Servomotor selecteren: de belangrijkste factoren voor dimensioneren

Hoe moet je een servomotor selecteren? De servomotor is de drijvende kracht van een nauwkeurige mechanische beweging en heeft daarom een belangrijk aandeel in het functioneren en presteren van veel applicaties. De selectie is afhankelijk van een veelheid factoren, de belangrijkste bespreken wij in dit artikel.

Servomotor selecteren: dimensioneren van een servomotor

Een servomotor selecteren voor een motion control applicatie is een iteratief proces. Je moet niet alleen rekening houden met het bewegingsprofiel van de applicatie, maar ook met het vermogen van de servomotor om de snelheid, positie of het koppel van de applicatie binnen de specificaties te regelen. Daarbij moet rekening gehouden worden met eigenschappen en omgevingscondities om uiteindelijk een optimale keuze te kunnen maken. We lopen de volgende factoren langs:

Torque-speed curve
Massatraagheidsverhouding
Nauwkeurigheid
Efficiëntie en koeling
Mechanische motor constructie
Last controle bij verticale belasting
Omgevingscondities

De torque-speed curve van een servomotor

Om een juiste selectie van een servomotor uit te kunnen voeren moet als eerste de totale systeem opzet van de applicatie bekend zijn. Deze bestaat uit de mechanische constructie met alle bewegende onderdelen. Van de bewegende onderdelen die moeten worden aangedreven door de servomotor moet de massa of massatraagheid bepaald worden. Samen met het gewenste bewegingsprofiel van de applicatie kunnen de gewenste koppels en snelheden worden bepaald die de servomotor moet kunnen leveren. Daarbij moet rekening gehouden worden met eventuele externe verstoringskoppels.

Een aantal belangrijke parameters van een servomotor worden weergegeven in de torque-speed curve.

De groene lijn in de curve is de nominale torque/speed lijn. Wordt de servomotor continue belast in koppel en snelheid op deze lijn dan zal de servomotor bij een gedefinieerde omgevingstemperatuur niet boven zijn maximale temperatuur uit komen. De rode lijn geeft de begrenzing aan van de servomotor in koppel en snelheid. Onder geen voorwaarde mag het koppel of snelheid buiten deze curve komen. Deze curve wordt veelal begrenst door de spanning en stroom van de servoregelaar.

Om de juiste servomotor te selecteren moet het piekkoppel en de bijbehorende snelheid worden berekend. Dit punt moet zoals gezegd binnen de rode lijn liggen. Daarnaast moet het effectieve koppel worden berekend over de totale bewegingscyclus. Dit effectieve koppel samen met de bijbehorende snelheid moet binnen de groene lijn liggen.

Massatraagheidsverhouding servomotor

Bij het dimensioneren van een servomotor moet in de meeste gevallen rekening worden gehouden met de massatraagheidsverhouding. Dit is de verhouding tussen de massatraagheid van de belasting JL en de massatraagheid van de servomotor Jm. De massatraagheidsverhouding = JL/Jm. Een vuistregel bij roterende servomotoren is dat deze verhouding kleiner is dan 10. Al is dit van meerdere factoren afhankelijk, zoals het gewenste dynamische gedrag, de mechanische stijfheid van de aandrijving en eventueel aanwezige speling.

Bij een aandrijving met een hoge mechanische stijfheid en “nul” speling kan een massatraagheidsverhouding gekozen worden die veel groter is. Bij direct gekoppelde servomotoren zoals torque-motoren kan een massatraagheidsverhouding worden gekozen die veel groter is dan 100.

Om de massatraagheid van de belasting die de servomotor aandrijft te verlagen wordt gebruik gemaakt van een tandwiel reductor. Bij servosystemen is dit meestal een planetaire reductor. Door het toepassen van een reductor wordt het uitgaande koppel verhoogd, het toerental verlaagd en de massatraagheid verlaagd.

Ondersteuning bij selecteren servomotor

VARIODRIVE heeft jarenlange ervaring met de selectie van servomotoren voor motion control applicaties. Onze partnership met exclusieve merken zoals bijvoorbeeld Parker maakt dat onze kennis en mogelijkheden voor aanpassing ongeëvenaard zijn. Samen met onze klanten werken wij aan het ontwerp en de selectie van het optimale motion control systeem voor hun applicatie. Weten hoe dat er voor jou uit zou zien? Neem contact op via sales@variodrive.nl of bel ons op 0186-636280. We staan klaar om je te helpen.

Nauwkeurigheid van een servomotor

Een belangrijke eigenschap van een servomotor is dat deze een bepaalde last binnen een gedefinieerde nauwkeurigheid kan positioneren, op positie te houden en het koppel en of snelheid kan regelen. Om de gewenste specificaties, voor wat betreft absolute, relatieve en herhalingsnauwkeurigheid te kunnen behalen is het belangrijk de juiste type servomotor te selecteren met de juiste meetsystemen. Buiten de servomotor en het meetsysteem hebben ook de servoregelaar en de mechanica invloed op de nauwkeurigheid. Het beste resultaat wordt dan ook verkregen door een mechatronische aanpak waarbij naar het totale systeem gekeken wordt en van daaruit de selectie te maken voor alle systeem componenten.

Servomotor: Efficiëntie en koeling

Servomotoren en met name borstelloze AC servomotoren hebben een zeer hoog rendement (>95%). Dit komt met name door het toepassen van sterke zeldzame aarde magneten die gemonteerd zijn op de rotor en compacte wikkelingen op de stator. De vermogensdichtheid van een servomotor is daarmee zeer hoog, wat ervoor zorgt dat een servomotor thermisch zeer warm kan worden. Wordt de servomotor continue belast op de groene lijn in de torque-speed curve dan is meestal de temperatuur verhoging gedefinieerd als b.v. +95^oC. bij een omgevingstemperatuur van 21^oC wordt de servomotor 116^oC. Mocht de motor nominaal hoger belast moeten worden, dan is eventueel een mogelijkheid om gebruik te maken van geforceerde luchtkoeling of eventueel waterkoeling. Het komt zelfs voor dat servomotoren geheel gevuld in de olie draaien.

Mechanische servomotor constructie

Een servomotor bestaat uit een statorhuis en een rotor die gelagerd zit in het statorhuis. De rotor en daarmee de lagers kunnen, afhankelijk van de toepassing, axiaal en radiaal belast worden. Deze krachten in combinatie met het toerental van de rotor moeten worden meegenomen voor het bepalen van de levensduur van de servomotor. Binnen de mechanische constructie van de servomotor moet ook rekening worden gehouden met de thermische uitzetting van de verschillende onderdelen die vaak van verschillende materialen gemaakt zijn.

Ondanks dat een servomotor zeer compact is kan het voordelen bieden om een servomotor ontwerp te maken dat volledig geïntegreerd is in het machine ontwerp. Dit worden uitgevoerd met frameless of kit motoren. Deze servomotoren bestaan uit een stator met wikkelingen en een rotor met magneten zonder as. Met deze componenten kan er een flexibele oplossing ontworpen worden voor de integratie van een servomotor. Dit geeft de mechatronisch ontwerper meer vrijheid en flexibiliteit om een optimale oplossing te realiseren.

Last controle bij verticale belasting

Als een last verplaatst moet worden in een verticale richting houdt de servomotor de last onder controle zolang de servomotor koppel levert.

Op het moment dat de servomotor geen koppel meer levert bijvoorbeeld doordat de servoregelaar is uitgeschakeld zal de last door de zwaartekracht naar beneden vallen. Om dit te voorkomen kan de servomotor worden uitgerust met een houdrem. Andere opties zijn om een zwaartekracht compensatie systeem toe te passen d.m.v. een pneumatisch cilinder, veren of een contra gewicht.

Omgevingscondities

Omdat een servomotor kan worden toegepast in veel verschillende processen moet bij het selecteren van een servomotor rekening gehouden worden met de omgevingscondities waarin deze zich bevindt. De eisen die gesteld worden aan een servomotor die wordt toegepast in een cleanroom zijn anders dan een servomotor die wordt toegepast binnen de voedselverwerkende industrie. Eisen die gesteld worden aan de mate van vervuiling, temperatuur, luchtvochtigheid, en hoogte waarop de servomotor wordt toegepast zijn bijvoorbeeld condities die van belang zijn voor het selecteren van de juiste servomotor.

Samen met VARIODRIVE

Met een uitgebreid assortiment servomotoren en de mogelijkheid om maatwerk aandrijfsystemen te leveren, is VARIODRIVE de ideale partner voor machinebouwers. Dankzij onze jarenlange ervaring en expertise op het gebied van aandrijftechniek, kan VARIODRIVE klanten helpen om de efficiëntie en prestaties van hun machines te verbeteren. Weten wat wij voor jou kunnen betekenen? Neem dan contact met ons op via sales@variodrive.nl of bel ons op 0186-636280. We staan klaar om je te helpen.