行星减速机的惯量计算分为两部分:
减速机自身的转动惯量(作为一个整体部件)。
通过减速机折算的负载总惯量(系统级计算)。
一、 行星减速机自身的转动惯量
这个值通常不需要用户自己计算,而是由制造商在其产品样本或技术手册中直接提供。
定义:指行星减速机的输出轴(低速侧)从静止加速到额定转速时,其内部所有旋转部件(齿轮、行星架、轴承、轴等)所表现出的总转动惯量。
关键点:
样本参数:在手册中,它通常标注为 “转动惯量 J” 或 “Moment of Inertia”,单位是 kg·m² 或 kg·cm²。
参考位置:务必确认这个数值是折算到输入轴(电机侧)还是输出轴。绝大多数知名品牌(如Neugart、Flender、赛威、新宝)提供的都是折算到输入轴(电机侧)的惯量值 Jgear_in,因为这便于与电机惯量直接相加。
为什么是折算到输入轴?
因为在伺服系统建模时,所有惯量都需要统一折算到电机轴上进行计算。减速机的 Jgear_in 可以直接与电机转子惯量 Jm 相加。
二、 通过行星减速机折算的负载总惯量(核心系统计算)
这是伺服选型中最关键的计算步骤。目的是求出 “电机轴需要驱动的全部惯量总和”。
核心原理:能量守恒与速比平方关系
负载的动能必须与电机轴上的动能等效。对于减速机,存在以下关系(重要公式):
Jreflected=Jloadi2
其中:
Jreflected :负载惯量折算到电机轴后的等效惯量 (kg·m²)
Jload :负载在输出轴侧的实际转动惯量 (kg·m²)
i :行星减速机的减速比(大于1,例如10,50)
这个公式意味着:减速比能将负载惯量以平方关系大幅减小。这是使用减速机驱动大惯量负载的核心优势。
系统总惯量计算步骤
假设系统由 伺服电机 + 行星减速机 + 负载 构成。
确定各部件惯量:
Jm:电机转子的转动惯量(从电机手册查得)。
Jgear_in:减速机自身的转动惯量(折算到输入轴,从减速机手册查得)。
Jcoupling:联轴器的转动惯量(折算到电机轴)。
Jload:负载在输出轴上的实际转动惯量(通过几何形状和重量计算)。
将输出侧所有惯量折算到电机轴:
负载惯量折算:Jload_reflected=Jloadi2
如果还有其他直接安装在输出轴上的部件(如一个大转盘),其惯量也需要同样除以 i2。
计算电机轴总惯量:
Jtotal=Jm+Jcoupling+Jgear_in+Jloadi2
注意:这里 Jgear_in 已经是折算到输入轴的值,所以无需再除以 i2。
三、 计算实例
场景:驱动一个大型回转工作台。
伺服电机:转子惯量 (0.0005 kg·m²)
行星减速机:减速比 i=10,其自身输入轴惯量
联轴器(电机与减速机间):惯量
工作台负载:计算得到其绕自身旋转轴的惯量
计算:
负载惯量折算:
Jload_reflected=12102=12100=0.12
电机轴总惯量:
计算惯量比(评估动态性能的关键):
惯量比=Jtotal−JmJm=0.12065−0.00050.0005≈0.120150.0005≈240.3
或者更常见地,使用 负载总惯量 / 电机惯量:
惯量比≈0.120150.0005≈240.3
分析:惯量比高达240,远超出普通伺服电机(通常要求<10)的能力范围。这说明:
电机选型严重错误,无法驱动如此大的负载。
减速比选择可能过小。
解决方案:选择更大减速比的行星减速机。
若改用 i = 50 的行星减速机(假设其 Jgear_in 相近),则:
Jload_reflected=12502=122500=0.0048Jtotal≈0.0005+0.00003+0.00012+0.0048=0.005惯量比≈0.00545−0.00050.0005≈9.9
此时惯量比降至约10,进入可接受范围。此例清晰展示了行星减速机通过增大减速比来平方级降低负载惯量的核心价值。
四、 总结与要点
获取数据:从手册直接获取 Jgear_in(减速机输入轴惯量)和 减速比 i。
核心公式:负载惯量折算公式 Jreflected=Jload/i2。
总惯量计算:Jtotal=Jm+Jcoupling+Jgear_in+Jload/i2。
评估标准:计算 惯量比(负载总惯量/电机转子惯量)。对于高响应应用,目标通常<5~10。
调整手段:如果惯量比过大,优先考虑增大行星减速机的减速比,这是最有效的解决方法。其次才是选择更大惯量的电机(但成本高、响应慢)。
利用工具:几乎所有主流伺服和减速机品牌都提供在线选型软件,只需输入负载参数,软件会自动计算总惯量、推荐型号并验证惯量比,强烈推荐使用。