直接驅(qū)動電機(DDR)是一種直接驅(qū)動負載且無需任何機械傳輸機制(例如變速箱或皮帶)的電機。這類電機也被稱為力矩電機。它們通過使用高能永磁,產(chǎn)生高力矩。與傳統(tǒng)的電機不同,該產(chǎn)品的大力矩使其可以直接與運動裝置連接,從而省去了諸如減速器,齒輪箱,皮帶等等連接機構(gòu),因此才會稱其為直驅(qū)動電機。

DD馬達(力矩電機)的特點是具有軟的機械特性可以堵轉(zhuǎn)當負載轉(zhuǎn)矩增大時能自動降低轉(zhuǎn)速同時加大輸出轉(zhuǎn)矩當負載轉(zhuǎn)矩為一定值時改變電機端電壓便可調(diào)速但轉(zhuǎn)速的調(diào)整率不好,因而在電機軸上加一測速裝置配上控制器利用測速裝置輸出的電壓和控制器給定的電壓相比來自動調(diào)節(jié)電機的端電壓使電機穩(wěn)定,具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、過載能力強、響應(yīng)快、特性線性度好、力矩波動小等特點。

DD馬達適用于各種產(chǎn)業(yè)裝置機械,特別是半導(dǎo)體制造 檢查裝置、液晶制造裝置,如應(yīng)用于高性能膠片、充電電池、LED檢測系統(tǒng)、手機面板貼膜機、半導(dǎo)體IC測試機、醫(yī)療行業(yè)血糖值試驗機等。

下面我們介紹DDR 電機選型的幾個要素:

1. 峰值扭矩和持續(xù)扭矩

     DDR 電機扭矩必須要符合應(yīng)用需要,或者說電機的峰值扭矩和持續(xù)扭矩要高于應(yīng)用需要的峰值扭矩和 RMS(均方根)扭矩,否則,電機將不能達到所需要的最大加速度,或者有時電機會過熱。

[DD馬達選型]DD馬達選型指南!

直線電機,遵照牛頓第二定律:F = ma,F(xiàn) 是負載運動需要的力,單位為 N;m 是運動物體的質(zhì)量,單位為Kg;a 是加速度,單位為 m/s2 。同理,對旋轉(zhuǎn)電機,T = Jα,T 是負載選擇需要的扭矩,單位是 Nm;J 是負載的轉(zhuǎn)動慣量,單位 Kgm2 ;α是角加速度,單位為rad/ s2(360°=2πrad)。對于實際應(yīng)用,可以計算需要的峰值扭矩和 RMS 扭矩:

峰值扭矩取決于加速度/減速度,T = Jα

[DD馬達選型]DD馬達選型指南!

電機的選擇要基于計算出的峰值扭矩和 RMS 扭矩。另外需要增加 20-30%的安全系數(shù),特別是假設(shè)摩擦力和反向作用力為零時。高相的 DDR 電機以高扭矩密度來設(shè)計, 相比較傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計理念, 可以提供更高的峰值扭矩和持續(xù)扭矩。

2. 電機慣量 – 越小越好

     根據(jù)轉(zhuǎn)矩方程式,T = Jα,如果轉(zhuǎn)動慣量越小,就可以獲得更高的加速度。轉(zhuǎn)動慣量包括兩部分:電機本身的轉(zhuǎn)動慣量和負載的轉(zhuǎn)動慣量。


3.jpg

在很多的案例中,電機本身的轉(zhuǎn)動慣量在總的慣量中占有很大比例。這意味著電機扭矩有大部分用于自身轉(zhuǎn)動,只有小部分扭矩用于負載轉(zhuǎn)動。這種情況會給設(shè)計工程師造成設(shè)計障礙。為獲取更高的性能,更大加速度和更短的運行周期,就需要更大的扭矩,為了取得更大的扭矩,工程師就要選擇更大型號的電機。然而,電機越大,電機本身的轉(zhuǎn)動慣量就會越大,會導(dǎo)致需要更高的扭矩。有可能更大型號的電機也不能達到更高性能的目標。

      因此,DDR 電機本身轉(zhuǎn)動慣量小是一個優(yōu)點。應(yīng)該注意,DD 電機使用外部轉(zhuǎn)子設(shè)計,就會產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)動慣性。高相的DD馬達采用最佳的轉(zhuǎn)動慣量設(shè)計,扭矩密度及電機慣量的比率極佳。

3. 電機的轉(zhuǎn)動慣量是否一定要匹配負載慣量?

     當使用傳統(tǒng)的伺服電機和機械傳動系統(tǒng)時,有一個慣例,電機慣量和負載慣量的比率要匹配,比率要控制在1:5 以內(nèi),或者已提高到 1:10 以內(nèi)。對于高相DDR 電機,不需要電機慣量和負載慣量匹配,或者說 高相DDR 電機使用不受電機慣量和負載慣量比例的影響,可以是任意比值。

4.jpg

在傳統(tǒng)的伺服電機應(yīng)用中,皮帶、滑輪、齒條和齒輪等等機械傳動都存在背隙。因此,在小型快速運動中反轉(zhuǎn)運行時,可能會出現(xiàn)負載與電機瞬間解耦(脫離)的問題,這會造成控制方面不夠穩(wěn)定。慣量匹配就是要解決這個問題,在控制部分能穩(wěn)定的范圍內(nèi)運行。在使用高相 DDR 電機時,電機與負載直接連接,中間沒有任何傳動機構(gòu),不存在背隙的問題。因此,DDR 電機不需要慣量匹配。

4. 嵌齒效應(yīng) 或 穩(wěn)定扭矩

     DDR 電機定子的疊片式鐵芯的齒部會造成嵌齒效應(yīng)。如下圖所示,說明了嵌齒扭矩是由定子齒部和磁鐵之間的吸引力產(chǎn)生的。

5.jpg

可以用手去旋轉(zhuǎn)電機來感受嵌齒效應(yīng),會在特定的位置感覺到阻礙力,使電機轉(zhuǎn)動起來不是特別的平滑。嵌齒扭矩的缺點在于它會促使運動中產(chǎn)生扭矩波動,從而造成速度波動。運動控制器一定程度上可以彌補這種影響,但是在低速的勻速運動中,嵌齒效應(yīng)的影響是非常不利的。嵌齒效應(yīng)的另一個缺點是影響運動的整定性能,在目標位置會有抖動現(xiàn)象。高相的DD馬達設(shè)計時對槽/極進行了優(yōu)化,并在定子疊片式鐵芯的齒部做了特別設(shè)計,實現(xiàn)最低的嵌齒扭矩。

5. 最大速度

     在快速的運動應(yīng)用中,可以達到很到的峰值速度。根據(jù)應(yīng)用情況,需要考慮合適的繞組類型,確保放大器的總線電壓可以充分的克服反電動勢電壓。

簡單的說,總線電壓要大于由反電動勢產(chǎn)生的電壓和峰值電流乘于電機電阻總和:

V > ( Kv * Speed + Ip * R)

其中:

V 是總線電壓,單位為 VDc;

Kv 是電機的反電動勢常數(shù);

Ip 是峰值電流;

R 是電機的終端電阻。

6. 軸向和徑向跳動

   DDR 電機的軸向和徑向跳動由其使用的軸承精度、機械加工件和零部件的安裝精度決定。在高精度的應(yīng)用中需要考慮軸向和徑向跳動。

6.jpg

DDR 電機的軸向和徑向跳動標示在電機資料手冊上。對標準電機,給予正常的軸向和徑向跳動值,也提供更高規(guī)格的指標可供用戶選擇。

7. 反饋

      DDR 電機通常使用光學(xué)增量編碼器反饋。但是,也有其它反饋類型可以選擇,如:旋變編碼器、絕對值編碼器和感應(yīng)式編碼器。光學(xué)編碼器相比較旋變編碼器可提供更好的精度和更高的分辨率。 高相 DDR 電機無論多大型號, 通常使用光學(xué)編碼器光柵尺的光柵間距是 20 微米。通過插值,可以獲得非常高的分辨率,以達到應(yīng)用所需精度。比如:DME3H-030,光柵間距 20 微米,每轉(zhuǎn)有 12000 線,標準的插值倍率是 40 倍,每轉(zhuǎn)的分辨率為480000單位,或者說以光柵為反饋的分辨率是 0.5 微米。采用 SINCOS(模擬量編碼器) ,4096 倍的插值之后,可以得到的分辨率為每轉(zhuǎn) 49152000 單位,或者說以光柵為反饋的分辨率是 5 納米。