Stroombegrenzing berekenen voor tandwielkasten

Waarom toont het Apex Dynamics Design Tool soms niet de gewenste overbrengverhouding? Dit heeft meestal te maken met een te hoog uitgaand koppel in de gekozen combinatie. In dit artikel leggen we uit hoe het koppel wordt berekend, wat de rol van stroombegrenzing is en hoe je tóch een technisch verantwoorde oplossing kunt realiseren zonder overdimensionering.

Bij Apex Dynamics ontvangen we regelmatig de opmerking dat ons Design Tool niet de gewenste overbrengverhouding toont bij het selecteren van een tandwielkast in combinatie met een servomotor. Hoewel dit op het eerste gezicht verwarrend kan lijken, is er vrijwel altijd een technische verklaring: de combinatie van motor en overbrengverhouding genereert een uitgaand koppel dat boven het toelaatbare niveau van de tandwielkast ligt.

In dit artikel wordt stap voor stap uitgelegd hoe het koppel wordt berekend, waarom het Design Tool bepaalde combinaties uitsluit, en hoe stroombegrenzing kan worden toegepast om tóch tot een werkbare oplossing te komen, zonder meteen een zwaardere – en vaak duurdere – tandwielkast te hoeven selecteren.

Waarom toont het Design Tool niet de gewenste combinatie?

Het Apex Dynamics Design Tool is speciaal ontwikkeld om gebruikers op een snelle en betrouwbare manier de juiste tandwielkast te laten selecteren.

Daarbij wordt strikt gecontroleerd of de geselecteerde combinatie binnen alle technische specificaties valt. Deze controle omvat onder andere:

• Of het uitgaand koppel (nominaal én piek) binnen de grenzen van de tandwielkast blijft
• Of de toerentallen niet te hoog zijn
• Of het no-load koppel van de tandwielkast niet te groot is voor de motor
• Of de mechanische aansluiting van de motor past op de ingaande zijde van de tandwielkast
• Of de motor voldoende massatraagheid heeft in verhouding tot de tandwielkast (voor stabiliteit en dynamica)

Toch is in de praktijk het meest voorkomende knelpunt: een te hoog uitgaand koppel.

Hoe wordt het uitgaand koppel berekend?

Een tandwielkast vermenigvuldigt het ingaande motorkoppel met de overbrengverhouding (ratio). Deze versterking is gewenst om meer kracht te leveren aan de uitgaande zijde, bijvoorbeeld voor het aandrijven van zware lasten. Maar als dit vermenigvuldigde koppel hoger wordt dan de tandwielkast aankan, dan kan dit leiden tot mechanische schade.

Hieronder staat een Stroombegrenzing calculator, vul de ratio van de tandwielkast, het nominaal en maximaal koppel van zowel de tandwielkast als de motor in en je krijgt te zien of, en indien ja met hoeveel je moet begrenzen:

De berekening is als volgt:

• T2N (nominaal koppel) = nominaal motorkoppel × overbrengverhouding
• T2B (maximaal of piekkoppel) = piek motorkoppel × overbrengverhouding

Bijvoorbeeld:
Een servomotor met een nominaal koppel van 5 Nm en een piekkoppel van 15 Nm, gecombineerd met een overbrengverhouding van 20:1, levert:

• T2N = 5 × 20 = 100 Nm
• T2B = 15 × 20 = 300 Nm

Als de geselecteerde tandwielkast bijvoorbeeld een T2N van 90 Nm en een T2B van 250 Nm aankan, dan overschrijdt de combinatie dus beide limieten – en zal deze niet getoond worden in het Design Tool.

Wat is stroombegrenzing en hoe helpt het?

In veel gevallen is het uitgaand koppel theoretisch wel te hoog, maar heeft de toepassing in de praktijk helemaal niet zoveel kracht nodig. Het is dan zonde om een grotere (en duurdere) tandwielkast te selecteren. De oplossing? Begrens de stroomtoevoer naar de motor.

Het koppel van een elektrische servomotor is namelijk direct afhankelijk van de hoeveelheid stroom die deze ontvangt. Door de stroom te beperken, wordt het maximaal ontwikkelbare koppel van de motor – en dus ook het uitgaande koppel van de tandwielkast – begrensd.

Dit kan op twee manieren:

1. Begrenzen van het nominaal koppel
   In dit geval wordt de continue stroom naar de motor aangepast zodat het uitgaand nominaal koppel (T2N) niet overschreden wordt.
2. Begrenzen van het piekkoppel
   Hierbij wordt ook de piekstroom – die bijvoorbeeld bij acceleraties of plotselinge belastingen vrijkomt – begrensd zodat het uitgaand piekkoppel (T2B) binnen specificatie blijft.

Voorwaarde is natuurlijk dat het werkelijke koppel dat nodig is in de toepassing onder het begrensde niveau blijft.

Waarom is stroombegrenzing vaak de ideale oplossing?

• Voorkomt overdimensionering van de tandwielkast
• Kostenbesparing: een kleinere tandwielkast is voordeliger in aanschaf en installatie
• Ruimtebesparing: compacte opbouw bij beperkte inbouwruimte
• Betere efficiëntie: kleinere tandwielkasten hebben vaak een gunstiger massatraagheid

Het toepassen van stroombegrenzing vereist wel enige afstemming met de fabrikant van de servomotor of aandrijfversterker (drive). Moderne regelaars bieden meestal standaardinstellingen om de stroom (en dus het koppel) softwarematig te begrenzen.

Praktisch voorbeeld

Een klant wil een tandwielkast met overbrengverhouding 40:1 combineren met een servomotor van 6 Nm nominaal en 18 Nm piek. De gewenste tandwielkast heeft een T2N van 200 Nm en T2B van 400 Nm.

• T2N = 6 × 40 = 240 Nm → te hoog
• T2B = 18 × 40 = 720 Nm → veel te hoog

Door het motorstroomkoppel te begrenzen tot 5 Nm nominaal en 10 Nm piek, worden de uitgaande koppels als volgt:

• T2N = 5 × 40 = 200 Nm
• T2B = 10 × 40 = 400 Nm

Deze vallen precies binnen de specificaties van de tandwielkast – en de combinatie is dus technisch verantwoord, zonder aanpassingen aan de mechanica.

Wat als Design Tool niet het gewenste resultaat laat zien?

Wanneer het Design Tool geen resultaat geeft voor een bepaalde combinatie, betekent dit niet dat het technisch onmogelijk is. Integendeel: het betekent dat één of meerdere waarden buiten de standaardlimieten vallen, waarbij stroombegrenzing een mogelijke oplossing kan zijn.

In dat geval kan eenvoudig contact opgenomen worden met Apex Dynamics. Wij kijken graag mee in de berekening, leggen uit waar het knelpunt zit en geven advies over de beste aanpak. Indien gewenst sturen wij ook de technische tekening van de tandwielkast, zodat direct verder gewerkt kan worden aan de applicatie.

Conclusie

Het correct berekenen van het uitgaand koppel is essentieel bij het selecteren van een tandwielkast. Wanneer dit koppel hoger is dan wat de tandwielkast aankan, is stroombegrenzing vaak een efficiënte en veilige oplossing. Dit voorkomt onnodige overdimensionering en biedt de mogelijkheid om tóch die gewenste overbrengverhouding te gebruiken.

Heeft u vragen over koppels, overbrengverhoudingen of stroombegrenzing in combinatie met een servomotor? Neem gerust contact op met Apex Dynamics – wij denken graag mee!