直接驅動(dòng)電機(DDR)是一種直接驅動(dòng)負載且無(wú)需任何機械傳輸機制(例如變速箱或皮帶)的電機。這類(lèi)電機也被稱(chēng)為力矩電機。它們通過(guò)使用高能永磁,產(chǎn)生高力矩。與傳統的電機不同,該產(chǎn)品的大力矩使其可以直接與運動(dòng)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,因此才會(huì )稱(chēng)其為直驅動(dòng)電機。
DD馬達(力矩電機)的特點(diǎn)是具有軟的機械特性可以堵轉當負載轉矩增大時(shí)能自動(dòng)降低轉速同時(shí)加大輸出轉矩當負載轉矩為一定值時(shí)改變電機端電壓便可調速但轉速的調整率不好,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(lái)自動(dòng)調節電機的端電壓使電機穩定,具有低轉速、大扭矩、過(guò)載能力強、響應快、特性線(xiàn)性度好、力矩波動(dòng)小等特點(diǎn)。
DD馬達適用于各種產(chǎn)業(yè)裝置機械,特別是半導體制造 檢查裝置、液晶制造裝置,如應用于高性能膠片、充電電池、LED檢測系統、手機面板貼膜機、半導體IC測試機、醫療行業(yè)血糖值試驗機等。
下面我們介紹DDR 電機選型的幾個(gè)要素:
1. 峰值扭矩和持續扭矩
DDR 電機扭矩必須要符合應用需要,或者說(shuō)電機的峰值扭矩和持續扭矩要高于應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(shí)電機會(huì )過(guò)熱。
直線(xiàn)電機,遵照牛頓第二定律:F = ma,F 是負載運動(dòng)需要的力,單位為 N;m 是運動(dòng)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 是負載的轉動(dòng)慣量,單位 Kgm2 ;α是角加速度,單位為rad/ s2(360°=2πrad)。對于實(shí)際應用,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
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,特別是假設摩擦力和反向作用力為零時(shí)。高相的 DDR 電機以高扭矩密度來(lái)設計, 相比較傳統旋轉電機設計理念, 可以提供更高的峰值扭矩和持續扭矩。
2. 電機慣量 – 越小越好
根據轉矩方程式,T = Jα,如果轉動(dòng)慣量越小,就可以獲得更高的加速度。轉動(dòng)慣量包括兩部分:電機本身的轉動(dòng)慣量和負載的轉動(dòng)慣量。
在很多的案例中,電機本身的轉動(dòng)慣量在總的慣量中占有很大比例。這意味著(zhù)電機扭矩有大部分用于自身轉動(dòng),只有小部分扭矩用于負載轉動(dòng)。這種情況會(huì )給設計工程師造成設計障礙。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,電機本身的轉動(dòng)慣量就會(huì )越大,會(huì )導致需要更高的扭矩。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 電機本身轉動(dòng)慣量小是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。應該注意,DD 電機使用外部轉子設計,就會(huì )產(chǎn)生更大的轉動(dòng)慣性。高相的DD馬達采用最佳的轉動(dòng)慣量設計,扭矩密度及電機慣量的比率極佳。
3. 電機的轉動(dòng)慣量是否一定要匹配負載慣量?
當使用傳統的伺服電機和機械傳動(dòng)系統時(shí),有一個(gè)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?xún)?,或者已提高?1:10 以?xún)?。對于高相DDR 電機,不需要電機慣量和負載慣量匹配,或者說(shuō) 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。
在傳統的伺服電機應用中,皮帶、滑輪、齒條和齒輪等等機械傳動(dòng)都存在背隙。因此,在小型快速運動(dòng)中反轉運行時(shí),可能會(huì )出現負載與電機瞬間解耦(脫離)的問(wèn)題,這會(huì )造成控制方面不夠穩定。慣量匹配就是要解決這個(gè)問(wèn)題,在控制部分能穩定的范圍內運行。在使用高相 DDR 電機時(shí),電機與負載直接連接,中間沒(méi)有任何傳動(dòng)機構,不存在背隙的問(wèn)題。因此,DDR 電機不需要慣量匹配。
4. 嵌齒效應 或 穩定扭矩
DDR 電機定子的疊片式鐵芯的齒部會(huì )造成嵌齒效應。如下圖所示,說(shuō)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。
可以用手去旋轉電機來(lái)感受嵌齒效應,會(huì )在特定的位置感覺(jué)到阻礙力,使電機轉動(dòng)起來(lái)不是特別的平滑。嵌齒扭矩的缺點(diǎn)在于它會(huì )促使運動(dòng)中產(chǎn)生扭矩波動(dòng),從而造成速度波動(dòng)。運動(dòng)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(dòng)中,嵌齒效應的影響是非常不利的。嵌齒效應的另一個(gè)缺點(diǎn)是影響運動(dòng)的整定性能,在目標位置會(huì )有抖動(dòng)現象。高相的DD馬達設計時(shí)對槽/極進(jìn)行了優(yōu)化,并在定子疊片式鐵芯的齒部做了特別設計,實(shí)現最低的嵌齒扭矩。
5. 最大速度
在快速的運動(dòng)應用中,可以達到很到的峰值速度。根據應用情況,需要考慮合適的繞組類(lèi)型,確保放大器的總線(xiàn)電壓可以充分的克服反電動(dòng)勢電壓。
簡(jiǎn)單的說(shuō),總線(xiàn)電壓要大于由反電動(dòng)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(xiàn)電壓,單位為 VDc;
Kv 是電機的反電動(dòng)勢常數;
Ip 是峰值電流;
R 是電機的終端電阻。
6. 軸向和徑向跳動(dòng)
DDR 電機的軸向和徑向跳動(dòng)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。在高精度的應用中需要考慮軸向和徑向跳動(dòng)。
DDR 電機的軸向和徑向跳動(dòng)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(dòng)值,也提供更高規格的指標可供用戶(hù)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(lèi)型可以選擇,如:旋變編碼器、絕對值編碼器和感應式編碼器。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(wú)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(guò)插值,可以獲得非常高的分辨率,以達到應用所需精度。比如:DME3H-030,光柵間距 20 微米,每轉有 12000 線(xiàn),標準的插值倍率是 40 倍,每轉的分辨率為480000單位,或者說(shuō)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 49152000 單位,或者說(shuō)以光柵為反饋的分辨率是 5 納米。