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直接驱动与齿轮旋转伺服电动机:设计优势的量化:第3部分

直驱伺服电机越来越普遍,因为范围和可用性扩大,在许多机器和电机应用。

作者达科塔·米勒和布莱恩·奈特 2021年2月17日
Courtesy:安川美国公司

在工业自动化的世界里,直驱电机和齿轮伺服电机经常相互引用,用于类似的应用。这种重叠往往会导致人们混淆哪种电机类型最适合某个特定的轴。随着直驱伺服电机越来越普遍,具有更广泛的尺寸和功能,直驱伺服电机在更多的应用中找到了家。

直接驱动伺服电机的定义特性

直接驱动伺服电机的设计是为了适应直接安装在电机旋转法兰上的负载。为了实现这一点,电机被设计为大,高容量轴承的设计,以承载负载,而不使用额外的支持或轴承。直接将负载耦合到电机上,还消除了可能对传统旋转伺服电机和变速箱组合的性能产生负面影响的反弹和扭转弯曲。

这种简化的机械设计,如图1所示,在计算机数控(CNC)或添加剂制造机器上诸如机器人臂或第四或第五轴的空间受限的情况,包括空间节省的空间可以降低整体尺寸和质量,提高系统性能和降低成本。

大多数旋转式伺服电机能够比大多数应用所需的速度更高,但它们通常缺乏足够的扭矩。结果,齿轮箱或计时带用于将过剩的速度容量转换为可用的扭矩,并减少反射惯性以改善调谐。相反,直接驱动设计在电动机内使用更高的极值计数,并且优化的绕组以较低的速度提供高扭矩,类似于高齿轮伺服电动机呈现的扭矩和速度。由于齿轮箱被淘汰,因此消除了间隙,提高了效率。

将反射惯性与电动机惯性相匹配

将反射惯性与电机的惯性匹配对于增加系统的频率响应非常重要。在极端情况下,不能调整一个匹配不良的系统,以获得最佳性能,可能在极端情况下振荡或变得不稳定。虽然齿轮箱通过齿轮比的平方减少了齿轮旋转伺服电动机系统中的反射惯性,但直接驱动伺服电机必须在没有机械辅助的情况下处理完整的惯性负载。

直驱伺服电机采用双管齐下的方法来改善频率响应:增加转子惯性,提高机械刚度。转子的高质量和大直径提供了足够的惯性来阻尼负载扰动,减少稳定时间,并改善系统性能。另一方面,将负载耦合到转子法兰的高机械刚度降低了存储能量的潜力,这可能导致释放时的振荡和不稳定。

图1:该机械设计最适用于空间受限情况。Courtesy:安川美国公司

图1:该机械设计最适用于空间受限情况。Courtesy:安川美国公司

更快的沉降,较少的负载障碍

当适当大小时,直接驱动伺服电机可以提供更好的调整性能,更快地沉降和增加对负载扰动的阻力而不是可比较的伺服电动机。这种降低的间隙,高扭矩和优异的惯性处理是直接驱动电动机在索引表应用中变得普遍的原因,其中大负载的快速和可重复的运动至关重要。

大型转子和轴承也提供了另一个好处;移动的质量向外打开了电机的中心,留下一个大空心孔。这种空心孔,使直接驱动电机的签名形状,可以用来通过电缆和管道,以位于负载设备。空心孔在许多机器人应用中至关重要,臂上的外围电缆通过电机的中心,以减少电缆的张力。

图2:空心孔是至关重要的,因为机器人手臂上的周边电缆通过电机的中心,以减少电缆应变。Courtesy:安川美国公司

图2:空心孔是至关重要的,因为机器人手臂上的周边电缆通过电机的中心,以减少电缆应变。Courtesy:安川美国公司

直接驱动伺服电机的类型

直接驱动电机的三种基本设计是:无铁芯与内转子,铁芯与内转子和铁芯与外转子。每一种都为普通工业自动化应用提供了固有的优势。

这些电机类型的第一个区别特征是是否直接驱动电机有内转子或外转子;这是指转子是在定子内部还是在定子外部。外转子电机非常适合高负载惯性的应用,因为更大的外转子半径会增加转子惯性。另一方面,内转子电机具有较低的转子惯性,最适合于低负载惯性和需要高加速度的应用。

图3:内转子电动机具有较低的转子惯量,外转子电动机具有更高的转子惯性。Courtesy:安川美国公司

图3:内转子电动机具有较低的转子惯量,外转子电动机具有更高的转子惯性。Courtesy:安川美国公司

其他常见差异是电动机是否在定子绕组中使用铁芯。铁芯用于将磁通量从定子绕组集中,并将其与转子中的磁体对齐。无芯直驱电动机设计放弃了铁芯,这降低了磁效率,但也消除了由铁芯通过的磁体引起的齿槽力。无芯设计用于半导体和涂层设备应用,其中负载惯量通常很小,需要最平滑的运动。虽然铁芯电机不如光滑,但差异很小,铁芯设计提供了改善扭矩密度的益处。

直接驱动伺服电机提供类似的扭矩和速度特性齿轮传动伺服电机;然而,直驱电机的设计优势使其成为许多应用的明确选择。半导体处理和机床等工业自动化应用受益于直接驱动电机的小尺寸和低机械复杂性,而臂端机器人和增材制造应用往往利用直接驱动伺服的空心孔布线电缆和气动。此外,直接驱动电机的特殊惯性处理擅长于移动大惯性负载,如那些在分度表上看到的,提高性能和投资回报(ROI)与等效齿轮电机。

直接驱动伺服电机可以使用齿轮旋转伺服电动机的任何地方应用,并且增加的直接驱动伺服电机较小的尺寸,更高效率,改善的调整性能和易于集成可以提供设计优势。

布莱恩骑士  产品营销经理, Yaskawa America;达科塔。米勒是自动化产品专家,Yaskawa America。由Chris Vavra,Web Content Manager编辑,控制工程,CFE媒体和技术,cvavra@cfemedia.com

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关键词:直接驱动电机,伺服电机

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达科他米勒和布莱恩骑士
作者简介:安川美国公司的达科塔·米勒和布莱恩·奈特