直接驱动电机提供高扭矩

将电机直接耦合到负载，增加定位精度，简化控制，降低噪音，速度吞吐量，并削减噪音．

灵活性是传统机械系统的主要优点之一。而不是通过关闭机器并在几小时甚至几天交换凸轮来调整动作，操作员可以通过简单地选择HMI中的新配方来转换。然而，多十年来，直接与负载连接的典型伺服电机无法为高扭矩应用提供足够的性能，强迫机器建造者以齿轮箱的形式将机械部件重新引入系统。问题在于添加变速箱还介绍了符合性，潜在损害的性能。如今，无法使权衡的设计师可以选择将其变速箱用于直接驱动电机，可用于广泛的精密运动应用。

虽然齿轮马达提供了一种完善的、经济的途径来增加运动系统提供的肌肉，但它们需要的齿轮箱和联轴器是机械元件，可能会带来自己的问题。例如，侧隙和迟滞会增加定位误差。“最好的表现行星齿轮箱可能有一个反弹1 arcmin，当你运行你的机器随着时间的推移，这一切只是变得更糟，”杰夫阿诺德，产品专家在Kollmorgen(弗吉尼亚州Radford)。例如，冲压机床执行高速、高重复率的运动，使齿轮箱产生大量磨损。这使得直接驱动电机成为更好的解决方案。他说:“直接驱动电机消除了这种反冲，它们的定位重复性优于1弧秒，而且精度不会随着时间的推移而降低。”变速箱也增加了系统的故障点，更不用说尺寸、重量和成本。尽管如此，在很长一段时间里，直驱是工程师获得所需性能的最佳方式，直到越来越复杂的直驱设计给他们提供了另一种选择。

顾名思义，直接驱动伺服电机在电机和负载 - 没有凸轮之间没有机械传输，没有皮带和滑轮，没有离合器，没有。它们可在旋转和线性配置。很长一段时间，常见的智慧举行了直接驱动电机的位置，但不适用于需要高扭矩的应用。这已经改变，说Arnold，指向能够产生多达50nm连续扭矩和150nm峰值的直接驱动电机，足以快速且精确地定位4磅直径，250磅磁盘。

增加转矩的一种方法是设计磁场使通过电机绕组的磁通密度最大化。另一种是优化绕线方式，使铜的密度最大化。这两个设计参数将产生最大扭矩每单位体积的电机。直线电机的典型参数是磁铁强度和尺寸。一个较大的直线直接驱动电机可能有127毫米高的轨道，并产生1000磅的峰值力。

在直驱旋转电机的情况下，设计人员使用非常高的极点计数，以增加扭矩高达58对单个电机。在永磁同步电机的每个绕组上增加大量的磁极，可以显著增加产生的力。

直接福利
直接驱动电机提供了一种思考惯性匹配的新方法。有一般性的经验法则，反射负荷与电动机惯性的比率不应超过5：1，绝对不超过10：1。罪魁祸首是齿轮箱中的齿轮，以及在电机轴中的卷积。如果电机连接到大负载并进行小的运动，则甚至可能无法正确注册其运动。同时，对于大型运动来说，条件非常不同。惯性不匹配越大，两者之间的差距越大。通过一定点，单个控制回路不能容纳两者并保持稳定。

使用Direct Drives消除了间隙，简化了控制开发，并大大提高了设备​​的功能。“我知道直接驱动应用程序，我们拥有惯性比率电机11,000：1，”Arnold说。“当你严格地耦合负载时，你就不必关心惯性不匹配。”

无框设计也将设计师从惯性匹配的暴政中解放出来。Aerotech公司产品管理和控制系统总监Joseph Profeta说:“如果你真的有一个直接驱动，你的电机安装在负载上，惯性不匹配是不相关的。

当然，总有权衡。增加磁体的数量也增加了电动机的尺寸，这可能是空间受限应用的问题，或者需要某种形状因子的问题。阿诺德使用热狗和煎饼的类比。传统的低极计数电动机趋于长且薄，而其高扭矩直接驱动器对应均既短且较大直径。

成本也起了作用，尽管不是你所期望的那样。正如任何在过去几年里一直关注汽车行业的人所知道的，高性能永磁体的成本已经直线上升。制造一个极数多倍的马达需要大量的材料，这增加了成本溢价。然而，这需要在应用程序的更大上下文中加以考虑。通过消除对齿轮箱、皮带和滑轮等部件的需求，直接驱动系统降低了成本。“如果你比较一个直接驱动电机和一个电机齿轮箱，直接驱动电机携带大约20%的溢价超过电机齿轮箱组合，”阿诺德说，谈论压力机。“对于电机变速箱，他们必须用皮带、滑轮和这个大支架结构来将所有部件连接在一起。直接驱动电机非常简单地固定在机器上，并直接与负载接合。”再加上几分钟而不是几小时的集成时间，成本/价值主张看起来就好多了。

直接驱动电机向ROI打开其他更微妙的途径（参见图1）。齿轮的机械方面，包括摩擦和啮合，对它们的开始和停止时的速度施加极限而不结合。当他们试图加快他们的机器时，阿诺德积分陷入困境，遇到了套餐的纸张。“他们试图增加吞吐量，他们开始在一个临界轴上干扰[在传动装置中]，但他们无法对此做任何事情，”阿诺德说。“然后，他们拿出机械变速箱并用直接驱动电机取代该特定轴。这消除了齿轮的斜坡，并且它们能够获得20％的吞吐量。”

选择直接驱动解决方案还可以减少计划内和计划外的停机时间。变速箱需要加润滑油。皮带和滑轮通常会随着时间的推移拉伸，需要定期调整，特别是在要求苛刻的应用，如压送机。在最坏的情况下，它们甚至会破裂。考虑到停机时间的高成本，不需要很长时间的失败就可以提供投资回报。

直接传动电机内部
开发一个直接驱动电机不像买一个标准的伺服电机和直接连接到负载那样简单。过度兼容的耦合，甚至太薄的轴容易受扭转扭转的影响，可能会影响稳定性。直驱电机的轴需要足够的刚性，以尽量减少依从性。另一种选择是采用无框架设计，将转子或定子与负载整合在一起，消除了顺应性(见图2)。Profeta表示:“就运动中的高加速度和反转能力而言，这将为系统提供更高的性能。”

来自系统的限制耦合确实提高了性能。当然，耦合有多种用途．有些人旨在充当故障折叠，剪切以保护电机免受过高的负载。直驱动电动机必须以电子方式提供相同的安全余量，并添加控制环路，该控制回路在超过某个阈值时中断驱动电流的函数。

这一切都归结于为您的应用程序选择合适的。除了印刷和压送机之外，该设备还适用于高速、精密的应用，如机床主轴、半导体制造和计量设备、医疗设备制造以及需要平稳速度和精确定位的测试和测量设备。

不过，对于什么时候使用直驱电机，并没有具体的指导方针。阿诺德的建议是浏览一下福利清单，看看是否有什么好处。如果是，直接驾驶是最好的方法。如果不是，也许更传统的解决方案会更好。阿诺德说:“我试着用这个价值主张作为基准。“如果清单上没有什么能让你受益的东西，那么你可能已经有了一个很好的解决方案——没有理由去考虑这项技术。”但如果您的应用程序需要高精度、高速和高扭矩，您应该认真考虑直接驱动解决方案。