通过提高性能和可靠性,直接驱动电机技术在推进当今的加工能力方面发挥了重要作用。尽管如此,仍然有许多人对采用采用这种技术的伺服电机犹豫不决,原因有很多——一个是不熟悉。为了充分利用这些直接驱动电机,不仅要了解重要规格背后的含义,如扭矩,而且要了解当前的趋势,这样才能恰当地应用它们的优势。

伺服电机和扭矩

当为新机器或数控改造等应用指定伺服电机时,有关于伺服电机性能和尺寸的许多考虑因素。最常用的因素正在考虑电动机的不同扭矩能力。

扭矩可以用英尺磅(lb-ft)、英寸磅(lbf-in)或更常用的牛顿米(Nm)来测量。

图2. ETEL的TMB +直接驱动电机系列从160 mm(6.3“)到1288 mm(4.2')。

转矩- 还称为力矩,扭矩可以定义为当力施加到旋转轴时产生的转弯效果产生的机械工作。这是作用在物体上的力量的衡量标准导致对象旋转。

最大扭矩或峰值扭矩(TP) -通常称为峰值扭矩,它是电机在很短的时间内(通常以秒为单位)所能产生的最大扭矩。超过这个值不仅会导致过热,还会导致退磁。

额定转矩(MN),均方根(RMS)转矩,或最常见的连续转矩(Tc)- 这些术语限定了电动机在其操作期间可以运行的平均扭矩。应用程序可以在下方和高于此值的情况下自由工作,但只要将其平均到值,就不会高于峰值扭矩。除了所有其他值中,它是最灵活的,因为限制来自产生的热量。可以增加该值的因素是电机是否是水冷,环境温度和操作速度。

失速扭矩(Ts)又称静止扭矩,当输出转速为零时,它是扭矩限制。由于电流不均匀地分布在阶段,这趋于低于连续扭矩。

伺服电机都具有最高温度,不会损坏不会超过。这需要考虑到,因为如果电机过热,将发生内部损害,并且无法修复。这就是为什么不仅要了解这些值,而且要知道电机数据表上的值是否具有变化,以及特定品牌如何定义它们的变化。

直接驱动电机技术的顶级趋势

图3.封装外部通道以更容易集成的集成冷却。

这是一个常见的思想,汽车技术有稳定的,并且没有太多的改进空间。这不能从真相中进一步。直接驱动电机的许多方面仍在重新设计和微调,以允许最佳用户体验。以下是直接驱动电机技术的顶级电流趋势。

1.扭矩密度增加-直接驱动电机的关键优势之一是它们提供的高性能相对于它们的足迹。具有高扭矩密度,使机器占用更少的空间,而不必牺牲电力。一个竞争环境要求效率的机器与越来越复杂的零件,机床行业,反过来电机制造商,寻找方法,以最大限度的力量密度在一个体积。一个常见的方法是寻找方法,在一个卷内安装更多的铜线圈,要么是独特的形状,高质量的材料,或不同的专利制造方法。铜线圈越密集,就能容纳更多的股,从而形成更强的磁通量和扭矩密度。

2.更多的尺寸选择- 在电动机中设计时的共同挑战在某些尺寸的约束中拟合。提高电动机设计的几何变化是为机器制造商提供更灵活的,以适应最佳电动机,用于在可用空间中的特定应用,同时仍然最小化占地面积。使用扭矩电机,用户现在具有直径和长度的变量。如果电动机的外径受到限制,那么机器制造商通常可以获得许多高度选项,仍然最大化扭矩。拥有各种各样的尺寸允许机器制造商更容易地最大化机器的空间和效率,因此可能开始感觉像电机一样,而不是其他方式。

3.简化集成- 在许多加工应用中,内部液体冷却已成为标准,并且不难明白为什么。适当地耗散热量可以基本上加倍电动机的连续扭矩能力,并允许使用更小的尺寸。仍然,使用液体可以在某些应用中呈令人威胁。为了帮助缓解这些问题,电机制造商现在提供独立,内置,闭式夹套的选择。这些都是消除冷却剂泄漏和设计最佳冷却通道的挑战。所以比以往更重要,为这些问题提供解决方案的责任正在从机器建设者转移到电机制造商。

图4。一个直接驱动电机的扭矩与速度图的例子。改变线圈使对角线沿x轴移动。

4.更多的绕组选择-虽然电机数据表可能会列出扭矩值(例如,连续和峰值),但它可能仍然受到在不同速度下可用的扭矩值的多少的限制。由于反电动势电压、涡流等因素,电机运行速度越大,其转矩能力就越低。降低这些影响的一个常见方法是通过调整铜线圈的绕组来提高速度阈值,但代价是需要更多的电流。这是一个可以调整的方面,对电机的扭矩能力的影响最小。大多数电机至少有两个选择,但有可能有多达四个,这允许在一个固定的电机大小可以做更多的灵活性。该想法是提出几个扭矩与速度配置在每个电机脚印,以满足尽可能多的操作范围。

图5。ETEL的直线电机可以将轨道布置成一个圆形,以在大直径范围内传递扭矩。

5.新的整合方式- 直接驱动电机已在许多标准应用中纳入一段时间,但由于机器制造商已经更熟悉该技术,他们已经提出了新的方式来利用直接驱动。其中一个示例是线性电机是如何用于提供扭矩的。在需要大直径但不一定是电动机在该尺寸提供的电动机提供的大量扭矩的应用中,磁轨道可以被布置为曲线而不是直线,用于在圆形或“体育场中移动有效载荷配置。”这不仅占用扭矩电机的空间较少,而且还是一种更经济的解决方案,因为用户可以避免使用不必要的高扭矩能力支付大型扭矩电动机。结合可以与可以并联使用的单独的线性电机的模块化,也是一种易于整合和维护的解决方案。

6.更高的效率- 由于环境问题,对更大能源效率的需求增加有许多公司寻求“更环保”的技术。太符合这些标准,汽车制造商一直在研究不同的新颖设计思路,以保持低劣的功率损失。这包括制造叠层堆,线圈绕组,从令人难以置信的小层(〜0.1mm)外,以减少涡流,利用用于线圈绕组和分段磁体的LITZ线。就像随着功率密度的增加,电机制造商正在寻找材料的所有方面以及它们如何放在一起,以便在首先设想直接驱动技术的同一基本设计中获得最有效的性能。

本文作者Brian Zlotorzycki, HEIDENHAIN ETEL Motors (Schaumburg, IL)业务发展专家。欲了解更多信息,请访问在这里


运动设计杂志

本文首次发表于2021年2月号运动设计杂志。

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