电机设计的常见问题（设计中电机选择的个人经验）

液压马达工程师

xcyyongjiu

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以下作为我个人在学习工作中总结的一点经验，希望能为初入机械行业又恰巧看到此文的社又有所帮助，也望其他社友不吝赐教。关于电机的计算选型能说的话题太多，电机的类型、控制等等任何一个方面都够我们研究很久。

以下两点比较主要：

一、为了使问题清晰，我将真个机械传动过程分为动作执行机构和驱动电机两部分。

二、在这里我找到一个很好的切入点就是减速器（增速器）我想用传动比i来表示，从这个传动比i进入我们的话题。

无论如何总是从驱动电机到执行机构中间有个传动比i暂且忽略传动效率。

传动比i（减速箱）有三个作用：

1、转速匹配；2、转矩匹配；3、惯量匹配。

（1）、什么叫转速匹配

我们的电机有额定转速，我们总是希望她工作在额定转速下但我们的执行机构却有自己的运动速度这就需要减速器（增速器）i来完成速度的匹配满足执行机构的要求，通过各种齿轮齿条、涡轮蜗杆、链轮带轮等等实现这一过程（液压气动有自己的一套理论有机会会另开贴讨论）。

执行机构决定电机的额定转速，传动比i在其中调节。转速与传动比i成反比，假设电机转速n，经过传动比i后得到的转速为n/i

（2）、什么叫转矩匹配

与转速匹配相似，运动需要力反映在电机上就是转矩，转矩有额定转矩，同样需要去匹配，需要的转矩要和电机的额定转矩相互匹配，这中间也需要传动比i只是转矩与传动比i成正比，假设电机转矩T，经过传动比i后得到的转矩为iT。

到这我们就会稍微有点思路，原来选电机就是选电机的额定转速和额定扭矩，中间的机械结构只是一些传递这两个参数的机构，我们要做的只是去找一个合适的两边都能接受的i。

问题好像得到解决了，那就太简单了，事实要比这复杂的多，下面就是其中一个。

（3）、什么叫惯量匹配

电机具有转动惯量J，这是电机一个很重要的参数，很多情况下我们发现根据公式转速，扭矩都吻合但我们选的电机依然会有问题这时候我们就需要关注一下这个转动惯量J了，

不同结构的转动惯量计算有不同的公式，我会在后面慢慢贴上（包括上面提到的转速、转矩）。这里主要说下是负载转动惯量在归算到电机轴上时是按传动比平方的倒数倍减小，1/i的平方倍。

前面我们已经为电机的计算找到了一个切入点。

即传动比i（减速箱）的三个本质作用：

1、转速匹配；2、转矩匹配；3、惯量匹配。

1、在解决问题的时候可以先将复杂的问题简单化，然后再从中找出一两个切入点，应用现有的理论公式进行演绎推算得出结果，然后对比,讨论，探讨所选公尺的准确，可靠性，各个参数赋值的依据，列出其他干扰因素，排除次要条件，得出结论。

2、加入边界条件验证结论可靠性，这里我们暂时不去考虑什么普通三相异步电机，变频电机，伺服电机，直流电机等等的区别。

那么简单的说我们就是在凑那个i，让有限的电机型号应用在更广阔的空间，看似这样的话只要我们有不同的速比i那么只要一台电机就能完成所有工作了，这显然也是妄想，因为我们的电机还有一个更重要的参数额定功率，到此我们才开始提到。

功率这是一个比较抽象的概念，这里不便展开，我简单说这几点：

1、使动作执行机构运动要做功，不同的动作执行机构和同一动作执行机构的不同状态需要的功不同。

2、功遵循能量守恒。转速、转矩匹配比较容易理解，可能惯量匹配大家比较关心，以下是我个人在工作中学习、参考的一些资料列出供大家参考。

（1）一般选择伺服电动机时需考虑系统的转动惯量匹配问题，原因是;负载惯量对电动机的控制特性和快速移动的加/减速时间有很大的影响,数控设备中这会直接影响执行机构的响应速度，如数控机床中会直接影响其加工精度。

（2）为了保证系统的反应灵敏性和满足系统的稳定性要求，负载惯量JL 应限制在2.5～5 倍的电动机惯量JM 之内，我个人一般选2倍左右一点。

（3）以下是一点计算公式，大家参考慢慢体会应用，也可以自己查阅相关书籍手册都有介绍，大家想学要自己动手查查才会体会深刻，我全贴出来意义不大。

这里更正一下，这里应该是i的平方

今天我想从一个全新的切入点，液压传动，谈论一下电机的选定。

首先我想和大家明确一个概念，为什么叫“液压传动”，记得几年前在和一位老工控专家现场调试液压站时，他对我讲，电器，液压说到底都只是为了服务于机械的，机械才是根本，有了机械对动作的需求，才有电器，液压去配合完成，电器，液压只是整个过程中的一个部分。（我想他这里的机械也是一个宽泛的概念）

这样的话似乎问题回到了我在（个人经验（一））中的第一条假设——我们将真个机械传动过程分为动作执行机构和驱动电机两部分，而液压传动和我们之前的齿轮齿条，链轮链条，带轮等等所起的作用一样都只是从电机到动作执行机构的一个媒介，这就是我们为什么称其为“液压传动”就是因为它和其他传动方式一样，只是众多传动方式中的一种。

事实也是这样在一些谨慎的地方人们常常会用“液压传动”而非液压等一些模糊的概念，只是这个概念一般常被我们忽略。当然液压的应用场合非常广泛，润滑冷却，大型设备的动、静压导轨，重载高速的动、静压轴承，小到工程机械上的一个闭式系统大到轧钢线上的一套伺服系统。无论大小，复杂都应归结于“液压传动”

机械传动中有转速，扭矩，惯量，i等。液压传动中我们暂时只考虑两个因素：1，压力,2，流量。后面我提到的一些关于流体的概念如果一些没有任何关于这反面知识的社友理解不了的话可以随便找一本介绍液压与气动的书查看前面几页都会问题不大了。

关于压力和流量有两个概念我想大家必须要理解透彻，可以说这两个概念贯穿于液压传动，这两个概念你理解越深越透彻，那么你对液压传动的应用就会越熟练，越老道，这两个概念你理解几层功力就会提高几层。

这两个概念是：1、压力取决于负载；2、速度取决于流量。

这两个概念我相信搞液压的都应该深有体会，这两句话在学校老师也应该早就跟我们灌输过了。这里也许有人要问这根我们选电机有什么关系，那么我先把我的结论写在这：

1、液压传动中我们不是首先来选电机的，我们往往首先选的是电机后面的泵，和上面的概念一样这是一个谁决定谁的问题，大家好好体会，1,和2，这是两个很好的话题本来计划详谈今天铺开的太多不能详谈了。

2、一旦我们给系统选定了合适的泵，应为在液压泵的规格表中，会给出泵的额定压力，额定转速，额定排量（少数会给流量）当然对我们今天来说最关键的是，一般它还会给出额定工况下的驱动功率，大家想想这时候对于一台电机所有的参数似乎都有了。

这是我这一系列里第二次提到功率，这里我只想说功率是个美妙的参数，运算中用好了会有意外的效果。

3、当然很多情况下我们所选的泵不是在额定工况下工作（同一台泵与电机相比泵的工作范围要广的多）就需要我们按泵的实际使用情况计算功率了。

数控机床中交流伺服电机的选择原则及容量计算：

伺服电动机主要用于位置和速度控制系统中，其动力选择除了考虑电动机的功率与扭矩参数外，还要考虑系统的转动惯量匹配问题，一般选择伺服电动机主要从下面四个方面考虑：

1、负荷转矩；

2、负载转动惯量；

3、加速/减速时间；

4、运行模式。

1、电动机的最高转速。电动机选择首先依据机床等被驱动部件的快速行程速度。快速行程的电动机转速应严格控制在电动机的额定转速之内。

2、转动惯量匹配原则。负载惯量对电动机的控制特性和快速移动的加/减速时间有很大的影响。负载惯量增加时，计算机发出指令到伺服电动机执行完毕之间的时间就长，即指令变化后，需要较长的时间达到新指令指定的速度。若机床沿着两个轴高速运动加工圆弧等曲线，会造成较大的加工误差。若负载惯量为电动机的3倍以上，则电动机的控制特性就会降低，若为5倍以上则电动机的可操控性大大下降；反之，负载惯量若小于或等于电动机的惯量时，则不会出现上述问题。

保证系统的反应灵敏性和满足系统的稳定性要求，负载惯量JL应限制在2.5～5倍的电动机惯量JM之内,即：

3、空载转矩。机床等设备无负载运行时，加在电动机上的力矩应小于电动机的连续额定力矩的50%以下。否则，在切削或加/减速时电动机就可能过热。

4。负载转矩。在正常工作状态下，负载转矩Tms不超过电动机额定转矩TMS的80%～90%

下面我给大家给出了常见传动机构的转动惯量及转矩换算公式。

根据系统的减速比、电动机轴的负载转矩和转速，按一下公式初选电动机功率PZ:

式中 TL—对电动机轴换算的负载转矩，N•m；

n—伺服电动机额定转速，r/min;

η—传动系统的总效率。

5、核算加速减速时间对初选电动机根据机型系统的要求。加速度时间必须小于机械系统要求值。通常，负载力矩能够帮助电动机减速，因此，如果加速能在允许时间内完成，减速也可在相同的时间内完成，因此只需核算加速时间或转矩即可。加速/减速时间及转矩计算公式如下。

上图中的惯性矩指转动惯量

若TL大于初选电动机的额定转矩，但小于电动机的瞬时最大转矩（5～10倍额定转矩），也可以认为电动机初选合适。

不同工作方式时的热校核计算，当电动机工作在频繁地定位、加/减速以及负载波动工作情况时会使电动机发热，所以要计算一个工作周期的负载力矩的均方根值Trms，并使其小于电动机的额定力矩。

因为不同工况下出现的参数不同下面这个公式比较通用。

一个循环周期的负载力矩的均方根值计算公式为：

当Trms≤Te，即实际转矩小于额定转矩，则可以按指定的运行模式连续运行

最后在伺服电动机容量选择时我们尽量考虑到

1.在允许范围内，将加速/减速时间加长一些；

2.延长运转频率（增加循环时间长度）；

3.当旋转速度有余量时，加大减速比；

4.加大电动机容量；

5.当升降机械停止时间长时，加机械制动；

6.在高频率运行时，尽量加大减速比，减小惯性矩。

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