Wie sich Drehmoment, Radial- und Axiallast auf die Motorauswahl auswirken

Von Valentin Raschke, Anwendungsingenieur, Portescap | 29. August 2023

Die Suche und Auswahl eines Motors für eine bestimmte Anwendung kann oft eine Herausforderung sein, da viele potenzielle Faktoren berücksichtigt werden müssen. Dazu gehören unter anderem die für die Anwendung erforderliche Spannung, der maximale Strom und Durchmesser, die Geschwindigkeit, der Wirkungsgrad und die Leistung. Das Abwägen dieser Überlegungen mit anderen einzigartigen Anwendungsanforderungen wird dazu beitragen, die Auswahl des idealen Motors sicherzustellen, weshalb ein kollaborativer Ansatz zwischen den Teams für Antriebslösung und Konstruktionstechnik von Anfang an von entscheidender Bedeutung ist.

Wenn man sich zum ersten Mal an einen Lieferanten von Miniaturmotoren wendet, um Unterstützung bei der Motorauswahl zu erhalten, muss zunächst die Frage nach dem spezifischen Arbeitspunkt der Anwendung oder dem Drehmoment und der Drehzahl der Anwendung geklärt werden. Wenn Sie die Belastung des Motors kennen, können Sie die erforderliche Motorleistung und das erforderliche Motorzubehör bestimmen. Es ist auch wichtig zu besprechen, wie der Motor in die Anwendung integriert wird, da verschiedene Arten von Lasten einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit eines Motors oder auf das erforderliche Motordesign haben.

Wir werden die Drehmomentlast, die Radiallast und die Axiallast untersuchen. Dabei handelt es sich um drei verschiedene Arten von Lasten, die in gängigen Miniaturmotoranwendungen auftreten. Wir werden auch hervorheben, warum diese Lasten für den Motorauswahlprozess von entscheidender Bedeutung sind.

Drehmoment ist die Menge an Rotationskraft, die ein Motor während seines Betriebs erzeugt. Da der Zweck eines Motors typischerweise darin besteht, elektrische Energie (Pelec = Spannung x Strom) in mechanische Energie (Pmech = Drehmoment x Drehgeschwindigkeit) umzuwandeln, ist eine Drehmomentbelastung in fast jeder Anwendung für Rotationsmotoren vorhanden.

In den meisten Fällen reicht es nicht aus, einen Motor einfach anhand des erforderlichen Drehmomentwerts „x“ auszuwählen. 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. Das bedeutet, dass Sie vom Antriebslieferanten häufig aufgefordert werden, den genauen Bewegungszyklus anzugeben, den der Motor voraussichtlich durchlaufen wird. Dies ermöglicht die Analyse der maximalen Temperatur, die der Motor erreichen kann, bevor es zu einer Überhitzung kommt.

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

In bestimmten Anwendungen muss der Motor oder das Getriebe nicht nur ein bestimmtes Drehmoment zum Antrieb der Last bereitstellen, sondern auch eine Radiallast tragen, also eine Kraft, die radial auf die Motorwelle wirkt. Ein Beispiel hierfür ist ein Riementrieb, 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.

Die Radiallast ist aufgrund ihres Einflusses auf die Lageroptionen für die Motorauswahl relevant. Im Beispiel eines Bürsten-Gleichstrom- oder Schrittmotors gibt es zwei Standardlageroptionen: Gleitlager oder Kugellager. Gleitlager tragen typischerweise eine geringere Radiallast als Kugellager und bieten eine kürzere Lebensdauer. Dies wird durch die geringeren Kosten ausgeglichen. Abhängig von den Gesamtkosten des Motors kann die Verwendung von zwei Gleitlagern anstelle von Kugellagern die Kosten eines Motors erheblich senken. Bei Anwendungen wie Riemenantrieb und Membranpumpen, bei denen eine Radiallast vorhanden ist, 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.

Im Gegensatz dazu verwenden bürstenlose Gleichstrommotoren typischerweise zwei Kugellager, da sie im Vergleich zu Gleichstrom- oder Schrittmotoren mit viel höheren Drehzahlen angetrieben werden können. 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 und der Position ab, an der die Radiallast wirkt. Ein langer Motor mit übergroßen Kugellagern trägt typischerweise eine größere Radiallast als ein kürzerer Motor.

Es gibt zwei Arten von Axiallasten: dynamische Axiallast und statische Axiallast.

Wenn eine Anwendung eine 90°-Drehung der Drehbewegung bei geringerer Geschwindigkeit erfordert, kann ein Schneckengetriebe eine ideale Lösung sein. Ein Schneckengetriebe besteht aus einer Schneckenwelle mit Spiralgewinde, die vom Motor angetrieben wird. 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.

Gleitlager sind nicht für die Aufnahme erheblicher axialer Belastungen geeignet. Dies bedeutet, dass die Ausrüstung des Motors mit Kugellagern häufig vorgeschrieben ist. 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. Bei einer axialen Schubbelastung auf den Motor verringert sich die Vorspannung des vorderen Kugellagers; Dies kann zu zusätzlichem Radialspiel führen, was sich negativ auf die Lebensdauer, Vibration und Geräuschentwicklung des Motors auswirkt. Bei einer axialen Zuglast wirkt die Last in die gleiche Richtung wie die innere Vorspannung und erhöht so 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.

Beachten Sie, dass sich eine dynamische Axiallast je nach Richtung unterschiedlich auf die Lagerbaugruppe des Motors auswirkt. Bei übermäßigen Axiallasten über der empfohlenen Spezifikation müssen die Lageranordnung oder die Lager selbst verbessert werden.

Neben einer dynamischen Axialkraft, die während des Betriebs auf den Motor einwirkt, besteht auch die Möglichkeit, dass mindestens einmal während der Lebensdauer des Motors eine statische Axiallast auf die Welle ausgeübt wird. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn auf die Motorwelle des zusammengebauten Motors ein zusätzliches Bauteil (z. B. ein Ritzel) aufgepresst wird. Stoßbelastungen, etwa wenn der Motor in einem Handgerät verwendet wird und auf den Boden fällt, sind ein weiteres Beispiel dafür, dass statische Axialbelastungen auftreten können.

Im Beispiel eines mit Kugellagern ausgestatteten Motors liegt die empfohlene Grenze für einen Einpressvorgang typischerweise deutlich 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. Allerdings kann eine Überschreitung der maximal empfohlenen Belastung zu einer dauerhaften Verformung der Lagerkugeln und der Laufbahn führen, was zu einer verkürzten Lebensdauer und einem erhöhten Geräusch- und Vibrationspegel des Lagers führt.

Ein weiterer zu berücksichtigender Unterschied besteht darin, ob die Welle des Motors beim Einpressen abgestützt werden kann. Bestimmte Motoren sind geschlossen oder mit einem Encoder auf der Rückseite ausgestattet, der den Zugang zur Motorwelle verhindert. Ohne Unterstützung wird die beim Einpressen wirkende Kraft direkt auf das vordere Kugellager übertragen, dessen Innenlaufbahn üblicherweise 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.

Wir haben eine Auswahl von Anwendungen und Beispielen untersucht, bei denen neben der normalerweise vorhandenen Drehmomentbelastung noch andere Kräfte auf einen Motor einwirken. Die häufigsten davon sind radiale und axiale Belastungen, die hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf den Motor und ihres anschließenden Einflusses auf den Auswahlprozess des Motors berücksichtigt werden müssen. Ein engagierter Anbieter von Bewegungslösungen unterstützt Kunden dabei, das vollständige Bild der Belastungen, denen der Motor in einer bestimmten Anwendung ausgesetzt ist, korrekt zu erfassen, und ist daher bestens gerüstet, um die am besten geeignete Bewegungslösung zu entwickeln, die die Anwendungs-/Geräteanforderungen erfüllt (sogar übertrifft).