力矩电机【转载】 点击：2456 | 回复：11
发表于：2007-12-15 09:12:00
楼主
[color=#0000FF]转载说明：近来有及格网友发帖寻求力矩电机及其驱动等方面的问题，恰好昨天看到最新一期Control Engineering China（控制过程中国）杂志上有一篇相关的综述性文章，内容不错，就是翻译水平太差，既不专业，又欠流畅，不过好在还能让人理解，特意转来，以供参考。[/color]
[b]永磁无刷转矩电机[/b]
技术分类:电机与运动控制 作者：Frank J. Bartos 发表时间：2007-12-10
这种永磁同步电动机取消了附加电力传动元件，还采用了适合于高阶转矩的最先进设计，比以往的电机更强大更有效。
为了适应不同的需求，各种各样配置的电动机应运而生。直接驱动的永磁（PM）转矩电机便是最常见的一种典型电机类型，具有较大的直径—长度比和数量众多的磁极对这两个特性，实现对产生的转矩的优化。这种相对的低转速电机，通常以低于每分钟1,000转的速率运行，分为无框与全框两种形式。
直接驱动旋转式 （DDR）无刷（同步）电机结合了这几个设计的优点，以实现各种既定功能。直接驱动就是意味着在电机和受驱动负载之间，没有任何电力传动元件实现高速运动，这样做的好处便是没有后冲并具可以获得优良的静态或动态负载稳定度，以实现对运动的精确控制。在转子上粘有大量的永磁体，磁极成对出现，可以产生较大的转矩。直接驱动转矩电机一般体积都很大（有些模型直径超过1米），而市场上也有小型的出售。目前高端市场上，峰值超过20,000牛米（14,750磅－力－英尺）也已经挺常见了。
如图，这是个旋转工作台，直接驱动转矩电机技术简化机械设计，也保证了
更高的运动准确性，解决了在变速箱和驱动带上可能丢失信号的问题。
[b]大直径，多磁极[/b]
博世力士乐公司指出了DDR转矩电动机的其他优点，如：更好的负载惯性匹配，便于控制，低噪音干扰，简化机械设计（参见“简化设计”图）等。博世力士乐公司的电力驱动控制部的机床生产经理，Karl Rapp提到，经验证：磁极对越多，转子的直径越长，产生的转矩越大。除此以外，磁场定位的精确度、定子槽孔的配置、线圈绕制方法和气隙的设计可以把转矩的波动降低到最小。“转矩的稳定度在高级的研工/磨工等应用中要求很高。”，Rapp说。
丹纳赫传动公司同样是利用大直径以及较多的磁极对数，这两个直接驱动电机的独特特性。丹纳赫传动公司的产品经营主管Tom England解释道，转矩和转子的直径成平方比，和转子的长度成正比。“磁极对数越多，铜质绕组中产生的转矩更大，产生的磁性功效更高”。
DDR转矩电动机有两种经典模式。“无框架”模式包括一个环形的转子和一套定子设备，用户需将这些装置设计到机械结构中去。当然，反馈、连接器和冷却装置也是必需配备的，像England所说的，这些都需要严密的设计和集体的努力。无框架电机的薄环结构可以放入一个大的空心管轴。“全框架”模式DDR电机包括一个支架，若干轴承，或一个规则轴或空心轴。“然而，如果机器已经有轴承，全框架电机就不会启动，因为三个（或三个以上）轴承在同一行会导致轴承失效。”
近来，丹纳赫传动开始采用不同的方法，开发第三种增强型的DDR电机模型，集两者之精华，而去之糟粕。改进后的DDR我们称之为模块化驱动旋转伺服电机 （或CDDR），这些转矩电机保留了原有电机高磁极对数和大直径的特性，但没有轴承。“转子由顾客的轴承支撑，从而，简化设计，方便装卸，不需要拆开机器就可以把电机移除。”，England评论说。
在丹纳赫传动看来，以往的DDR电机的缺陷在于应用困难，费用过高。England对这种技术做了这样的评论，“模块式 DDR技术的实现已经解决了这些问题。它使得直接驱动技术可以用于简单机械，也同样适用于经典的，更高性能的伺服应用”。今天，采用CDDR技术的电机在包装业，饲养业，炼钢业，印刷业和医疗设备中都得到了一定的应用。
[b]转矩密度，强有力的磁场[/b]
西门子认为高转矩密度是设计转矩电动机产品的主要部分。转矩的两个主要参数：转子直径和电机长度——这些电机的物理性能。西门子能源&自动化（E&A）公司自动控制及电机控制部门伺服电动机的产品经理Ralph Baran提到电机中的这个规律：转子直径的大小直接影响转矩的输出，两者成平方比；而长度的大小和转矩的输出大小仅仅成正比。所以，转矩电机一般采用大直径但长度较短的方式。
Baran解释说，同步电机的转矩密度大小，主要受永久性磁铁的磁力的影响。西门子在全框架式和无框架式的（内置）转矩电机中采用钕-铁-硼（Nd-Fe-B）磁铁（稀土元素制成的磁铁被认为是最有效的，磁性最好的磁铁）。
影响转矩密度大小的另一个因素是设计中的磁极对数。磁极对数越多，转矩密度越大，但是，这个规则只在磁极对数较少的情况下有效。Baran说，增大转矩可以通过增加磁极对数来实现，例如当电机体积保持不变的情况下，磁极对从四对变成八对转矩明显变大，但接下来转矩的变化会越来越小，从32对变为46对所获得的增量，远远小于从4对变成8对而获得的增量。他说，“但根据以往的经验，在对数小于30时，增加磁极对数仍然是一个改变转矩密度大小的重要方法”。 （虽然如此，市场上，也出现了磁极对数大于100的无框架直驱力矩电机）
图2：博世力士乐的IndraDyn T无框扭矩电机包括带有三相卷绕以及永磁转子的环形定子，在每分钟60转的情况下最大输出6300牛米(4646磅－力－英尺)的连续扭矩。低速条件下扭矩峰值为13800牛米。
图3：西门子1FW3框架型直接驱动扭矩电机，在每分钟200转的条件下，提供最大7000牛米的连续扭矩。
图4：Baum焞ler DST系列扭矩电机输出最大6130牛米的连续扭矩，提供IP54封装
以及中空轴模型（图上没有显示），扭矩峰值13500牛米。
Baumuller numberg GmbH股份有限公司，在设计自己的多磁极PM同步转矩电机——DST系列产品的时候，对于如何在直径和长度之间建立一个最优比同样给予了极大的关注。“结果，（我们的电机）在一定速度范围内可以保持一个稳定的高转矩”，Marcel M歭ler，该公司的电机产品经理说到。
位于瑞士的ETEL S.A. 公司指出功能强大的模型和分析工具可以简化并优化现在的电机设计。“最合理的电机设计通过齿状分片设计以及分片的材质选择，使磁性密度达到最大化，同时尽可能多地放入绕组线圈，打通磁道确保转矩正常作用。”， ETEL美国分公司的负责人Kevin Derabasse说。他提到
ETEL公司一项专利技术，即提高缠绕在分片上的铜线圈的“占空比”。和其他的设计相比，它可以双倍的提高填充密度，从普通的30%提高到60%。ETEL公司生产各种各样的f无框转矩电机。
[b]控制实现[/b]
根据博世力士乐提供的情况，DDR转矩电动机受控方式与其他无刷电机非常相似，但需要一定的特殊条件。为了获取较高的静态/动态稳定度必须尽可能快的关闭控制回路（电流、速度和位置）。智能伺服电机能够迅速关闭所有内部回路（一般响应时间为0.25ms）。Rapp解释说，“因为“驱动+转矩电动机”的组合不仅仅直接给工件提供了转矩，同时它也直接影响着准确性和操作的平稳性”。如上所述，在精工行业，转矩的平稳性就显得特别重要。
为了得到较高的刚性，采用更好的驱动放大器控制带宽是必须的。“过高的动力会产生机械谐波，而产生的机械谐波必须通过设定滤波器的参数，用放大器消除同时不影响电机正常运作”，Rapp提醒我们说。 反馈装置的选择也是至关重要的。当智能驱动速度变化时，最好是成一条正弦反馈曲线。“由于会影响性能，方波和矩阵反馈波都是必须尽力避免的”，Rapp说。
运行一个无刷PM电机，电交换（或磁极转换）是必要的。对于DDR转矩电动机来说，这种交换并不只是一个简单的过程，空心轴反馈系统增长的几率远远大于稳定的情况，因此在每一次控制力增大的时候都需要驱动放大器来实现自动交换的补偿。“在磁极对数较高的情况下，磁极之间的距离变得非常小，这个过程也就变得更加复杂化”Rapp说。智能驱动器，像博世力士乐的&
[b]永磁无刷转矩电机[/b]
技术分类:电机与运动控制 作者：Frank J. Bartos 发表时间：2007-12-10
这种永磁同步电动机取消了附加电力传动元件，还采用了适合于高阶转矩的最先进设计，比以往的电机更强大更有效。
为了适应不同的需求，各种各样配置的电动机应运而生。直接驱动的永磁（PM）转矩电机便是最常见的一种典型电机类型，具有较大的直径—长度比和数量众多的磁极对这两个特性，实现对产生的转矩的优化。这种相对的低转速电机，通常以低于每分钟1,000转的速率运行，分为无框与全框两种形式。
直接驱动旋转式 （DDR）无刷（同步）电机结合了这几个设计的优点，以实现各种既定功能。直接驱动就是意味着在电机和受驱动负载之间，没有任何电力传动元件实现高速运动，这样做的好处便是没有后冲并具可以获得优良的静态或动态负载稳定度，以实现对运动的精确控制。在转子上粘有大量的永磁体，磁极成对出现，可以产生较大的转矩。直接驱动转矩电机一般体积都很大（有些模型直径超过1米），而市场上也有小型的出售。目前高端市场上，峰值超过20,000牛米（14,750磅－力－英尺）也已经挺常见了。
如图，这是个旋转工作台，直接驱动转矩电机技术简化机械设计，也保证了
更高的运动准确性，解决了在变速箱和驱动带上可能丢失信号的问题。
[b]大直径，多磁极[/b]
博世力士乐公司指出了DDR转矩电动机的其他优点，如：更好的负载惯性匹配，便于控制，低噪音干扰，简化机械设计（参见“简化设计”图）等。博世力士乐公司的电力驱动控制部的机床生产经理，Karl Rapp提到，经验证：磁极对越多，转子的直径越长，产生的转矩越大。除此以外，磁场定位的精确度、定子槽孔的配置、线圈绕制方法和气隙的设计可以把转矩的波动降低到最小。“转矩的稳定度在高级的研工/磨工等应用中要求很高。”，Rapp说。
丹纳赫传动公司同样是利用大直径以及较多的磁极对数，这两个直接驱动电机的独特特性。丹纳赫传动公司的产品经营主管Tom England解释道，转矩和转子的直径成平方比，和转子的长度成正比。“磁极对数越多，铜质绕组中产生的转矩更大，产生的磁性功效更高”。
DDR转矩电动机有两种经典模式。“无框架”模式包括一个环形的转子和一套定子设备，用户需将这些装置设计到机械结构中去。当然，反馈、连接器和冷却装置也是必需配备的，像England所说的，这些都需要严密的设计和集体的努力。无框架电机的薄环结构可以放入一个大的空心管轴。“全框架”模式DDR电机包括一个支架，若干轴承，或一个规则轴或空心轴。“然而，如果机器已经有轴承，全框架电机就不会启动，因为三个（或三个以上）轴承在同一行会导致轴承失效。”
近来，丹纳赫传动开始采用不同的方法，开发第三种增强型的DDR电机模型，集两者之精华，而去之糟粕。改进后的DDR我们称之为模块化驱动旋转伺服电机 （或CDDR），这些转矩电机保留了原有电机高磁极对数和大直径的特性，但没有轴承。“转子由顾客的轴承支撑，从而，简化设计，方便装卸，不需要拆开机器就可以把电机移除。”，England评论说。
在丹纳赫传动看来，以往的DDR电机的缺陷在于应用困难，费用过高。England对这种技术做了这样的评论，“模块式 DDR技术的实现已经解决了这些问题。它使得直接驱动技术可以用于简单机械，也同样适用于经典的，更高性能的伺服应用”。今天，采用CDDR技术的电机在包装业，饲养业，炼钢业，印刷业和医疗设备中都得到了一定的应用。
[b]转矩密度，强有力的磁场[/b]
西门子认为高转矩密度是设计转矩电动机产品的主要部分。转矩的两个主要参数：转子直径和电机长度——这些电机的物理性能。西门子能源&自动化（E&A）公司自动控制及电机控制部门伺服电动机的产品经理Ralph Baran提到电机中的这个规律：转子直径的大小直接影响转矩的输出，两者成平方比；而长度的大小和转矩的输出大小仅仅成正比。所以，转矩电机一般采用大直径但长度较短的方式。
Baran解释说，同步电机的转矩密度大小，主要受永久性磁铁的磁力的影响。西门子在全框架式和无框架式的（内置）转矩电机中采用钕-铁-硼（Nd-Fe-B）磁铁（稀土元素制成的磁铁被认为是最有效的，磁性最好的磁铁）。
影响转矩密度大小的另一个因素是设计中的磁极对数。磁极对数越多，转矩密度越大，但是，这个规则只在磁极对数较少的情况下有效。Baran说，增大转矩可以通过增加磁极对数来实现，例如当电机体积保持不变的情况下，磁极对从四对变成八对转矩明显变大，但接下来转矩的变化会越来越小，从32对变为46对所获得的增量，远远小于从4对变成8对而获得的增量。他说，“但根据以往的经验，在对数小于30时，增加磁极对数仍然是一个改变转矩密度大小的重要方法”。 （虽然如此，市场上，也出现了磁极对数大于100的无框架直驱力矩电机）
图2：博世力士乐的IndraDyn T无框扭矩电机包括带有三相卷绕以及永磁转子的环形定子，在每分钟60转的情况下最大输出6300牛米(4646磅－力－英尺)的连续扭矩。低速条件下扭矩峰值为13800牛米。
图3：西门子1FW3框架型直接驱动扭矩电机，在每分钟200转的条件下，提供最大7000牛米的连续扭矩。
图4：Baum焞ler DST系列扭矩电机输出最大6130牛米的连续扭矩，提供IP54封装
以及中空轴模型（图上没有显示），扭矩峰值13500牛米。
Baumuller numberg GmbH股份有限公司，在设计自己的多磁极PM同步转矩电机——DST系列产品的时候，对于如何在直径和长度之间建立一个最优比同样给予了极大的关注。“结果，（我们的电机）在一定速度范围内可以保持一个稳定的高转矩”，Marcel M歭ler，该公司的电机产品经理说到。
位于瑞士的ETEL S.A. 公司指出功能强大的模型和分析工具可以简化并优化现在的电机设计。“最合理的电机设计通过齿状分片设计以及分片的材质选择，使磁性密度达到最大化，同时尽可能多地放入绕组线圈，打通磁道确保转矩正常作用。”， ETEL美国分公司的负责人Kevin Derabasse说。他提到
ETEL公司一项专利技术，即提高缠绕在分片上的铜线圈的“占空比”。和其他的设计相比，它可以双倍的提高填充密度，从普通的30%提高到60%。ETEL公司生产各种各样的f无框转矩电机。
[b]控制实现[/b]
根据博世力士乐提供的情况，DDR转矩电动机受控方式与其他无刷电机非常相似，但需要一定的特殊条件。为了获取较高的静态/动态稳定度必须尽可能快的关闭控制回路（电流、速度和位置）。智能伺服电机能够迅速关闭所有内部回路（一般响应时间为0.25ms）。Rapp解释说，“因为“驱动+转矩电动机”的组合不仅仅直接给工件提供了转矩，同时它也直接影响着准确性和操作的平稳性”。如上所述，在精工行业，转矩的平稳性就显得特别重要。
为了得到较高的刚性，采用更好的驱动放大器控制带宽是必须的。“过高的动力会产生机械谐波，而产生的机械谐波必须通过设定滤波器的参数，用放大器消除同时不影响电机正常运作”，Rapp提醒我们说。 反馈装置的选择也是至关重要的。当智能驱动速度变化时，最好是成一条正弦反馈曲线。“由于会影响性能，方波和矩阵反馈波都是必须尽力避免的”，Rapp说。
运行一个无刷PM电机，电交换（或磁极转换）是必要的。对于DDR转矩电动机来说，这种交换并不只是一个简单的过程，空心轴反馈系统增长的几率远远大于稳定的情况，因此在每一次控制力增大的时候都需要驱动放大器来实现自动交换的补偿。“在磁极对数较高的情况下，磁极之间的距离变得非常小，这个过程也就变得更加复杂化”Rapp说。智能驱动器，像博世力士乐的&
热门招聘
相关主题
- 雕刻机的驱动机是步进还是伺...
[5715] - plc怎么和DD马达连接，怎么驱...[6058]
- 求助:如何只改驱动器等外围接...[5926]
- 伺服电机空转可行吗？[6513]
- 步进电机转矩与细分的关系[11407]
- RESOLVER与编码器[7990]
- 有谁能告诉一下力矩电机的工...[18268]
- 步进电机和交流伺服电机性能...[27481]
- 请教各位师傅带刹车的电动机...[5708]
- 求助：plc如何控制多台步进电...[6072]
官方公众号
智造工程师
-
客服
-
小程序
-
公众号
工控网智造工程师好文精选
