Мотор-редукторы постоянного тока: полное руководство покупателя по типам, характеристикам и выбору

Что такое мотор-редуктор постоянного тока и почему коробка передач имеет значение?

Мотор-редуктор постоянного тока представляет собой электродвигатель постоянного тока в паре с механическим редуктором в одном интегрированном блоке. Сам двигатель вращается быстро — часто от 3000 до 15 000 об/мин при номинальном напряжении, — но для большинства реальных приложений требуется медленное, контролируемое движение со значительной вращающей силой. Коробка передач решает эту проблему, меняя скорость на крутящий момент посредством ряда зацепляющихся шестерен. В результате получается выходной вал, который вращается гораздо медленнее, чем ротор двигателя, но с пропорционально более высоким крутящим моментом на валу.

Без редуктора небольшой двигатель постоянного тока может легко вращать лопасть вентилятора, но с трудом поднимает груз, приводит в движение конвейерную ленту или поворачивает клапан. При передаточном отношении, скажем, 100:1, тот же двигатель, который создает крутящий момент на холостом ходу 5 мН·м, теперь выдает на выходе примерно 500 мН·м — минус потери на трение зубчатого зацепления, обычно 5–20 % в зависимости от типа шестерни и смазки. Такое увеличение крутящего момента в сочетании с компактной интеграцией двигателя и редуктора в один узел является причиной того, что мотор-редукторы постоянного тока являются одними из наиболее широко используемых компонентов движения в промышленных, коммерческих и потребительских приложениях.

Типы мотор-редукторов постоянного тока: сравнение конфигураций редукторов

Конструкция коробки передач оказывает большее влияние на производительность, размер, эффективность и шум, чем любой другой параметр конструкции. На рынке доминируют четыре конфигурации.

Цилиндрические мотор-редукторы

Цилиндрические шестерни имеют прямые зубья, нарезанные параллельно оси вала. Это самый простой и наименее дорогой в производстве тип редуктора, что делает двигатели постоянного тока с прямозубыми шестернями выбором по умолчанию для экономичных применений. Их основной слабостью является шум: поскольку при каждом контакте зацепления одновременно зацепляется вся ширина зубьев, прямозубые шестерни издают характерный стук на высокой скорости. КПД хороший — обычно 95–98% на ступень — и они хорошо справляются с умеренными радиальными нагрузками. Цилиндрические мотор-редукторы широко распространены в принтерах, игрушках, торговых автоматах и ​​приводах малой мощности, где бесшумная работа не является приоритетом.

Планетарные мотор-редукторы

Планетарный редуктор размещает несколько «сателлитов» вокруг центральной «солнечной» шестерни, все они находятся внутри кольцевой шестерни. Поскольку нагрузка одновременно распределяется между несколькими планетарными шестернями, планетарный двигатель постоянного тока обеспечивает очень высокую плотность крутящего момента в компактном коаксиальном корпусе. Выходной вал совмещен с валом двигателя, что упрощает установку в условиях ограниченного пространства. Планетарные редукторы более жесткие и точные, чем цилиндрические или червячные, что делает их предпочтительным выбором для робототехники, автоматизированных транспортных средств (AGV), электрических отверток и любого применения, требующего высокого крутящего момента, высокой точности позиционирования и длительного срока службы. Компромисс - стоимость: производство планетарных редукторов значительно дороже, чем цилиндрических или косозубых, при том же номинальном крутящем моменте.

Червячные мотор-редукторы

В червячном редукторе используется винтовой червячный вал, который входит в зацепление с червячным колесом под углом 90 градусов. Эта конфигурация обеспечивает очень высокие передаточные числа за одну ступень — обычно от 5:1 до 100:1 — и обеспечивает естественную характеристику самоблокировки: когда двигатель останавливается, нагрузка не может вращать коробку передач назад. Это делает двигатели постоянного тока с червячной передачей идеальными для применений, в которых нагрузка должна удерживать положение без подачи питания, например, в устройствах открывания гаражных ворот, сценических лифтах, приводах больничных коек и защитных барьерах. Основным ограничением является эффективность: трение в зацеплении червячной передачи велико, при этом типичный одноступенчатый КПД находится в диапазоне 50–90% в зависимости от угла опережения, при этом более высокие передаточные числа становятся все менее эффективными. Червячные мотор-редукторы также выделяют значительное количество тепла при длительных рабочих циклах с высокими нагрузками.

Цилиндрические и конические мотор-редукторы

В косозубых шестернях зубья срезаны под углом к оси вала, поэтому контакт между зубьями происходит постепенно и постепенно, а не резко. Это значительно снижает шум и вибрацию по сравнению с цилиндрическими шестернями и немного повышает грузоподъемность за счет большей эффективной площади контакта. Цилиндрические мотор-редукторы постоянного тока широко распространены в приложениях, требующих более тихой работы — приводах конвейеров, упаковочном оборудовании и медицинском оборудовании. Комбинации спирально-конической передачи позволяют смещать выходной вал под углом 90 градусов к двигателю, аналогично червячному приводу, но с более высоким КПД (обычно 94–97% на ступень). Повышенное осевое усилие, создаваемое зацеплением косозубых шестерен, требует подшипников, способных выдерживать эту нагрузку, что незначительно увеличивает стоимость единицы продукции.

Коллекторные и бесщеточные мотор-редукторы постоянного тока

Сам элемент двигателя постоянного тока имеет две основные архитектуры, и выбор между ними существенно влияет на стоимость, требования к техническому обслуживанию, диапазон скоростей и срок службы.

Для прототипирования или маломощных прерывистых применений коллекторный мотор-редуктор постоянного тока с приводом от простого H-моста L298N или TB6612FNG — это самый быстрый и дешевый путь к работающей системе. Для всего, что работает непрерывно, работает в суровых условиях или должно годами работать в полевых условиях без обслуживания, бесщеточный мотор-редуктор постоянного тока — несмотря на его более высокую первоначальную стоимость и дополнительную электронику привода — почти всегда обеспечивает более низкую совокупную стоимость владения.

Основные характеристики, которые следует изучить перед покупкой

Технические характеристики мотор-редукторов постоянного тока могут быть объемными, но пять параметров определяют, будет ли двигатель работать в вашем приложении. Понимание каждого из них предотвращает наиболее распространенные ошибки выбора.

Номинальное напряжение

Мотор-редукторы постоянного тока предназначены для определенного напряжения питания — чаще всего 6 В, 12 В, 24 В или 48 В в промышленности и хобби. Эксплуатация двигателя при напряжении, значительно превышающем его номинальное, ускоряет износ щеток щеточного типа, перегревает обмотки и сокращает срок службы подшипников. Работа при напряжении ниже номинального снижает доступный крутящий момент и может привести к остановке двигателя под нагрузкой. Для систем с батарейным питанием согласуйте номинальное напряжение двигателя с номинальным напряжением аккумуляторной батареи при средней зарядке, а не при полной зарядке, чтобы избежать перенапряжения в начале цикла зарядки. Редукторный двигатель постоянного тока с напряжением 12 В, работающий от только что заряженного аккумулятора 3S LiPo (12,6 В), лишь незначительно приемлем; запуск его от блока 4S (16,8 В) быстро его выведет из строя.

Скорость холостого хода и выходная скорость

Скорость холостого хода — это частота вращения выходного вала, когда двигатель работает при номинальном напряжении с нулевым приложенным крутящим моментом. При фактической нагрузке скорость падает — обычно на 10–20 % при номинальном (длительном) крутящем моменте и до 50 % при пиковом крутящем моменте. При расчете того, может ли мотор-редуктор постоянного тока перемещать нагрузку с требуемой скоростью, всегда используйте скорость под нагрузкой в ​​ожидаемой рабочей точке крутящего момента, а не значение на холостом ходу. Производители иногда указывают только скорость холостого хода и крутящий момент; нагруженная рабочая точка находится примерно в середине кривой скорости-момента.

Номинальный крутящий момент и момент остановки

Номинальный крутящий момент (также называемый непрерывным крутящим моментом) — это максимальный крутящий момент, который двигатель может развивать неограниченно долго без перегрева. Крутящий момент — это пиковый крутящий момент, возникающий при неподвижном валу, обычно в 5–10 раз превышающий номинальный крутящий момент коллекторного мотор-редуктора постоянного тока. Крутящий момент при срыве полезен для определения периодических пиковых нагрузок (например, силы, необходимой для освобождения застрявшего клапана), но непрерывная работа в режиме срыва или вблизи него приведет к быстрому перегреву двигателя. Выберите двигатель, номинальный крутящий момент которого как минимум на 20–30 % превышает ожидаемый крутящий момент при постоянной нагрузке для вашего приложения. Этот запас прочности учитывает изменение трения, провалы напряжения и снижение номинальных характеристик из-за температуры.

Передаточное число

Передаточное число показывает, сколько оборотов вала двигателя совершается за один оборот выходного вала. Соотношение 50:1 означает, что выходной сигнал поворачивается один раз на каждые 50 оборотов двигателя. Более высокие передаточные числа обеспечивают более низкую выходную скорость и более высокий выходной крутящий момент. Однако при очень высоких передаточных числах увеличивается количество ступеней передачи, что увеличивает потери на трение и люфт — небольшой свободный ход выходного вала при изменении направления вращения. Для приложений позиционирования люфт является критически важной характеристикой: планетарные редукторы обычно обеспечивают люфт 0,5–3 угловых минуты в прецизионных классах, в то время как экономичные прямозубые редукторы могут иметь люфт 1–5 градусов, что неприемлемо для всего, что требует повторяемого позиционирования.

Рабочий цикл и тепловая мощность

Рабочий цикл описывает процент времени, в течение которого двигатель работает по сравнению с временем покоя в течение заданного периода цикла. Двигатель, рассчитанный на S1 (непрерывный режим), может работать неограниченное время при номинальной нагрузке без перегрева. Номиналы S2 (кратковременный режим) и S3 (прерывисто-периодический режим) допускают более высокие уровни пиковой мощности, поскольку двигатель охлаждается во время периодов простоя. Всегда сопоставляйте номинальный режим работы двигателя с фактическим рабочим циклом — двигатель, рассчитанный на рабочий цикл 30 %, перегреется и выйдет из строя при непрерывной работе, даже если крутящий момент и скорость находятся в пределах паспортных данных.

Общие диапазоны напряжения и для чего каждый из них используется

Выбор напряжения часто зависит от доступного источника питания, а не от предпочтений двигателя, но понимание типичных вариантов использования для каждого уровня напряжения помогает быстро сузить выбор.

• Мотор-редукторы постоянного тока 3–6 В: небольшие устройства с низким энергопотреблением, работающие от батареек AA/AAA или от USB-питания. Распространен в игрушках, маленьких роботах, проектах для любителей и обучающих наборах. Выходной крутящий момент низок — обычно менее 0,5 кг·см — и эти двигатели не подходят для длительных тяжелых нагрузок.
• Мотор-редукторы постоянного тока 12 В: наиболее широко используемый класс напряжения в хобби, автомобилестроении и легкой промышленности. Подходит для роботизированных платформ, автоматических питателей, приводов клапанов, головок панорамирования/наклона камер и небольших приводов конвейеров. Для напряжения 12 В доступен широкий выбор типов коробок передач и передаточных чисел, что упрощает поиск.
• Мотор-редукторы постоянного тока 24 В: стандарт для промышленной автоматизации, автоматических транспортных средств и приводов коммерческого класса. При напряжении 24 В двигатель может выдавать вдвое большую мощность, чем эквивалент на 12 В, при том же потреблении тока, что упрощает проводку с использованием более тонких проводников на более длинных кабелях. Большинство производственных систем с управлением от ПЛК работают при напряжении 24 В постоянного тока, что упрощает интеграцию двигателей.
• Мотор-редукторы постоянного тока 48 В: используются в мобильной робототехнике большей мощности, вспомогательных системах электромобилей и тяжелом промышленном оборудовании. При напряжении 48 В пиковый КПД двигателя для многих конструкций BLDC снижается, а потери на переключение в драйверах двигателя снижаются. Все чаще встречается в платформах электронной мобильности и автономных мобильных роботах (AMR).

Как правильно выбрать мотор-редуктор постоянного тока для вашего применения

Правильный выбор двигателя с первого раза позволяет избежать дорогостоящих модификаций и сбоев в работе. Следуйте этой практической схеме:

Шаг 1 — Определите требования к нагрузке

Рассчитайте крутящий момент, необходимый для вашего применения на выходном валу. Для колесного робота это означает расчет силы, необходимой для ускорения массы робота, преодоления трения качения и преодоления любых уклонов, ожидаемых в работе. Для линейного привода рассчитайте силу, действующую на ходовой винт, и преобразуйте ее в крутящий момент двигателя через ход винта и эффективность. Добавьте запас прочности в 25–50 %, чтобы учесть изменения трения, старение и сценарии наихудшей нагрузки. Это целевое значение крутящего момента — с учетом запаса — становится вашим минимальным номинальным крутящим моментом.

Шаг 2 — Определите требуемую выходную скорость

Установите минимальную и максимальную скорость выходного вала, необходимую для вашего применения. Конвейер, который перемещает продукт со скоростью 0,5 м/с с приводным роликом диаметром 50 мм, требует выходной скорости примерно 191 об/мин (0,5 / (π × 0,05) × 60). Выберите двигатель, скорость холостого хода которого как минимум на 15–20 % превышает требуемую скорость под нагрузкой, чтобы гарантировать, что двигатель не будет работать вблизи остановки в нормальных условиях.

Шаг 3 — Выберите подходящий тип коробки передач

Используйте следующее руководство по принятию решений, чтобы подобрать тип редуктора в соответствии с требованиями применения:

• Требуется низкая стоимость, умеренный крутящий момент, нечувствительный к шуму → прямозубый мотор-редуктор.
• Нужен компактный размер, высокая плотность крутящего момента, коаксиальный выход или точность позиционирования → планетарный мотор-редуктор.
• Требуется самоблокирующийся, выходной угол 90°, очень высокое передаточное число в одной ступени → червячный мотор-редуктор.
• Нужна тихая работа, умеренная точность, выход под прямым углом и высокий КПД → мотор-конический редуктор.

Шаг 4 — Подтвердите электрическую совместимость

Убедитесь, что ваш источник питания может обеспечить пиковый ток двигателя в режиме остановки. Ток опрокидывания коллекторного мотор-редуктора постоянного тока обычно в 5–10 раз превышает ток холостого хода. Если ваш источник питания не может обеспечить кратковременный источник этого тока во время запуска или в условиях заклинивания, добавьте токоограничивающий драйвер двигателя с регулируемым ограничением тока или выберите драйвер двигателя с достаточным запасом мощности. Для бесщеточных мотор-редукторов постоянного тока убедитесь, что номинальные значения постоянного и пикового тока драйвера BLDC превышают требования двигателя как минимум на 20 %.

Шаг 5 — Учитывайте окружающую среду

Стандартные мотор-редукторы постоянного тока не герметизированы. Если двигатель будет подвергаться воздействию пыли, влаги, брызг охлаждающей жидкости или промывки, укажите устройство со степенью защиты IP — IP54 для защиты от пыли и брызг, IP65 или IP67 для более жестких условий эксплуатации. При использовании в пищевой, фармацевтической или морской промышленности убедитесь, что смазка редуктора соответствует применимым нормативным требованиям (например, пищевая смазка NSF H1 для зон контакта с пищевыми продуктами). Также важен диапазон рабочих температур: стандартные двигатели рассчитаны на температуру окружающей среды 0–40°C; для складов-холодильников или установки на открытом воздухе в северном климате подтвердите характеристики низкотемпературной смазки и номинальные температуры обмотки.

Типичные применения мотор-редукторов постоянного тока в различных отраслях промышленности

Мотор-редукторы постоянного тока используются в огромном ассортименте продукции и систем. Понимание того, где они обычно используются, помогает определить подходящие эталонные конструкции и проверенные конфигурации.

Методы управления скоростью мотор-редукторов постоянного тока

Мотор-редукторы постоянного тока хорошо подходят для работы с регулируемой скоростью, поскольку скорость двигателя постоянного тока прямо пропорциональна приложенному напряжению. На практике скорость контролируется одним из трех способов.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

ШИМ — это стандартный метод управления коллекторными мотор-редукторами постоянного тока с помощью микроконтроллеров, ПЛК и микросхем драйверов двигателей. Драйвер включает и выключает питание двигателя с фиксированной частотой — обычно 1–20 кГц — и рабочий цикл (процент времени, в течение которого питание включено) определяет среднее напряжение и, следовательно, скорость. Рабочий цикл 50% при напряжении 12 В обеспечивает примерно 6 В, эквивалентное двигателю. ШИМ-управление эффективно, поскольку переключающие транзисторы большую часть времени проводят полностью во включенном или полностью выключенном состоянии, что минимизирует резистивные потери. Частоты ШИМ ниже 1 кГц могут вызывать слышимый вой двигателя, поскольку обмотки якоря вибрируют на частоте переключения; частоты выше 20 кГц выводят его за пределы слышимого диапазона. Для коллекторных мотор-редукторов постоянного тока обычно на практике выбирают частоту ШИМ 10–20 кГц.

Управление скоростью с обратной связью с энкодером

В приложениях, требующих точной и постоянной скорости независимо от изменения нагрузки (роботизированные платформы, ленточные накопители, прецизионное дозирование), поворотный энкодер, установленный на валу двигателя или на выходе коробки передач, обеспечивает обратную связь по скорости в реальном времени с ПИД-регулятором. Контроллер сравнивает фактическую скорость с заданным значением и корректирует рабочий цикл ШИМ для компенсации. Энкодеры для мотор-редукторов постоянного тока обычно представляют собой квадратурные оптические или магнитные датчики Холла с разрешением от 6 до нескольких тысяч отсчетов за оборот в зависимости от требований к точности. Многие поставщики мотор-редукторов постоянного тока предлагают встроенные энкодеры в качестве стандартных позиций каталога, что значительно упрощает интеграцию оборудования.

Регулирование напряжения

В простых системах, где нагрузка относительно постоянна и точность скорости не имеет решающего значения, скорость можно установить, регулируя напряжение питания с помощью регулируемого источника постоянного тока или линейного стабилизатора напряжения. Этот подход наименее эффективен — линейный стабилизатор рассеивает падение напряжения в виде тепла — и не обеспечивает компенсации нагрузки, но это самая простая реализация, которая подходит для испытательных стендов, ручной регулировки скорости и приложений с очень низким энергопотреблением, где рассеивание тепла в стабилизаторе не является проблемой.

Техническое обслуживание, долговечность и распространенные виды отказов

Понимание того, что в конечном итоге приводит к выходу из строя мотор-редуктора постоянного тока, поможет вам разработать системы, которые продлевают интервалы технического обслуживания и выявляют проблемы до того, как они приведут к незапланированному простою.

• Износ щеток (щеточные двигатели). Угольные щетки со временем изнашиваются и образуют проводящую пыль, которая может замыкать сегменты коллектора и вызывать короткое замыкание. Интервалы технического обслуживания коллекторных мотор-редукторов постоянного тока при непрерывной работе обычно составляют 1000–3000 часов. Периодически проверяйте щетки и заменяйте их до того, как они достигнут минимальной длины (обычно указанной на держателе щеток), чтобы избежать повреждения коммутатора.
• Выход из строя подшипника: Перегрузка выходного вала радиальными силами, превышающими номинальную грузоподъемность подшипника, является основной причиной преждевременного выхода из строя как щеточных, так и бесщеточных мотор-редукторов. Всегда проверяйте, что комбинированные радиальные и осевые нагрузки на вал в вашем приложении находятся в пределах характеристик нагрузки на подшипник, указанных производителем. Частыми виновниками являются перетянутые ремни привода и несоосные муфты.
• Деградация трансмиссионной смазки: Смазка трансмиссии со временем затвердевает и теряет вязкость, особенно при экстремальных температурах. Интервалы повторного смазывания зависят от рабочей температуры, скорости и нагрузки, но обычно находятся в диапазоне 5 000–10 000 часов работы для герметичных редукторов. Некоторые герметичные агрегаты не требуют обслуживания в течение всего номинального срока службы; у других есть смазочные ниппели для периодической повторной смазки.
• Тепловая перегрузка. Работа двигателя сверх номинального постоянного крутящего момента приводит к тому, что температура обмотки превышает пределы класса изоляции, что приводит к необратимому ухудшению изоляции. Даже одно серьезное термическое событие может значительно сократить срок службы двигателя. Установите двигатели с термозащищенными драйверами, которые включают функцию отключения из-за перегрузки по току, или добавьте термистор PTC, встроенный в обмотки для прямого контроля температуры, если приложение предполагает непредсказуемые скачки нагрузки.
• Износ и поломка зубьев шестерни. Ударные нагрузки — например, удар колеса робота о бордюр или привод, достигающий жесткой остановки на полной скорости — могут привести к поломке зубьев шестерни, особенно в экономичных прямозубых коробках передач с пластиковыми шестернями. Наиболее эффективными профилактическими мерами являются использование металлических шестерен (спеченная сталь или латунь) для любого применения со значительными ударными нагрузками, а также добавление механических концевых упоров с концевыми выключателями для предотвращения резкой остановки на скорости двигателя.