直驅(qū)電機選型與應(yīng)用指南（一）

使用直接驅(qū)動電機解決低速旋轉(zhuǎn)伺服應(yīng)用，可以避免隱藏的初始成本，同時在設(shè)備的整個生命周期內(nèi)節(jié)省資金。

了解工業(yè)直接驅(qū)動伺服電機技術(shù)，有助于在各種應(yīng)用中更好地應(yīng)用伺服電機。什么是直接驅(qū)動電機?何時使用直接驅(qū)動電機，可以提供比基于傳動的替代方案更好的性能指標(biāo)?

下圖展示了安裝在鋼板上的典型直接驅(qū)動電機，配置了手動旋轉(zhuǎn)法蘭。直接驅(qū)動電機具有圓柱形的“甜甜圈”外形，旋轉(zhuǎn)法蘭中間為一個孔。標(biāo)準(zhǔn)伺服電機通常沒有電機軸。直接驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)部分仍稱為轉(zhuǎn)子，沿法蘭有安裝孔。負(fù)載直接連接到電機法蘭上。這就是“直接驅(qū)動電機”名稱的來源。

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▲此圖顯示了安裝在鋼板上的典型直接驅(qū)動電機，用手轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)法蘭

不動的部分被稱為定子。這是連接電纜的地方。定子也有安裝孔，用螺栓固定在機架上。直接驅(qū)動電機也可以稱為扭矩電機或輪轂電機。

直接驅(qū)動電機的扭矩，比標(biāo)準(zhǔn)伺服電機要高得多，但轉(zhuǎn)速要低得多。它們以轉(zhuǎn)速換取扭矩，典型情況下，最高轉(zhuǎn)速只有幾百RPM，而在極高扭矩時只有幾十RPM。

1、直驅(qū)電機的規(guī)格和選型

直接驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線與伺服電機很像，減速比在 10:1 左右，有時可高達(dá) 100:1。下圖顯示了適合齒輪伺服電機或直接驅(qū)動電機應(yīng)用的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線以及RMS和峰值運行點。在本例中，兩個系統(tǒng)均可提供高達(dá)約28 Nm的扭矩，在峰值扭矩達(dá)到50 Nm時，其最高轉(zhuǎn)速剛好超過100 RPM。

▲此圖顯示了適合齒輪伺服電機或直接驅(qū)動電機應(yīng)用轉(zhuǎn)速 - 扭矩曲線以及轉(zhuǎn)速和峰值運行點。

直驅(qū)電機體積顯然要大得多，安裝的法蘭也較寬。兩種電機都適用于這個應(yīng)用。但即使是最好的變速器，也會增加一定程度的柔性和間隙。因此，直驅(qū)電機在執(zhí)行任務(wù)時具有更高的精度、更好的可重復(fù)性和更短的穩(wěn)定時間。

2、適合直驅(qū)電機的應(yīng)用

對于各種旋轉(zhuǎn)應(yīng)用，應(yīng)該優(yōu)先使用直接驅(qū)動電機而不是齒輪電機。直驅(qū)電機應(yīng)用的轉(zhuǎn)速相對較低，并且在該裝置的設(shè)計中，使用法蘭安裝而不是軸安裝。最常見的應(yīng)用是旋轉(zhuǎn)表或旋轉(zhuǎn)分度器。一個很好的例子是在卷繞應(yīng)用中驅(qū)動線軸，或驅(qū)動卷筒以進(jìn)行打印或切割。機器人機械結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)，也可以受益于直接驅(qū)動電機的性能和緊湊尺寸。用于拾取和放置的夾具的旋轉(zhuǎn)定位，或天線、望遠(yuǎn)鏡、旋轉(zhuǎn)部件制造和激光的定位，在這些應(yīng)用中，直驅(qū)電機都可以提供卓越的性能。

直接驅(qū)動伺服系統(tǒng)一般不用于直線傳動。線性直接驅(qū)動類似于線性電機，它直接驅(qū)動負(fù)載，以避免在諸如皮帶、螺桿或齒條和小齒輪等機械結(jié)構(gòu)中存在的間隙和柔性。

3、直驅(qū)電機的構(gòu)造

與標(biāo)準(zhǔn)伺服電機一樣，直接驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子由鐵永磁體組成。定子中的線圈產(chǎn)生一個移動磁場，該磁場在所需方向上施加扭矩。通過旋轉(zhuǎn)編碼器向控制系統(tǒng)提供位置反饋。

與標(biāo)準(zhǔn)伺服電機一樣，直接驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子由鐵永磁體組成。定子中的線圈產(chǎn)生一個移動磁場，該磁場在所需方向上施加扭矩。通過旋轉(zhuǎn)編碼器向控制系統(tǒng)提供位置反饋。

存在兩種基本的定子設(shè)計;鐵芯和無芯。定子線圈可以纏繞在鐵芯上，這會增加定子中的磁場強度，從而在更小的電機中產(chǎn)生更高的扭矩。無芯意味著線圈中沒有鐵。

有兩種基本的轉(zhuǎn)子設(shè)計：內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子。內(nèi)轉(zhuǎn)子在外面有定子線圈。相反的配置是外轉(zhuǎn)子，定子線圈在里面。對于給定的電機尺寸，內(nèi)轉(zhuǎn)子能夠?qū)崿F(xiàn)最高加轉(zhuǎn)速。外轉(zhuǎn)子意味著電機具有更高的轉(zhuǎn)動慣量，更適合控制高慣性負(fù)載。

還有兩種基本的定子設(shè)計：鐵芯和無芯。定子線圈可以纏繞在鐵芯上，這會增加定子中的磁場強度，從而在更小的電機中產(chǎn)生更高的扭矩。無芯意味著線圈中沒有鐵。雖然對于給定電機尺寸，無芯電機的扭矩較低，但它可以提供最準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速控制，而沒有扭矩脈動的齒槽扭矩分量。

應(yīng)了解給定旋轉(zhuǎn)應(yīng)用的直接驅(qū)動電機替代方案。最流行的是使用行星齒輪或其它齒輪技術(shù)，來降低轉(zhuǎn)速和增加扭矩。使用皮帶和皮帶輪系統(tǒng)也可以達(dá)到相同的效果。有時兩者一起使用。

4、直接驅(qū)動電機的初始成本

與具有相似扭矩和轉(zhuǎn)速特性的齒輪或皮帶機構(gòu)相比，直接驅(qū)動在旋轉(zhuǎn)應(yīng)用中具有的性能優(yōu)勢。與其他技術(shù)相比，直驅(qū)電機在成本、扭矩、轉(zhuǎn)速、剛性、間隙和其它指標(biāo)方面也有其優(yōu)勢和劣勢，這不是一個嚴(yán)格和絕對的評價，但是代表了一些行業(yè)應(yīng)用的普遍趨勢。

讓我們從初始成本開始。皮帶輪傳動的成本明顯低于齒輪箱。但最大減速比約為 3:1。這意味著在低速和高扭矩應(yīng)用中，需要更大、更昂貴的伺服電機和放大器。直接驅(qū)動電機的初始成本仍然高于這兩種基于變速器的替代方案。

除了電機和變速器之外，還有用于支撐負(fù)載的聯(lián)軸器和額外軸承的成本。集成這些組件會產(chǎn)生設(shè)計和工程成本。還需要考慮性能和維護(hù)的長期成本。對于低速旋轉(zhuǎn)應(yīng)用，直接驅(qū)動解決方案是一種簡單的設(shè)計，可能會具有最低的初始成本，同時具有最高的長期性能。

5、剛性和系統(tǒng)振蕩

剛性是最重要的性能特征之一。每個機械連接的部件都具有一定的剛性，即彈簧常數(shù)。剛性與每個元件的質(zhì)量一起，定義了系統(tǒng)的固有振動頻率。如果這些頻率太低，能量的釋放會對電機造成嚴(yán)重干擾。這會干擾定位負(fù)載的控制系統(tǒng)算法。

▲查看運動控制應(yīng)用的性能指標(biāo)，以幫助選擇合適的技術(shù)。表格比較了直接驅(qū)動、齒輪和皮帶等三個選項。

運動控制應(yīng)用的性能指標(biāo)，以幫助選擇合適的技術(shù)。表格比較了直接驅(qū)動、齒輪和皮帶等三個選項