7.2: Классическая механика

Область классической механики включает изучение тел в движении, особенно физические законы, касающиеся тел, находящихся под воздействием сил. Большинство механических аспектов проектирования роботов тесно связано с концепциями из этой области. В данном блоке описываются несколько ключевых применяемых концепций классической механики.

СКОРОСТЬ — это мера того, насколько быстро перемещается объект. Обозначает изменение положения во времени (проще говоря, какое расстояние способен преодолеть объект за заданный период времени). Данная мера представлена в единицах расстояния, взятых в единицу времени, например, в количестве миль в час или футов в секунду.

ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ – Скорость может также выражаться во вращении, то есть насколько быстро объект движется по кругу. Измеряется в единицах углового перемещения во времени (то есть в градусах в секунду), или в циклах вращения в единицу времени (например, в оборотах в минуту). Когда измерения представлены в оборотах в минуту (RPM), речь идет о частоте вращения. Есть речь идет об об/мин автомобильного двигателя, это означает, что измеряется скорость вращения двигателя.

УСКОРЕНИЕ – Изменение скорости во времени представляет собой ускорение. Чем больше ускорение, тем быстрее изменяется скорость. Если автомобиль развивает скорость от 0 до 60 миль в час за две секунды, в этом случае ускорение больше, чем когда он развивает скорость от 0 до 40 миль в час за тот же период времени. Ускорение — это мера изменения скорости. Отсутствие изменения означает отсутствие ускорения. Если объект движется с постоянной скоростью — ускорение отсутствует.

СИЛА — Ускорение является следствием воздействия сил, которые провоцируют изменение в движении, направлении или форме. Если вы нажимаете на объект, это означает, что вы прикладываете к нему силу. Робот ускоряется под воздействием силы, которую его колеса прикладывают к полу. Сила измеряется в фунтах или ньютонах.

Например, масса объекта воздействует на объект как сила вследствие гравитации (ускорение объекта в направлении центра Земли).

КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ – Сила, направленная по кругу (вращение объекта), называется крутящим моментом. Крутящий момент — это вращающая сила. Если к объекту приложен крутящий момент, на границе первого возникает линейная сила. В примере с колесом, катящемся по земле, крутящий момент, приложенный к оси колеса, создает линейную силу на границе покрышки в точке ее контакта с поверхностью земли. Так и определяется крутящий момент — как линейная сила на границе круга. Крутящий момент определяется величиной силы, умноженной на расстояние от центра вращения (Сила х Расстояние = Крутящий момент). Крутящий момент измеряется в единицах силы, умноженной на расстояние, например, фунто-дюймах или ньютон-метрах.

В примере с колесом, катящемся по земле, если известен крутящий момент, приложенный к оси с закрепленным на ней колесом, мы можем рассчитать количество силы, прикладываемой колесом к поверхности. В этом случае, радиус колеса является расстоянием силы от центра вращения.

Сила = Крутящий момент/Радиус колеса

В примере с рукой робота, удерживающей объект, мы можем рассчитать крутящий момент, требуемый для поднятия объекта. Если объект обладает массой, равной 1 ньютону, а рука имеет длину 0,25 метра (объект располагается на расстоянии 0,25 метра от центра вращения), тогда

Крутящий момент = Сила х Расстояние = 1 ньютон х 0,25 метра = 0,25 ньютон-метров.

Это означает, что для удержания объекта в неподвижном положении, необходимо применить крутящий момент, равный 0,25 ньютон-метров. Чтобы переместить объект вверх, роботу необходимо приложить к нему крутящий момент, значение которого будет превышать 0,25 ньютон-метров, так как необходимо преодолеть силу гравитации. Чем больше крутящий момент робота, тем больше силы он прикладывает к объекту, тем больше ускорение объекта, и тем быстрее рука поднимет объект.

Пример 7.2

Пример 7.3

Для данных примеров, мы можем рассчитать крутящий момент, необходимый для подъем этих объектов.

Пример 7.2 — Крутящий момент = Сила х Расстояние = 1 ньютон х 0,125 метра = 0,125 ньютон-метров.

Для данного примера, длина рука равна половине длины руки из Примера 1, поэтому значение требуемого крутящего момента также в два раза меньше. Значение длины руки пропорционально значению требуемого крутящего момента. При равных исходных характеристиках объекта, чем короче рука, тем меньший крутящий момент необходим для подъема.

Пример 7.3 — Крутящий момент = Сила * Расстояние = 1 ньютон х 0,5 метра = 0,5 ньютон-метров.

Для данного примера, длина рука равна удвоенной длине руки из Примера 1, поэтому значение требуемого крутящего момента также в два раза больше.

Еще одна точка зрения относительно ограниченного крутящего момента в соединении руки робота заключается в следующем: более короткая рука сможет поднять объект большей массы, чем более длинная рука; однако, для первой доступная высота подъема объекта будет меньше, чем для второй.

Пример 7.4

Пример 7.5

Эти примеры иллюстрируют руку робота, поднимающую объекты разной массы. Какова взаимосвязь с требуемым количеством крутящего момента?

Пример 4 — Крутящий момент = Сила х Расстояние = ½ ньютона х 0,25 метра = 0,125 ньютон-метров.

Пример 5 — Крутящий момент = Сила х Расстояние = 2 ньютона х 0,25 метра = 0,5 ньютон-метров.

Эти примеры иллюстрируют уменьшение значения требуемого крутящего момента по мере снижения массы объекта. Масса пропорциональна крутящему моменту, необходимому для ее подъема. Чем тяжелее объект, тем больше крутящий момент, требуемый для его подъема.

Проектировщики роботов должны обратить внимание на ключевые взаимосвязи между значениями крутящего момента, длины руки и массы объекта.

РАБОТА – Мера силы, приложенной на расстоянии, называется работой. Например, для удерживания объекта необходимо 10 фунтов силы. Далее, чтобы поднять этот объект на высоту 10 дюймов, требуется определенное количество работы. Количество работы, требуемое для подъема объекта на высоту 20 дюймов, удваивается. Работа также понимается как изменение энергии.

МОЩНОСТЬ — Большинство людей полагает, что мощность является термином из области электрики, но мощность также относится и к механике.

Мощность — это количество работы в единицу времени. Насколько быстро кто-то может выполнить работу?

В робототехнике принято понимать мощность как ограничение, так как соревновательные робототехнические системы имеют ограничения в части выходной мощности. Если роботу требуется поднять массу в 2 ньютона (прилагая 2 ньютона силы), скорость подъема будет ограничиваться количеством выходной мощности робота. Если робот способен произвести достаточное количество мощности, он сможет быстро поднять объект. Если он способен произвести лишь малое количество энергии, подъем объекта будет производиться медленно (либо не будет производиться вообще!).

Мощность определяется как Сила, умноженная на Скорость (насколько быстро выполняется толчок при постоянной скорости), и обычно выражается в Ваттах.

Мощность [Ватты] = Сила [Ньютоны] х Скорость [Метры в секунду]

1 Ватт = 1 (Ньютон х Метр) / Секунда

Как это применяется в соревновательной робототехнике? К проектам роботов применяются определенные ограничения. Проектировщики соревновательных роботов, использующие систему проектирования VEX Robotics Design, также должны учитывать физические ограничения, связанные с применением электромоторов. Электромотор обладает ограниченной мощностью, поэтому он может производить только определенное количество работы с заданной скоростью.

Примечание: все перспективные концепции имеют базовое описание. Более глубоко обсуждать эти физические свойства учащиеся будут в процессе обучения в ВУЗах, если выберут область STEM в качестве направления обучения.

 

Ошибка

• Автомобиль — модели, марки
• Устройство автомобиля
• Ремонт и обслуживание
• Тюнинг

• Аксессуары и оборудование
• Компоненты
• Безопасность
• Физика процесса

• Новичкам в помощь
• Приглашение
• Официоз (компании)
• Пригородные маршруты

• Персоны
• Наши люди
• ТЮВ
• Эмблемы

•  
• А
• Б
• В
• Г
• Д
• Е
• Ё
• Ж
• З
• И
• Й
• К
• Л
• М
• Н
• О
• П
• Р
• С
• Т
• У
• Ф
• Х
• Ц
• Ч
• Ш
• Щ
• Ъ
• Ы
• Ь
• Э
• Ю
• Я

Навигация

• Заглавная страница
• Сообщество
• Текущие события
• Свежие правки
• Случайная статья
• Справка

Личные инструменты

• Представиться системе

Инструменты

• Спецстраницы

Пространства имён

• Служебная страница

Просмотры

Перейти к: навигация, поиск

Запрашиваемое название страницы неправильно, пусто, либо неправильно указано межъязыковое или интервики название. Возможно, в названии используются недопустимые символы.

Возврат к странице Заглавная страница.

Если Вы обнаружили ошибку или хотите дополнить статью, выделите ту часть текста статьи, которая нуждается в редакции, и нажмите Ctrl+Enter. Далее следуйте простой инструкции.

Как рассчитать крутящий момент электродвигателя 2023

Лорен Нагель

Опубликовано: 21 июня 2022 г. Последнее обновление 21 июня 2022 г. Его можно использовать для расчета механической мощности и получения электрической мощности. Для дронов и электрических самолетов знание крутящего момента также позволяет рассчитать КПД двигателя отдельно от КПД остальной части системы.

В этой статье мы будем:

• Использовать формулу крутящего момента электродвигателя для расчета крутящего момента бесщеточного двигателя
• Экспериментальная проверка нашего расчета на испытательном стенде серии 1580.

Рис. 1. Испытательный стенд серии 1580 с бесщеточным двигателем

Как же рассчитать крутящий момент электродвигателя?

Допустим, мы хотим узнать крутящий момент нашего двигателя Xoar 2407.

Вот что мы знаем:
• Вес: 36 г
• КВ: 2300 КВ
• Размеры статора: 24 x 7 x 0,15 мм
• Конфигурация: 12N14P

Здесь нет ничего полезного для расчета крутящего момента, поэтому давайте рассмотрим некоторую справочную информацию.

Крутящий момент двигателя связан с несколькими переменными, но наиболее важным для расчета крутящего момента является ток.

Крутящий момент электродвигателя Формула:

«Kt» — это коэффициент крутящего момента двигателя, единицами измерения которого являются Н·м/А (ньютон-метры на ампер). Kt — это отношение крутящего момента к току, и эта зависимость не является идеально линейной.

Сам по себе этот коэффициент не очень полезен для нас, но мы можем использовать предположение, что Kt = 1/Kv, а Kv — это число, которое у нас есть.

Допустим, мы хотим подать на наш двигатель ток 20 А. Мы можем использовать это число и Kv нашего двигателя для расчета теоретического крутящего момента.

Kv двигателя обычно выражается в об/мин/В, но для того, чтобы он работал в нашей формуле, нам нужны единицы СИ, в данном случае (радианы/секунды)/вольты. Для преобразования мы разделим 2300 на 60 с и умножим на 2π.

Более точное объяснение значения Kv двигателя см. в нашей статье: Как рассчитать Kv двигателя

Теперь мы можем подставить наше значение SI Kv в нашу формулу крутящего момента двигателя:

Эта цифра кажется разумной, но нелинейность, вызванная ESC и двигатель могут означать, что теоретические результаты не обязательно отражают реальность. Обычно мы ожидаем разницу в 10–50 % между теоретическим значением и измеренным значением.

Обратите внимание, что это уравнение работает в предположении, что зависимость между крутящим моментом и током является линейной, что не соответствует действительности, поэтому вычисленный крутящий момент не будет абсолютно точным.

Давайте подключим двигатель к нашему испытательному стенду и посмотрим, насколько близко мы подошли к нашему теоретическому значению.

Рис. 2. Испытательный стенд серии 1580 с бесщеточным двигателем и пропеллером

Мы использовали испытательный стенд для проведения простого пошагового испытания, проводя измерения, когда система достигала 20 А. Результаты этого испытания приведены ниже. Рис. 3. Крутящий момент в сравнении с текущими результатами

Как видите, вопреки тому, что предлагает формула, зависимость между током и крутящим моментом не является линейной. Это связано с потерями от ESC и двигателя.

Эти данные показывают, что расчеты крутящего момента могут дать нам только оценку истинного крутящего момента, создаваемого двигателем. Чтобы получить точные данные о крутящем моменте, вам нужен инструмент для его измерения.

Мы знали об этой дилемме в течение достаточно долгого времени, поэтому мы разработали наши стенды для испытаний двигателей, чтобы пользователи могли собирать высокоточные данные о двигателях. В дополнение к измерению крутящего момента наши испытательные стенды также измеряют тягу, число оборотов в минуту, электрическую мощность, механическую мощность, эффективность двигателя и ESC, эффективность гребного винта и общую эффективность системы.

Дополнительная литература: Анализ мощности и эффективности бесщеточного двигателя

Если у вас есть дополнительные вопросы, не стесняйтесь оставлять нам комментарии ниже.

3 ответа

Оставить комментарий

Комментарии будут проверены до появления.

Связанные записи в блоге

Сравнение эффективности двигателей переменного и постоянного тока и двигателей постоянного тока BLDC

Как рассчитать и измерить тягу винта

Статическое и динамическое тестирование при измерении данных

Крутящий момент (момент)

Силу можно рассматривать как толчок или тянуть в определенном направлении. Когда к объекту прилагается сила, результирующее движение объекта зависит от того, где сила приложена и как объект ограничен. Если объект не ограничен и сила приложена через центр гравитации, объект движется в чистом перевод, как описано Ньютоном законы движения. Если объект заключен (или закреплен) в каком-либо месте, называемом стержень , объект вращается про стержень, но не переводит. Усилие передается через шарнир а детали вращения зависят от расстояния от прикладываемая сила к стержню. Если объект не ограничен и сила приложена в какой-то расстоянии от центра тяжести объект перемещается и вращается вокруг центра тяжести. Детали вращения зависят от расстояния до приложил силу к центру тяжести. Движение летающих тел это описал этим третьим типом движения; сочетание переноса и вращения. 9М называется моментом или моментом . Крутящий момент также является векторной величиной и производит вращение точно так же, как сила производит перемещение. А именно объект на покоится или вращается с постоянной угловой скоростью, будет продолжать делать это пока на него не действует внешний крутящий момент. Крутящий момент производит изменение угловой скоростью, которая называется угловым ускорением. Расстояние L используется для определения крутящего момента T расстояние от шарнир p к усилию, но измеренному перпендикулярно направление силы. На рисунке мы показываем четыре примера крутящих моментов, чтобы проиллюстрировать основные принципы управления вращающими моментами. В каждом примере синий груз W действует на красный стержень, который называется рука. В примере 1 сила (вес) приложена перпендикулярно к руке. В этом случае перпендикулярное расстояние равно длине бар, а крутящий момент равен произведению длины на силу. Т = Ф * Д В примере 2 к руке приложена та же сила, но сила теперь действует прямо через вращаться. В этом случае расстояние от оси вращения перпендикулярно силе равен нулю. Таким образом, в этом случае крутящий момент также равен нулю. Подумайте о распашной двери. Если вы нажмете на край двери, к петле, дверь не двигается потому что крутящий момент равен нулю. Пример 3 является общим случаем, когда сила приложена под некоторым углом а до рука. Перпендикулярное расстояние определяется выражением тригонометрия как длина плеча (L), умноженная на косинус (cos) угла. Тогда крутящий момент определяется как: Т = F * L * потому что (а) Примеры 1 и 2 могут быть получены из этой общей формулы, с тех пор косинус 0 градусов равен 1,0 (пример 1), а косинус 90 градусов равен 0,0 (пример 2). В примере 4 ось была перемещена с конца стержня на место рядом с серединой бара. Вес добавляется с обеих сторон опоры. Справа одиночный груз W создает действующую силу F1 на расстоянии L1 от шкворня. Это создает крутящий момент T1 , равный произведение силы на расстояние. Т1 = Ф1 * Л1 Слева от шарнирные два груза W создают силу F2 на расстоянии L2 . Это производит крутящий момент T2 в направлении, противоположном T1, потому что расстояние находится в противоположном направлении. Т2 = Ф2 * Л2 Если бы система находилась в равновесии , или уравновешенным, крутящие моменты были бы равными, и на систему не действовал бы чистый крутящий момент. Т1 = Т2 или Т1 — Т2 = 0 F1 * L1 = F2 * L2 Если система не находится в равновесии или неуравновешена, стержень вращается вокруг оси в направлении большего крутящего момента. Если F2 = 2 * F1, какова связь между L1 и L2 для балансировки системы? Если F2 = 2 * F1, и L1 = L2, в каком направлении будет вращаться система? Авиационные инженеры используют крутящий момент, создаваемый аэродинамическими поверхностями. для стабилизации и управления самолетом. На самолетах поверхности управления производят аэродинамические силы. Эти силы приложены на некотором расстоянии от центр тяжести самолета и поэтому заставить самолет вращаться.