扭矩、径向和轴向载荷对电机选型的 影响

为特定应用场合寻找和挑选合适的电机往往是一项具有挑战性的任务，因为必须要考虑许多潜在因素，包括适合 应用场合的电压、最大电流和直径、转速、效率和功率等。如果能在考虑这些因素时兼顾应用场合的其他特定 要求，有助于客户挑选到理想的电机。运动解决方案团队与设计工程团队之间的协作方式从一开始就至关重要， 原因也在于此。

在电机选型过程中首次联系微型电机供应商以获取协助时，首先必须要解决的问题是识别应用场合的特定工作点， 或了解应用场合所需的扭矩和转速。了解电机负载有助于确定所需的电机功率和必需的电机配件。此外，探讨电机 集成到应用场合中的方式也至关重要，因为不同类型的载荷会对电机寿命和可靠性或对所需的电机设计产生重大 影响。

下面我们将对在微型电机应用场合中常见的三种载荷 — 扭矩载荷、径向载荷和轴向载荷展开探讨。我们还将重点 解释此类载荷对电机选型至关重要的原因。

扭矩载荷详解

扭矩载荷说明

扭矩指电机运转时产生的旋转力的大小（图 1）。由于电机的用途通常是将电能（Pelec = 电压 x 电流）转换 为机械能（Pmech = 扭矩 x 转速），因此扭矩载荷几乎存在于旋转电机的所有应用场合中。

扭矩载荷和电机选型

在大多数情况下，仅根据所需的扭矩值“x”选择电机是 不够的。我们必须了解应用场合中完整运动周期所需的扭矩 （和转速），因为电机必须在不过热的情况下输出所需的机 械功率。因此，通常情况下运动控制技术供应商会要求您预 估并提供确切的电机运动周期；这有助于分析电机在过热之 前可以达到的最高温度。图 2 展示了与此相关的示例。

请记住，要选择正确的电机，不仅需要了解所需的扭矩值， 还需要了解基于完整运动周期及其工作周期的扭矩/速度 曲线。

径向载荷详解

径向载荷说明

在某些应用场合中，电机或变速箱不仅必须提供一定的扭矩 以驱动载荷，还必须承受径向载荷（即径向作用于电机轴 上的力）。与此相关的一个例子就是用于驱动与电机平行的 轴的皮带传动装置（图 3）。必须将皮带的张力视为作用于 电机轴的径向载荷，特别是在皮带已预张紧的情况下。

另一个例子就是隔膜泵。 隔膜泵中的活塞会上下运 动，在阀中产生正压或负 压，以促进液体或其他物 料的流动。安装在电机轴上的活塞会上下运动，对电机施加径向载荷。

径向载荷与电机选型

径向载荷会影响客户对电机轴承的挑选，从而影响其对电机的选择。 在有刷直流或步进电机的示例中，有两种标准轴承可供选择：滑动轴 承或滚珠轴承。相比于滚珠轴承，滑动轴承的径向承载力和使用寿命均 较低，但具备成本低的优势。从电机总成本的角度看，相比于使用滚珠 轴承，使用两个滑动轴承能够显著降低电机的成本。然而，对于存在径 向载荷的应用场合，比如皮带传动装置和隔膜泵，在电机的前轴承上至 少使用一个滚珠轴承是更好的选择，因为这有助于合理维持电机的使用 寿命。

相比于直流或步进电机，无刷直流电机上通常会使用两个滚珠轴承， 因为它们能以更高的转速被驱动。电机制造商会给出最大动态径向力推 荐值，在该动态力下，以特定转速运行的电机能够实现最低使用寿命。 最大动态径向力取决于所使用轴承的尺寸、电机中两个滚珠轴承之间的

距离（图 4：距离“B”）以及施加径向载荷的位置（图 4：距离“A”）。相比于短电机，带有超大滚珠 轴承的长电机通常能承受更大的径向载荷（图 4）。

请记住，在选择电机的过程中，径向载荷取决于其在电机轴上的位置、电机轴承、所需的使用寿命和应用 场合所需的转速。

轴向载荷详解

轴向载荷有两种类型：动态轴向载荷和静态轴向载荷。

动态轴向载荷

动态轴向载荷说明

如果设备需要以较低速度做 90° 的旋转运动，则蜗杆齿轮可能 是理想的解决方案。蜗杆齿轮的组成部分包括带螺旋纹的蜗 杆轴，由电机驱动。蜗杆轴以至少约 2:1 或以上的减速比驱动 涡轮。电机必须沿蜗杆轴上的螺旋纹承受径向和轴向载荷。

滑动轴承不可用于承受过大的轴向载荷；这意味着一般情况下 必须给电机配备滚珠轴承。与径向载荷类似，电机的最大推荐动 态轴向载荷取决于所采用的滚珠轴承和预载荷值、电机中两个滚珠轴承之间的距离以及对使用寿命的 要求。

动态轴向载荷与电机选型

在典型的轴向无刷直流电机设计示例中，轴承的内径与电机轴配合，因此动态轴向载荷由前滚珠轴承 承受。如果电机承受轴向推力载荷，前滚珠轴承上的预载荷会减小；这可能会产生额外的径向间隙，从而 对电机的使用寿命、振动和噪声产生负面影响。在承受轴向拉力载荷的情况下，载荷与内部预载荷方向

一致，从而会增加其应力。电机制造商通常会将推荐的动态轴向载荷限制在一定范围内，确保轴承能够 承受载荷，但其寿命不会受到不利影响。

请记住，动态轴向载荷的方向不同，对电机的轴承组件所产生的影响也不同。如果轴向载荷超出推荐的 技术参数，则必须改进轴承的组件或整个轴承。

静态轴向载荷

静态轴向载荷说明

在电机使用寿命期间，除了在电机运行时对电机施加的动态轴向力外，电机轴有可能至少会承受一次静 态轴向载荷。如果附加组件（例如小齿轮）是采用压配合方式安装至组装电机的电机轴上，通常会出现 这种载荷（图 7）。另一个会产生静态轴向载荷的示例就是冲击载荷，比如在将电机用于手持式设备时， 电机掉落到地面上。

静态轴向载荷与电机选型

在配备滚珠轴承的电机示例中，推荐用于压配合操作的这项限值通常远高于动态轴向载荷。事实上，唯一 的限制因素是滚珠轴承的弹性极限！只要施加到轴承上的静态载荷低于其弹性极限，轴承滚珠或滚道就 不会发生永久变形。同样地，如果超过最大推荐载荷，则会导致轴承滚珠和滚道永久变形，从而导致轴 承的使用寿命缩减，噪声和振动增加。

另一个需要考虑的区别是，在压配合期间电机轴是否有支撑，如图 7 所示。某些电机会处于关闭状态， 或在背侧配备了编码器，以防止人员接触电机轴。在没有支撑的情况下，压配合期间施加的力会直接传 递到前滚珠轴承上，其内滚道通常与电机轴配合以吸收轴向载荷。后轴有支撑的情况下，可在压配合期 间施加更大的力，因为力会通过电机轴而非轴承传递。

请记住，过大的静态轴向载荷会对电机滚珠轴承造成永久性损坏，从而对电机的使用寿命、振动和噪声 产生负面影响。

总结

我们研究了一系列应用情况和示例，了解到除了常见的扭矩载荷外，电机还会承受其他类型的力。最常 见的就是径向载荷和轴向载荷，我们必须考虑它们对电机的影响以及其对后续电机选型的影响。Portescap 是一家专业运动解决方案提供商，致力于帮助客户全面、准确地了解电机在指定应用场合中所承受的载 荷，并以此为基础开发出符合甚至是超出客户预期的解决方案，以满足客户对应用场合/设备的需求。

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