直驱电机选型与应用指南（一）

使用直接驱动电机解决低速旋转伺服应用，可以避免隐藏的初始成本，同时在设备的整个生命周期内节省资金。

了解工业直接驱动伺服电机技术，有助于在各种应用中更好地应用伺服电机。什么是直接驱动电机?何时使用直接驱动电机，可以提供比基于传动的替代方案更好的性能指标?

下图展示了安装在钢板上的典型直接驱动电机，配置了手动旋转法兰。直接驱动电机具有圆柱形的“甜甜圈”外形，旋转法兰中间为一个孔。标准伺服电机通常没有电机轴。直接驱动电机的旋转部分仍称为转子，沿法兰有安装孔。负载直接连接到电机法兰上。这就是“直接驱动电机”名称的来源。

 

▲此图显示了安装在钢板上的典型直接驱动电机，用手转动旋转法兰

不动的部分被称为定子。这是连接电缆的地方。定子也有安装孔，用螺栓固定在机架上。直接驱动电机也可以称为扭矩电机或轮毂电机。

直接驱动电机的扭矩，比标准伺服电机要高得多，但转速要低得多。它们以转速换取扭矩，典型情况下，最高转速只有几百RPM，而在极高扭矩时只有几十RPM。

1、直驱电机的规格和选型

直接驱动电机的转速-扭矩曲线与伺服电机很像，减速比在 10:1 左右，有时可高达 100:1。下图显示了适合齿轮伺服电机或直接驱动电机应用的转速-扭矩曲线以及RMS和峰值运行点。在本例中，两个系统均可提供高达约28 Nm的扭矩，在峰值扭矩达到50 Nm时，其最高转速刚好超过100 RPM。

▲此图显示了适合齿轮伺服电机或直接驱动电机应用转速 - 扭矩曲线以及转速和峰值运行点。

直驱电机体积显然要大得多，安装的法兰也较宽。两种电机都适用于这个应用。但即使是最好的变速器，也会增加一定程度的柔性和间隙。因此，直驱电机在执行任务时具有更高的精度、更好的可重复性和更短的稳定时间。

2、适合直驱电机的应用

对于各种旋转应用，应该优先使用直接驱动电机而不是齿轮电机。直驱电机应用的转速相对较低，并且在该装置的设计中，使用法兰安装而不是轴安装。最常见的应用是旋转表或旋转分度器。一个很好的例子是在卷绕应用中驱动线轴，或驱动卷筒以进行打印或切割。机器人机械结构的关节，也可以受益于直接驱动电机的性能和紧凑尺寸。用于拾取和放置的夹具的旋转定位，或天线、望远镜、旋转部件制造和激光的定位，在这些应用中，直驱电机都可以提供卓越的性能。

直接驱动伺服系统一般不用于直线传动。线性直接驱动类似于线性电机，它直接驱动负载，以避免在诸如皮带、螺杆或齿条和小齿轮等机械结构中存在的间隙和柔性。

3、直驱电机的构造

与标准伺服电机一样，直接驱动电机的转子由铁永磁体组成。定子中的线圈产生一个移动磁场，该磁场在所需方向上施加扭矩。通过旋转编码器向控制系统提供位置反馈。

与标准伺服电机一样，直接驱动电机的转子由铁永磁体组成。定子中的线圈产生一个移动磁场，该磁场在所需方向上施加扭矩。通过旋转编码器向控制系统提供位置反馈。

存在两种基本的定子设计;铁芯和无芯。定子线圈可以缠绕在铁芯上，这会增加定子中的磁场强度，从而在更小的电机中产生更高的扭矩。无芯意味着线圈中没有铁。

有两种基本的转子设计：内转子和外转子。内转子在外面有定子线圈。相反的配置是外转子，定子线圈在里面。对于给定的电机尺寸，内转子能够实现最高加转速。外转子意味着电机具有更高的转动惯量，更适合控制高惯性负载。

还有两种基本的定子设计：铁芯和无芯。定子线圈可以缠绕在铁芯上，这会增加定子中的磁场强度，从而在更小的电机中产生更高的扭矩。无芯意味着线圈中没有铁。虽然对于给定电机尺寸，无芯电机的扭矩较低，但它可以提供最准确的转速控制，而没有扭矩脉动的齿槽扭矩分量。

应了解给定旋转应用的直接驱动电机替代方案。最流行的是使用行星齿轮或其它齿轮技术，来降低转速和增加扭矩。使用皮带和皮带轮系统也可以达到相同的效果。有时两者一起使用。

4、直接驱动电机的初始成本

与具有相似扭矩和转速特性的齿轮或皮带机构相比，直接驱动在旋转应用中具有的性能优势。与其他技术相比，直驱电机在成本、扭矩、转速、刚性、间隙和其它指标方面也有其优势和劣势，这不是一个严格和绝对的评价，但是代表了一些行业应用的普遍趋势。

让我们从初始成本开始。皮带轮传动的成本明显低于齿轮箱。但最大减速比约为 3:1。这意味着在低速和高扭矩应用中，需要更大、更昂贵的伺服电机和放大器。直接驱动电机的初始成本仍然高于这两种基于变速器的替代方案。

除了电机和变速器之外，还有用于支撑负载的联轴器和额外轴承的成本。集成这些组件会产生设计和工程成本。还需要考虑性能和维护的长期成本。对于低速旋转应用，直接驱动解决方案是一种简单的设计，可能会具有最低的初始成本，同时具有最高的长期性能。

5、刚性和系统振荡

刚性是最重要的性能特征之一。每个机械连接的部件都具有一定的刚性，即弹簧常数。刚性与每个元件的质量一起，定义了系统的固有振动频率。如果这些频率太低，能量的释放会对电机造成严重干扰。这会干扰定位负载的控制系统算法。

▲查看运动控制应用的性能指标，以帮助选择合适的技术。表格比较了直接驱动、齿轮和皮带等三个选项。

运动控制应用的性能指标，以帮助选择合适的技术。表格比较了直接驱动、齿轮和皮带等三个选项