电机的选型计算.ppt

电机的选型计算 作者 MichelCOUPAT MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 目录 I关于机械的背景知识II再生能量III电机选型计算的步骤IV施耐德伺服的计算V练习 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 电机和驱动器的选型计算 I关于机械的背景知识单位机械公式惯量的计算运动学摩擦惯量的比例II再生能量III电机选型计算的步骤IV施耐德伺服的计算V练习 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 单位 关于机械的背景知识 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 米制单位 3个基本单位 国际单位制 SI 质量 m单位 千克 kg 长度 l单位 米 m 时间 t单位 秒 s 推导单位 角度 单位 弧度 rad 360 2 rad MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 运动学线速度 lt 1单位 米每秒 m sorm s 1 角速度 t 1单位 弧度每秒 rd sors 1 xinmtinsDinm tins inradians inrd sNinrpm 米制单位 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 运动学 线加速度 lt 2单位 米每秒平方 m s sorm s 2 角加速度 t 2单位 弧度每平方秒 rad s 2ors 2 vinm stins tins inrd s 米制单位 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 运动学 力 mlt 单位 牛顿 N 力等于质量与加速度的乘积 F m 重量W mlt 单位 牛顿 N W m g g 重力加速度 9 81m s 力矩M ml t 单位 牛米 Nm 力与长度的乘积 M Fr 力与长度的方向垂直时 运动力矩 M J J 转动惯量kg m 能量 ml t 单位 焦耳 J 力与位移的乘积 E F L或转矩与角度的乘积 E M 米制单位 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer EinJouletins FinNewtonVinm s MinNm inrad s 米制单位 运动学 功率 ml t 3单位 Watt W 1W 1J s 直线运动 P F v 角运动 P M MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 英制单位 质量 重量 力 单位 磅 lb 盎司 oz 1lb 16oz 长度 单位 英寸 in 1英尺 ft 12英寸 1码 yd 3英尺 时间 单位 秒 s 线速度 单位 英寸每秒 in s 线加速度 单位 英寸每平方秒 in s 力矩 单位 英寸磅 in lb 惯量 单位 英寸磅平方秒 in lb s MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 等效的米制和英制单位 重量 1pound lb 453 59237g 0 45359237kg 4 44822N长度 1inch in 2 54cm 0 0254m力矩 1inchpound in lb 0 1130234Nm惯量 1inchpoundsecondsquare in lb s 0 112961kg m 重力加速度 g 386in s 32 12ft s 9 81m s MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 机械公式 关于机械的背景知识 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 直线运动 角度运动 机械公式 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer EinJoulesJinkg m2 inrad s 直线运动 转动 EinJoulesminkgvinm s 动能 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 惯量的计算 关于机械的背景知识 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 密度 单位 千克每立方米 Kg m3 磅每立方英尺 lb in3 某个体积承载的重量取决于构成的材料 常见材料的密度 m 质量inKgorlbV 体积inm3orin3 密度inKg m3orlb in3 钢 7750Kg m30 286lb in3铝 2720Kg m30 098lb in3黄铜 8170Kg m30 295lb in3紫铜 8910Kg m30 322lb in3塑料 1110Kg m30 040lb in3 密度 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 长方体 ifhandW L MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 实心圆柱体 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 空心圆柱体 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 力臂和质量 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer J mR2 m1r12 m1 R r1 J m 力臂和质量 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer a a 转轴 r R b b a a 常用的转动惯量 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 不同类型的机械 关于机械的背景知识 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 减速机 JM 电机的转动惯量JL 负载的惯量JL M 反映到电机的负载惯量ML 负载转矩JR 反映到输入侧的减速机惯量R 机械系数 R 减速机效率 JM JL JR R R L L ML M M JL M 按照能量守恒定律 总的惯量 反映到电机的转矩 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 皮带和链条减速器 JM JL L L ML M M JPM DPM NTM JPL DPL NTL JM 电机的惯量JL 负载的惯量ML 负载转矩JPM 电机传动轮惯量DPM 电机传动轮直径NTM 电机传动轮的齿数JPL 负载传动轮的惯量DPL 负载传动轮的直径NTL 负载传动轮的齿数 减速器的效率mB 皮带的质量 MB 总的惯量 折算的惯量 折算到电机的转矩 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 齿轮箱 JM JL L L ML M M JGM NTM JGL NTL JM 电机的惯量JL 负载的惯量ML 负载转矩JGM 电机侧的齿轮惯量NTM 电机侧的齿轮齿数JGL 负载侧的齿轮惯量NTL 负载侧的齿轮齿数 减速器的效率 总的惯量 折算的惯量 折算到电机的转矩 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 导螺杆 JM 电机的惯量JC 耦合惯量mL 负载的质量XL 负载的位移VL 负载的速度mT 工作台的质量FP 力Fg 重力Ffr 摩擦JS 螺杆的惯量p 螺距 mm rev 轴向的角度 螺杆的效率 摩擦系数g 重力加速度 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 折算的惯量 导螺杆 根据能量守恒定律 如果我们考虑到螺杆 负载 工作台的数据和效率 总的惯量 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 折算到电机的转矩 导螺杆 按照能量守恒定律 如果我们考虑到螺杆 负载 工作台的数据和效率 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 传送带 JM JP3 D3 M M mL XL VL Ffr FP Fg MB JP2 D2 JP1 D1 JM 电机的惯量mL 负载的质量XL 负载的位移VL 负载的速度mT 工作台的质量FP 力Fg 重力Ffr 摩擦JPx 传动轮的惯量Dx 传动轮的直径NTP1 主传动轮的齿数p 齿条的节距 mm tooth CP1 主传动轮的周长 轴向的角度 皮带传动轮的效率 摩擦系数g 重力加速度 NTP1 p MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 传送带 折算的惯量 总的惯量 JP1 JP2 JP3根据实心柱体计算 折算到电机的转矩 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Rackandpinion JM M M ML XL VL Ffr FP Fg MT DG JG NTG PG JM 电机的惯量mL 负载的质量XL 负载的位移VL 负载的速度FP 力Fg 重力Ffr 摩擦JG 齿轮的惯量DG 齿轮的直径NTG 齿轮的齿数pG 齿的节距 mm tooth CG 齿轮的周长 轴的角度 齿轮的效率 摩擦系数g 重力加速度 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Rackandpinion JM M M ML XL VL Ffr FP Fg MT DG JG NTG PG 折算的惯量 总的惯量 折算到电机的转矩 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 机械效率 常见的机械的效率 阿基米德螺杆 带铜衬套 from0 35to0 65阿基米德螺杆 塑料衬套 from0 50to0 85滚珠丝杠 from0 75to0 85预加载滚珠丝杠 from0 85to0 95正齿轮 0 75锥齿轮 from0 90to0 95蜗轮 from0 45to0 85链轮 0 95 0 98调速皮带 0 96 0 98轴承 0 98 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 摩擦 关于机械的背景知识 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 摩擦 摩擦 当一个物体在另一个物体上滑动时 两个物体之间的作用力 取决与两个物体之间的相对速度 摩擦力的方向与滑动的方向相反摩擦的公共模型有三个组成部分 滑动摩擦 Coulomb 幅值大致不变 零速时的粘滞摩擦 静摩擦 从零速到滑行的摩擦过渡不明显 仅仅在很低的速度下发生 对系统有不稳定的影响 会造成粘滑运动的现象 Thisphenomenonisexacerbatedwithcompliantcouplings 与速度成正比的粘滞阻尼 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 摩擦 摩擦力 N Fstiction 静摩擦 Fcoulomb 滑动摩擦 Fviscous Nm rpm 粘滞效应 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 摩擦 典型的滑动摩擦系数 钢对钢 0 58钢对钢 涂脂 0 15铝对钢 0 45黄铜对钢 0 35紫铜对钢 0 58塑料对钢 0 15 0 25 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 惯量系数 关于机械的背景知识 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 电机规格的选择 低惯量电机还是高惯量电机 负载和电机之间的惯量匹配 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 低惯量 低惯量 高加速度因为牛顿定律告诉我们 对于一个旋转的系统 M J 这里M 转矩 Nm J 惯量 Kg m 角加速度rd s M J 加速度 转矩 惯量 低惯量电机 允许高动态系统 增加系统带宽 但是增加了负载与电机的不匹配 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 不同惯量下系统的响应 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 再生能量 IMechanicalremindersII再生能量再生能量原理制动电阻选型IIIDifferentstagesofsizingIVSchneiderMotionSizerVExercises MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 再生能量原理 再生能量 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 4象限概念 4 象限调节 象限系指以转速转矩为坐标轴所画图的4个区域正速度方向 顺时针 当速度与转矩方向相同时 为电动状态 1和3象限 2 4象限 电机处于制动状态 电机工作于发电机状态 电机再生的能量必须被消耗 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 主回路图 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 制动电阻消耗再生能量 CommandBrakingResistor 在制动状态下 Q2and4 电机将释放的动能E J 2 J JM JL 忽略损耗 机械能通过并联的二极管返回电容 Ec CU2返回的能量导致直流母线电压升高 为避免损坏元件 驱动器会监测直流母线电压 当直流母线电压超过一定阀值后 制动晶体管激活 使电容向制动电阻放电 降低直流电压 当电压低于某一值时 电阻回路又被切断 UM UHYS MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 消耗制动能量的不同方法 首先 制动能量存储在电容中 制动伊始 能量不是很高时 制动电阻尚未介入 EC C UM2 UNOM2 当制动电阻接入时 电容上的储能 EC C UM2 UHYS2 当动能大于Ec 就必须通过制动电阻释放 当然还可以想办法将能量返回电网特殊的整流桥 特殊的制动单元 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 消耗制动能量的不同方法 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 制动电阻的计算 产生的能量 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 制动电阻的指标 Ohm值 驱动器的容量决定了最小的阻值 峰值功率 由最小电阻和直流母线电压决定 持续功率 与工作循环有关 制动电阻 制动电阻的计算需要 系统惯量 工作循环表 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer 制动电阻计算指导 Step1 对每个工作循环画速度 时间图和力矩 时间图无需画出力矩的幅值 只需画出力矩的方向 Step2 确定每个部分的工作状态 是否减速 速度力矩是否方向相反 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Guidelineforresistorcalculation Step4 把每一段制动能量与电容能吸收的能量相比 如电容能吸收 这一段无需制动电阻 Step3 计算减速时 回到驱动器的动能 Ei 1 2Jt i ifbrakingfromnito0rpm Ei 1 2Jt i j ifbrakingfromnitonjrpm Joules kg m2 rad sec i 2 ni 60 Step5 计算需要在电阻上消耗的能量 Edissipated Egenerated Eabsorbedbycapacitors MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Guidelineforresistorcalculation Step6 计算峰值功率 将每一段需要消耗的动能除以这一段的减速时间Ppeak Edissipated tideceleration s 当然 还要检查最大峰值功率如果最大峰值功率超出了驱动器的最大过载能力 则需放大驱动器 Step7 Calculatethecontinuouspowerdissipatedbythebrakingresistorbytotalingallthedissipatedenergyanddividingitbythetotalcycletime Pcontinuous E1dissipated E2dissipated Eidissipated TcycleCheckinthedrivecharacteristictableifwehavetouseanexternalresistor Note AllthestepsofthisguidelinearewhenusingsingleaxisconnectedonDCBusvoltage MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer MotorandDriveSizing IMechanicalremindersIIEnergyregeneratedIIIDifferentstagesofsizingMachinedataStaticsizingDynamicsizingThermalverificationInertiaratioBrakingresistorIVSchneiderMotionSizerVExercises MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Stage1 MachinedataPerformancerequirements Differentstagesofsizing MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Machinedata Tosizecorrectlyamotoranddriveassociationweneedanydatafromthecustomeraboutthemachinekinematics Typeofaxis Rotaryorlinearaxis Horizontalorvertical Angle Typeofkinematics Typeandsizeofkinematics Conveyor leadscrew rackandpinion niproll Typeofguidance Slide bearings roll Toestimatefriction Typeandratioforgearboxes Gear belt pulley Loadsize Loaddimensions Masstomove MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Performancesrequirements Thecustomeralsomustdefineallhisrequirementsfortheperformancesofthemotion Maximalspeedoftheaxis Workingforcesortorque Optimumworkingcycle Timeofcycle Accelerationanddecelerationtimes Distancesofmoving MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Stage2 Staticsizing Differentstagesofsizing MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Staticsizing ELEMENTSTODEFINE Maximalspeedofthemotor nMAX Fromallthedataofthekinematics calculatethemaximalspeedofthemotortoreachthespeedrequirements WorkingtorqueMt Fromtheworkingforcerequiredandthedataofthekinematics calculatethenecessaryworkingtorque FrictiontorqueMf Calculateorevaluateifpossiblethefrictiontorqueontheaxis FIRSTAPPROACHOFMOTORCHOICE Nominalspeed nN nMAX Nominaltorque MN Mt Mf MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Stage3 Dynamicsizing Differentstagesofsizing MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer ELEMENTSTODEFINE Accelerationtorque MACC J Fromallthedataofthekinematics calculatethetorquetoreachtheaccelerationrequirements FrictiontorqueMf Calculateorevaluateifpossiblethefrictiontorqueontheaxis FIRSTAPPROACHOFDRIVECHOICE Maximaltorque MMAX MACC Mf Themaximaltorqueavailableonthemotorisdefinedbythemaximalcurrentavailableonthedrive Dynamicsizing MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Stage4 Thermalverification Differentstagesofsizing MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Thermalverification Fromthefirstmotor driveassociationdefinedpreviously itisnecessarytocheckitsappropriatenesswiththeworkingcycle Plotspeedversustimeandtorqueversustimefortheentiremotioncycle MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Thermalverification Calculatingtheaveragespeed Calculatingtheequivalentthermaltorque Duringtheaccelerationanddecelerationtimes MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Thermalverification ComparethecalculationresultswiththeTorquecurveofmotor CaseA Motorwellsizedfortheworkingcycle CaseB Chooseanothermotorwithhighercontinuoustorque MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Stage5 Inertiaratio Differentstagesofsizing MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Inertiaratio Frommachinedatacalculatetheinertiaratiobetweenloadandmotor Ifthisratioistohigh seetypicalratiobelow Eitherchangeeventuallythekinematics i e byusingGearbox oruseanothermotorwithhigherinertia orboth Makeanewsizingwiththenewinertiadata Typicalratiosofloadtomotorinertiacanbe from1 1to3 1 forroboticapplications from4 1to7 1 formachinetooltypeapplications from8 1to10 1 forotherfactoryautomationapplications Morepractically wecanadvisetolimittheinertiaratioto 5 1fordynamicalandaccuratemachines 10 1forstandardmachines Higherifweonlyneedstopaccuracywithouttimecycleconstraint MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Stage6 Brakingresistor Differentstagesofsizing MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Inertiaratio Checkifanexternalbrakingresistanceisrequired SeechapterII MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer SchneiderMotionSizer IMechanicalreminderIIEnergyregeneratedIIIDifferentstagesofsizingIVSchneiderMotionSizerVExercises MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer WhyaMotionSizer Helptochoosetherightmotor driveassociationfrom Kinematicsdefinition Velocityprofileofthecycle Helptochoosethebestratioofinertiabetweenmotorandload MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Setupunits Choosetheunitsofworks Metricunits USstandards Anglo Saxonunits MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Belt Pulley AxisDesign Kinematicsdefinition HELP KinematicsparameterstodefineLoadInertia Conveyor Disk Gearbox Leadscrew Rack Pinion Rotarytable Niproll Kinematics MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Velocityprofile Definitionofthevelocityprofileofcyclework MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Motorselection criteriaofchoice Selectthebestcriteriatochoosethemotor Stability selectthebestload motorinertiamatch Dynamic selectthesmallestmotor MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Motorselection safetyfactors Todefinethelimitsofvalueforselectingmotors MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Motorselection Listofmotorsselected Inertiaratio Message Gearbox isnotedifinertiaratio 10 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Motorselection brakingresistor Hereisindicatedifanexternalbrakingresistorisrequested MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Reportgenerator Lexiumsizercreatesaprofessionallookingapplicationreportforeveryaxes MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Performancescurves Selectthebestinertiaratiocaninducetochooseanhighermotorthanthecyclerequests MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer SchneiderMotionSizer IMechanicalreminderIIEnergyregeneratedIIIDifferentstagesofsizingIVSchneiderMotionSizerVExercises MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Ex 1 Conveyorindexer MachineData Motorpulley mp D 14cmm 3 6Kg Gearboxpulley gp D 21cmm 10Kg Beltmass 50g GearboxRatio 8 25Inertia gb 0 021Kg m Efficiency 98 Mainpulley md D 20cmm 9 2Kg Loadmass 700Kg Beltconveyormass 4 5Kg Coefficientfriction 0 1 MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer Ex 1 Conveyorindexer 1 1 Calculatetheinertiareflectedtothemotorshaft 1 2 Calculatetheresistanttorquetothemotorshaft 1 2 1Horizontalaxis1 2 2Verticalaxis1 2 3Axis45 1 2 4CheckthecalculationwithSchneiderSizer MichelCOUPAT M8lex15LexiumSizer TriangularProfile Ex 1a Triangularprofile Movedistance 6m Mo