採用直接驅動電機辦理低速迴旋伺服應用，可以避免躲藏的初始成本，同時在設施的整個生命周期內節儉資金。

了解工業直接驅動伺服電機專業，有助于在各種應用中更好地應用伺服電機。什麼是直接驅動電機?何時採用直接驅動電機，可以提供比基于傳動的替代方案更好的功能指標?

圖1呈現了安裝在鋼板上的代表直接驅動電機，部署了手動迴旋法蘭。直接驅動電機具有圓柱形的甜甜圈形狀，迴旋法蘭中間為一個孔。尺度伺服電機通常沒有電機軸。直接驅動電機的迴旋部門仍稱為轉子，沿法蘭有安裝孔。負載直接連結到電機法蘭上。這便是直接驅動電機名稱的來歷。

▲此圖顯示了安裝在鋼板上的代表直接驅動電機，用手滾動迴旋法蘭

不動的部門被稱為定子。這是連結電纜的場所。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，比尺度伺服電機要高得多，但轉速要低得多。它們以轉速換取扭矩，代表場合下，最高轉速只有幾百RPM，而在極高扭矩時只有幾十RPM。

01

直驅電機的規格和選型

直接驅動電機的轉線上娛樂城比賽即時統計數據速-扭矩曲線與伺服電機很像，減速比在 101 左右，有時可高達 1001。圖2顯示了合適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，在峰值扭娛樂城首儲1000送1000矩到達50 Nm時，其最高轉速剛好過份100 RPM。

▲此圖顯示了合適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。但縱然是最好的變速器，也會增加一定水平的柔性和空隙。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不亂時間。

02

合適直驅電機的應用

對于各種迴旋應用，應該優先採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，採用法蘭安裝而不是軸安裝。最常見的應用是迴旋表或迴旋分度器。一個很好的範例是在卷繞應用中驅動線軸，或驅動卷筒以進行打印或切割。機械人機器結構的關節，也可以受益于直接驅動電機的功能和緊湊尺寸。用于拾取和放置的夾具的迴旋定位，或天線、遠視鏡、迴旋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高超的功能。

直接驅動伺服系統一般不用于直線傳動。線性直接驅動雷同于線性電機，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器結構中存在的空隙和柔性。

03

直驅電機的構造

與尺度伺服電機一樣，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挪動磁場，該磁場在所需方位上施加扭矩。通過迴旋編碼器向管理系統提供位置反饋。

▲與尺度伺服電機一樣，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挪動磁場，該磁場在所需方位上施加扭矩。通過迴旋編碼器向管理系統提供位置反饋。

▲存在兩種根本的定子設計;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。

有兩種根本的轉子設計：內轉子和外轉子。內轉子在外面有定子線圈。相反的部署是外轉子，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滾動慣量，更合適管理高慣性負載。

還有兩種根本的定子設計：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。固然對于給定電機尺寸，無芯電機的扭矩較低，但它可以提供最精確的轉速管理，而沒有扭矩脈動的齒槽扭矩分量。

應了解給定迴旋應用的直接驅動電機替代方案。最流行的是採用行星齒輪或別的齒輪專業，來減低轉速和增加扭矩。採用皮帶和皮帶輪系統也可以到達相同的功效。有時兩者一起採用。

04

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比擬，直接驅動在迴旋應用中具有的功能優勢。與其他專業比擬，直驅電機在成本、扭矩、轉速、剛性、空隙和別的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，可是典型了一些行業應用的普遍趨勢。

▲無芯直接驅動電機設計可以提供最準確的轉速管理，且沒有扭矩脈動的齒槽扭矩分量。

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 31。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。還需要考慮功能和維護的長期成本。對于低速迴旋應用，直接驅動辦理方案是一種簡樸的設計，可能會具有最低的初始成本，同時具有最高的長期功能。

05

剛性和系統振蕩

剛性是最主要的功能特征之一。每個機器連結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。假如這些頻率太低，能量的開釋會對電機造成嚴重攙和。這會攙和定位負載的管理系統算法。

▲察看運動管理應用的功能指標，以協助選擇適合的專業。表格對照了直接驅動、齒輪和皮帶等三個選項。

06

皮帶剛性

在基于皮帶的傳輸中，伺服聯軸器將輸出皮帶輪連結到迴旋負載。負載的重量由環形軸承支撐。皮帶和皮帶輪的比例，實際上被限制在 31 左右，假如過份該比例，皮帶的角度會導致與驅動皮帶的皮帶輪的外觀接觸過少。嘗試多級皮帶輪或過長的皮帶來改良這種場合通常不切實際。相反，伺服電機通常尺寸較大，以到達低速應用所需的扭矩。在圖 7中，跟著電機開始滾動，皮帶首要依據其彈簧常數偏擺。然后在負載終極挪動之前，聯軸器也會偏擺。電機聯軸器、負載聯軸器和長機械軸也會導致剛性損失。

▲跟著電機開始滾動，皮帶首要依據其彈簧常數偏擺。然后在負載終極挪動之前，聯軸器也會偏擺。

07

齒輪剛性

對于齒輪驅動的變速器，伺服聯軸器將齒輪箱輸出連結到迴旋負載。負載的重量再次由環形軸承支撐。行星齒輪箱和多級齒輪箱通常是低空隙和高剛性應用的首選。

齒輪箱的剛性比皮帶高得多，但原理相同。電機拖動輸入齒輪，該齒輪偏擺，從而帶動輸出齒輪，該輸出齒輪也發作一定水平的偏擺。與負載的耦合可能偏擺最大。

▲電機聯軸器、負載聯軸器和長機械軸也會導致剛性損失。

08

直驅剛性

直接驅動電機繞過所有傳輸組件及其柔性以及相關的諧振頻率。直接驅動電機通常部署極度大的軸承，以增加軸向和徑向負載才幹。這并不是說沒有諧振。

諧振頻率仍然可以由負載本身產生，或者通過電機和負載之間的任何安裝板或延伸部門產生。電機的定子和機架之間甚至會產生共振，就像在基于傳輸的系統中發明的那樣。可是直接驅動系統的高剛性，會導致超出運行系統許可的高諧振頻率。

負載慣量和加轉速度

諧振頻率也是負載慣量和電機慣量的函數。在關鍵功能指標中，這被稱為負載與電機慣量比。伺服系統的負載與電機慣量比通常小于101，以便通過彈性聯軸器對電機的負載進行可接納的管理。

直接驅動應用不採用彈性聯軸器，因此可以支援更高的慣量比。盡管如此，負載慣量對于直接驅動電機來說還是很主要的，由於依據牛頓第二定律，它會限制加快度和減速度，還會陰礙軸承壽命。直接驅動電機的低摩擦意味著幾乎所有截止挪動負載的動力，都必要由電子驅動系統提供，這也會限制最大負載。

▲直接驅動電機的低摩擦意味著幾乎所有截止挪動負載的動力，都必要由電子驅動系統提供，這也會限制最大負載。

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空隙和迴旋驅動變速器

迴旋驅動變速器的功能遭受空隙的陰礙。當機構反轉時，會造成空轉。齒輪箱在驅動鏈輪和輸出鏈輪之間，有一定的空隙。對于皮帶系統，空隙發作在皮帶和皮帶輪的齒之間。

制造商已經開闢出想法來減少驅動傳輸中的空隙，并在管理系統中對其進行電子賠償。但總會有一定水平的空隙，而且跟著傳輸機構的磨損，它往往會變得更糟。結局是，負載的位置不能完全由電機編碼器的位置確認。并且由于在反轉時負載會在短時間內與電機斷開連結，它還可能導致調諧不不亂和噪聲運營。

▲迴旋驅動變速器的功能遭受空隙的陰礙。當機構反轉時，會造成空轉。

由于在反轉時，負載會在短時間內與電機斷開連結，空隙會導致調諧q8娛樂城快速註冊不不亂和噪聲運行。直接驅動電機是唯一可以實現零空隙的迴旋驅意圖構。由于電機與負載直接相連，因此電機編碼器測得的負載位置更相近負載本身。

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位置不亂時間

剛性、負載慣量、慣量比和空隙，都是使傳意圖構位置不亂時間惡化的關聯因素。位置不亂時間，是指從指令動作解散與機構實際截止之間的耽擱。減少這種耽擱對于很多具有短程動作的應用尤其主要。等候機械截止，可能占到整個周期相當大的一部門。

請銘記，這些傳意圖構的位置由迴旋伺服電機的編碼器丈量。編碼器可以顯示負載以較短的時間不亂下來。這意味著編碼器已截止挪動。負載可能仍在運動中，尚未不亂或正履歷振動和振蕩。

傳輸系統的剛性和空隙會攙和通過編碼器丈量的不亂時間。然而，在直接驅動電機中，編碼器本性上是固定在負載本身上的，教導負載的真實不亂時間。由于其高剛性和零空隙，通過優良的調換可以顯著減少直接驅動電機的不亂時間，同時還需要盡可能的減輕源自負載本身的振動。

齒輪箱和皮帶可實現的不亂時間，通常遭受機器剛性和空隙程度的陰礙，齒輪箱的功能通常優于皮帶。這些機構的位置是通過迴旋伺服電機的編碼器丈量的。

編碼器可能表示負載已以較短的創建時間不亂，但它的真正寓意是編碼器已截止挪動。負載可能仍在運動中但尚未不亂，或者可能正在履歷振動。

傳動裝置的剛性和空隙會攙和通過編碼器丈量不亂時間。在直接驅動電機中，編碼器根本上是固定在負載本身上，用于教導負載的真實不亂時間。

▲位置不亂時間是挪動指令解散與機構截止之間的耽擱。減少耽擱，對于很多具有短程動作的應用尤其主要。等候機械截止，可能占整個周期相當大的一部門。

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精確性和可重復性

空隙和剛性也有助于機構的定位精度和可重復性。精度是衡量偏離夢想狀況的指標。例如，假如號召機械挪動90度，它是否正好挪動90000 度?或者假如你從外部丈量，它是否只挪動了89999度?通常更主要的是可重復性，也稱為精度。

假如指令為90000時，機械可以重復挪動89999，那麼就調換指令，直到重復挪動到所需的位置。

管理系統丈量編碼器的位置。剛性和空隙給這些丈量增加了不確認性因素。此外，齒輪箱或皮帶系統的制造過程也會陰礙精度和可重復性。只有采用天然設計的直接驅動電機，才能直接丈量負載并挪動負載，而不會出現迴旋驅動變速器中存在的空隙和柔性疑問。

▲直接驅動電機的設計，直接丈量負載并挪動負載，而不會出現迴旋驅動變速器中存在的空隙和柔性疑問。

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全閉環運行

假如應用需要，為什麼不通暢過在負載上添加迴旋編碼器來賠償齒輪箱或皮帶傳動裝置的空隙和剛性?是的，這是可能的，業內採用的一個術語是全閉環。

全閉環運行許可迴旋電機的位置環，通過直接安裝在負載上的附加迴旋編碼器來閉合。這提高了可重復性和準確性，但對提高剛性、不亂時間和磨損沒有太傑作用。由于會顯著增加成本和復雜性，所以很少會像這樣添加外部迴旋編碼器。

▲全閉環許可迴旋電機的位置環，通過直接安裝在負載上的附加迴旋編碼器來閉合。這提高了可重復性和精確性，但對提高剛性、不亂時間和磨損沒有太傑作用。

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不亂時間對機械的陰礙

實際上，機械可能會由于不亂時間功能不良而糟蹋錢，在伺服電機選型過程中很少會考慮這一點。在圖 14所示的裝置中，具有相似功率容量的直接驅動電機和齒輪電機，以相同的運動曲線運行相同的負載。

行星齒輪減速比為 501，額定空隙小于5弧分。挪動曲線要求兩個電機在相近其峰值扭矩額定值時加快和減速，并且 RMS 扭矩剛好低于持續額定值。兩臺電機都途經調諧，直到電機編碼器丈量的不亂時間相近 50 毫秒。在兩個裝置中，外部環形編碼器都安裝在負載上，以從外部丈量負載位置以進行解析。這揭示了由齒輪電機驅動負載中的振蕩，否則電機的編碼器看不到這些。

▲在很多應用中，選擇直接驅動電機可能會具有更好的功效。

在直接驅動電機上，兩個編碼器教導的位置始終根本相同。在齒輪電機上，您會看到負載在終極減速時期位于編碼器之前，并在挪動解散時振蕩。

這種低頻振蕩源于齒輪箱的空隙和柔性，而不是負載本身的振蕩。直到大概 130 毫秒，它才會不亂在 005 度以內。電機編碼器不會顯示這種振蕩，因此在編程序列中需要額外的耽擱來等候它不亂下來。

讓我們將這個案例研究置于真實應用場景中，看看帶來的實際效益場合(以美元表示)。假設這臺機械典型一個生產小部件的 8 站分度工作臺。理論上，每一個45 度分度，都在 200 毫秒內完工挪動，位置公差為 005 度。然后在每個站，有一個連續2 秒的外部工作過程。在最后一站，生產一個小部件，帶來 50 美分的收入。

直接驅動系統的周期為 2225 毫秒，每小時產生 8 美元的收入。由于不亂時間較長，齒輪電機需要兩個 2305 毫秒，每小時產生 772 美元的收入。每小時 37 美元的不同，好像并不大。但再娛樂城 註冊送 500仔細算一算，8小時輪班的差價為 293 美元，每周工作 5 天的差價相近 1500 美元，每年的差價過份 73,000 美元。縱然每個小部件的收入只有 10 美分，這臺機械仍然可以在相同的運營時間內每年多產生近15,000美元的收入。本案例研究說明：在為應用選型和選擇伺服電機時，考慮可實現的不亂時間的陰礙是多麼主要。

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直驅電機的磨損和維護

磨損和維護也是機械功能需要考慮的一部門因素。在直接驅動電機中，主電機軸承是唯一的摩擦和磨損點。這些電機軸承的規格通常適用于極重的負載。齒輪箱和皮帶傳動裝置的別的運動部件都會磨損，可能需要潤滑或別的定期維護。

與直接驅動電機比擬，可聽見的噪音也更大。跟著它們的磨損，這些基于傳意圖構的功能開始下降。空隙和剛性每日都會變得更糟。期待的位置不亂時間、精確性和可重復性也會跟著時間的推移而連續不斷下降。

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低速迴旋伺服應用的設計注意事項

一般在設計低速、迴旋伺服應用時，強烈發起考慮直接驅動電機。前期成本很容易被功能的提高、設計的簡樸性和維護的便利性所抵消。以下是設計時的一些注意事項。

首要，請銘記直接驅動電機上的軸承很牢固，可以支撐整個負載的重量。不需要額外的軸承，就像採用齒輪箱或皮帶傳動時一樣。這節儉了整個系統的部件成本、設計、工程和維護。

到現在為止，關于剛性的商量僅僅限于傳動部件。然而，機械本身的剛性也發揮了作用。直接驅動電機的不亂性，取決于負載和轉子之間的剛性連結，以及從定子到機械底座的剛性連結。

轉接板和框架結構件必要盡可能牢固。在直接驅動電機施加的極端扭矩下，看起來剛性的東西，可能也會彎曲和偏轉。在任何應用中，不僅僅是直任你博娛樂城體驗金無法領取接驅動電機，安裝框架和負載板都可能成為機械振動的來歷。

最后，考慮采用超大齒輪電機辦理方案來減低直接驅動電機的初始成本，目的是通過編程實現更快的挪動來賠償較長的不亂時間，這種方案可能很誘人。

但請銘記，更快的加快需要更大的扭矩，因此需要更大的放大器、聯軸器和變速器，還可能需要變更機械的框架。確保不要過份負載本身或運動中零件和組件的限制。固然在相同負載下更大的電時機導致更低的慣量比，但諧振和反諧振頻率會減低，并且更有可能導致振蕩和調諧復雜化。

採用直接驅動電機辦理低速迴旋伺服應用，可避免躲藏的初始成本，同時可以在機械的整個生命周期內提供高超和不亂的功能，從長遠來看可以節儉成本。