驱动轮直流电机选择计算

驱动轮电机用于驱动 AGV 的运行，包括AGV 的直行及差速转弯。在选择电机时，我们通常需要计算出电机的额定功率、额定转矩、额定转速等[28]。而在驱动电机的参数计算之前首先需要明确 AGV 的各项设计要求，如表3-1 所示。

表 3-1 AGV 设计要求

3.1.1 电动机的选择

1. 驱动力与转矩关系

AGV 在地面行驶时，轮子与地面接触，AGV 克服摩擦力向前行驶，电机输出转矩Tq 为小车提供驱动力。而Tq 经减速机减速后得到输出转矩Tt 输出至驱动轮，输出转矩Tt 为：

q t g T i T η=

式中 g i ——减速机减速比；

q T ——电机输出转矩；

t T ——输出转矩；

η——电机轴经减速机到驱动轮的效率。

驱动轮在电机驱动下在地面转动，此时相对于地将形成一个圆周力，而地面

对驱动轮也将产生一个等值、反向的力t F ，该力即为驱动轮的驱动力[29] 。驱动力为：

q

q

q t g t R T i R T F η=

= 式中

q R ——驱动轮的驱动半径。

由于驱动轮一般刚性较好，视其自由半径、静力半径、滚动半径三者相同，均为q R 。

2. 驱动力与阻力计算

小车在行驶过程中要克服各种阻碍力，这些力包括：滚动阻力f F 、空气阻力w F 、

坡度阻力r F 、加速度阻力j F 。这些阻力均由驱动力t F 来克服，因此：

j r w f t F F F F F +++=

(1) 滚动阻力f F

滚动阻力在 AGV 行驶过程中，主要由车轮轴承阻力以及车轮与道路的滚动摩擦阻力所组成，f F 大小为：

fg fz f F F F +=

式中

fz F ——车轮与轴承间阻力；

fg F ——车轮与道路的滚动摩擦阻力。

其中，车轮轴承阻力fz F 为：

N 6.3200

48

015.010002

/2

/fz =⨯⨯

===D

d

P

D d P

F μμ

式中

P ——车轮与地面间的压力，AGV 设计中，小车自重m 为100kg ，最大载

重量m ax M 为200kg ，因此最大整车重量为300kg ，一般情况下，AGV 前行过程中，有三轮同时着地，满足三点决定一平面的规则，各轮的压力为P =1000N [30]；

d ——车轮轴直径，驱动轮在本次设计中选择8寸的工业车轮，即d=48mm ；

D ——车轮直径，查文献[40]可知，驱动轮在本次设计中选择8 寸的工业车轮，即D =200mm ；

μ——车轮轴承摩擦因数，良好的沥青或混凝土路面摩擦阻力系数为—，μ =。

车轮与道路的滚动摩擦阻力fg F 为：

N 15015.01000fg =⨯==Qf F

式中 Q ——车轮承受载荷，Q =1000N ；

f ——路面摩擦阻力系数，f =。

则：

N 6.18fg fz f =+=F F F

(2) 空气阻力w F ：

空气阻力是 AGV 行驶过程当中， 车身与空气间形成了相对运动而产生于车身上的阻力，该阻力主要由法向力以及侧向力两部分组成。空气阻力与AGV 沿

行驶方向的投影面积以及车身与空气的相对运动速度有关， 但由于AGV 工作于室内，基本工作环境中无风，且速度不快，同时 AGV 前后方的投影面积均不大，因此认为空气阻力0≈w F [31]。

(3) 坡度阻力r F ：

AGV 所实际行驶的路面并非理想化绝对平整，而是存在一定的坡度[32]，当 AGV 行驶到该坡度处时，重力将产生一个沿着坡度方向的阻力，这个阻力就被称之为坡度阻力r F ，表达式为：

αsin r G F =

式中 G ——AGV 满载总重量；

α——最大坡度。

在 GB/T 20721-2006“自动导引小车国标”中表示：路面坡度（H/L ）定义为在 100mm 以上的长度范围内，路线水平高度差与长度的最大比值，路面坡度的最大比值需要小于 （含 ），对于 AGV 精确定位的停车点，路面坡度需要小于 （含 ）[33]。 取坡度：

︒≈==86.205.0arctan 05.0/）（L H

因此：

N 15086.2sin 3000sin r ≈︒⨯==αG F

（4） 加速度阻力j F ：

小车加速时，需克服总体质量产生的惯性力，这个惯性力即为加速度阻力j F 。 质量可分为平移质量和转动惯量，前者将产生惯性力，后者将产生惯性力矩

[34]。一般情况下，将转动惯量换算成平移质量后再带入计算，加速度阻力计算式

为：

m ax j ma F δ=

式中 δ——旋转惯量换算系数；

m ——满载总质量。

δ的值应该根据试验旋转部件的转动惯量（包含主动轮与从动轮）后进行计

算。但在一般满载情况下，查文献[40]可取 δ=，根据设计要求2max m/s 5.0=a 。因此，加速度阻力为：

N 1565.030004.1max j =⨯⨯==ma F δ

总驱动力为：

N 6.3241561506.18j r f =++=+++=F F F F F w t

3. 确定电机功率与转矩 (1) 估算电机功率

电机驱动功率的计算公式为：

W 19185

01

6324211max ≈⨯⨯==

..ηv F n P t

式中

n ——驱动电机的数量，本次设计中小车为差速驱动方式，可知 n =2；

η——电机到驱动轮的总效率，以电机输出轴到驱动轮的总效率为，即

85.0=η。

（2） 估算电机转矩

差速驱动，AGV 拥有两台电机用于驱动。因此，每台电机转矩的计算公式为：

)2/(q ηg t i R F T =

97.0=η，30g =i ，将相关参数带入上式得 m N 56.0⋅≈T 。 4. 驱动电机的选型

根据上一节的计算，我们得知，电机估算参数为： 电机功率

W 191≈P

电机转矩

m N 56.0⋅≈T

减速机减速比

30=g i

因此折算电机的最高转速n

r/min 28662

.014.330

60max ≈⨯⨯=

=

D

i v n g

π

式中

m ax v ——小车的最高行驶速度，min /m 60max =v ；

D ——车轮直径，m 2.0=D 。

根据上述，选择弗朗克电子的永磁无刷直流减速电机，型号为FBL-92H25301RS ，其技术参数如表3-2所示。

该减速电机体积小、重量轻、力量大，无极调速，过载能力强，并且免维护。

表3-2

FBL-92H25301RS 永磁无刷直流减速电机参数