确定电机和驱动系统的大小

合适的尺寸是电机选择的一个重要方面 .如果电机尺寸过小，将无法控制负载，导致过冲和振铃。

过大的系统与过小的系统一样糟糕——它可以控制负载，但它也会更大更重，并且在价格和运营成本方面也更昂贵。它可能身体不适合，而且肯定会花费更多。它将占用控制柜或车间更多宝贵的空间。

购买电机时要考虑什么？

太频繁了，供应商只是接到电话，要求提供一定马力的电机。工程师可能会购买与先前平台尺寸相同的电机。他们可能已经增加了巨大的安全边际来弥补变化。他们可能使用了 10:1 或 5:1 的负载和惯量与电机惯量的比率——或以上的某种混合。

目标应该是指定一个电机，该电机提供将负载定位在指定位置和所需时间所需的速度、加速度和扭矩。它可能包括一个安全裕度，旨在补偿电机两电机的变化或机器运行条件的预期变化。然而，安全边际应该添加在知情计算之上。

一个常见的错误是选择连续负载转矩等于应用的最大转矩要求的电机（通常在极端加速/减速期间出现 ）。 运动控制应用程序 通常由简短、快速的动作组成。选择一个能够持续产生这种扭矩的电机，实际上意味着要购买比必要更多的电机。

电机驱动尺寸

为了有效地确定电机尺寸，有必要计算负载惯量 (JL)。负载惯量与电机惯量之比（本质上是转子惯量 ) 衡量电机控制负载的有效性。高惯量比表示系统难以控制负载。低惯量比（例如 4:1 或 1:1）表明电机将非常有效地控制负载，但也表明电机可能对系统而言尺寸过大

通常，设计师会考虑实际负载、变速箱和电机，但不会考虑皮带、皮带轮和其他机械部件。他们只是移动到下一个主要尺寸或使用相同的框架尺寸但产生更大扭矩的框架尺寸。这就是整个 10% 超大尺寸方法的来源。

选择过程涉及收集数据，然后进行详细分析。它需要了解机械系统、操作参数以及设备的使用环境。它还必须包括操作环境的细节，因为如果不及早考虑这些细节，所选系统可能不适合。

惯性 – 物体抵抗加速度变化的趋势 – 是 运动控制 的主要挑战之一 .电机需要能够施加足够的力（在线性系统中）或扭矩（在旋转系统中）来改变负载的加速度，并以可控的方式进行。

在选型过程中必须考虑的主要约束可以总结如下：

• 峰值扭矩
• 有效扭矩
• 最高速度
• 电机速度-扭矩特性

此外，还需要考虑两种应用方案：

• 连续值班申请
• 间歇值班申请

这两种应用方案之间的差异可以通过车床来说明。车床的主轴驱动是一种连续工作的应用，因为它在恒定负载下以恒定速度运行；由于遵循所需刀具路径需要加速和减速，因此轴驱动器是间歇工作应用。

速度和马达

机器人和机床的驱动器不断改变速度以生成所需的运动曲线。齿轮比的选择及其与电机产生转矩的关系需要充分考虑。如果负载需要以恒定的速度或扭矩运行，则可以确定最佳传动比。在实践中，需要考虑的情况包括有和没有外加负载转矩的加速度以及可变负载惯量的影响。

了解负载的所需速度范围和所需齿轮比的初始估计将允许估计峰值电机速度。为防止电机由于电源电压波动而无法达到其所需速度，所需的最大速度应提高 1.2 倍。对于大多数工业应用来说，这个因素是令人满意的 ，但可能会针对特殊应用进行改进，例如当系统必须在有限的供应下运行时，如飞机和海上石油平台等多种应用。

电压

由于电机的峰值速度取决于电源电压，因此需要考虑低电压时段。作为指导原则，驱动器的尺寸通常使其能够在额定电源电压的 80% 时以峰值速度运行。如果系统由易受断电或停电影响的电源供电，则必须非常小心以确保驱动器、其控制器和负载免受损坏；这对于微处理器系统尤其严重，如果配置不当，可能会在没有警告的情况下锁定或重置，从而导致可能的灾难性情况。

在加速性能非常重要的情况下，必须将电机惯量添加到反射负载惯量中，并且必须确定以所需速率加速该总惯量所需的转矩。 电机驱动组合 将需要峰值扭矩能力至少为该值的 1.5 至 2 倍，以确保足够的扭矩能力。

电机驱动组合的峰值扭矩必须超过估计的摩擦扭矩加上加速扭矩加上加速期间出现的任何连续扭矩负载的总和，至少 15% 的安全余量。如果这无法实现，则需要使用不同的电机或齿轮比。

在非常高性能的机器上，最新的自动调谐驱动器可以非常有效地补偿机器共振和振动，即使在非常高的速度下也能支持准确的性能。电磁兼容性对系统的设计和应用有相当大的影响。

动力传动部件

必须在选型和选择过程的早期阶段确定电机的机械要求。经常被忽视的项目包括机械设计导致的任何尺寸和方向限制。

如果可以在早期阶段识别这些问题，则可以防止设备安装后出现不令人满意的性能。特别是，如果电机安装在垂直位置，可能需要特殊的垫片或轴承预载。

在确定驱动要求时，摩擦扭矩可能是电机选型过程中最困难的方面 .

轴承

在旋转轴的情况下，轴承是最广泛使用的支撑方法。有许多不同的类型可供选择，其中最常见的是滚子和滚珠轴承。

变速箱

传统的齿轮系由两个或多个齿轮组成，以改变输入轴和输出轴之间的角速度和扭矩。齿轮箱为管理惯性提供了重要工具。齿轮箱通过齿轮比的平方来减少惯性。代价是齿轮箱也会降低电机速度 .大多数伺服电机的运行速度在 2000 到 6000rpm 之间，即使与高减速比齿轮箱一起使用，它们也能以有用的速度运行。

正齿轮或斜齿轮通常用于传统的齿轮系中。直齿轮具有产生最小轴向力的优点，从而减少了齿轮轴承的任何运动问题。

斜齿轮在机器人系统中被广泛使用，因为在相同的变速比下，与直齿轮相比，斜齿轮具有更高的接触比，其代价是轴向齿轮载荷。

齿轮传动的限制因素是轮齿的刚度，可以通过选择实际应用中最大直径的齿轮来最大化刚度，同时最小化各个齿轮之间的齿隙或空转。

丝杠和滚珠丝杠

在丝杠中，丝杠和螺母之间存在直接接触，这会导致相对较高的摩擦力，从而导致驱动效率低下。对于精密应用，滚珠丝杠因其低摩擦和良好的动态响应而被使用。

滚珠丝杠在原理上与丝杠相同，但动力通过直线滚珠轴承传递到螺母，在螺母的螺纹中。

皮带传动

使用齿形带或链传动是电机和负载之间动力传输的有效方法，同时仍保持同步

在直线驱动应用中，已应用于丝杠和滚珠丝杠的相同程序可以应用于皮带驱动。

可以在以下网站上找到有关电机尺寸的非常好的参考：
http://www.electricmotors.com/sizing.html