无刷永磁转矩电机

电动机有多种配置，以适应不同的用途。一种特殊的电机类型，被称为直接驱动，永磁(PM)扭矩电机，其特点是具有大的直径与长度比和大量的磁极，以优化扭矩产生。这些相对低速的电机，通常在1000转以下运行，有内置式和无框式两种版本。

直接驱动旋转(DDR)无刷(同步)电机结合了几个设计特点，以提供其预期的功能。直接驱动-意味着电机和驱动负载之间没有动力传输元件-带来了高动态运动的优点，基本上没有反弹和出色的静态/动态负载刚度，允许精确的运动控制。转子中大量磁极对有助于产生高转矩。DDR扭矩电机往往是物理大(远超过1米直径的一些型号)，但较小的单位也在市场上。在高端车型中，超过20,000 Nm (14,750 lb-ft)的峰值扭矩输出并不罕见。

大直径，多杆

博世力士乐公司注意到DDR扭矩电机的其他优点，如更好的负载惯性匹配，易于控制，低噪音排放，以及精简的机器设计(见“简化设计”图)。卡尔·拉普，机床行业分支经理在公司的电气驱动和控制部门验证，更多的极对和更大的转子直径导致更高的扭矩输出。此外，磁体方向、定子槽配置和绕组方法以及气隙设计的改进可以最大限度地减少转矩波动。Rapp说:“高端磨削/珩磨应用需要低扭矩脉动，其他应用也需要低扭矩脉动。

丹纳赫运动同样认为大直径和高极数直接驱动扭矩电机的显著特点。扭矩与转子直径的平方成正比，与转子长度成正比，Danaher Motion的产品管理总监Tom England解释说。“高磁极数，在绕组中提供更高比例的产生扭矩的铜，产生更高的磁效率，”英格兰说。

DDR扭矩电机有两种经典格式。“无框”版本由环形转子和定子部件组成，客户必须将其合并到机器结构中。根据England的说法，还需要提供反馈、连接器和冷却手段，这需要大量的设计和组装工作。无框电机的薄环结构提供了一个大的空心轴输入。一个“安置”的DDR电机有一个框架，轴承，或一个规则轴或空心轴。他说:“然而，如果机器已经安装了轴承，那么内置电机将无法工作，因为连续三个(或更多)轴承的直接耦合将导致轴承故障。”

最近，Danaher Motion采取了不同的方法，开发了第三种增强型DDR电机格式，据称该格式专注于先前格式的优点，同时消除了它们的缺点。称为墨盒DDR(或CDDR)，这些转矩电机保留高磁极计数和大直径，但没有轴承。“转子由客户的轴承支撑，因此提供了一个简单的安装和最小的设计努力，并且能够在不拆卸机器的情况下拆卸电机，”英格兰评论道。

Danaher认为，历史上DDR电机的缺点是应用困难和成本。“盒式DDR技术改变了这一点。它使直接驱动的好处可用于简单的机构，以及经典的，更高性能的伺服应用，”英格兰总结道。今天，CDDR技术电机在包装，印刷机，转换，印刷和医疗设备中得到应用。

（请向下滚动查看图形和更多文章)。

直接驱动转矩电机技术使机器设计更简单，运动精度更高，如图所示。消除了变速箱和传动带的运动损失。

扭矩密度大，磁铁强

西门子将高转矩密度设计视为其转矩电机产品的组成部分。产生转矩的两个关键参数——转子直径和电机长度——在物理上决定了这些电机的形状。西门子能源与自动化(E&A)自动化和运动控制事业部伺服电机和机电产品产品经理Ralph Baran这样说:增加主动转子直径对扭矩输出产生平方效应，而增加长度仅成正比地增加扭矩输出。因此，扭矩电机通常具有大直径和相对较短的长度。

Baran解释说，永磁体的强度有助于同步电机的扭矩密度。西门子将钕铁硼(Nd-Fe-B)磁铁(被认为是最强大和最便宜的稀土磁铁)用于其内置和无框架(内置)扭矩马达。

高转矩密度的另一个衡量标准是设计中的磁极数量。较高的极数转化为更高的扭矩输出，但这一规则在较低的极数有更大的影响。例如，Baran表示，在保持电机体积不变的情况下，将4极改为8极可以实现较大的扭矩增加，但将32极改为46极对扭矩增加的影响要小得多。他说:“根据经验，将极数增加到30是测量扭矩密度增加的好方法。”(即便如此，市场上也有极数远高于100的无框转矩电机。)

baum ller n rnberg GmbH同样密切关注在其多极永磁同步转矩电机- DST系列的设计中建立直径和长度之间的最佳比例。“因此，在很宽的速度范围内实现了恒定的高扭矩，”电机产品经理Marcel Möller说。

总部位于瑞士的ETEL S.A.指出，更强大的建模和分析工具的可用性简化了电机的设计和优化。ETEL公司美国总裁Kevin Derabasse表示:“优化电机设计将通过使用智能层压齿设计和层压材料选择来最大化磁通密度，同时仍然允许插入尽可能多的缠绕材料，以形成与磁通路径正常的扭矩。”他提到了ETEL公司的专利设计，用于改善铜缠绕线的“填充系数”。它实现了大约60%的填充，而现有技术为30%，因此与其他设计相比，填充密度增加了一倍。ETEL生产各种无框转矩电机。

控制内容

根据博世力士乐的说法，DDR转矩电机的控制与其他无刷电机非常相似，但需要某些特殊规定。控制回路(电流、速度和位置)必须尽可能快地关闭，以提供高静态/动态刚度。智能伺服驱动器关闭所有回路内部高速率(通常每0.25毫秒)。Rapp说:“由于‘驱动+扭矩电机’的组合直接向工件提供扭矩，它也直接影响精度和平稳运行。”如前所述，减少转矩波动对于精确加工尤为重要。

为了获得高刚度，需要更高的驱动放大器控制带宽。“高动态可以激发机械谐波，必须由放大器使用不限制性能的滤波器设置过滤，”Rapp警告说。反馈设备的选择也很重要。建议使用正弦反馈，因为智能驱动器可以从该信号中获得速度变化。“应该避免方波和串行型反馈，因为它们会限制性能，”拉普说。

电子换向(或极开关)需要操作无刷永磁电机。换向对DDR转矩电机来说不是一个简单的过程，因为空心轴反馈系统通常是增量的，而不是绝对的，这需要驱动放大器在每次控制上电后执行自动换向偏移。拉普说:“由于极距变得非常小，高极数电机的程序变得更加复杂。”智能驱动器，如博世力士乐indrdrive，提供各种换向功能。他解释说，饱和方法是首选，因为它可以在不物理移动电机的情况下运行。

西门子E&A的Baran表示:“从物理上讲，扭矩电机与其他无刷永磁电机具有相同的控制特性。然而，通过消除传动线路中的机械元件，也消除了间隙(运动损失)和机械‘弱点’。”其结果是驱动线机械刚度的急剧增加。

Baran解释说，对于控制器来说，这意味着它可以在不超调的情况下更积极地行动，从而实现更高的加速/减速以及更精确的定位和路径控制。他说:“经验表明，与传统的电机-联轴器-变速箱组合相比，通过设计用于直接驱动的机器，可以实现大约10倍的机器动力学改进。”

由于没有齿轮箱和其他机械传动元件，直接驱动的baumller DST电机据说可以提供零间隙，从而实现高控制效率。该属性使得通过监测电机扭矩和速度得出有关连接过程质量的结论成为可能，Möller解释道。运行参数的变化，如润滑油粘度的变化，在基于软件程序的控制器中进行关联，从而使系统控制和产品质量得到更好的提高。“一般来说，直接驱动也能提高整个系统的效率，节约能源，”Möller补充道。

ETEL表明，高度阻尼的伺服回路对于力矩电机控制至关重要，同时在快速减速期间能够处理再生能量的驱动器也至关重要。这是由于直接驱动设计，可以“看到”所有被驱动负载的共振，直接反映惯性。Derabasse解释说，在紧急停车情况下，电机迅速变成发电机，产生大量的再生能量，这些能量必须在驱动器中消散，或者在适当的控制下返回电源。

至关重要的冷却

高扭矩输出在电机绕组中产生热量，必须去除以避免电机损坏。拉普说:“冷却还可以最大限度地减少与热有关的膨胀，主要是电机定子的膨胀。”“这种膨胀会影响加工精度(机械中的热增长)，但也会对电机安装造成压力和损坏。”由于电机集成在机器结构中，oem必须考虑不同材料的热膨胀差异，以避免在安装定子时损坏。博世力士乐引用了一个OEM设计的极端例子，该设计只允许将部分定子插入机器孔中。在没有液体冷却的情况下，随着时间的推移，定子外侧较高的热膨胀会导致绕组开裂。

拉普补充说:“冷却方法和体积——液体、强制空气或对流——主要取决于消耗的功率或占空比，以及热增长方面的考虑。”

西门子还注意到冷却在增加扭矩密度方面的重要作用。无刷永磁电机的大部分热损耗发生在定子绕组，因为转子中没有磁化电流导致热损耗。巴兰解释说，消除这些电机产生的热量的一种有效方法是将冷却水通过靠近定子绕组的管道。他说:“测试表明，如果设计优化为水冷却，为自然空气冷却设计的电机的扭矩输出可以增加30%。”

根据ETEL的说法，扭矩电机的实际功率输出受到去除Ir的能力的限制。德拉巴斯解释说，反过来，这些热量可以使转子中的高能磁铁消磁。他补充说:“水循环尽可能靠近定子绕组是一种经济且热效率高的方法，可以最大限度地散热。”这就是为什么在定子的外径上经常发现周向通道，允许冷却管的紧密放置。

baum ller将水冷却集成到其DST扭矩电机中，作为公认的顶级扭矩性能需求。Möller表示:“只有这样才能实现高扭矩密度和同时的高过载能力。”“集成水冷却进一步实现了更高的[密封]防护等级(IP54)，这有助于DST电机满足工业环境中的恶劣条件。”除了更大的冷却能力，水冷的另一个反直觉的优点是减少噪音排放。鲍姆勒(和其他制造商)提到，水冷DDR扭矩电机运行安静比他们的风扇冷却的同行。

Danaher Motion声称其CDDR电机非常高效，能够用全封闭、不通风的解决方案取代水冷系统，从而大幅节省成本。然而，为了进一步增加扭矩输出，水或风冷也可以添加到CDDR电机。

应用程序视图

虽然不是大批量产品，但DDR转矩电机的应用范围很广。机床、加工中心、金属成型、旋转传输系统、印刷/转换机器和塑料加工设备是主要市场。博世力士乐提到的更奇特的应用是风力发电和波浪能收集。ETEL还提到了在海浪能转换和新一代电梯中的应用，以更低的维护成本和更简单的安装优势取代液压解决方案。

西门子提到在众多机床和生产应用中使用其1FW3(内置)和1FW6(内置)扭矩电机。后者的无框电机被设计成内置到用户的机器，提供轴承。在机器上还必须为1FW6电机提供编码器系统。内置1FW3电机包括轴承和编码器。它们应用于塑料生产(挤出机，绕线机，注塑机等)以及造纸和纺织工业。

baum ller强调DST电机的广泛使用，特别是在塑料挤出/注塑机的螺杆和关闭驱动器中，以及在为印刷行业提供动力的印版和橡皮布气缸中。

简而言之，扭矩电机在家里任何传统的齿轮传动系统，链条，或正时皮带已在过去使用，建议ETEL。

直接驱动无刷永磁转矩电机的制造商坚信，如果他们的机器设计经过优化以应用这些电机，OEM用户可以获得主要的生产力和质量效益。西门子E&A的经验表明，这些好处是现实的。“在某些情况下，机器生产率提高了50%，而精度提高了30%左右，”巴兰说。

西门子E&A指出，原始设备制造商采用这些扭矩电机的其他原因包括:维护和备件库存较少，施工中使用的零件较少，更高效的驱动线节省能源，与电机-变速箱组合相比，占地面积更小的机器节省空间。

作者信息

弗兰克·j·巴托斯是控制工程咨询编辑器。打电话给他。braunbart@sbcglobal.net．

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。