10 причин, по которым нам нужен электродвигатель с коробкой передач

10 Причин, по которым нам нужен электродвигатель с коробкой передач

Быстрый ответ

Что такое мотор-редуктор (мотор + коробка передач)?

Мотор-редуктор – это электродвигатель и редуктор  скорости, встроенные или соединенные в один интегрированный привод. Двигатель обеспечивает высокую скорость при низком крутящем моменте; коробка передач преобразует ее в низкую скорость при высоком крутящем моменте с помощью зубчатой передачи (цилиндрической, планетарной, червячной, винтовой или конической). Такое сопряжение настолько распространено, что имеет собственное название —  мотор-редуктор, потому что эти два компонента устраняют недостатки друг друга.

Имеет значение отличие от простого двигателя. Для голого двигателя частота вращения и крутящий момент определяются в одной рабочей точке; мотор-редуктор добавляет передаточное число , которое смещает эту точку туда, где это необходимо для конкретного применения. Эта единственная дополнительная степень свободы делает эту комбинацию незаменимой в автоматизации, робототехнике, медицинских приборах и бытовой технике. Границу между двумя компонентами смотрите в нашем пояснении к коробке передач и мотор-редуктору ; когда лучше полностью отказаться от коробки передач, смотрите в сравнении прямой передачи и мотор-редуктора .

Как коробка передач Изменяет скорость и крутящий момент

Редуктор выполняет две задачи одновременно, связанные с сохранением энергии: он делит скорость и увеличивает крутящий момент. Все причины его использования восходят к этой профессии плюс его влияние второго порядка на инерцию.

Скорость–крутящий момент торговля

• коэффициент уменьшения: я = nₔ / nₙ (входной сигнал скорости ÷ выходной скорости)
• крутящий момент (идеал): Tₙ = Tₔ × я
• выходной крутящий момент (настоящее): Tₙ = Tₔ × я × η (коробка передач эффективность)
• выходная скорость: nₙ = nₔ / я
• выходная мощность: Pₙ = (Tₙ × nₙ) / 9550 (Т В Н·М, N В об / мин, P в кВт)

Редуктор 20: 1 превращает двигатель с частотой вращения 3000 об / мин в мощность 150 об / мин, увеличивая крутящий момент в (до) 20 раз за вычетом потерь на трение. Вот почему двигатель мощностью 100 Вт, расположенный за редуктором, может перемещать нагрузку, для которой в противном случае потребовался бы двигатель гораздо большей мощности. Математические расчеты двигателя описаны в нашем руководстве по расчету крутящего момента.

Уменьшение инерции — правило квадрата

Более тихий, но более мощный эффект оказывает влияние на инерцию. Инерция нагрузки, отраженная от двигателя, делится на квадрат  соотношения:

• Отраженная инерция: jₙ = jₚ / i2

Таким образом, редуктор 20: 1 снижает инерцию, которую двигатель должен разгонять, на 400 ×, а не 20 ×. Вот почему небольшой сервопривод плюс коробка передач могут быстро запускаться и останавливаться там, где двигатель с прямым приводом с таким же крутящим моментом был бы вялым — двигатель разгоняется за счет небольшой отраженной инерции. Это единственная причина, которую чаще всего недооценивают для добавления редуктора, и она доминирует в приложениях позиционирования и запуска / остановки.

10 причин использовать двигатель с коробкой передач

Вот десять технических причин, каждая из которых связана с физикой, описанной выше, а не с маркетинговым заявлением.

1. Увеличение крутящего момента. Редуктор увеличивает выходной крутящий момент (примерно) на это же передаточное число, поэтому небольшой недорогой двигатель приводит в действие большую нагрузку. Tₙ = tₔ × i × η.
2. Соответствие оборотов. Нагрузкам редко требуется 3000 об/мин. Редуктор снижает частоту вращения двигателя до точной выходной частоты, необходимой машине (конвейеру, клапану или ходовому винту).
3. Снижение инерции. Отраженная инерция уменьшается на квадрат отношения (Jₙ = Jₚ / i2), обеспечивая четкий старт / остановку, лучшую настройку сервопривода и более быструю стабилизацию.
4. Защита двигателя от перегрузки. Крутящий момент при перегрузке, воспринимаемый двигателем, делится на передаточное число; коробка передач поглощает удар, и ее (более дешевые) зубья выходят из строя раньше, чем обмотки двигателя.
5. Более низкая стоимость системы. Небольшой двигатель + коробка передач почти всегда стоят дешевле, чем большой высоковольтный моментный двигатель, необходимый для достижения того же крутящего момента на низких оборотах.
6. Меньший потребляемый ток. Поскольку двигатель работает быстро и с небольшой нагрузкой, а не практически глохнет, входной ток падает при том же выходном крутящем моменте, что снижает нагрев и уменьшает размеры источника питания.
7. Компактный корпус / высокая плотность крутящего момента. Объединение двигателя и редуктора в одну коробку передач позволяет экономить объем по сравнению с моментным двигателем с прямым приводом аналогичной мощности.
8. Точное регулирование скорости и положения. Определенное передаточное отношение плюс контролируемый люфт (от прецизионного планетарного или гармонический каскад) обеспечивает повторяемое позиционирование роботов, оптики и клапанов.
9. Модульное, недорогое обслуживание. Когда редуктор выходит из строя при экстремальной перегрузке, вы заменяете его шестерни или подшипники, а не двигатель, с минимальными затратами и временем простоя.
10. Универсальность применения. Замена ступени передачи (цилиндрической,  планетарной на гармоническую,  червячной, винтовой) позволяет адаптировать один и тот же двигатель практически к любой скорости, крутящему моменту и комплектации.

Технические характеристики: КПД, температура, крутящий момент, инерция

КПД в зависимости от типа редуктора и количества ступеней

Каждая добавленная ступень увеличивает трение – таким образом, 3-ступенчатый планетарный двигатель при ~ 78% расходует больше энергии, чем 2-ступенчатый при ~ 85%. Количество этапов должно быть минимальным. Обратите внимание на противоположный момент: потеря собственной эффективности коробки передач означает, что мотор-редуктор не автоматически становится более энергоэффективным, чем прямой привод; он экономит энергию только тогда, когда позволяет двигателю работать в диапазоне высокой эффективности. Этот нюанс имеет значение, когда кто-то утверждает, что редуктор безоговорочно “экономит энергию”.

Температура и тепловые ограничения

Изоляция обмоток двигателя соответствует стандарту IEC 60034-1, обычно класса B (130 °C) или F (155 °C); смазка коробки передач и корпус ограничивают постоянный крутящий момент. При непрерывном режиме работы S1 повышение температуры пропорционально потере мощности, поэтому низкоэффективная червячная ступень может перегреться там, где спиральная ступень этого не делает. Подберите рабочий цикл как для двигателя,  так и для редуктора и ознакомьтесь с руководством по классу эффективности двигателя , чтобы узнать номинальные значения IE.

Краткие формулы крутящего момента и инерции

Сравнение типов коробок передач

Для получения полной информации об архитектуре и поведении каждого типа под нагрузкой см. Руководство по типу редуктора и как работает планетарная коробка передач.

Лучшие области применения редукторных двигателей

Редукторный двигатель используется по умолчанию везде, где для нагрузки требуется низкая частота вращения и высокий крутящий момент в небольшом, управляемом корпусе.

Конвейеры и погрузочно-разгрузочные работы

Непрерывный режим работы, запыленность и фиксированная частота вращения —винтовые или планетарные ступени с герметичными корпусами подходят для работы в течение 16-24 часов. Ознакомьтесь с областью применения планетарного двигателя-редуктора.

Робототехника и автоматизация

Захваты, шарниры и приводы нуждаются в плотности крутящего момента и низком люфте; преобладают планетарные или гармонические ступени. Взвесьте варианты в нашем сравнении гармоник с планетами.

Для медицинского и лабораторного оборудования

Инфузионных насосов, хирургических инструментов и анализаторов требуются бесшумные микромоторы с низким люфтом и биосовместимой смазкой – часто это мотор—редуктор постоянного тока с планетарной головкой.

В автомобилестроении, бытовой технике и “умном доме”

Стеклоподъемники, регуляторы сидений, электрические шторы и замки используют компактные плоские электродвигатели BLDC или щеточные электродвигатели постоянного тока с редуктором , где преобладает стоимость.

Как выбрать мотор-редуктор (рабочий пример)

Следуйте этой последовательности, затем проверьте с помощью рабочего примера ниже.

1. Определите мощность. Требуемый крутящий момент Tₙ и частота вращения Nₙ, плюс инерция нагрузки jₚ и рабочий цикл.
2. Выберите передаточное число. i = nₔ / Nₙ используя номинальную частоту вращения двигателя.
3. Проверьте крутящий момент. Tₔ = Tₙ / (i × η); убедитесь, что двигатель подает его с запасом хода 1,5 ×.
4. Проверьте инерцию. Вычислить jₙ = jₚ / i2 и убедитесь, что двигатель может разгоняться (стремитесь к соотношению инерции двигателя к нагрузке ≤10 для настройки сервопривода).
5. Установите режим работы и температуру. Для Continuous S1 необходим температурный запас; подтвердите характеристики смазки для коробки передач.
6. Проверьте огибающую и нагрузки. Наружный диаметр, радиальные / осевые ограничения выходного вала и монтаж.

Отработанный пример — Привод конвейера: Редукторный по сравнению с

Требования к двигателю прямого действия: 25 Н ·м непрерывно при 50 об/мин; инерция нагрузки 0,4 кг · м2; доступен двигатель постоянного тока напряжением 24 В, номинальная частота вращения 3000 об/мин.

A ~ 154 Вт при постоянном токе за планетарным приводом 60:1 обеспечивает 25 Н · м при 50 об/мин, и двигателю приходится разгоняться всего на 0,00011 кг · м2 вместо 0,4 кг·м2. Двигатель с прямым приводом должен был бы выдавать 25 Н · м при 50 об / мин и разгонять полные 0,4 кг · м2, что требует большого дорогостоящего высоковольтного моментного двигателя с гораздо худшей реакцией на запуск / остановку.

Распространенные инженерные ошибки

1. Игнорирование инерции, а не только крутящего момента. При определении крутящего момента игнорируется только квадратичная инерция, которая управляет запуском / остановом и стабильностью сервопривода.
2. Превышение нормы. Выбор максимального передаточного числа по каталогу увеличивает трение, люфт и длину и может привести к остановке двигателя.
3. Путаница между постоянным и пиковым крутящим моментом. Максимальный крутящий момент кратковременный; при работе в режиме S1 должен использоваться режим непрерывной работы.
4. Выбираем червяк для непрерывной работы. Самоблокировка заманчива, но 30-70% эффективности оборачиваются выделением тепла и потраченной впустую мощности.
5. Забывая о собственной эффективности коробки передач. Реальный выходной крутящий момент равен Tₔ × i × η, а не Tₔ × i.
6. Игнорирование ограничений по нагрузке на вал. Натяжение ремня или тяга ходового винта приводит к изгибу выходного вала и износу подшипника.
7. Нет коэффициента полезного действия. Для ударных нагрузок и натяжения ремня/ходового винта требуется запас крутящего момента в 1,5-2 раза больше.
8. Превышение температурных ограничений. Непрерывный режим работы размягчает смазку и может привести к заеданию червяка или низкоэффективной ступени.

Устранение

Анализ износа спирального редуктора ; о шуме см.Как уменьшить шум редуктора?………………………  .

Часто задаваемые вопросы

Почему стоит выбрать Greensky Power?

Связанные ресурсы

• Обзор коробки передач (основная страница)
• Коробка передач против мотор-редуктора
• Прямой привод против мотор-редуктора
• Различные типы редукторов
• Принцип работы планетарной коробки передач
• Прецизионная планетарная коробка передач глубокого погружения
• Гармонический привод в сравнении с планетарной передачей
• Руководство по выбору червячной коробки передач
• Объясняется циклоидальный редуктор
• Для чего используется мотор-редуктор постоянного тока?
• 8 причин износа винтовой коробки передач
• Как снизить шум шестерни в редукторе
• Руководство по выбору двигателя-редуктора
• Как рассчитать крутящий момент двигателя
• Классы эффективности двигателя (IE)
• Как выбрать двигатель для промышленного использования
• Область применения планетарного редуктора-двигателя с плоской передачей
• Двигатель с плоской передачей постоянного тока
• Настройка OEM / ODM
• Категория двигателей постоянного тока

Ссылки

1. IEC 60034-1:2022 — Вращающиеся электрические машины, общие требования (классы изоляции и температуры). webstore.iec.ch/en/publication/65446
2. IEC 60034-30-1 — Классы эффективности линейных двигателей переменного тока. webstore.iec.ch/publication/91195
3. Стандарт ANSI / NEMA MG 1-2021 — Двигатели и генераторы. webstore.ansi.org/standards/nema/ansinemamg2021
4. NEMA — Ресурсы по продукции для двигателей и генераторов. nema.org/products/pages/motor-and-generator.aspx
5. Министерство энергетики США — Справочник по нагрузке и КПД двигателей. energy.gov/sites/prod/files/2014/04/f15/10097517.pdf
6. МЭА — Электродвигатели и энергоэффективность. iea.org/energy-system/industry/electric-motors
7. SKF — Неисправности подшипников и их причины. skf.com/group/support/bearing-failures-and-their-causes
8. Электродвигатели Siemens — SIMOTICS. siemens.com/global/en/products/drives/electric-motors.html
9. IEEE Xplore — рецензируемый документ по проектированию электрических машин. ieeexplore.ieee.org/document/6342334
10. технология двигателей и редукторов maxon — EC. maxongroup.com/maxon/view/content/ec-technology
11. FAULHABER — ноу-хау в области бесщеточных двигателей постоянного тока. faulhaber.com/en/know-how
12. Yaskawa — Загрузка технических данных о движении и двигателях. yaskawa.com/downloads/search-index
13. Tsubaki — Технические данные по выбору редукторного двигателя (эксплуатационные факторы). en.tt-net.tsubakimoto.co.jp/tecs/engd/gen/engd_gen_ggm_sry.asp
14. AGMA — рейтинг редукторов и стандарты точности. agma.org

Техническое содержание рассмотрено компанией Greensky Power applications engineering. Цифры представляют собой типичные отраслевые диапазоны; окончательная спецификация требует сверки с выбранным двигателем и рабочим циклом.