直接驱动电机功率精密应用

通过免除变速箱的需要，高杆数直接驱动电机提供强大的，准确的，高扭矩的运动，为苛刻的应用。

当涉及到运动时，最常见的方法是用高转速、低扭矩的电机启动，并使用齿轮箱来减速，这通过齿轮传动比增加扭矩。当标准的降低杠杆率的方法不能提供足够的性能时，挑战就出现了。例如，精密加工可能需要超平滑的运动。在其他地方，如风力涡轮机或压料，可靠性高于一切。在这种情况下，最好的解决方案可能不涉及变速箱。最好的解决办法可能是直接驱动电机。

齿轮箱提供了一种紧凑的方式来调整速度或扭矩施加到负载，但它们并不总是理想的解决方案。他们遭受反弹，将泔水引入运动。在某些应用中，由间隙引起的运动损失大到足以产生问题。在其他情况下，预加载，或所谓的零间隙齿轮箱，最大限度地减少影响可能提供一个好的解决方案。然而，在半导体制造等领域，即使是很小的反弹也是不可接受的。在这种情况下，直接驱动电机可能是一个更好的选择。

又称力矩电机或力矩器，直接驱动电机直接连接到负载上，消除了对齿轮箱的需要。这种方法并不是什么新鲜事,他们已经使用了几十年,但主要是在无框架的形式设计的转子和定子作为两个独立的部分集成提供直接与系统的元素(参见图1),无框架直接传动电机的集成是不平凡的,然而。组件需要附加，轴向对齐，并安装反馈装置。最近，制造商已经开发出易于集成的直接驱动电机。

“无框架直接驱动电机需要大量的工作来设计它，”杰夫阿诺德，产品专家在Kollmorgen(加州圣芭芭拉分校)。“它们的应用范围有限——使用它们的人真的、真的、真的需要性能。在某些情况下，你不能容忍反弹，所以即使在直接驱动发动机真的很难的时候，一些人还是会使用它们。”

他引用了一个具有讽刺意味的例子，一个精密齿轮制造商转向直接方法，因为在系统中包含一个齿轮箱降低了他们产品的精度。

直接驱动方法不仅改善了运动，还可以减少维护要求，提高可用性。阿诺德指着一台压料机，它的齿轮箱暴露在这样一个惩罚性的启停运动，它导致了早期故障。他说:“这台机器的定期维护是每年更换一个变速箱，因为公司知道如果不更换变速箱，它就会坏掉。”直接的方法提供了另一种选择。通过切断变速箱，OEM能够消除故障点，最大限度地减少停机时间。“(直接驱动)大大减少了零件数量，”阿诺德说。“旧的设计有一个电机变速箱，一个皮带和滑轮，以及所有这些支架将它连接在一起。现在，机器的建造简单多了。他们最终做出了一个更可靠的设计，也没有太多需要破坏的东西。”

直接驱动电机倾向于使用非常多的极点。标准的现成电机通常有2到4个磁极，尽管有多达10个磁极的版本。相比之下，一些直接驱动电机可以有46个或更多的极点(见图2)。

高极点计数设计的好处取决于你问的是谁。增加磁极的数量可以提高扭矩密度，这对风力涡轮机等应用非常重要。该方法还可以减少开槽，这是精密加工应用的一个重要属性。“磁极计数越高，电机上的转矩波动就越小，这将导致更平稳的性能，”Brian Deal，包装部门经理说施耐德电气(摩托罗拉,伊利诺斯州)。“采用高极数电机的主要原因之一是为了最小化转矩脉动，并产生更高的转矩。”

然而，单靠高极计数并不能保证直接驱动电机的成功。“在许多应用中，扭矩波动和齿槽仍然太高，”总裁Jim Hendershot说MotorSolver有限责任公司(威尼斯,佛罗里达州)。“你必须非常小心地使用分数转子极定子齿比和倾斜定子的几何，或形状磁铁的极面，以获得足够低的齿槽。要制造一个无齿轮的发动机并不容易。”

这种方法的两大权衡是速度和成本。电机转速与换向频率成正比，与磁极数成反比。磁极越多，电机的速度就越慢。增加换向频率可以补偿，但电子设备只能在功率耗散成为问题之前运行这么快，通常在400hz左右。

根据电压的不同，高极计数电机的转速可以达到几千转/分钟，但晶体管的损耗将是巨大的。高极计数无刷电机用于低速直接驱动应用要求零运动间隙。为了减少晶体管损耗，假设电源电压低于210 VAC，设计人员可以使用并联场效应晶体管对电机进行换向，产生良好的正弦电流。更高的电压需要使用绝缘栅极晶体管(igbt)，这是很难并联的。这将换向频率限制在300到400赫兹。

当然，高极计数的电机也存在其他的利弊。更多的磁极意味着更多的磁铁，这将提高价格，而目前磁铁成本的飙升加剧了这一问题。然而，在直接驱动电机的情况下，减少的部件数量和维护，加上平均故障时间的增加，引入了成本节约，可能会平衡价格上涨。

有趣的是，使用高磁极计数/直接驱动电机的最大挑战不是加工零件或调整伺服，而是提前计划。阿诺德说:“你真的必须设计出能接受马达的机器。”“这不是把你的电机变速箱拿下来，然后启动一个直接驱动电机。”

最后，它总是回到权衡。如果应用要求超高的扭矩密度加上零间隙，或者如果它需要超平滑、精确的运动，高极计数的直接驱动电机可能是正确的解决方案。

确认
谢谢Patrick DellMICROMO(克利尔沃特，佛罗里达州)的有用背景对话。