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电机技术选择:评估因素
电机是运动系统的基本部件,根据应用目的选择 合适的电机却并不简单。现有多种电机技术供您 选择,且每种技术都有不同的特点,能够以不同 的方式影响设计。您可根据速度、转矩、使用寿命、 机械外壳、精度和占空比等因素,在无刷直流电 机、空心杯直流电机,或步进电机之间做出选择。 本文将对比以上关键因素,确保为您选择最佳电 机技术。
电机速度和输出转矩
在为运动系统选择电机时,输出速度要求应是首 要考虑因素之一。无刷直流电机非常适用于高速 运转。空心杯直流电机则适用于中速,较高的速 度会导致电刷磨损,缩短使用寿命。步进电机为 电子换向,但其极对数较多,因此适用于低速运转。
另一个要考虑的因素是运动系统的输出转矩要求, 其中在有限运转时间内的连续转矩和任何峰值转 矩需重点关注。不同电机技术的最大连续输出转 矩也不同。不过,视应用而定,这三种电机类型 或许都能提供所需输出转矩。此外,您可以增设 减速器,以提高运动系统的输出转矩。请注意, 根据减速比,输出速度会出现相应的降低。
工作寿命
运动系统的工作通常采用周期数/ 天和时间/ 周 期,或运转小时数/ 天和占空比定义。通过这些 信息,您可以确定在产品预期寿命内,运动系统 需要完成的最大小时数。该预测结果也可作为选 择电机的考虑因素之一。有刷直流电机的机械换 向系统会随着时间的推移而磨损,限制了使用寿 命,而无刷直流电机和步进电机采用电子换向系统,不会产生任何相关磨损,因此具有更长的预 期寿命。
此外,轴承也会影响运动系统的使用寿命。滑动 轴承的使用寿命为数千小时,而滚珠轴承的使用 寿命通常为 10,000 多个小时。当然,施加在运动 系统轴上的径向和轴向载荷必须在指定范围内。 此外,系统内部热量的增加可能会对润滑剂使用 寿命产生不利影响。
机械外壳和系统精度
为实现特定外形要求,应首先确保所选电机的直 径和长度参数符合预期占用空间。虽然可以通过 采用一种或多种电机类型,甚至通过给定技术的 变化来满足速度和转矩要求,但您仍需确定电机 的功率容量是否足以满足应用需求。
关于系统精度,有刷直流电机和无刷直流电机都 需要使用编码器来跟踪和控制转子位置。标准编 码器可在相同封装尺寸内提供一系列分辨率,以 满足各种各样的应用需求。您还可以在电机前增 设齿轮箱提高分辨率。将分辨率乘以减速比,结 合编码器和齿轮箱乘数,即可实现精确定位。
步进电机的结构可实现精确定位。转子上的极数 决定电机每转的步数,将电机产生脉冲转换为步 进角。驱动器通常可以通过半步进或微步进来提 高分辨率,在机械步进之间创建中间电气步进。 齿轮箱选件可根据减速比提供额外的分辨率。
占空比
通常,电机在应用中并不是连续不断运行的。它 通常会工作一段时间,再休息一段时间,即分别 为“开启时间”和“关闭时间”。对于占空比, 请注意电机的温升。所有电机都有额定最高温度, 在高于这个温度的条件下运行电机会导致内部组 件损坏。电机的工作电流将会影响温升;电流越 高,温升越快。
由于电流与电机的输出转矩成正比,您可能倾向 于通过增加电流来提高转矩,从而尽可能缩小电 机外形尺寸。然而,您需要注意平衡周期的“开 启时间”要求,控制工作电流,确保电机不超过 最高工作温度。
最后,您还需要考虑可能影响占空比的环境因素。 电机是否安装在可散热的底座上?电机周围是否 有充足的气流以帮助冷却?电机外壳是否处于发 热组件之间,导致环境温度升高?
固定式与便携式
如果产品安装地点固定,您可以更灵活地选择电 机尺寸和重量,更多地关注应用所需的性能特性。 对于电池供电的移动产品,电机的工作电流至关 重要。在满足性能要求的情况下,工作电流越低, 电池续航时间就越长。对于电池供电设备,确保 优先考虑电机的尺寸和重量。
如前所述,在为每个应用选择电机时,都需要考 虑众多因素。要为应用确定最合适的电机技术, 您必须仔细权衡所有因素,决定各个因素对电机 性能的影响程度,才能开发出最优产品。