关于电机的讨论

wgary

应该跟磁场有关

EnochGo

首先说结论吧，电机手册的惯量跟出力轴尺寸无关。你可以转变下思路，把这几个物理量跟实际运动联系起来，这个是在中学就教到的方法。

线性运动---《力》                     ---【*质量*】【---线速度--- 线加速度---动量】
旋转运动---《扭矩//力矩//转矩》---【*惯量*】【---角速度---角加速度---角动量】

这两组可以说是在概念上高度对照，我用印象中的知识来解释一下：
     对于线性运动，质量是一个关于保持静止/匀速线性运动的特性，力是改变运动状态的条件【大白话：质量越大也就是东西越重，想要让他动起来，或者让他刹住车，需要的力就越大】这个就是我们经常说的惯性，质量可以看作惯性的一个指标；
     对于旋转运动，惯量是一个关于保持静止/匀速圆周转动的特性，而力矩则是改变旋转运动状态的条件【大白话：惯量好比在圆周运动里的质量，想要保持静止或者让他停转，惯量越大，需要的力矩就越大】对照上一节说的物体在线性运动中的惯性问题，在旋转运动中，惯量还有一个名称叫惯性矩；

     再回到如何看待电机的惯量问题。实际上惯量的单位已经排除了尺寸的影响，在不特意说明的情况下，惯量是指物体沿着它自己的质量中心旋转时的一个特性。举个例子：如果两个物体的惯量相同，它的外形不一定一致，可能一个轻一些但尺寸更大，而另一个中一些但尺寸更小。但对于他们而言，想要达到同样的运动状态（假设受力一致），需要的力矩其实都是一样的。
     看到这里是不是感觉有点跟质量联系变弱了，好像更复杂了？实际上这两者还是强相关，区别在于要明白旋转运动相对线性运动多了一个条件，转动中心。我们在处理线性运动的时候，已经把一个立体的受力对象抽象成一个质点，所有的质量都集中在这个点上，这个点在一条线上来回跑动，这个就是线性运动。那么到了旋转运动，我们把原本只在一条线上运动的点，放到一个需要考虑上下左右的平面上，在这个平面上，物体相对于某一个点在做旋转，假设转速是60r/min，如果我保持这个中心不变，把这个物体不断地拉远，那我们需要让他保持同样的转速，是不是需要的力矩就越来越大。
     这里就引申出来我们在机构惯量匹配中的两个问题。
     1、对于电机而言，手册上标出来的惯量就是相对轴心，它本身的结构我们已经不关心了；
     2、对于我们设计的执行端，根据丝杠/带传动等等，质量相对于转动中心的分布是复杂，加上减速比影响，电机转一圈，后面的结构并不是对应一圈。
    所以在计算惯量比时，我们多了一步《折算到电机轴》。《折算到电机轴》其实就是根据我们后面设计的结构特征，把原本复杂的运动统一成在电机轴这一个旋转中心的旋转运动。
    【大白话：不管多复杂，我先把它当成一边是电机，另一边是折算后的负载，两个在一根轴上连着，电机转一圈，折算后的负载也转一圈】那么在这种情况下，如果电机的惯量太小，那是不是电机刹住了，轴那边的负载还能拉着电机再转一下？这个就又回到我们开头，把惯量跟质量联系到一起，一个小质量的物体跟一个大质量的物体，用一根刚轴连在一起，如果是小马拉大车，那是不是小马停下来的时候，大车往前一顶，能把小马戳死？反而言之，如果是大马拉小车，大马刹住了，小车往前一顶，大马什么感觉都没有，轻轻松松。
     这个折算的具体的公式我就不赘述了。另外再偏题一下，惯量比（负载/电机）为什么一直都是大于1，也就是我们一直用小马拉大车，而且还得算一下小马能多小。为什么不拿大马拉小车呢？这个解释其实大家都能想到的，钱！小马自己也要跑，它跑起来也要看自己的惯量，我们在执行段随便放点小东西，他可能离电机轴稍微远一些，对于电机来说就是很大的惯量了。而这么大一个惯量，我电机本身的惯量还想比你大的话，那我不是得选一个巨无霸电机，相对的功率跟工艺导致造价是好几十倍，这个怎么可以。当然我不排除有大马拉小车的情况，但是好比大伙做工挣口吃的一样，老板肯定想少粮多出力嘛。
    分享一下，像我在匹配惯量比的时候，第一步就是先找到a《电机的惯量》，这个就是放在轴左边的【小马】。第二步是分析执行结构的质量分布情况，根据公式计算负载折算到减速机这里的惯量多大，第三步就是检查减速比，计算出来《负载惯量/（减速比的平方）》，这个就是b《折算到电机轴的惯量》，而这个b才是我们说的【大车】。最后一步就是计算惯量比=b/a，检查下到底合不合适。（关于匹配问题，这个可以看论坛上的帖子，讲的特别到位http://www.cmiw.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=477980）
    再讨论下之前看到的一些问题，减速机的惯量，联轴器的惯量怎么处理？
    对于减速机，一般情况下，很多厂商根本不会提供他们产品的惯量，想要计算都无从入手。但是如果有提供，这个惯量应该是相对于输入端而言，也就是要b=《负载惯量/（减速比的平方）》+《减速机惯量》。
    对于联轴器，要看情况，如果一个小扭矩的场合，用的一个铝合金联轴器几百克，然后我们联轴器放在哪里？放在减速机后面，也就是如果考虑的话，现在的b=《负载惯量/（减速比的平方）》+《联轴器惯量/（减速比的平方）》，后面这个值只有在联轴器本身很大体积很大质量，它才是一个需要我们注意的值。这个处理方法，其实还是我们常用的，依据精度需求，适当地忽视一些因素影响。
    综上，这个是我本人对惯量的一份理解，请各位机友过目斧正。

补充内容 (2024-8-11 13:59):
惯性矩的叫法其实我不太赞同，很容易跟抗弯的I混淆。从个人观点，我们在经典力学里面用的F=ma，m叫做《惯性质量》，而对于旋转运动公式的T=Jα（阿尔法），J叫做《质量转动惯量》是比较好的对比。

补充内容 (2024-8-12 16:24):
@599142655提到的是一个应用问题，也是从能量角度去看待质量m和惯量J。
能量才是运动的核心，相同的运动速度，质量越大动能越大。这个准则是线性+旋转运动都适用。

补充内容 (2024-8-12 16:26):
对比两者的公式组，不难发现旋转运动多了一个尺寸指标，质量是kg，惯量是kg*m^2，这个m^2其实是旋转中心到物体的一个尺寸。
抽象一点，可以说旋转运动是线性运动的升维，从这个方面去理解也更容易看出两者的统一

补充内容 (2024-8-12 17:13):
今天还看到惯量比折算时减速比的影响。
提供一个角度，还是一端电机一端负载的模型。想象下没有减速比，那么电机一圈负载一圈。引入减速比后，电机1圈负载0.2圈，相当于负载的旋转半径变小5倍，旋转更集中了。

EnochGo

EnochGo 发表于 2024-8-11 11:03
首先说结论吧，电机手册的惯量跟出力轴尺寸无关。你可以转变下思路，把这几个物理量跟实际运动联系起来，这 ...

    后话，惯量计算方法，惯量单位是kg*mm^2，相同质量的物体，如果我们让他沿着不同的中心转动，这个物体的质量中心到旋转中心的距离，就干系到物体的惯量。楼主被电机出力轴尺寸困扰的一点，就是少了一步共识，手册上的电机惯量，就是认为电机沿轴线旋转这个运动中，电机本身的一个惯量特性。
    同样对比线性运动中的质量，为什么质量那么简单，而惯量很容易混淆呢？因为对于线性运动，物体只能有一种运动，无论是往左边跑还是右边跑，我都是在一条线上。而对于旋转运动，我们如果只在一个平面上看，物体可以自己转圈圈，也可以围着a点转，还可以围着b点转，这个旋转中心就干系到惯量的计算。

EnochGo

@逐梦2020
如果是说电机本身运转的加减速特性，确实跟它的惯量有关。
但是我们放在传动设计里面去考虑，其实加减速时间是有一个大概的范围，这个范围我们公司内部一般定在0.3-0.8s之间，这个是电气部门去给定的一个标准。我这边其实偏结构工作，所以没有细究这个数值的测试方法。我在网上看到一些网友分享的也大概在0.1-1s之间，这个主要是两方面，一个是电机加速一般是超额定扭矩工作，过大的加速时间是一个异常的工况。另外一个是受限于电机本身特性，以及控制器的问题，加速时间没办法无限短。
至于你说的加减速时间怎么确认，我们一般都是选0.5，然后根据这个加减速时间+负载行程要求，去初步选型电机选型结构，然后根据运动曲线去核算瞬时功率，如果瞬时功率没有超出我们的标准（小于3倍的额定功率）。那么下一步检查下这个运动曲线下的总耗时，如果耗时太高，那就尝试下探加速时间，改成0.3s看末端执行结构能不能达到设计要求。
当然这部分只是设计计算，后面还要校核强度，这个过程不是一步步来的，满足不了一个指标就回头看哪里可以改，换电机改减速比去匹配惯量，结构尺寸放大来保证强度。
这个设计模式其实是很标准的机械手册设计方法，搞机这一行，很多东西不懂的话，静下心去消化手册里的内容是最好的，当然还要结合实际环境，有条件就是做测试去验证。

hl90

步进电机的零件结构，电机的永磁铁是粘在轴上的，很牢固，我用的80的大锤砸出来的

走在大路上

要精确，分别算求和

栖格玛

轴的尺寸会影响惯量，但是电机厂家在设计之初会把转子和轴的惯量考虑进去，在选型的时候按负载惯量匹配即可

加肥猫devil

步进电机选型手册上就有电机本身的惯量啊，不需要管轴粗多少，这个惯量是包含了转子和轴的吧，供应商是提供的，我们只需要算自己工况的惯量然后去比对就可以了。

温岭第一机械师

楼上有个大佬  学习一下

599142655

一般只有伺服系统才会考虑惯量。因为伺服系统要控制精度，需要尽快完成运动。加速和减速时间都有要求。普通电机一般定速都是连续运行。只要功率够大就行。不用考虑减速。