什么是直接驱动电机，何时使用直接驱动电机

很多朋友对什么是直接驱动电机，何时使用直接驱动电机不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

用直驱电机解决低速旋转伺服应用，可以避免隐性的初期成本，在设备的整个生命周期内节约资金。了解工业直驱伺服电机的技术，有助于更好地在各种应用中应用伺服电机。什么是直接驱动电机？什么时候直驱电机能比基于传动的替代方案提供更好的性能？

图1显示了安装在钢板上的典型直接驱动电机，配有手动旋转法兰。直接驱动电机呈圆柱形圆环形状，在旋转法兰的中间有一个孔。标准伺服电机通常没有电机轴。直驱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。这就是“直驱电机”这个名字的由来。

静止的部分称为定子。这是电缆连接的地方。定子也有安装孔，用螺栓固定在机座上。直驱电机也可称为力矩电机或轮毂电机。直驱电机的转矩比标准伺服电机高很多，但速度低很多。他们把转速换成扭矩。通常最高转速只有几百转，扭矩极高时只有几十转。直接驱动装置的规格和选择

直驱电机的速度-扭矩曲线与伺服电机非常相似，减速比约为10:1，有时高达100:1。图2显示了适合齿轮伺服电机或直接驱动电机应用的速度-扭矩曲线、均方根值和峰值工作点。在这个例子中，这两个系统都可以提供高达约28 Nm的扭矩，当峰值扭矩达到50 Nm时，最大速度刚刚超过100 RPM。该图显示了适用于齿轮伺服电机或直接驱动电机应用的速度-扭矩曲线、速度和峰值工作点。

直接驱动显然要大得多，法兰也更宽。这两种电机都适合这种应用。但再好的传动也会增加一定程度的灵活性和间隙。所以直接驱动在执行任务时精度更高，重复性更好，稳定时间更短。适合直接驱动的应用。

对于各种旋转应用，直接驱动电机应优先于齿轮电机。直接驱动应用的转速相对较低，在装置的设计中，采用法兰安装代替轴安装。最常见的应用是旋转工作台或旋转分度器。一个很好的例子是在卷绕应用中驱动用于印刷或切割的卷轴或卷轴。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的尺寸。

在这些应用中，直接驱动器可以提供出色的性能，例如用于拾取和放置的夹具的旋转定位，或者天线、望远镜、旋转部件和激光器的定位。

直接驱动伺服系统一般不用于直线驱动。直线直驱类似直线电机，直接驱动负载，避免皮带、螺杆或齿条、小齿轮等机械结构的间隙和柔性。直驱电机的结构与标准伺服电机相同，直驱电机的转子由铁磁性永磁体组成。定子中的线圈产生一个移动磁场，该磁场向所需方向施加扭矩。位置反馈通过旋转编码器提供给控制系统。

和标准伺服电机一样，直驱电机的转子由铁磁永磁体组成。定子中的线圈产生一个移动磁场，该磁场向所需方向施加扭矩。位置反馈通过旋转编码器提供给控制系统。有两种基本的定子设计；有铁芯和无铁芯。定子线圈可以缠绕在铁芯上，这样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转矩。无铁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。内转子外部有定子线圈。相反的配置是外转子和定子线圈在里面。对于给定的电机尺寸，内转子可以实现最高的加速速度。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：铁芯和无铁芯。定子线圈可以缠绕在铁芯上，这样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转矩。无铁芯意味着线圈中没有铁。尽管对于给定的电机尺寸，无铁芯电机的转矩较低，但它可以提供最精确的速度控制，而不会产生转矩脉动中的齿槽转矩分量。

对于给定的旋转应用，您应该了解直接驱动电机的替代方案。最流行的是使用行星齿轮或其他齿轮技术来降低速度，增加扭矩。使用皮带和滑轮系统也能达到同样的效果。有时它们会一起使用。直接驱动电机的初始成本

与具有相似扭矩和速度特性的齿轮或皮带机构相比，直接驱动在旋转应用中具有性能优势。与其他技术相比，直接驱动在成本、扭矩、速度、刚性、间隙等指标上也有其优缺点。这不是一个严格绝对的评价，但代表了某些行业应用的大趋势。无铁芯直驱电机设计可以提供最精确的速度控制，没有转矩脉动的齿槽转矩分量。

先说初始成本。滑轮传动的成本明显低于变速箱。但最大减速比约为3:1。这意味着在低速和高扭矩应用中，需要更大和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。

除了电机和传动装置，还有联轴器和额外轴承的成本。集成这些组件将导致设计和工程成本。您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，可能具有最低的初始成本和最高的长期性能。刚度和系统振荡

刚度是最重要的性能特征之一。每个机械连接的部件都有一定的刚度，即弹簧常数。刚度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。这将干扰用于定位负载的控制系统算法。检查运动控制应用的性能指标，帮助选择合适的技术。该表比较了三种选择：直接驱动、齿轮和皮带。皮带刚性

在皮带传动中，伺服联轴器将输出皮带轮连接到旋转负载上。负载的重量由环形轴承支撑。皮带与滑轮的比率实际上被限制在大约3:1。如果超过这个比例，皮带的角度将导致与驱动皮带的皮带轮表面接触太少。尝试多级滑轮或过长的皮带来改善这种情况通常是不切实际的。相反，伺服电机通常尺寸较大，以实现低速应用所需的扭矩。

在图7中，当电机开始旋转时，皮带首先根据其弹簧常数偏转。然后，在负载最终移动之前，联轴器也会摆动。电机联轴器、负载联轴器和长机器轴也会导致刚性损失。

当电机开始旋转时，皮带首先根据其弹簧常数偏转。然后，在负载最终移动之前，联轴器也会摆动。齿轮刚度对于齿轮传动变速器，伺服联轴器将齿轮箱输出连接到旋转负载。负载的重量再次由环形轴承支撑。行星齿轮箱和多级齿轮箱通常是低间隙和高刚性应用的首选。

变速箱的刚性比皮带高很多，但原理是一样的。电机拖动输入齿轮，输入齿轮发生偏转，从而带动输出齿轮，输出齿轮也发生一定程度的偏转。带负载的联轴器可能摆动最大。电机联轴器、负载联轴器、长机轴也会造成刚度损失。直接驱动刚度

直接驱动电机绕过所有变速器部件及其灵活性和相关共振频率。直接驱动电机通常配备非常大的轴承，以增加轴向和径向负载能力。这并不是说没有共鸣。

谐振频率仍然可以由负载本身产生，或者由电机和负载之间的任何安装板或延伸部分产生。在基于传输的系统中，定子和电机框架之间甚至会产生共振。然而，直接驱动系统的高刚性将导致超出允许操作系统的高共振频率。负载惯性和加速速度

谐振频率也是负载惯性和电机惯性的函数。在关键性能指标中，这被称为负载与电机惯性之比。伺服系统的负载与电动机的惯性之比通常小于101，因此电动机的负载可以通过弹性联轴器得到可接受的控制。

直接驱动应用不使用弹性联轴器，因此可以支持更高的惯性比。尽管如此，负载惯性对于直驱电机还是很重要的，因为根据牛顿第二定律，它会限制加速和减速，也会影响轴承寿命。直驱电机的低摩擦意味着几乎所有停止移动负载的动力都必须由电子驱动系统提供，这也将限制最大负载。

直驱电机的低摩擦意味着几乎所有停止移动负载的动力都必须由电子驱动系统提供，这也会限制最大负载。间隙与回转驱动传动回转驱动传动的性能受间隙的影响。当机制反转时，会造成空转。变速箱在驱动链轮和输出链轮之间有一定的间隙。对于皮带系统，间隙出现在皮带和皮带轮的齿之间。

制造商已经开发出减少传动装置间隙的方法，并在控制系统中进行电子补偿。但是总会有一定的间隙，而且随着传动机构的磨损，往往会越来越大。因此，负载的位置不能完全由电机编码器的位置来确定。而且由于负载在反转时会在短时间内与电机断开，也可能导致调音不稳，运转噪音大。

回转驱动传动的性能受间隙的影响。当机制反转时，会造成空转。因为负载在反转时会在短时间内与电机断开，所以间隙会导致调谐不稳定，运转噪音大。直驱电机是唯一能实现零间隙的旋转驱动机构。因为电机直接连接到负载，所以电机编码器测得的负载位置更接近负载本身。位置稳定时间

刚度、负载惯性、惯性比和间隙都是恶化传动机构位置稳定时间的相关因素。位置稳定时间是指命令动作结束和机构实际停止之间的延迟。对于许多短距离动作的应用来说，减少这种延迟尤其重要。等待机器停止可能会占用整个周期的相当一部分时间。

记住，这些传动机构的位置是由旋转伺服电机的编码器测量的。编码器可以显示负载在短时间内已经稳定。这意味着编码器已经停止移动。负载可能仍在运动，尚未稳定或正在经历振动和振荡。

传输系统的刚性和间隙会干扰编码器测量的稳定时间。然而，在直接驱动电机中，编码器基本上固定在负载本身上，并报告负载的真实稳定时间。由于其高刚性和零间隙，直驱电机通过良好的调整可以显著减少稳定时间，同时需要尽可能减轻来自负载本身的振动。

变速箱和皮带可达到的稳定时间通常受机械刚度和间隙水平的影响，变速箱的性能通常优于皮带。这些机构的位置通过旋转伺服电机的编码器来测量。编码器可能指示负载在短时间内稳定，但它真正的意思是编码器已经停止移动。负载可能仍在运动，但尚未稳定，或者可能正在振动。

传动装置的刚性和间隙会干扰编码器对稳定时间的测量。在直接驱动电机中，编码器基本上固定在负载本身上，用于报告负载的真实稳定时间。位置稳定时间是运动指令结束到机构停止之间的延迟时间。对于许多具有短距离动作的应用来说，减少延迟尤其重要。等待机器停止可能会占用整个周期的相当一部分时间。准确性和可重复性

间隙和刚度也有助于机构的定位精度和可重复性。精度是衡量与理想情况偏差的指标。举个例子，如果机器被命令移动90度，它是不是只移动了90.000度？或者从外面量，是不是只动了89.999度？重复性，也称为准确性，通常更重要。如果指令是90.000，机器可以重复移动89.999，然后调整指令，直到重复移动到需要的位置。

控制系统测量编码器的位置。刚度和间隙增加了这些测量的不确定性。此外，变速箱或皮带系统的制造工艺也会影响精度和重复性。只有采用自然设计的直驱电机，才能直接测量和移动负载，旋转驱动传动不会有间隙和灵活性问题。直驱电机的设计，可以直接测量和移动负载，没有旋转驱动传动存在的间隙和灵活性问题。

如果应用需要全闭环运行，为什么不通过给负载增加旋转编码器来补偿齿轮箱或皮带传动的间隙和刚性呢？是的，这是可能的。行业中使用的一个术语是完全闭环。

全闭环操作允许旋转电机的位置环由直接安装在负载上的附加旋转编码器来闭合。这提高了可重复性和准确性，但对提高刚性、稳定时间和磨损几乎没有影响。由于成本和复杂性的显著增加，外部旋转编码器很少像这样添加。

全闭环允许通过直接安装在负载上的附加旋转编码器来关闭旋转电机的位置环路。这提高了可重复性和准确性，但对提高刚性、稳定时间和磨损几乎没有影响。稳定时间对机器的影响

实际上机器可能会因为稳定时间性能差而浪费钱，这一点在伺服电机选型过程中很少考虑。在图14所示的装置中，具有相似功率容量的直接驱动马达和齿轮马达以相同的运动曲线运行相同的负载。

行星齿轮减速比为50:1，额定间隙小于5弧分。移动曲线要求两个电机在接近其峰值扭矩额定值时加速和减速，均方根扭矩刚好低于连续额定值。两个电机都被调谐，直到由电机编码器测量的稳定时间接近50毫秒。在这两种设备中，外部环形编码器安装在负载上，从外部测量负载的位置以进行分析。这揭示了由齿轮马达驱动负载的振荡，否则马达的编码器将看不到这种振荡。

在很多应用中，直驱电机可能效果更好。在直接驱动电机上，两个编码器报告的位置总是基本相同。在齿轮电机上，您会看到在最终减速期间，负载位于编码器前面，并在运动结束时振荡。

这种低频振荡来自于变速箱的间隙和弹性，而不是负载本身的振荡。它不会在0.05度内稳定，直到大约130毫秒。电机编码器不会显示这种振荡，因此在编程序列中需要额外的延迟，以等待它稳定下来。

让我们将这个案例研究放在一个真实的应用场景中，看看实际的好处(以美元表示)。假设这台机器代表一个生产小零件的8工位分度工作台。理论上，每45度分度在200毫秒内移动，位置公差为0.05度。然后在每个工位，有一个持续2秒的外部工作过程。在最后一站，生产一个小部件，带来50美分的收入。

直接驱动系统的周期是2225毫秒，每小时产生809美元。因为稳定时间长，齿轮马达需要两个2305毫秒，每小时产生772美元。每小时37美元的差别似乎并不大。但细算下来，8小时轮班的差价是293美元，一周工作5天的差价接近1500美元，两者之间的差价每年超过73000美元。

即使每个小部件的收入只有10美分，这台机器在相同的操作时间内每年仍然可以多产生近15000美元的收入。本案例研究表明，在为应用选择伺服电机时，考虑可实现的稳定时间的影响是多么重要。

直驱电机的磨损和维护

磨损和维护也是机器性能需要考虑的一部分因素。在直接驱动电机中，主电机轴承是唯一的摩擦和磨损点。这些电机轴承的规格通常适用于极重的负载。齿轮箱和皮带传动装置的其它运动部件都会磨损，可能需要润滑或其它定期维护。

与直接驱动电机相比，可听见的噪音也更大。随着它们的磨损，这些基于传动机构的性能开始下降。间隙和刚性每天都会变得更糟。期望的位置稳定时间、准确性和可重复性也会随着时间的推移而不断下降。

低速旋转伺服应用的设计注意事项

一般在设计低速、旋转伺服应用时，强烈建议考虑直接驱动电机。前期成本很容易被性能的提高、设计的简单性和维护的便利性所抵消。以下是设计时的一些注意事项。

首先，请记住直接驱动电机上的轴承很坚固，可以支撑整个负载的重量。不需要额外的轴承，就像使用齿轮箱或皮带传动时一样。这节省了整个系统的部件成本、设计、工程和维护。

到目前为止，关于刚性的讨论仅仅限于传动部件。然而，机器本身的刚性也发挥了作用。直接驱动电机的稳定性，取决于负载和转子之间的刚性连接，以及从定子到机器底座的刚性连接。

转接板和框架结构件必须尽可能坚固。在直接驱动电机施加的极端扭矩下，看起来刚性的东西，可能也会弯曲和偏转。在任何应用中，不仅仅是直接驱动电机，安装框架和负载板都可能成为机器振动的来源。

最后，考虑采用超大齿轮电机解决方案来降低直接驱动电机的初始成本，目的是通过编程实现更快的移动来补偿较长的稳定时间，这种方案可能很诱人。

但请记住，更快的加速需要更大的扭矩，因此需要更大的放大器、联轴器和变速器，还可能需要改变机器的框架。确保不要超过负载本身或运动中零件和组件的限制。虽然在相同负载下更大的电机会导致更低的惯量比，但谐振和反谐振频率会降低，并且更有可能导致振荡和调谐复杂化。

使用直接驱动电机解决低速旋转伺服应用，可避免隐藏的初始成本，同时可以在机器的整个生命周期内提供卓越和稳定的性能，从长远来看可以节省成本。

黄飞

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