使用直接驅動電機解決低速旋轉伺服應用,可以避免隱藏的初始成本,同時在設備的整個生命周期內節省資金。
了解工業直接驅動伺服電機技術,有助于在各種應用中更好地應用伺服電機。什么是直接驅動電機?何時使用直接驅動電機,可以提供比基于傳動的替代方案更好的性能指標?
下圖展示了安裝在鋼板上的典型直接驅動電機,配置了手動旋轉法蘭。直接驅動電機具有圓柱形的“甜甜圈”外形,旋轉法蘭中間為一個孔。標準伺服電機通常沒有電機軸。直接驅動電機的旋轉部分仍稱為轉子,沿法蘭有安裝孔。負載直接連接到電機法蘭上。這就是“直接驅動電機”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動電機,用手轉動旋轉法蘭
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。直接驅動電機也可以稱為扭矩電機或輪轂電機。
直接驅動電機的扭矩,比標準伺服電機要高得多,但轉速要低得多。它們以轉速換取扭矩,典型情況下,最高轉速只有幾百RPM,而在極高扭矩時只有幾十RPM。
1、直驅電機的規格和選型
直接驅動電機的轉速-扭矩曲線與伺服電機很像,減速比在 10:1 左右,有時可高達 100:1。下圖顯示了適合齒輪伺服電機或直接驅動電機應用的轉速-扭矩曲線以及RMS和峰值運行點。在本例中,兩個系統均可提供高達約28 Nm的扭矩,在峰值扭矩達到50 Nm時,其最高轉速剛好超過100 RPM。
▲此圖顯示了適合齒輪伺服電機或直接驅動電機應用轉速 - 扭矩曲線以及轉速和峰值運行點。
直驅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,直驅電機在執行任務時具有更高的精度、更好的可重復性和更短的穩定時間。
2、適合直驅電機的應用
對于各種旋轉應用,應該優先使用直接驅動電機而不是齒輪電機。直驅電機應用的轉速相對較低,并且在該裝置的設計中,使用法蘭安裝而不是軸安裝。最常見的應用是旋轉表或旋轉分度器。一個很好的例子是在卷繞應用中驅動線軸,或驅動卷筒以進行打印或切割。機器人機械結構的關節,也可以受益于直接驅動電機的性能和緊湊尺寸。用于拾取和放置的夾具的旋轉定位,或天線、望遠鏡、旋轉部件制造和激光的定位,在這些應用中,直驅電機都可以提供卓越的性能。
直接驅動伺服系統一般不用于直線傳動。線性直接驅動類似于線性電機,它直接驅動負載,以避免在諸如皮帶、螺桿或齒條和小齒輪等機械結構中存在的間隙和柔性。
3、直驅電機的構造
與標準伺服電機一樣,直接驅動電機的轉子由鐵永磁體組成。定子中的線圈產生一個移動磁場,該磁場在所需方向上施加扭矩。通過旋轉編碼器向控制系統提供位置反饋。
與標準伺服電機一樣,直接驅動電機的轉子由鐵永磁體組成。定子中的線圈產生一個移動磁場,該磁場在所需方向上施加扭矩。通過旋轉編碼器向控制系統提供位置反饋。
存在兩種基本的定子設計;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生更高的扭矩。無芯意味著線圈中沒有鐵。
有兩種基本的轉子設計:內轉子和外轉子。內轉子在外面有定子線圈。相反的配置是外轉子,定子線圈在里面。對于給定的電機尺寸,內轉子能夠實現最高加轉速。外轉子意味著電機具有更高的轉動慣量,更適合控制高慣性負載。
還有兩種基本的定子設計: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,但它可以提供最準確的轉速控制,而沒有扭矩脈動的齒槽扭矩分量。
應了解給定旋轉應用的直接驅動電機替代方案。最流行的是使用行星齒輪或其它齒輪技術,來降低轉速和增加扭矩。使用皮帶和皮帶輪系統也可以達到相同的效果。有時兩者一起使用。
4、直接驅動電機的初始成本
與具有相似扭矩和轉速特性的齒輪或皮帶機構相比,直接驅動在旋轉應用中具有的性能優勢。與其他技術相比,直驅電機在成本、扭矩、轉速、剛性、間隙和其它指標方面也有其優勢和劣勢,這不是一個嚴格和絕對的評價,但是代表了一些行業應用的普遍趨勢。
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用中,需要更大、更昂貴的伺服電機和放大器。直接驅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,還有用于支撐負載的聯軸器和額外軸承的成本。集成這些組件會產生設計和工程成本。還需要考慮性能和維護的長期成本。對于低速旋轉應用,直接驅動解決方案是一種簡單的設計,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。剛性與每個元件的質量一起,定義了系統的固有振動頻率。如果這些頻率太低,能量的釋放會對電機造成嚴重干擾。這會干擾定位負載的控制系統算法。
▲查看運動控制應用的性能指標,以幫助選擇合適的技術。表格比較了直接驅動、齒輪和皮帶等三個選項。
運動控制應用的性能指標,以幫助選擇合適的技術。表格比較了直接驅動、齒輪和皮帶等三個選項
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