Der Einfluss von Drehmoment-, Radial- und Axiallasten auf die Motorauswahl

Valentin Raschke | Jul 07, 2023

Die Auswahl eines Motors für eine bestimmte Anwendung kann eine anspruchsvolle Aufgabe sein. Viele Faktoren müssen berücksichtigt werden, darunter unter anderem die für die Anwendung erforderliche Spannung, der maximale Strom und Durchmesser, die Geschwindigkeit, der Wirkungsgrad und die Leistung. Die Abwägung dieser Überlegungen mit anderen individuellen Anwendungsanforderungen wird dazu beitragen, die Auswahl des idealen Motors sicherzustellen. Die Zusammenarbeit zwischen den Bewegungslösungs- und Design-Engineering-Teams ist von Anfang an von entscheidender Bedeutung.

Wenn man sich zum ersten Mal an einen Lieferanten wendet, um Unterstützung bei der Auswahl eines Miniaturmotors zu erhalten, muss eine entscheidende Frage geklärt werden: Was ist der spezifische Arbeitspunkt der Anwendung oder das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Drehzahl? Wenn Sie die Belastung des Motors kennen, können Sie die erforderliche Motorleistung und das erforderliche Zubehör bestimmen. Es ist auch wichtig zu besprechen, wie der Motor in die Anwendung integriert wird. Unterschiedliche Lastarten haben erhebliche Auswirkungen auf die erforderliche Motorkonstruktion sowie auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Motors.

Drehmoment-, Radial- und Axiallast sind verschiedene Arten von Lasten, die in gängigen Miniaturmotoranwendungen auftreten. Sie sind entscheidend für den Motorauswahlprozess.

Drehmoment ist die Menge an Rotationskraft, die ein Motor während seines Betriebs erzeugt. (Siehe Abbildung 1 oben.) Der typische Zweck eines Motors besteht darin, elektrische Energie (Pelec = Spannung x Strom) in mechanische Energie (Pmech = Drehmoment x Drehgeschwindigkeit) umzuwandeln, sodass eine Drehmomentlast in fast jeder Anwendung für Rotationsmotoren vorhanden ist .

Die einfache Auswahl eines Motors anhand des erforderlichen Drehmomentwerts „x“ reicht in der Regel nicht aus. Das erforderliche Drehmoment (und die erforderliche Geschwindigkeit) in einer Anwendung müssen über den gesamten Bewegungszyklus verstanden werden, da der Motor die erforderliche mechanische Leistung bereitstellen muss, ohne zu überhitzen. Der Antriebslieferant wird Sie häufig bitten, den genauen Bewegungszyklus anzugeben, den der Motor durchlaufen soll. Dies ermöglicht die Analyse der maximalen Temperatur, die der Motor erreichen kann, bevor es zu einer Überhitzung kommt. Ein Beispiel hierfür ist unten in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Typischer Bewegungszyklus eines Motors, der in einem industriellen Elektrowerkzeug verwendet wird.

Bedenken Sie: Die Auswahl des richtigen Motors erfordert nicht nur das Verständnis des erforderlichen Drehmomentwerts, sondern auch des Drehmoment-/Geschwindigkeitsprofils über einen gesamten Bewegungszyklus und seines Arbeitszyklus.

Abbildung 3: Beispiel eines Riemenantriebs.

In bestimmten Anwendungen muss der Motor oder das Getriebe nicht nur ein bestimmtes Drehmoment zum Antrieb der Last bereitstellen, sondern auch eine radiale Last aufnehmen. Dabei handelt es sich um eine Kraft, die radial auf die Motorwelle wirkt. Ein Beispiel ist ein Riemenantrieb (Abbildung 3, links), der zum Antrieb einer Achse parallel zum Motor dient. Die Spannkraft muss als radiale Belastung auf die Motorwelle betrachtet werden, insbesondere wenn der Riemen vorgespannt ist.

Ein zweites Beispiel ist eine Membranpumpe. Ein Kolben bewegt sich auf und ab, sodass im Ventil entweder ein Über- oder ein Unterdruck entsteht, um den Fluss einer Flüssigkeit oder eines anderen Materials zu erleichtern. Der auf der Motorwelle montierte Kolben erzeugt die Bewegung und übt eine radiale Belastung auf den Motor aus.

Die Radiallast ist für die Motorauswahl relevant, da sie Auswirkungen auf die Lageroptionen hat. Im Beispiel eines Gleichstrom- oder Schrittmotors mit Bürsten gibt es zwei Standardlageroptionen: Gleitlager oder Kugellager. Gleitlager tragen normalerweise eine geringere Radiallast und bieten eine kürzere Lebensdauer, diese Nachteile werden jedoch durch die geringeren Kosten ausgeglichen. Abhängig von den Gesamtkosten des Motors kann die Verwendung von zwei Gleitlagern anstelle von Kugellagern die Kosten erheblich senken. Bei Anwendungen, bei denen eine Radiallast vorhanden ist, wie z. B. Riemenantrieb und Membranpumpe, trägt die Verwendung von mindestens einem Kugellager für das vordere Lager des Motors jedoch dazu bei, eine angemessene Lebensdauer zu gewährleisten, und ist daher die bessere Wahl.

Abbildung 4: Radialbelastung eines BLDC-Motors mit zwei Kugellagern.

Im Gegensatz dazu verwenden bürstenlose Gleichstrommotoren typischerweise zwei Kugellager und können mit viel höheren Geschwindigkeiten angetrieben werden als Gleichstrom- oder Schrittmotoren. Ein Motorhersteller empfiehlt eine maximale radiale dynamische Kraft, bei der eine minimale Lebensdauer des Motors bei einer bestimmten Drehzahl erreicht werden kann. Die maximale radiale dynamische Kraft hängt von der Größe der verwendeten Lager, dem Abstand zwischen den beiden Kugellagern im Motor (Abbildung 4: Abstand „B“) und der Position ab, an der die Radiallast wirkt (Abbildung 4: Abstand „A“) ). Ein langer Motor mit übergroßen Kugellagern trägt typischerweise eine größere Radiallast als ein kürzerer Motor (Abbildung 4).

Beachten Sie: Bei der Auswahl eines Motors hängt die Radiallast von seiner Position auf der Motorwelle, den Motorlagern, der erforderlichen Lebensdauer und der Drehzahl der Anwendung ab.

Es gibt zwei Arten von Axiallasten: dynamische und statische.

Wenn eine Anwendung eine 90°-Drehung der Drehbewegung bei geringerer Geschwindigkeit erfordert, kann ein Schneckengetriebe – eine Schneckenwelle mit Spiralgewinde, die vom Motor angetrieben wird – eine ideale Lösung sein. Die Schneckenwelle treibt das Schneckenrad mit einem Untersetzungsverhältnis von etwa 2:1 oder mehr an. Dem Spiralgewinde auf der Schneckenwelle folgend, muss der Motor eine radiale und axiale Belastung aufnehmen.

Abbildung 5: Ein Schneckengetriebe bestehend aus einer Schneckenwelle (vom Motor angetrieben) und einem Bronzeschneckenrad.

Gleitlager sind nicht für die Aufnahme erheblicher axialer Belastungen geeignet. Oftmals ist die Ausstattung des Motors mit Kugellagern zwingend erforderlich. Ähnlich wie die Radiallast hängt die maximal empfohlene dynamische Axiallast eines Motors von den verwendeten Kugellagern und der verwendeten Vorspannung, dem Abstand zwischen den beiden Kugellagern im Motor und der Lebensdaueranforderung ab.

Im Beispiel einer typischen axialen bürstenlosen Gleichstrommotorkonstruktion wird die dynamische Axiallast vom vorderen Kugellager getragen, da der Innendurchmesser des Lagers mit der Motorwelle verbunden ist. Wirkt eine axiale Schublast auf den Motor, verringert sich die Vorspannung des vorderen Kugellagers. Dies kann zu zusätzlichem Radialspiel führen, was sich negativ auf die Lebensdauer des Motors sowie auf Vibrationen und Geräusche auswirkt. Bei einer axialen Zugbelastung wirkt die Belastung in die gleiche Richtung wie die innere Vorspannung und erhöht deren Spannung. Motorenhersteller beschränken die empfohlene dynamische Axiallast in der Regel auf einen bestimmten Grenzwert, den ein Lager tragen kann, ohne seine Lebensdauer negativ zu beeinflussen.

Abbildung 6: Typisches federbasiertes Vorspannungsdesign für einen BLDC-Motor (Welle mit der vorderen Kugel verbunden).

Beachten Sie: Je nach Richtung wirkt sich eine dynamische Axiallast unterschiedlich auf die Lagerung des Motors aus. Die Lagerbaugruppe oder die Lager selbst müssen verbessert werden, wenn die Axiallasten größer als die empfohlene Spezifikation sind.

Zusätzlich zu einer dynamischen Axialkraft, die während seines Betriebs auf den Motor einwirkt, besteht auch die Möglichkeit, dass mindestens einmal während seiner Lebensdauer eine statische Axiallast auf die Welle ausgeübt wird. Dies geschieht normalerweise, wenn eine zusätzliche Komponente (z. B. ein Ritzel) auf die Motorwelle des zusammengebauten Motors aufgepresst wird (Abbildung 7). Ein weiteres Beispiel sind Stoßbelastungen, etwa wenn ein Motor in einem Handgerät verwendet und auf den Boden fallen gelassen wird.

Im Beispiel eines mit Kugellagern ausgestatteten Motors liegt die empfohlene Grenze für einen Einpressvorgang typischerweise viel höher als für eine dynamische Axiallast. Tatsächlich ist der limitierende Faktor nur die Elastizitätsgrenze der Kugellager! Solange die statische Belastung des Lagers unterhalb seiner Elastizitätsgrenze liegt, kommt es zu keiner dauerhaften Verformung der Lagerkugeln oder der Laufbahn. Ebenso kann eine Überschreitung der maximal empfohlenen Belastung zu einer bleibenden Verformung der Lagerkugeln und der Laufbahn führen, was zu einer verkürzten Lebensdauer und erhöhten Geräuschen und Vibrationen des Lagers führt.

Abbildung 7: Kraftverlauf bei einer Einpressmontage (Welle mit dem vorderen Kugellager-Innenraum verklebt).

Ein weiterer zu berücksichtigender Unterschied besteht darin, ob die Welle des Motors beim Einpressen abgestützt werden kann, wie in Abbildung 7 dargestellt. Bestimmte Motoren sind geschlossen oder mit einem Encoder auf der Rückseite ausgestattet, der den Zugang zur Motorwelle verhindert. Ohne Unterstützung wird die beim Einpressen aufgebrachte Kraft direkt auf das vordere Kugellager übertragen, dessen Innenlaufbahn normalerweise mit der Motorwelle verklebt ist, um die axialen Belastungen aufzunehmen. Die Abstützung der hinteren Welle ermöglicht eine höhere Kraft beim Einpressen, da der Kraftfluss durch die Motorwelle und nicht durch die Lager erfolgt.

Bedenken Sie: Übermäßige statische Axiallasten können die Kugellager eines Motors dauerhaft beschädigen und sich negativ auf dessen Lebensdauer, Geräuschentwicklung und Vibrationen auswirken.

Wir haben eine Auswahl von Anwendungen und Beispielen untersucht, bei denen neben der normalerweise vorhandenen Drehmomentbelastung noch andere Kräfte auf einen Motor einwirken. Am häufigsten sind radiale und axiale Belastungen, die im Hinblick auf ihre Auswirkungen auf einen Motor und den Motorauswahlprozess berücksichtigt werden müssen. Ein engagierter Anbieter von Bewegungslösungen wie Portescap unterstützt Kunden bei der Berechnung der Belastungen, denen ein Motor in einer bestimmten Anwendung ausgesetzt ist, und ist bestens gerüstet, um die am besten geeignete Bewegungslösung zu entwickeln, die die Anwendungs- und Geräteanforderungen erfüllt – und sogar übertrifft.

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