Двигатель постоянного тока или мотор-редуктор: какой из них подходит для вашего применения?

Стандартный двигатель постоянного тока вращается быстро, но создает низкий крутящий момент. мотор-редуктор объединяет тот же двигатель постоянного тока с коробкой передач, чтобы обменивать скорость на крутящий момент . Если вашему приложению необходимо поднять, тянуть или повернуть что-либо под нагрузкой на низких оборотах, мотор-редуктор почти всегда будет лучшим выбором. Если вам нужно высокоскоростное вращение при небольших нагрузках (например, охлаждающий вентилятор), обычный двигатель постоянного тока подойдет и стоит дешевле.

На самом деле путаница между этими двумя понятиями заключается не в том, какой из них «лучше». Речь идет о согласовании мощности двигателя с механическими требованиями работы. Ниже приводится практическое описание того, чем они отличаются, где каждый из них подходит и как подобрать размер. небольшой мотор-редуктор правильно с первого раза.

Что на самом деле отличает двигатель постоянного тока от мотор-редуктора

Двигатель постоянного тока напрямую преобразует электрическую энергию во вращательное движение. Его выходной вал вращается с любой скоростью, которую обеспечивает внутренняя обмотка двигателя и напряжение — часто от 3000 до 12000 об/мин для небольших хобби и промышленных двигателей. Это быстро, но крутящий момент на валу низкий, потому что здесь нет механического преимущества.

Мотор-редуктор берет тот же вращающийся вал и пропускает его через зубчатую передачу — прямозубые, планетарные или червячные передачи — прежде чем выходная мощность достигнет конечного вала. Каждая ступень передачи пропорционально снижает скорость и увеличивает крутящий момент. Двигатель, который естественным образом вращается со скоростью 10 000 об/мин, может выйти из коробки передач 100:1 всего лишь со скоростью 100 об/мин, но с примерно В 100 раз больше крутящего момента (минус механические потери, обычно 10-20%).

Почему этот компромисс важен на практике

Крутящий момент — это то, что на самом деле выполняет механическую работу — вращение колеса против трения, подъем ворот или движение конвейерной ленты. Голый двигатель постоянного тока, вращающийся на высоких оборотах с низким крутящим моментом, остановится в тот момент, когда встретит реальное сопротивление. Снижение скорости — вот что делает тот же двигатель способным перемещать что-то с массой и грузом позади него.

Параллельное сравнение основных характеристик

В таблице ниже показаны типичные диапазоны производительности небольшого двигателя постоянного тока на 12 В в сравнении с тем же двигателем, оснащенным редуктором.

Типичное сравнение выходной мощности небольшого двигателя постоянного тока на 12 В до и после редуктора
Спецификация	Стандартный двигатель постоянного тока	Малый мотор-редуктор
Скорость без нагрузки	8000–10000 об/мин	80-150 об/мин
Крутящий момент сваливания	0,5-1,5 кг·см	30-80 кг·см
Типичная эффективность	75-85%	60-75%
Физический размер	Компактный	Длиннее (добавлена коробка передач)
Стоимость единицы	Нижний	на 20-60% выше

Обратите внимание, что КПД падает с увеличением передаточного числа , поскольку каждая дополнительная ступень редуктора вносит потери на трение. Коробка передач 10:1 может сохранить КПД 85%, а планетарная коробка передач 300:1 может упасть до 50-60%.

Когда простой двигатель постоянного тока — правильный выбор

Пропустите коробку передач, если приложению требуется скорость больше, чем сила, а груз легкий или уже свободно вращается. Общие случаи использования включают в себя:

Охлаждающие вентиляторы и воздуходувки, целью которых является воздушный поток, а не крутящий момент.
Маленькие дроны и пропеллеры радиоуправляемых машин
Вибромоторы в телефонах и носимых устройствах
Высокоскоростные шпиндели для таких инструментов, как дисковые фрезы или дрели.
Приложения, в которых уже используются внешние зубчатые передачи или ремни в других частях системы.

В этих случаях добавление редуктора только увеличивает стоимость, размер и механические потери без какой-либо реальной выгоды.

Когда небольшой мотор-редуктор стоит дополнительных затрат

Небольшой мотор-редуктор получает более высокую цену, когда нагрузка сопротивляется движению, а это означает, что для начала или поддержания движения требуется реальная сила. Типичные сценарии включают в себя:

Роботизированные руки и приводы, которым необходимо поднимать или удерживать фиксированное положение под нагрузкой.
Системы автоматизации окон и дверей, включая устройства открывания ворот
Конвейерные системы, перемещающие продукт с помощью трения
Подвесы камеры и механизмы поворота и наклона, требующие точного и медленного движения.
Торговые автоматы и механизмы выдачи
Инвалидные коляски и мобильные устройства с батарейным питанием

Реальный пример определения размеров

Рассмотрим небольшой сустав роботизированной руки, которому необходимо поднять груз массой 500 г на радиусе 5 см. Для этого требуется примерно крутящий момент 25 кг·см в суставе. Голый двигатель постоянного тока, создающий крутящий момент в 1 кг·см, просто не сможет этого сделать — он немедленно заглохнет. Сопряжение того же двигателя с коробкой передач 30:1 увеличивает полезный крутящий момент примерно до 25-27 кг·см (что составляет 15 % механических потерь), что вполне соответствует диапазону. Именно этот расчет отделяет работающую конструкцию от сгоревшего мотора.

Как выбрать правильное передаточное число

Выбор передаточного числа не является догадкой — он напрямую зависит от ваших требований к крутящему моменту и скорости. Используйте этот основной процесс:

Рассчитайте крутящий момент, необходимый на выходном валу, исходя из веса груза и расстояния между плечами рычага.
Проверьте крутящий момент и скорость холостого хода базового двигателя по его техническим характеристикам.
Разделите требуемый крутящий момент на номинальный крутящий момент двигателя, чтобы оценить минимальное необходимое передаточное число.
Добавьте запас прочности в 20–30 %, чтобы учесть потери в редукторе и избежать работы двигателя в условиях остановки.
Убедитесь, что полученная скорость вывода по-прежнему соответствует требованиям синхронизации вашего приложения.

Работа двигателя слишком близко к моменту опрокидывания постоянно приводит к перегреву и преждевременному выходу из строя. Большинство малогабаритных мотор-редукторов работают лучше всего при работе с крутящим моментом 50–70 % от номинального крутящего момента. , оставляя запас для изменения нагрузки.

Распространенные ошибки при выборе между двумя

Несколько повторяющихся ошибок встречаются в DIY-проектах и даже в некоторых коммерческих проектах:

Выбор двигателя на основе только напряжения и числа оборотов, полностью игнорируя требования к крутящему моменту.
Предполагая, что более высокое передаточное число всегда безопаснее — чрезмерное понижение снижает эффективность и увеличивает ненужные размеры и стоимость.
Не учитывается люфт в более дешевых редукторах, который приводит к неточности позиционирования в прецизионных приложениях.
Игнорирование рабочего цикла — мотор-редуктор, рассчитанный на периодическое использование, перегреется при непрерывной работе.

Проверка таблицы данных производителя как по крутящему моменту при остановке, так и по номинальному крутящему моменту позволяет избежать большинства этих проблем до завершения разработки проекта.