Hur väljer man rätt servomotor för industriella applikationer?

Att välja enservomotorför en industrimaskin handlar det inte bara om att välja högsta möjliga effekt eller vridmoment.

En servomotor är en del av ett komplett rörelsekontrollsystem. Dess prestanda beror på hur väl motorn matchar belastningen, hastigheten, accelerationen, trögheten, kontrollkraven och maskinens arbetsmiljö.

Välj en motor som är för liten och du kan drabbas av överhettning, överbelastningslarm, dålig acceleration eller positioneringsfel.

Välj en som är onödigt stor, så kan du betala mer för motorn och drivningen samtidigt som du lägger till onödig tröghet och installationsutrymme.

Rätt servomotor är den som matchar de faktiska rörelsekraven för din maskin.

Den här guiden förklarar nyckelfaktorerna ingenjörer, OEM-tillverkare och industriella köpare bör tänka på när de väljer en servomotor.

Vad är en servomotor?

En servomotor är en motor designad för att ge exakt kontroll avläge, hastighet och vridmoment.

Till skillnad från en konventionell motor som kan fungera helt enkelt genom att ta emot ett spännings- eller frekvenskommando, fungerar en servomotor normalt som en del av ett styrsystem med sluten-slinga.

Ett typiskt servosystem inkluderar:

• Servomotor
• Servodrift
• Encoder
• Rörelsekontroll
• Strömförsörjning
• Mekanisk transmission

Givaren övervakar kontinuerligt motorns faktiska rörelse.

Styrenheten jämför den faktiska positionen eller hastigheten med målvärdet och servodrivningen justerar motorn därefter.

Denna återkopplingsslinga gör att systemet kan korrigera rörelsefel medan maskinen är igång.

Det är därför servomotorer används i stor utsträckning när en applikation kräver repeterbara, exakta och dynamiska rörelser.

Varför är valet av servomotor så viktigt?

Motorn är en av nyckelkomponenterna som avgör hur en maskin beter sig.

En korrekt vald servomotor kan ge:

• Stabil positionering
• Snabb acceleration
• Noggrann hastighetskontroll
• Pålitlig vridmomentutgång
• Lägre energiförbrukning
• Längre livslängd på utrustningen

En felaktigt vald motor kan skapa problem som är svåra att lösa efter installationen.

Till exempel, om motorn inte har tillräckligt med toppvridmoment, kan maskinen arbeta normalt med konstant hastighet men misslyckas när den behöver accelerera snabbt.

Om motorns tröghet är dåligt anpassad till belastningen, kan maskinen vibrera eller överskrida sin målposition.

Om motorn och frekvensomriktaren inte är korrekt matchade, kan systemet generera frekventa larm även om själva motorn fungerar normalt.

Det är därför som servomotorval bör börja med maskinens rörelseprofil snarare än en motorkatalog.

Steg 1: Bestäm det erforderliga vridmomentet

Vridmoment är en av de första specifikationerna du bör beräkna.

Det erforderliga motorvridmomentet kommer vanligtvis från flera källor:

• Belastningsmoment
• Friktion
• Allvar
• Acceleration
• Mekaniska transmissionsförluster

Den viktiga punkten är attkontinuerligt vridmoment och toppvridmoment är inte samma sak.

Kontinuerligt vridmoment

Kontinuerligt vridmoment är det vridmoment som motorn kan ge under normal drift utan att överskrida dess termiska gränser.

Detta är viktigt för applikationer som:

• Transportörer
• Pumps
• Maskiner för kontinuerlig bearbetning
• Roterande utrustning

Motorns kontinuerliga vridmoment bör vara tillräckligt för den normala driftbelastningen.

Högsta vridmoment

Maximalt vridmoment krävs under korta perioder under krävande rörelser.

Typiska exempel inkluderar:

• Snabb acceleration
• Snabb inbromsning
• Start under belastning
• Plötsliga belastningsförändringar
• Frekvent backning

En maskin kan kräva relativt blygsamt kontinuerligt vridmoment men betydligt högre toppvridmoment.

Att välja en servomotor endast baserat på den genomsnittliga belastningen kan därför resultera i dålig dynamisk prestanda.

Steg 2: Bestäm den nödvändiga hastigheten

Efter att ha beräknat vridmomentet, bestäm hur snabbt motorn behöver arbeta.

Tänk på tre värden:

• Minsta drifthastighet
• Normal drifthastighet
• Maximal drifthastighet

Anta inte att en motor med högt maxvarvtal automatiskt är lämplig.

Den viktigare frågan är:

Hur mycket vridmoment kan motorn ge med den hastighet som din maskin faktiskt behöver?

En servomotors vridmoment-hastighetsegenskaper bör alltid granskas före köp.

För applikationer som kräver både hög hastighet och högt vridmoment måste motor och frekvensomriktare väljas som ett matchat system.

Steg 3: Beräkna belastningströghet

Belastningens tröghet förbises ofta vid val av servomotor.

Tröghet representerar ett objekts motstånd mot förändringar i rotationsrörelse.

En maskin med en stor roterande massa kan kräva betydande vridmoment bara för att accelerera, även när den slutliga arbetshastigheten är relativt låg.

Exempel på hög-tröghetsbelastning inkluderar:

• Stora rullar
• Roterande bord
• Svänghjul
• Stora växlar
• Spindlar
• Tunga robotarmar

Om lasttrögheten är dåligt anpassad till motorn kan du uppleva:

Långsam acceleration

• Skjuta över
• Vibration
• Positioneringsfel
• Servo instabilitet

För högpresterande rörelsekontroll kan tröghetsmatchning vara lika viktig som nominell motoreffekt.

Steg 4: Förstå din rörelseprofil

En servomotor bör väljas baserat på hela rörelsecykeln.

Föreställ dig till exempel en maskin som:

• Accelererar från noll till 2 000 rpm.
• Går med konstant hastighet.
• Bromsar snabbt.
• Stoppar vid en exakt position.
• Växlar riktning.
• Upprepar cykeln med några sekunders mellanrum.

Denna applikation ställer helt andra krav på motorn jämfört med en maskin som helt enkelt går kontinuerligt med 2 000 rpm.

Tänk på när du väljer en servomotor:

• Accelerationstid
• Retardationstid
• Cykeltid
• Drifthastighet
• Stoppfrekvens
• Reverseringsfrekvens
• Belastningsvariation

Den kompletta rörelseprofilen ger en mycket mer exakt bild av den erforderliga motorkapaciteten.

Steg 5: Välj lämplig motorspänning

Servomotorer finns i olika spänningsklasser.

Vanliga alternativ inkluderar:

• 12V
• 24V
• 48V
• 60V
• 90V
• 220V
• 380V

Rätt spänning beror på maskinens elektriska arkitektur.

Låg-servomotorer

24V och 48V servomotorer är vanliga i:

• AGVs
• AMRs
• Mobila robotar
• Batteridriven-utrustning
• Kompakta automationssystem

Deras främsta fördel är kompatibilitet med-lågspänningssystem för likström.

Servomotorer med högre-spänning

220V och 380V servosystem är vanligare i industrimaskiner som kräver högre effekt.

De kan minska strömkraven för en given effekt och är lämpliga för större automationssystem.

Det viktiga är att inte välja spänning enbart baserat på motorpreferenser.

Motorspänningen bör matcha den tillgängliga strömförsörjningen och hela servodrivsystemet.

Steg 6: Välj rätt kodare

Encodern ger feedback till servosystemet.

Olika applikationer kräver olika återkopplingsupplösningar.

Vanliga kodaralternativ inkluderar:

Inkrementell kodare

Ger relativ positionsinformation.

Den är lämplig för många allmänna industriella tillämpningar där kostnad och enkelhet är viktigt.

Absolut kodare

Ger motorns absoluta position.

Detta är användbart när maskinen behöver veta sin position direkt efter start eller strömåterställning.

Hög-kodare

Används när extremt noggrann positionering eller smidig drift med låg-hastighet krävs.

För tillämpningar som precisionsmaskineri, robotteknik och CNC-utrustning bör kodarupplösningen noggrant utvärderas snarare än behandlas som en mindre specifikation.

Steg 7: Bestäm om du behöver en broms

En broms krävs inte för varje servomotor.

Det blir dock viktigt när motorn måste hålla en last säkert efter att strömmen har tagits bort.

Typiska tillämpningar inkluderar:

• Vertikala lyftsystem
• Hissar
• Robotarmar
• Hissar
• Z-axelmaskineri

Till exempel, om en servomotor styr en vertikal last, kan tyngdkraften göra att lasten rör sig nedåt när motorn stängs av.

En hållbroms kan hjälpa till att förhindra oönskade rörelser.

En motorbroms bör dock inte automatiskt behandlas som den primära säkerhetsanordningen. Säkerhetskraven bör utvärderas enligt den fullständiga maskinkonstruktionen och tillämpliga föreskrifter.

Steg 8: Fundera på om en växellåda är nödvändig

En växellåda kan vara användbar när applikationen kräver högt utgående vridmoment vid relativt låg hastighet.

Till exempel:

• Motorhastighet: hög
• Erforderlig utgångshastighet: låg
• Erforderligt utgående vridmoment: högt

En växellåda kan omvandla motorns varvtal till högre utgående vridmoment.

Växellådor används ofta i:

• Robotik
• Roterande bord
• Kraftiga-positioneringssystem
• Materialhanteringsutrustning
• Industriell automation

Men att lägga till en växellåda introducerar också:

• Mekaniska förluster
• Glapp
• Ytterligare kostnad
• Ytterligare underhåll

För precisionsapplikationer bör växellådans glapp noggrant övervägas.

Steg 9: Kontrollera driftsmiljön

En servomotor installerad i en ren fabrik möter inte samma villkor som en installerad nära damm, fukt, olja eller vibrationer.

Innan du väljer motor, utvärdera:

Omgivningstemperatur

• Fuktighet
• Damm
• Vattenexponering
• Olje- eller kemikalieexponering
• Vibration
• Installationsorientering

Motorns skyddsnivå, kyldesign och hölje bör vara lämpliga för den faktiska miljön.

För krävande tillämpningar bör miljöförhållanden tillhandahållas leverantören innan motorn väljs.

Steg 10: Tänk på driftcykel och termisk prestanda

En servomotor kan vara kapabel att producera högt toppvridmoment, men toppvridmoment kan normalt inte upprätthållas på obestämd tid.

Motorns termiska prestanda beror på:

• Kontinuerligt vridmoment
• RMS vridmoment
• Drifthastighet
• Accelerationsfrekvens
• Omgivningstemperatur
• Kylningsmetod
• Cykeltid

En maskin som accelererar och stannar hundratals gånger per timme kan generera betydligt mer värme än en maskin som körs med konstant hastighet.

Det är därför arbetscykeln bör vara en del av motorvalsprocessen.

Hur stor säkerhetsmarginal bör du lämna?

Att lägga till lite marginal är förnuftigt, men att helt enkelt välja en motor flera gånger större än den beräknade belastningen är inte nödvändigtvis ett bra tekniskt beslut.

För liten marginal kan orsaka:

• Överbelastning
• Överdriven temperatur
• Dålig acceleration
• Minskad livslängd

För mycket marginal kan orsaka:

• Högre inköpskostnad
• Större motorstorlek
• Större servodrift
• Ökad tröghet
• Lägre systemeffektivitet

Ett praktiskt tillvägagångssätt är att först beräkna de verkliga driftkraven och sedan välja en motor med tillräcklig kontinuerlig och toppkapacitet för applikationens värsta förväntade förhållanden.

Den exakta marginalen beror på belastningsegenskaperna och arbetscykeln.

Servomotorstorlek: ett enkelt exempel

Anta att ett transportörsystem kräver:

• Kontinuerligt vridmoment: 4 N·m
• Maximalt accelerationsmoment: 8 N·m
• Drifthastighet: 1 500 RPM
• Maxhastighet: 2 500 RPM

Att välja en motor endast baserat på 4 N·m kontinuerligt krav kan vara riskabelt.

Motorn måste också ge tillräckligt med toppvridmoment för att klara accelerationskravet på 8 N·m.

Du skulle då kontrollera:

• Kontinuerligt vridmoment
• Maximalt vridmoment
• Vridmoment tillgängligt vid 1 500 RPM
• Vridmoment tillgängligt vid 2 500 RPM
• Belastningströghet
• Accelerationstid
• Arbetscykel
• Servodrivkapacitet

Först efter att dessa faktorer har bekräftats bör motormodellen färdigställas.

Detta är anledningen till att en enkel "krävd hästkraft"-beräkning ofta är otillräcklig för servoapplikationer.

Vanliga servomotorvalsmisstag

Misstag 1: Att välja på egen hand

Två motorer med samma effekt kan ha olika vridmoment och varvtalsegenskaper.

Utvärdera alltid hela vridmoment-hastighetskurvan.

Misstag 2: Ignorera Peak Torque

En maskin kan köras perfekt med konstant hastighet men misslyckas under acceleration.

Maximalt vridmoment måste inkluderas i urvalsprocessen.

Misstag 3: Ignorera belastningströghet

Höga-tröghetsbelastningar kan skapa allvarliga kontrollproblem även när motorn har tillräckligt med märkeffekt.

Misstag 4: Att välja kodaren för sent

Kodaren påverkar både kontrollprestanda och systemkompatibilitet.

Det bör övervägas under det inledande designskedet.

Misstag 5: Behandla motorn och drivenheten som separata produkter

Deservomotor, enhet, kodare och kontroller måste fungera tillsammans.

En tekniskt utmärkt motor kan fortfarande prestera dåligt med en felaktigt anpassad drivning.

Misstag 6: Köper endast på pris

Den billigaste motorn ger kanske inte den lägsta totalkostnaden.

Överväga:

• Livslängd
• Energiförbrukning
• Underhåll
• Reservdelar
• Teknisk support
• Integrationstid

En något högre initial investering kan ibland minska den totala ägandekostnaden avsevärt.

Servomotor Val av applikation

Olika applikationer har olika prioriteringar.

Det finns ingen universell "bästa" servomotor.

Den bästa motorn är den som passar applikationens faktiska rörelsekrav.

Hur man väljer en leverantör av servomotorer

Den leverantör du väljer kan vara lika viktig som själva motorn.

Innan du gör en beställning, utvärdera om leverantören kan tillhandahålla:

• Motorvalsstöd
• Vridmoment-hastighetsdata
• Kodaralternativ
• Servodrivningsmatchning
• OEM anpassning
• Teknisk dokumentation
• Reservdelar
• Kundsupport.-

För OEM-utrustningstillverkare kan teknisk support under designstadiet förhindra dyra förändringar efter att produktionen redan har startat.

En leverantör ska kunna diskutera din maskin istället för att bara skicka en katalog till dig.

Varför välja Auric för industriella servomotorlösningar?

Aurictillhandahåller servomotorlösningar för industriell automation, OEM-utrustning, robotteknik, materialhantering och andra applikationer för rörelsekontroll.

Istället för att välja en motor endast baserat på spänning eller märkeffekt kan Auric utvärdera applikationen från flera vinklar, inklusive:

• Erforderligt vridmoment
• Högsta vridmoment
• Drifthastighet
• Acceleration
• Belastningströghet
• Arbetscykel
• Krav på kodare
• Installationsmått
• Bromskrav
• Servodrivningskompatibilitet

Den här applikationsbaserade-metoden är särskilt användbar för OEM-kunder som behöver en servomotor för att passa en befintlig maskin istället för att bara köpa en standardmotor.

För skräddarsydda projekt kan motorspecifikationer som axelkonfiguration, monteringsdimensioner, val av kodare, spänning, hastighet, vridmoment och andra gränssnitt utvärderas enligt utrustningskraven.

Checklista för val av servomotor

Innan du begär en offert, förbered följande information:

Motorkrav

• Krävs kontinuerligt vridmoment
• Erforderligt toppvridmoment
• Nominell hastighet
• Maximal hastighet
• Märkspänning
• Kraft som krävs

Mekaniska krav

• Belastningstyp
• Belastningströghet
• Skaftstorlek
• Monteringsmått
• Krav på växellåda

Kontrollkrav

• Positionsnoggrannhet
• Typ av kodare
• Kontrollläge
• Kommunikationsprotokoll
• Bromskrav

Driftsvillkor

• Arbetscykel
• Omgivningstemperatur
• Damm
• Fuktighet
• Vibration

Kontinuerlig eller intermittent drift

Genom att tillhandahålla denna information kan leverantören rekommendera en mycket mer exakt servomotorlösning.

Vanliga frågor

Hur vet jag vilken storlek servomotor jag behöver?

Börja med den faktiska belastningen snarare än motorstorleken. Beräkna kontinuerligt vridmoment, toppvridmoment, arbetshastighet, acceleration, belastningströghet och arbetscykel. Matcha sedan dessa krav med motorns vridmoment-hastighetsegenskaper.

Är en servomotor med högre hästkrafter alltid bättre?

Nej. En överdimensionerad motor kan öka kostnaden, den fysiska storleken, trögheten och drivkraven. Målet är att hitta den minsta motorn som på ett tillförlitligt sätt uppfyller hela rörelseprofilen med en lämplig teknisk marginal.

Vad är viktigast, vridmoment eller hastighet?

Ingen av dem kan anses oberoende. Motorn måste ge tillräckligt vridmoment vid erforderlig arbetshastighet. För servoapplikationer är den fullständiga vridmoment-hastighetskurvan mer användbar än att titta på någon av specifikationerna ensam.

Behöver alla servomotorer kodare?

Ett konventionellt servosystem kräver normalt återkoppling, vanligtvis från en kodare. Den exakta återkopplingstekniken beror dock på motor- och styrarkitekturen.

Ska jag välja en 24V, 48V eller 220V servomotor?

Svaret beror på kraftarkitekturen och applikations. 24V- och 48V-system är vanliga i batteridriven-och kompakt automationsutrustning, medan servosystem med högre-spänning används i stor utsträckning för större industrimaskiner.

När behöver jag en broms?

En broms är särskilt användbar när motorn behöver hålla en vertikal eller gravitationsbelastad axel efter att strömmen tagits bort. Den fullständiga maskinsäkerhetskonstruktionen bör avgöra om en broms krävs.

Slutliga tankar: Välj motorn baserat på maskinen, inte katalogen

Att välja rätt servomotor är i slutändan ett systemtekniskt beslut.

Motorn måste fungera tillsammans med lasten, transmissionen, kodaren, servodrivningen, styrenheten och den mekaniska strukturen.

De viktigaste specifikationerna att utvärdera är inte bara hästkrafter eller nominellt vridmoment, utan:

• Kontinuerligt vridmoment
• Högsta vridmoment
• Vridmoment vid arbetshastighet
• Maximal hastighet
• Belastningströghet
• Accelerationskrav
• Arbetscykel
• Kodarupplösning
• Miljöförhållanden
• Drive-kompatibilitet

Om du förstår dessa krav innan du kontaktar en leverantör kan du undvika ett av de vanligaste problemen inom industriell automation: att köpa en motor som ser rätt ut på pappret men inte fungerar som förväntat när den väl installerats.

För OEM-tillverkare och industriutrustningstillverkare är det bästa sättet att förse leverantören med de faktiska maskinkraven och låta motorn väljas runt applikationen.

En ordentligt matchadservomotorkan leverera bättre positionering, snabbare respons, lägre underhåll och mer tillförlitlig maskinprestanda på lång sikt.