Как крутящий момент, радиальная и осевая нагрузка влияют на выбор двигателя

Валентин Рашке, инженер по применению, Portescap | 29 августа 2023 г.

Поиск и выбор двигателя для конкретного применения часто может быть сложной задачей, поскольку существует множество потенциальных факторов, которые необходимо принять во внимание. К ним относятся, среди прочего, требуемое для приложения напряжение, максимальный ток и диаметр, скорость, эффективность и мощность. Сочетание этих соображений с другими уникальными требованиями применения поможет обеспечить выбор идеального двигателя, поэтому с самого начала жизненно важен совместный подход между группами разработчиков решений для движения и инженерами-конструкторами.

При первом обращении к поставщику миниатюрных двигателей за помощью в процессе выбора двигателя одним из первых вопросов, на которые необходимо ответить, является конкретная рабочая точка приложения или крутящий момент и скорость приложения. Понимание нагрузки на двигатель поможет определить необходимую мощность двигателя и необходимые аксессуары для двигателя. Также крайне важно обсудить, как двигатель интегрируется в приложение, поскольку различные типы нагрузок будут оказывать существенное влияние на срок службы и надежность двигателя или на требуемую конструкцию двигателя.

Мы рассмотрим крутящую нагрузку, радиальную нагрузку и осевую нагрузку — три различных типа нагрузок, которые присутствуют в обычных миниатюрных двигателях. Мы также подчеркнем, почему эти нагрузки имеют решающее значение для процесса выбора двигателя.

Крутящий момент – это величина вращательной силы, создаваемой двигателем во время его работы. Поскольку целью двигателя обычно является преобразование электрической энергии (Pelec = напряжение x ток) в механическую энергию (Pmech = крутящий момент x скорость вращения), крутящая нагрузка присутствует практически в любом применении роторных двигателей.

В большинстве случаев простого выбора двигателя на основе требуемого значения крутящего момента «x» будет недостаточно. Требуемый крутящий момент (и скорость) в приложении необходимо учитывать на протяжении всего цикла движения, поскольку двигатель должен обеспечивать необходимую механическую мощность без перегрева. Это означает, что поставщик приводов часто будет просить вас указать точный цикл движения, который должен пройти двигатель; это позволяет проанализировать максимальную температуру, которую может достичь двигатель до перегрева.

Имейте в виду, что 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.

В некоторых случаях двигатель или редуктор должен не только обеспечивать определенный крутящий момент для приведения в движение нагрузки, но также должен выдерживать радиальную нагрузку, которая представляет собой силу, действующую радиально на вал двигателя. Одним из примеров является ременная передача, 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.

Радиальная нагрузка важна при выборе двигателя, поскольку она влияет на варианты подшипников. В случае щеточного двигателя постоянного тока или шагового двигателя существует два стандартных варианта подшипников: подшипники скольжения или шарикоподшипники. Подшипники скольжения обычно выдерживают меньшую радиальную нагрузку, чем шарикоподшипники, а также имеют меньший срок службы; это компенсируется их более низкой стоимостью. В зависимости от общей стоимости двигателя использование двух подшипников скольжения вместо шарикоподшипников может значительно снизить стоимость двигателя. Однако для таких применений, как ременная передача и диафрагменный насос, где присутствует радиальная нагрузка, использование хотя бы одного шарикоподшипника в переднем подшипнике двигателя помогает обеспечить разумный срок службы и, следовательно, является лучшим выбором.

Напротив, бесщеточные двигатели постоянного тока, в которых обычно используются два шарикоподшипника, поскольку они могут приводиться в движение на гораздо более высоких скоростях по сравнению с двигателями постоянного тока или шаговыми двигателями. 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 и положения, в котором действует радиальная нагрузка. Длинный двигатель с шарикоподшипниками увеличенного размера обычно выдерживает большую радиальную нагрузку, чем более короткий двигатель.