电机,驱动器

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

直接驱动伺服电机变得越来越常见,因为范围和可用性扩展用于许多机器和电机应用。

由Dakota Miller和Bryan Knight 2月17日,2021年
礼貌:Yaskawa America Inc.

在工业自动化世界中,直接驱动电动机和齿轮伺服电机经常引用彼此以进行类似的应用。这种重叠通常会导致混淆,电动机类型最适合特定轴。由于直接驱动伺服电机变得更加常见,具有更广泛的尺寸和特征,直接驱动伺服电机正在更多应用中找到家庭。

定义直驱伺服电机的特性

直接驱动伺服电机设计用于将负载直接安装到电机的旋转法兰。为实现这一点,电机设计有大型高容量轴承,旨在承载负载而不使用额外的支撑或轴承。直接耦合到电动机的负载也消除了反隙和扭转弯曲,可以对传统的旋转伺服电动机和变速箱组合的性能产生负面影响。

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。

直接驱动伺服电机使用双管齐下的方法来改善频率响应:转子惯性增加,以及高机械刚度。转子的高质量和大直径提供足够的惰性,以在负载,减少沉积时间和提高系统性能下潮湿的惰性。另一方面,与耦合到转子凸缘的载荷相关的高机械刚度降低了储存能量的可能性,这可能导致释放时振荡和不稳定性。

图1:该机械设计最适用于空间受限情况。礼貌:Yaskawa America Inc.

图1:该机械设计最适用于空间受限情况。礼貌:Yaskawa America Inc.

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;转移质量向外打开电机的中心,留下一个大的空心孔。这种中空孔,其具有直接驱动电动机的特征形状可用于通过电缆和管道到位于负载的设备。在许多机器人应用中,空心孔在许多机器人应用中是至关重要的,其中臂上的周边电缆穿过电动机的中心以减少电缆应变。

图2:中空孔是关键的,因为机器人臂上的周边电缆通过电动机的中心以减少电缆应变。礼貌:Yaskawa America Inc.

图2:中空孔是关键的,因为机器人臂上的周边电缆通过电动机的中心以减少电缆应变。礼貌:Yaskawa America Inc.

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:无芯与内转子,带内转子的铁芯和带有外转子的铁芯。每个都为共同的工业自动化应用提供了一个固有的优势。

这些电动机类型中的第一区别特征是直接驱动马达是否具有内转子或外转子;这是指转子是否在定子或定子的外部内部。外转子电动机非常适合具有高负载惯性的应用,因为外转子的较大半径增加了转子惯性。另一方面,内转子电动机具有较低的转子惯量,最适合具有低负载惯量的应用,并且需要高加速度。

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。礼貌:Yaskawa America Inc.

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。礼貌:Yaskawa America Inc.

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。

直驱伺服电机提供与齿轮伺服电机相似的扭矩和速度特性;然而,直接驱动电机的设计优势使其成为许多应用的清晰选择。Industrial automation applications such as semiconductor handling and machine tools benefit from the small size and low mechanical complexity of the direct-drive motor, whereas end-of-arm robot and additive manufacturing applications often take advantage of the direct-drive servo’s hollow bore for routing of cables and pneumatics. Furthermore, the exceptional inertia handling of a direct-drive motor excels at moving large inertial loads, such as those seen on an indexing table, improving performance and return on investment (ROI) versus an equivalent gear motor.

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 IsProduct营销经理, Yaskawa America;达科他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.

更多见解

关键词:直接驱动电机,伺服电机

在线的

在线阅读本文www.controleng.com.对于本系列的第1和第2部分的链接。

考虑一下这一点

您的厂房上的应用程序将受益于直接驱动伺服电机?


达科他米勒和布莱恩骑士
作者生物:Dakota Miller和Bryan Knight,Yaskawa America