AGV馬達扭矩計算指南: 公式, 工作範例 & 馬達選型
扭力計算錯誤是 AGV 驅動系統故障最常見的根本原因 - 連續工作下過熱, 加速時車輪打滑, 坡道上的爬坡能力不足. 許多工程團隊根據目錄峰值扭矩或先前的專案經驗來選擇電機, 然後發現 AGV 在現實地面條件下無法保持速度.
本指南提供了完整的, 用於計算 AGV 驅動馬達扭力的標準參考方法 — 從力平衡模型到變速箱傳動比選擇, 慣性匹配, 熱驗證, 和按有效負載等級劃分的馬達規格. 它遵循與以下一致的計算原則 國際電工委員會 60034-1 (旋轉馬達－額定值和性能) 和 一氧化氮鎂 1 (電機和發電機), 以及 Maxon 的參考技術文檔, 福爾哈伯, 和安川.
更全面地了解 AGV 馬達類型和選擇標準, 請參閱我們的配套指南: 如何為 AGV 應用選擇電機.
1. 為什麼扭力運算很重要
AGV 驅動馬達不在單一穩態點運行. 它透過加速循環, 等速巡航, 減速, 轉動, 和爬坡－每種都對馬達軸施加不同的扭力需求. 僅根據額定扭矩選擇電機, 沒有映射完整的佔空比, 導致兩個結果之一:
| 失效模式 | 根本原因 | 典型症狀 |
|---|---|---|
| 熱過載 | 實際工作週期下連續扭力超過馬達熱極限 (國際電工委員會 60034-1 S1 或 S5 等級) | 馬達繞組溫度超過絕緣等級限制; 15-30 分鐘後控制器因熱保護而跳閘 |
| 扭力飽和 | 加速或轉彎期間的峰值扭矩超過馬達峰值/安全工作區域 | AGV 在坡道上失速, 發射過程中輪子打滑, 停止時定位超調 |
| 慣性不匹配 | 反映的負載慣量超過馬達轉子慣量 >10:1 (步進器) 或者 >5:1 (伺服) | 速度轉換期間的振盪, 聽到嗡嗡聲, 開環系統中的階躍損耗 |
| 變速箱尺寸太小 | 使用係數不適用於變速箱扭力額定值 | 齒輪過早磨損, 反彈增加, 輸出軸承故障 |
正如安川在其伺服電機選擇白皮書中指出的那樣, 適當的尺寸需要分析機構的運動曲線, 計算各相所需扭矩, 並驗證兩者連續 (有效值) 峰值扭力落在馬達的安全運轉範圍內 [1]. 同樣的原則也適用於 無刷直流電機 用於AGV驅動系統.
2. AGV行駛阻力模型
對於運轉速度低於以下速度的工業 AGV 2 多發性硬化症, 空氣動力阻力可以忽略不計. 總驅動力必須克服三個主要阻力, 加上第四個條件 (轉動) 適用於差動驅動配置 [2][3].
基本的力平衡是:
F全部的 =F卷 + F年級 + FACC
僅當馬達驅動牽引力等於或超過F時全部的 AGV能否保持穩定運動.
2.1 滾動阻力 (F卷)
滾動阻力是由車輪與地面之間的彈性變形產生的. 它是平地上恆速運轉時的主導電阻.
F卷 =米×克×CRR × 餘弦(我)
| 範圍 | 象徵 | 單元 | 描述 |
|---|---|---|---|
| 車輛品質 (總的) | 米 | 公斤 | AGV底盤 + 有效負載 + 安全裕度 |
| 重力加速度 | G | 9.81 米/秒² | 標準重力 |
| 滾動阻力係數 | CRR | 無量綱 | 取決於車輪材料和地板類型 (參見章節中的表 8) |
| 傾斜角度 | 我 | 弧度或度 | 行進路徑上的最大坡道角度 |
在平坦的地面上 (θ = 0), 因斯(我) = 1, 將表達式簡化為 F卷 =米×克×CRR.
2.2 坡 / 等級阻力 (F年級)
當AGV爬坡道時, 重力沿著斜坡產生一個阻礙向前移動的分量.
F年級 = m × g × sin(我)
適用於倉庫中常見的小角度 (2–5% 等級), 近似正弦(我) ≈ 棕褐色(我) ≈ 等級比可以接受. 對於 3% 年級:
F年級 ≈ 公尺 × 9.81 × 0.03 = 0.294 × 公尺 (N/kg 車輛質量)
對於 500 kg AGV 上 3% 年級: F年級 ≈ 147 否. 這大致等於光滑混凝土上的滾動阻力，這意味著坡度阻力可以 雙倍的 與平地操作相比的總牽引力要求.
2.3 加速慣性阻力 (FACC)
牛頓第二定律規定了加速車輛質量所需的力:
FACC =米×a
| AGV應用 | 推薦加速 | 基本原理 |
|---|---|---|
| 標準物流AGV | 0.4–0.6 m/s² | 平衡吞吐量與車輪牽引力限制 |
| 人機協作 (HRC) | 0.2–0.3 m/s² | 國際標準化組織 3691-4 安全約束; 限制人體接觸力 |
| 重型AGV (1,000+ 公斤) | ≤ 0.2 米/秒² | 防止車輪打滑並防止有效負載移動 |
| 高速AMR (貨到人) | 0.6–1.0 公尺/秒² | 在圍欄或受控環境中可接受 |
2.4 轉動阻力 (差動驅動)
適用於差動驅動 AGV (兩個動力輪, 多個腳輪), 就地旋轉通常是最苛刻的扭矩條件 - 通常 2 到 5 比直線扭力高幾倍 [3]. 旋轉期間, 腳輪會產生很大的轉向阻力, 一個驅動輪向前移動，另一個驅動輪向後移動.
自旋阻力的工程近似為:
F旋轉 = (2 × F卷 × √(W² + L²)) / W
其中W是輪距 (左右驅動輪之間的距離) L 是車輛長度. 每個車輪產生的扭矩:
時間旋轉 =F旋轉 × (丁 / 2)
在大多數實際 AGV 應用中, 就位旋轉扭矩定義了 頂峰 馬達扭力要求, 而直線運動定義了 連續的 扭力要求 [3]. 這種區別對於正確選擇電機至關重要 - 請參閱我們的 AGV用電機: 完整的選擇指南 用於馬達類型比較.
3. 核心扭力計算公式
一旦總驅動力確定, 將其轉換為輪側扭矩, 然後透過變速箱傳遞至馬達側扭矩.
3.1 輪邊扭矩
時間車輪 = (F全部的 × r) / n駕駛
| 範圍 | 象徵 | 典型值 |
|---|---|---|
| 總驅動力 | F全部的 | 根據阻力模型計算 (否) |
| 負載輪半徑 | r | 0.065–0.150 m (使用載入半徑, 不是名義上的) |
| 從動輪數量 | n駕駛 | 1 (單驅動), 2 (微分), 4 (4西數) |
工程筆記: 始終使用 已載入 車輪半徑, 不是目錄中的標稱直徑. 聚氨酯輪在負載下壓縮 3–8%, 減小有效半徑並增加所需扭矩 [4].
3.2 馬達側扭矩 (變速箱後)
時間發動機 = T車輪 / (我×nG)
| 變速箱類型 | 典型效率 (這G) | 比率範圍 | 反彈 |
|---|---|---|---|
| 單級行星式 | 0.94 (94%) | 3:1–10:1 | <5 弧分 |
| 兩級行星式 | 0.88 (88%) | 10:1–80:1 | <7 弧分 |
| 三級行星式 | 0.82 (82%) | 100:1–200:1 | <10 弧分 |
| 蝸輪變速箱 | 0.60–0.70 | 5:1–60:1 | 自鎖式 (各不相同) |
| 正齒輪 (平行軸) | 0.90–0.95 | 3:1–50:1 | 因品質而異 |
有關支線與支線的詳細比較. 適用於 AGV 應用的行星齒輪箱, 看 正齒輪馬達與行星齒輪電機. 齒輪箱類型的選擇直接影響效率項 ηG 和反射慣量計算.
3.3 電源驗證
P車輪 =F全部的 × v
P發動機 =P車輪 / (這G × n發動機)
其中 η發動機 BLDC 馬達的範圍通常為 0.85 到 0.92 在額定負載和速度下, 如 Maxon 馬達選擇指南中所述 [5] 和 Faulhaber 的直流電機技術信息 [6]. 馬達的連續額定功率必須超過P發動機 有 30-50% 的餘裕來考慮熱瞬變和占空比變化.
3.4 速度計算
V米 = (× 60) / (2p×r) × 我 (馬達轉速)
負載下的目標馬達速度應落在馬達的峰值效率範圍內, BLDC 馬達通常為空載速度的 60–80% [5][6]. 下面進行操作 1,000 RPM 增加齒槽轉矩和轉矩脈動; 上面操作 3,500 RPM 會增加軸承磨損和可聞噪音 [4].
4. 工作範例 1: 200 公斤AMR (貨到人)
此範例示範了電子商務履行中使用的輕量級 AMR 的扭力計算.
4.1 輸入參數
| 範圍 | 價值观 |
|---|---|
| 總質量 (米) | 200 公斤 (150 公斤有效負載 + 50 公斤底盤) |
| 目標速度 (v) | 1.5 多發性硬化症 |
| 加速 (A) | 0.5 米/秒² |
| 輪徑 | 200 毫米 (r = 0.10 米載入) |
| 滾動阻力係數 (CRR) | 0.015 (光滑混凝土上的 PU 輪) |
| 坡 | 0° (平地板) |
| 從動輪 (n) | 2 (差動驅動) |
| 安全係數 | 1.5× |
4.2 逐步計算
| 步 | 公式 | 結果 |
|---|---|---|
| 1. 軋製力 | F卷 = 200 × 9.81 × 0.015 × 餘弦(0) | 29.4 否 |
| 2. 等級力 | F年級 = 200 × 9.81 × 罪惡(0) | 0 否 |
| 3. 加速力 | FACC = 200 × 0.5 | 100 否 |
| 4. 總力 | F全部的 = 29.4 + 0 + 100 | 129.4 否 |
| 5. 每個車輪的車輪扭矩 | 時間車輪 = (129.4 × 0.10) / 2 | 6.47 牛頓·米 |
| 6. 應用安全係數 | 時間車輪,設計 = 6.47 × 1.5 | 9.71 牛頓·米 |
| 7. 電機扭矩 (20:1 行星的, η=0.88) | 時間發動機 = 9.71 / (20 × 0.88) | 0.55 牛頓·米 |
| 8. 車輪轉速 1.5 多發性硬化症 | 轉速= (1.5 × 60) / (2p× 0.10) | 143 轉速 |
| 9. 馬達轉速 | 轉速發動機 = 143 × 20 | 2,860 轉速 |
| 10. 每輪持續功率 | P= (9.71 × 15.0) / (0.88 × 0.88) | 187.7 W → 選擇每回合 100W BLDC，具有 1.5× 熱裕度 |
推薦系統: 2 × 24V 100W BLDC 電機 20:1 兩級行星式 變速箱, 雙通道控制 馬達控制器 經 RS485 Modbus RTU.
5. 工作範例 2: 1,200 公斤重型AGV (生產線)
5.1 輸入參數
| 範圍 | 價值观 |
|---|---|
| 總質量 (米) | 1,200 公斤 (1,000 公斤有效負載 + 200 公斤底盤) |
| 目標速度 (v) | 0.5 多發性硬化症 |
| 加速 (A) | 0.2 米/秒² |
| 輪徑 | 250 毫米 (r = 0.125 米載入) |
| 滾動阻力係數 (CRR) | 0.020 (工業混凝土上的 PU 輪) |
| 最大坡度 | 3% 年級 (θ ≈ 1.72°) |
| 從動輪 (n) | 2 (後驅動) |
| 安全係數 | 2.0× |
5.2 逐步計算
| 步 | 公式 | 結果 |
|---|---|---|
| 1. 軋製力 | F卷 = 1200 × 9.81 × 0.020 × 餘弦(1.72°) | 235.3 否 |
| 2. 等級力 | F年級 = 1200 × 9.81 × 罪惡(1.72°) | 353.4 否 |
| 3. 加速力 | FACC = 1200 × 0.2 | 240 否 |
| 4. 總力 | F全部的 = 235.3 + 353.4 + 240 | 828.7 否 |
| 5. 每個車輪的車輪扭矩 | 時間車輪 = (828.7 × 0.125) / 2 | 51.8 牛頓·米 |
| 6. 應用安全係數 | 時間車輪,設計 = 51.8 × 2.0 | 103.6 牛頓·米 |
| 7. 電機扭矩 (50:1 行星的, η=0.88) | 時間發動機 = 103.6 / (50 × 0.88) | 2.36 牛頓·米 |
| 8. 車輪轉速 0.5 多發性硬化症 | 轉速= (0.5 × 60) / (2p× 0.125) | 38.2 轉速 |
| 9. 馬達轉速 | 轉速發動機 = 38.2 × 50 | 1,910 轉速 |
| 10. 每輪持續功率 | P= (103.6 × 4.0) / (0.88 × 0.88) | 535.5 W → 選擇每輪 400W BLDC，帶再生製動 |
推薦系統: 2 × 48V 400W BLDC 電機 50:1 兩階段行星變速箱, 啟用再生煞車的 BLD6010 級控制器. 再生煞車電路在減速期間耗散反電動勢能量 1,200 公斤品質, 保護控制器免遭過壓跳閘 [4].
6. 慣性匹配和齒輪比選擇
扭力只是尺寸方程式的一半. 負載和馬達轉子之間的慣性匹配決定了動態響應質量——AGV 加速的速度, 它停得多麼乾淨, 以及控制迴路是否保持穩定.
6.1 等效負載慣量
車輛品質, 透過車輪和變速箱反射, 表現為電機軸上的等效轉動慣量:
傑加載 = (米 / n駕駛) × r² / i²
其中 i 是變速箱傳動比. 齒輪箱依比率的平方減少反射負載慣量 — a 20:1 變速箱將負載慣用量降低了一個係數 400. 這就是為什麼高速比行星齒輪箱能夠如此有效地提高 AGV 應用中馬達控制的穩定性.
6.2 慣性比指南
| 馬達類型 | 推薦J加載/傑轉子 比率 | 超標的後果 |
|---|---|---|
| 交流伺服 (閉環) | ≤ 5:1 | 環路調整難度; 速度轉換期間的振盪; 減少頻寬 |
| 無刷直流伺服 (帶編碼器閉環) | ≤ 5:1 到 10:1 | 位置超調; 在一定速度下可聽到共振 |
| 標準無刷直流電機 (霍爾感測器換向) | ≤ 10:1 到 15:1 | 加速反應遲緩; 高負載階躍下的換向時序誤差 |
| 步進馬達 (開環) | ≤ 10:1 | 加速時失步; 低速共振; 負載突然變化時失速 |
這些比率與安川發布的伺服馬達選擇指南一致 [1] 以及 Maxon 馬達選用檔案中所述的馬達選型方法 [5]. 適用於 AGV 中的步進馬達應用, 看看我們的 伺服馬達與步進電機 比較.
6.3 傳動比選擇方法
最佳傳動比同時滿足三個約束:
- 速度限制: 我 = 轉速發動機,目標 / 轉速車輪, 其中轉速發動機,目標 轉速為 1,500–3,000 RPM (大多數 BLDC 馬達的峰值效率範圍) [5][6]
- 扭力約束: 我必須足夠高以至於T發動機 符合所選馬達的連續扭力額定值
- 慣性約束: i 必須足夠高 J加載/傑轉子 符合推薦比例
在實踐中, 從速度約束開始確定候選比率, 然後驗證扭矩和慣性約束. 如果慣性比太高, 增加齒輪比或選擇轉子慣量較大的電機. 適用於定位精度要求高的應用, A 直驅馬達與齒輪馬達對比 權衡分析可能是有道理的.
7. 峰值與. 連續扭矩: 熱驗證
馬達資料表指定了兩個扭力值: 頂峰 (最大限度) 和連續的 (額定). 連續扭矩受到馬達熱容量的限制——繞組絕緣等級和冷卻方法決定了馬達在穩態運行下可以散發多少熱量.
7.1 國際電工委員會 60034-1 工作週期
國際電工委員會 60034-1 定義十個佔空比類別 (S1 至 S10) 指定馬達的熱額定值如何適用於不同的運轉模式 [7]. 適用於 AGV 應用, 最相關的是:
| 職務等級 | 描述 | AGV 相關性 |
|---|---|---|
| S1 (連續的) | 恆定負載運轉至達到熱穩定狀態 | 固定路線長距離牽引; 輸送機跟隨式AGV |
| S2 (短時) | 指定持續時間內的恆定負載, 不足以達到熱穩態 | 休息時間長的間歇性重載運輸 |
| S3 (間歇性週期性) | 具有負載和休息週期的相同工作循環序列; 啟動時無明顯發熱 | 貨到人 AMR，頻繁取放停靠 |
| S4 (間歇性週期性啟動) | 與S3類似，但啟動電流顯著影響溫升 | 頻繁地從靜止全速啟動的 AGV (典型倉庫AMR) |
| S5 (間歇性週期性制動) | 與 S4 類似，但包括電動煞車期 | AGV 在每個停止週期都具有再生煞車功能 (最常見的現實世界概況) |
對於 S5 任務 (最常見的 AGV 型材), 均方根值 (均方根) 整個週期的扭力決定了有效的連續扭力要求:
時間有效值 = √[(時間ACC² × tACC) + (時間跑步² × t跑步) + (時間十二月² × t十二月)] / (tACC + t跑步 + t十二月 + t停止)
馬達連續 (S1) 額定扭力必須超過 T有效值, 且馬達的峰值扭矩額定值必須超過最大瞬時扭矩 (通常是TACC 或T旋轉). 東方馬達的 AGV 選型工具透過可配置的加速度實現了 RMS 計算, 跑步, 減速, 和停止時間參數 [8].
7.2 一氧化氮鎂 1 扭力分類
一氧化氮鎂 1 根據扭矩特性將馬達分為四種設計類型 [9]. 雖然 NEMA 標準主要適用於交流感應電機, 扭矩分類框架有助於理解馬達行為:
| NEMA設計 | 堵轉扭矩 | 上拉扭矩 | 擊穿扭矩 | 典型應用 |
|---|---|---|---|---|
| 設計A | 中等的 | 中等的 | 高的 | 粉絲, 鼓風機 (AGV 不典型) |
| 設計B | 中等的 | 中等的 | 中等的 | 通用型; IEC 設計 N 等效項; 最常見的工業電機 |
| 設計C | 高的 | 高的 | 中等的 | 高啟動扭力負載; IEC 設計 H 等效項; 傳送帶啟動 |
| 設計D | 非常高 | 各不相同 | 未指定 | 高慣量啟動; 沖床 |
適用於 AGV 中使用的 BLDC 和伺服電機, 類似的參數是峰值扭矩 (對應於鎖定轉子或啟動扭矩), 連續扭矩 (對應於額定或擊穿扭矩), 以及扭矩-速度曲線形狀. Faulhaber 的技術文件建議在負載扭矩小於的範圍內運行電機 50% 失速扭力和速度高於 50% 空載速度以獲得最佳效率和使用壽命 [6].
7.3 熱降額
數據表中的馬達額定扭矩是在參考環境溫度下指定的 (每個 Maxon 通常為 25°C [5] 或 40°C（根據 IEC） 60034-1 [7]). 在較高環境溫度下, 馬達必須降額:
| 環境溫度 | 可用連續扭矩 | 可用連續電流 |
|---|---|---|
| 25℃ (目錄參考) | 100% | 100% |
| 40℃ | 〜90% | 〜80% |
| 50℃ | 〜75% | 〜65% |
| 60℃ | 〜60% | 〜50% |
適用於在 40°C 以上環境中運行的 AGV (鑄造廠, 鋼鐵廠, 夏季戶外作業), 指定 F 級電機 (155℃) 或H級 (180℃) 絕緣以保持額定扭矩能力. 我們的 電動馬達測試標準 頁面詳細介紹了 GreenSky 如何根據 IEC 驗證熱性能 60034-1 狀況.
8. 滾動阻力係數參考
滾動阻力係數 (CRR) 具有所有輸入參數中最大的變異數——根據輪底組合，它可以變化 8 倍. 使用不正確的值是 AGV 驅動系統供應商發現的最常見的計算錯誤 [2][3][4].
| 輪子材質 | 地板表面 | CRR 範圍 | 筆記 |
|---|---|---|---|
| 聚氨酯 (聚氨酯) | 光滑環氧樹脂 | 0.015–0.025 | 最低阻力; 典型的倉庫地板 |
| 聚氨酯 (聚氨酯) | 光滑混凝土 | 0.018–0.025 | 最常見的 AGV 地面狀況 |
| 聚氨酯 (聚氨酯) | 帶接縫的粗糙混凝土 | 0.020–0.040 | 關節阻力顯著增加 |
| 聚氨酯 (聚氨酯) | 室外瀝青 | 0.035–0.050 | 取決於天氣; 濕表面增加 CRR |
| 橡皮 | 具體的 | 0.020–0.030 | 抓地力更高但滾動阻力更高 |
| 鋼 | 鋼軌 | 0.001–0.002 | 盡可能低的CRR; 僅限軌道引導 AGV |
| 尼龍 | 具體的 | 0.025–0.040 | 硬輪; 不平坦的地板上很吵 |
推薦: 始終測量或校準 CRR 在最終確定馬達選擇之前使用現場數據. AGV 驅動輪製造商的扭力計算指南建議使用初始尺寸範圍的上限, 然後在實際安裝地板上進行負載滑動測試進行驗證 [2].
9. 常見的計算錯誤
| # | 錯誤 | 影響 | 正確的練習 |
|---|---|---|---|
| 1 | 使用標稱車輪直徑取代負載半徑 | 低估扭力 3–8% (PU壓縮) | 測量滿載下的車輪半徑; 減去壓縮變形 |
| 2 | 忽略斜坡扭矩，因為斜坡是 “短的” | AGV 在坡道上失速; 爬升時馬達過流跳閘 | 始終在力模型中包含最壞情況的斜坡, 即使是 2 米長 |
| 3 | 僅根據峰值扭矩選擇電機 | 連續循環 10-15 分鐘後馬達過熱 | 計算整個工作週期內的 RMS 扭矩; 驗證 S1 或 S5 等級 |
| 4 | 對所有變速箱類型使用相同的變速箱效率 | 30%+ 馬達扭矩誤差 (蠕蟲 vs. 行星的) | 尋找特定變速箱類型和級數的效率 |
| 5 | 不應用安全/服務係數 | 當地面條件惡化或有效載荷增加時，邊際設計就會失敗 | 適用於工業AGV 1.5–2.0×; 2.5× 對於安全至關重要 (醫療的, 食物) |
| 6 | 忘記驗證車輪附著力 | 加速時車輪打滑; 馬達自由旋轉，無需移動 AGV | 驗證μ×F普通的 ≥F牽引力; 如有必要，添加預緊彈簧 |
| 7 | 混淆滾動阻力係數與摩擦係數 | 參數根本不同; 使用摩擦力μ作為CRR 高估滾動阻力 20–50 倍 | 滾動阻力 (CRR): ~0.01–0.05. 摩擦係數 (米): 〜0.3–0.75. 切勿互換. |
10. 按有效負載等級選擇電機
扭力計算完成後, 按有效載荷類別將結果對應到馬達規格. 下表提供了在多個 AGV 部署中驗證的起始配置 [4][10].
| 範圍 | 輕型AMR (<100 公斤) | 中型AGV (100–500公斤) | 重型AGV (500–3,000 公斤) | 重型運輸 (3,000+ 公斤) |
|---|---|---|---|---|
| 速度範圍 | 1.5–2.0 公尺/秒 | 1.0–1.5 m/s | 0.5–1.0 公尺/秒 | 0.3–0.5 m/s |
| 電壓 | 24直流電壓 | 24V / 36直流電壓 | 48直流電壓 | 48直流電壓 (雙馬達) |
| 馬達類型 | 42毫米無刷直流電機 | 57–86mm BLDC | 86–115mm BLDC | 2× 86–120mm BLDC 伺服 |
| 每台馬達功率 | 100–300W | 300–800W | 1,000–2,000W | 500每個 –3,000W |
| 變速箱 | 2-行星級 10:1–25:1 | 2-行星級 20:1–50:1 | 2-行星級 30:1–80:1 | 2-行星級 30:1–80:1 附煞車 |
| 車輪扭力 (續) | 2–8牛頓米 | 8–30牛頓米 | 30–120牛頓米 | 120–500牛頓米 |
| 電機扭矩 (續) | 0.1–0.5牛頓米 | 0.3–1.5牛頓米 | 0.5–3.0 牛頓米 | 1.0每個 –5.0 N·m |
| 控制器 | 10A, RS485 | 10-25A, RS485/CAN | 25A, CANopen | 2×25A, 雙馬達同步 |
| 編碼器 | 霍爾傳感器 | 大廳 + 增量式 | 17-有點絕對 | 17-有點絕對 + 多圈 |
| 煞車 | 選修的 | 受到推崇的 | 必需的 (保持) | 必需的 (雙迴路) |
對於這些標準範圍之外的定制電機配置, 綠天優惠 客製化電動機 IEC 設計服務 60034-1 合規測試. 了解影響馬達選擇的更廣泛的 AGV 與 AMR 平台差異, 看看我們的 AGV 與 AMR 比較指南.
11. 7-步進扭力運算工作流程
以下工作流程將完整的計算過程整合為可重複的工程程序:
| 步 | 行動 | 關鍵輸出 | 常見錯誤 |
|---|---|---|---|
| 1 | 定義車輛參數: 大量的, 速度, 加速度, 最大坡度, 輪徑, 驅動輪數量 | 輸入參數表 | 使用標稱車輪直徑取代負載半徑 |
| 2 | 計算阻力: F卷, F年級, FACC | F全部的 (否) | 用摩擦係數代替滾動阻力係數 |
| 3 | 計算每個驅動輪的車輪扭矩: 時間車輪 = (F全部的 × r) / n | 時間車輪 (牛頓·米) | 不除以驅動輪數量 |
| 4 | 應用安全係數 (1.5–2.5×) 得到設計扭矩 | 時間車輪,設計 (牛頓·米) | 將安全係數應用於馬達扭矩而不是車輪扭矩 |
| 5 | 根據速度限制選擇變速箱速比; 驗證扭矩和慣性約束 | 傳動比i, 變速箱類型 | 不檢查慣量比而選擇比 |
| 6 | 計算馬達側扭矩: 時間發動機 = T車輪,設計 / (我×nG) | 時間發動機 (牛頓·米) | 對於所選類型使用了錯誤的變速箱效率 |
| 7 | 計算佔空比內的 RMS 扭矩; 驗證馬達連續額定值; 檢查峰值扭矩與馬達峰值額定值; 驗證環境溫度下的熱降額 | 馬達規格已驗證 | 跳過 RMS 計算; 不檢查熱降額 |
12. 附著力和車輪打滑驗證
扭力計算確保馬達能夠 生產 足夠的力量. 附著力驗證確保車輪可以 傳送 施加在地板上的力量而不會滑倒. 這些是獨立的檢查——電機可以產生足夠的扭矩來旋轉車輪而不移動車輛.
附著力約束為:
米×F普通的 ≥F牽引力
| 表面狀況 | 摩擦係數 (米) | 附著力品質 |
|---|---|---|
| 乾式環氧地板 | 0.75 | 出色的 |
| 乾混凝土 | 0.65 | 好的 |
| 乾燥碎石 | 0.54 | 足夠的 |
| 濕混凝土 | 0.35 | 邊際－減少加速度 |
| 濕表面 (一般的) | 0.30 | 差——滑倒的風險 |
| 冰/雪 | 0.25 | AGV 操作不可接受 |
如果附著力不足, 選項包括: 透過預緊彈簧增加法向力, 添加從動輪, 或降低加速目標. 所需預緊力為F普通的 =F牽引力 / 米, 彈簧剛度有 10-20% 的疲勞裕度 [3].
13. 馬達扭力常數和數據表解釋
電機製造商以扭矩常數來指定扭矩 (Kt), 它將馬達電流與輸出扭力聯繫起來. 理解Kt 對於將計算出的馬達扭矩轉換為控制器電流設定至關重要.
時間發動機 = Kt × 我
其中 Kt 單位為 N·m/A，I 為電機相電流，單位為安培. 根據 Maxon 的電機資料文檔, Kt 公差高達 ±10%，並且由於磁鐵減弱而隨著馬達溫度的升高而降低 [5]. Faulhaber 的技術資訊同樣指出，扭矩常數是在 25°C 下指定的，並且在工作條件下可能會有所不同 [6].
| 馬達機座尺寸 | 典型 Kt (牛米/A) | 典型連續電流 (A) | 連續扭矩 (牛頓·米) |
|---|---|---|---|
| 42毫米無刷直流電機 (24V) | 0.025–0.050 | 3–8 | 0.08–0.40 |
| 57毫米無刷直流電機 (24電壓/36V) | 0.040–0.090 | 5–15 | 0.20–1.35 |
| 86毫米無刷直流電機 (48V) | 0.080–0.180 | 8–25 | 0.64–4.50 |
| 115毫米無刷直流電機 (48電壓/72V) | 0.150–0.350 | 15–40 | 2.25–14.0 |
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14. 學術和標準參考
本指南中所述的扭矩計算方法以經典力學為基礎，並經過多個學術和行業來源的驗證. 主要參考文獻包括:
- 國際電工委員會 60034-1:2022 — 旋轉馬達 — 零件 1: 評級和性能. 定義佔空比類別 (S1–S10), 熱分類, 和扭矩定義 [7].
- 一氧化氮鎂 1-2021 — 電動機和發電機. 定義 NEMA 設計 A/B/C/D 扭力分類和 IEC 設計 N/H 等效值 [9].
- Maxon 馬達類型選擇 — 涉及扭矩常數的技術文件, 速度-扭矩曲線, 以及直流和 BLDC 馬達的馬達選型方法 [5].
- Faulhaber 直流電機技術訊息 — 涵蓋空心杯直流馬達扭力-速度特性的技術手冊, 熱極限, 和操作範圍建議 [6].
- 安川 SigmaSelect 選用軟體白皮書 — 描述伺服馬達選擇方法（包括機構分析）的應用說明, 扭力曲線計算, 和 RMS 扭力驗證 [1].
- 機器人運動的電機參數計算 (MDPI, 2022) — 同行評審論文介紹了移動機器人驅動系統的電機-傳輸耦合選擇方法, 包括動態工作範圍分析 [11].
- 如何為機器人應用設計的無刷馬達建模 (arXiv, 2023) — 描述 BLDC 馬達建模控制方程式的教學課程, 包括扭矩產生, 反電動勢, 和熱約束 [12].
- 密西根理工大學 - 電機計算 — 涵蓋根據原始數據測量建立扭矩-速度曲線的工程參考文件, 對於解釋 AGV 馬達資料表很有用 [13].
15. 常問問題
AGV馬達扭力公式是什麼?
核心公式是T車輪 = (F全部的 × r) / n, 其中 F全部的 =F卷 + F年級 + FACC, r 是負載車輪半徑, n 是從動輪的數量. 馬達側扭矩為T發動機 = T車輪 / (我×nG), 其中 i 是齒輪箱速比，ηG 是變速箱效率.
AGV馬達扭力應該採用什麼安全係數?
適用於標準工業 AGV, 對計算出的車輪扭力應用 1.5–2.0×. 適用於安全關鍵型應用 (醫療的, 食品加工, 人機協作), 使用2.5×. 安全因素導致地板狀況惡化, 有效負載變化, 和長期機械磨損 [2][4].
如何計算 AGV 工作週期的 RMS 扭矩?
RMS 扭力是一個完整週期內扭力曲線的均方根: 時間有效值 = √[S(時間我² × t我) / Σt我]. 包括加速度, 恆速, 減速, 和停止階段. 馬達連續 (S1) 額定扭力必須超過 T有效值. 這與IEC一致 60034-1 S5佔空比分析 [7][8].
AGV計算時應該使用什麼滾動阻力係數?
適用於光滑混凝土上的聚氨酯輪 (最常見的AGV地板), 使用CRR = 0.018–0.025. 適用於環氧地板, 使用 0.015–0.025. 適用於有接縫的粗糙混凝土, 使用 0.020–0.040. 始終使用上限進行初始尺寸調整併透過現場測量進行驗證 [2][3].
AGV馬達可接受的慣量比是多少?
適用於閉環伺服和 BLDC 伺服系統, 維持J加載/傑轉子 ≤ 5:1. 適用於帶霍爾換向的標準 BLDC, ≤ 10:1 到 15:1. 對於開環步進器, ≤ 10:1. 較高的比率會導致控制不穩定, 振盪, 並減少頻寬 [1][5].
我可以使用比計算扭矩更高的馬達嗎?
是的, 尺寸增加 20-50% 是可以接受的，並且可以提供熱裕度. 然而, 尺寸過大 (>2×) 浪費電池能量, 增加控制器成本, 並可能導致馬達低於其有效速度範圍運行. 驗證馬達在典型負載下仍以 60-80% 的空載速度運行 [5][6].
參考
- 安川美國, 公司, “SigmaSelect 選用軟體: 正確的伺服系統選擇,” 白皮書 WP.MTN.13. [在線的]. 可用的: https://www.yaskawa.com/delegate/getAttachment?文檔ID=WP.MTN.13
- AGV驅動輪, “如何計算 AGV 驅動輪扭力和馬達尺寸,” 四月. 2026. [在線的]. 可用的: https://agvdrivewheel.com/blog/how-to-calculate-agv-drive-wheel-torque-and-motor-sizing
- 一控智慧裝備 (雙控), “差動驅動輪 AGV 馬達選用指南: 扭矩計算和慣量匹配,” 君. 2026. [在線的]. 可用的: https://en.bicontrols.com/news_detail/104.html
- 盛和電機 (NBshzl), “AGV驅動系統設計—BLDC + 變速箱 + 控制器工程參考,” 君. 2026. [在線的]. 可用的: https://www.nbshzl-motor.com/agv-drive-system/
- 麥克森集團, “馬達選型,” 技術文件, 八月. 2019. [在線的]. 可用的: https://www.maxongroup.us/medias/sys_master/root/8835096313886/5-Motor-Type-Selection.pdf
- 博士. 弗里茨·福爾哈伯有限公司 & 鈷. 公斤, “直流電機技術資訊,” 四月. 2026. [在線的]. 可用的: https://www.faulhaber.com/fileadmin/Import/Media/EN_TI_DC-MOTORS.pdf
- 國際電工委員會, 國際電工委員會 60034-1:2022 旋轉馬達 - 部分 1: 評級和性能, 日內瓦, 瑞士: 國際電工委員會, 2022. [在線的]. 可用的: https://webstore.iec.ch/publication/60796
- 美國東方汽車. 公司, “AGV：自動引導車輛選用工具,” 君. 2026. [在線的]. 可用的: https://www.orientalmotor.com/motor-sizing/agv-sizing.html
- 全國電氣製造商協會, 一氧化氮鎂 1-2021: 馬達和發電機, 羅斯林, VA: 沒有, 2021. 扭力分類參考: https://www.engineeringtoolbox.com/iec-nema-standards-torques-d_741.html
- 一控智慧裝備 (雙控), “AGV驅動系統選用指南: 驅動輪動態計算方法, 低壓伺服馬達和伺服驅動器,” 七月. 2026. [在線的]. 可用的: https://en.bicontrols.com/news_detail/111.html
- C. 時間. 日元和Y. H. 蔡, “機器人運動的電機參數計算,” 工程論文集, 卷. 20, 不. 1, p. 8, 七月. 2022. [在線的]. 可用的: https://www.mdpi.com/2673-4591/20/1/8
- S. P. 否. 辛格和C.. 乙. 休伯特, “如何為機器人應用設計的無刷馬達建模,” arXiv 預印本 arXiv:2310.00080, 十月. 2023. [在線的]. 可用的: https://arxiv.org/pdf/2310.00080
- 密西根理工大學, “馬達計算 - 根據原始數據建立扭矩-速度曲線,” 君. 2003. [在線的]. 可用的: https://pages.mtu.edu/~wjendres/ProductRealization1Course/DC_Motor_Calculations.pdf
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