直接驱动电机功率精密应用

通过对需要齿轮箱的需求，高极计数的直接驱动电动机为要求苛刻的应用提供鲁棒，准确，高扭矩的运动。

当谈到运动时，最常见的方法是从高转速，低扭矩电动机开始，并使用变速箱以减少速度，这通过齿轮比增加扭矩。当减速的标准方法下降时，挑战会产生不提供足够的性能。例如，精密加工可能需要超流量的运动。在其他地方，与风力涡轮机或压力机一样，可靠性胜过全部。在这种情况下，最好的解决方案可能并不涉及齿轮箱。最佳解决方案可以是直接驱动电机。

变速箱呈现了一种紧凑的方法来调整施加到负载的速度或扭矩，但它们并不总是理想的解决方案。他们遭受间隙，将斜坡介绍进入运动。对于某些应用，由间隙引入的丢失运动量足够大以呈现问题。在其他情况下，预加载或所谓的零间隙齿轮箱最小化效果可以提供良好的解决方案。然而，在半导体制造等区域中，即使是清除的间隙也是不可接受的。在这种情况下，直驱动电动机可以提供更好的替代方案。

又称扭矩电动机或扭转器，直接驱动电机直接耦合到负载，消除了对齿轮箱的需求。这种方法没有什么新的 - 他们已经过去几十年，但主要是非框架设计的形式，其中转子和定子作为两个独立的部件，它直接与系统的元件集成（见图1）。然而，无框架直接驱动电机的集成是非琐碎的。需要连接，轴向对齐，并安装有反馈装置。最近，制造商开发了专为轻松集成而设计的直接驱动电机。

“无框架直接驱动电机需要大量的工作来设计它，”产品专家Jeff Arnold说Kollmorgen（Santa Barbara，加利福尼亚州）。“他们的应用程序有限 - 真正使用它们的人真的，真的需要表现。有些案例在其中不能容忍反弹，所以即使是直接驱动电机真的困难，有些人无论如何。“

他引用了一个讽刺的精确齿轮制造商的例子，转向直接方法，因为在系统中包括齿轮箱，其产品的准确性降低了。

直接驱动方法不仅可以提高运动，还可以降低维护要求并提高可用性。Arnold指向一台压料机，将其齿轮箱暴露于这种惩罚的起动运动，使其导致早期失败。“这台机器的定期维护是每年更换齿轮箱，因为公司知道如果他们没有取代它，则会休息，”他说。直接方法提供了另一种选择。通过切换齿轮箱，OEM能够消除失败点并最大限度地减少停机时间。“[直接驱动]大大减少了零件数量，”Arnold说。“旧设计有一个电动机齿轮箱，皮带和滑轮，以及所有这些支架在一起。现在，该机器更简单地构建。他们最终获得了更可靠的设计，有更少的事情要破裂。“

直接驱动电机倾向于使用非常高的杆。标准离心电机通常具有两到四个极点，尽管可提供多达10个极多达10个杆的版本。相比之下，一些直接驱动电机可以具有46个极点或更多（见图2）。

高极数设计的好处取决于您的要求谁。增加杆的数量增强了扭矩密度，这对于风力涡轮机等应用可能是重要的。该方法还可以减少齿槽，这是精密加工应用的重要属性。“极值越高，扭矩摇摆越低，你将在电机上进行，这将导致更顺畅的性能，”Brian交易说，包装段经理施耐德电气（Schaumburg，伊利诺伊州）。“转到较高杆计数电动机的主要原因之一是最小化扭矩纹波并产生更高的扭矩。”

然而，单独单独的高极数量不能保证直接驱动电机成功。“在许多应用中，扭矩涟漪和齿槽仍然太高，”Jim Hendershot总裁说MotorSolver有限责任公司（威尼斯，佛罗里达州）。“使用分数转子杆对定子齿比的几何形状必须非常小心，并且歪斜定子，或者塑造磁体的杆面，以使齿槽变得足够低。获得无缝电机并不容易。“

这种方法的两个大权衡是速度和成本。电机速度与换向频率成正比，但与杆数量成反比。电机越差，电机将走得越慢。增加换向频率可以补偿，但是在功耗变为问题之前，电子器件只能如此快，通常在400 Hz左右。

根据电压，高极计数电机可以运行数千rpm，但晶体管中的损耗将很大。高杆计数无刷电机用于低速用于直接驱动应用，需要零运动反弹。为了降低晶体管损耗，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换向电动机并产生良好的正弦电流。较高电压需要使用绝缘栅极晶体管（IGBT），其不能容易地平行。将换向频率限制为300至400 Hz。

当然，高极数电机也存在其他的权衡。更多的磁极意味着更多的磁铁，这就提高了价格，而目前飞涨的磁铁成本加剧了这个问题。在直接驱动电机的情况下，减少零件数量和维护，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，使用高极数/直驾车电机的最大挑战不是加工零件或调整伺服，它正在向前计划。“你真的必须设计你的机器接受电机，”阿诺德说。“这不像把你的电机变速箱关闭并投掷直接驱动电机。”

最后，它总是回到权衡。如果应用要求超高扭矩密度与零间隙耦合，或者如果需要超光滑，准确的运动，则高极计数直接驱动电机可能是作业的正确解决方案。

致谢
谢谢去帕特里克戴尔MICROMO（透明水，佛罗里达州）有用的背景对话。