijvingskoppels misschien wel het moeilijkste aspect van de motor dimensioneringsprocedure.

Lagers

In het geval van een rotatie-as is een lager de meest gebruikte ondersteuningsmethode. Veel verschillende typen zijn beschikbaar, waarvan de meest voorkomende de rol- en kogellager is.

Tandwielkasten

Een conventionele tandwieltrain bestaat uit twee of meer tandwielen om de hoeksnelheid en koppel tussen een in- en uitvoeras te veranderen. Tandwielkasten bieden een belangrijk hulpmiddel voor het managen van inertie. Een tandwielkast vermindert inertie met het kwadraat van de tandwielverhouding. De tegenprestatie is dat tandwielkasten ook de motorsnelheid verlagen. Meeste servomotoren opereren op snelheden tussen 2000 en 6000 toer/min, wat hen in staat stelt om op een nuttige snelheid te opereren zelfs wanneer gebruikt met een hoge-reductieverhouding tandwielkast.

Staande of helische tandwielen worden normaal ingezet binnen conventionele tandwieltrains. Het staand tandwiel heeft het voordeel dat het minimale axiale kracht produceert, wat het probleem van enige beweging van de tandwielagers vermindert.

Helische tandwielen worden wijd gebruikt in robotische systemen omdat ze een hogere contactverhouding geven vergeleken met staande tandwielen voor dezelfde snelheidsveranderingsverhouding, de boete zijnde axiale tandwiellast.

De beperkende factoren in tandwieloverdracht zijn de stijfheid van de tandwieltanden, die kan worden gemaximaliseerd door het selecteren van het grootste diameter tandwiel dat praktisch is voor de applicatie, samen met het minimaliseren van de terugslag of verlorene beweging tussen individuele tandwielen.

Gewinde- en Kogelspindels

In een gewindespindel is er direct contact tussen de spindel en de moer, wat leidt tot relatief hoge wrijving en dus een ondoelmatige aandrijving. Voor precisie-applicaties worden kogelspindels gebruikt vanwege hun lage wrijving en dus goede dynamische respons.

Een kogelspindel is identiek in principe aan een gewindespindel, maar kracht wordt overgedragen aan de moer via lineaire kogellagers, in het draadgat van de moer.

Riemaandrijving

Het gebruik van een getande riem of kettedaandrijving is een effectieve methode van krachtoverdracht tussen motor en belasting, terwijl synchronisme behouden blijft.

In de lineaire aandrijvingapplicatie kunnen dezelfde procedures die zijn toegepast op gewinde- en kogelspindels, worden toegepast op een riemaandrijving.

Een zeer goede referentie over motor dimensionering kan op het web worden gevonden op:
https://www.electricmotors.com/sizing.html