力矩伺服电机指永磁无刷转矩电机。

 

   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。

 

 

　　大直径，多磁极

　　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。

 

　　转矩密度，强有力的磁场

　　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。

 

　　控制实现

　　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 IndraDrive，可以提供多种交换方式。其中饱和方法是首选，他解释道，因为它可以在不进行任何物理移动的情况下运行。

　　西门子E&A的Baran提到，“从物理角度上说，转矩电动机和其他的无刷PM电机一样，具有相同的控制特性。不过，转矩电机在驱动线上消除了后冲力（损耗）以及机械设备‘缺陷’等物理元件的产生的不良影响。”因而增强了驱动的机械稳定性。

　　Baran解释说，对控制器而言，这意味着它可能不需要过冲就可以更快的改变速度。这样就可以进行快速的加速/减速，也可以更加精确的进行位置定位和路径控制。他说，“有关经验显示，和常规的电机加传动箱的组合相比，直接驱动的电机设计方案，可以使机械动态性能有提高10倍。”

　　由于没有了齿轮箱和其他机械传动设备，Baum焞ler的直接驱动式DST电机不会产生任何后冲现象，提高控制效率。M歭ler解释说，这个特点，让我们在判断相关过程的性能好坏的时候，可以通过电机的转矩和速度来评判。运行参数发生变化，例如在润滑剂黏度上的变化，通过相应的控制器软件反应出来可以达到更好的系统控制和产品质量控制效果。“通常，直接驱动也同样改善了整个系统的效率，达到节能省耗的效果”，M歭ler补充道。

　　ETEL建议说，对转矩电机的控制来说，高阻尼伺服环路是非常重要的。在迅速减速的过程中，电机利用驱动回收再生能量。这主要是由于采用直驱设计，该设计不仅能够控制受驱负载共振情况，而且还能直接捕捉负载的反应惯性。在紧急停机的情况下，电机可以快速转变成一台发电机，产生大量的再生能源，这些能源可以直接供给驱动，也可以通过适当的控制补偿电源，Derabasse说。

 

　　至关重要的冷却过程

　　高转矩的输出会造成电机的线圈发热，为了避免损坏电机，必须解决这个问题。“冷却可以最大程度的减少热膨胀造成的问题，特别是对电机的定子部分。”Rapp说，“这种热膨胀会影响电机的精确度（在机械设备内部产生的热量），也有可能会对电机的底座造成挤压和损伤”。由于电机是联合式的机器结构，当装备定子时，OEM必须解决不同材料受热膨胀程度不同的问题，以避免定子损坏。博世力士乐引用了一个极端的例子，一个OEM的设计，将定子一部分插入机械的槽孔中。在没有配备液态冷却系统情况下，使用一段时间后，裸露在外的部分受热膨胀，造成线圈撕裂。

　　“冷却方法和容量的选择，如通过液体、强迫通风或者对流等主要取决于消耗功率或是工作回路，同时还要考虑到热量增长的情况”，Rapp补充说。

　　西门子也注意在增加转矩密度时冷却的重要性。无刷PM电机的热量损耗大多数发生在定子的线圈上，这是因为在转子上没有磁化电流，不会产生热损耗。水冷法是一种高效的冷却方式，能够降低热损耗带来的影响。冷水在紧贴定子线圈的冷水管道流动，带走热量，Baran说。“试验证明，和使用自然气冷的电机相比，如果设计中优先选择水冷，产生的转矩可以增加30%”，他说。　

　　图5：丹纳赫传动的Cartridge DDR扭矩电机，可以提供位置反馈以及附在用户手

柄上的压缩联结。尽管只有14in的体积，电机拥有46个磁极，能够输出500Nm的连续扭矩。

 

　　根据ETEL所说，转矩电动机实际功率输出受到两方面的限制，线圈中I2R的功率损耗，以及定子叠

片间的涡流损耗。（磁极对数越大，涡流损耗越大）如果产生的热量不能被有效的释放，线圈温度的上升最终将导致绝缘层击穿，导致转子过热。另外，这些热量也会引起磁铁的退磁现象， Derabasse解释道。“紧靠定子线圈采用水冷法能够最大程度地降低热损耗。这种方法不但经济实惠而且功效显著。”他补充说。这就是为什么要在定子的外径设置圆形的通道的原因，这样可以让冷水管道紧贴定子线圈。

　　Baum焞ler把水冷系统作为DST转矩电机的一部分，他们认为只有这样做才能获取最佳转矩。“只有这样，才有可能达到很高的转矩密度同时获得更大的负载能力。”，M?ller提到。“完整的水冷却系统需要满足一个较高的[封装]保护标准（IP54），这样，DST电机就可以安装在恶劣环境中进行工作”。除了尚佳的冷却能力之外，水冷却另一个隐性好处便是减少的噪声干扰。Baum焞ler （和其他制造商）证实，采用水冷处理的DDR转矩电动机比采用风扇冷却的同类电机运行时噪音小得多。

　　丹纳赫传动声明说它的CDDR电机性能卓越，采用完全封装，不通风的解决办法替代水冷系统从而节约成本。当然，为了达到更大的转矩密度，水或空气冷却都设备可以增加到CDDR电机。

 

　　应用概览

　　虽然DDR转矩电动机出产量不算高，它应用范围非常广阔的。机床，加工中心，冶金，转台式传送系统，印刷/炼钢机械，塑模设备是首选应用市场。博世力士乐开拓了更多其他的应用领域，像是海洋电力发电和海浪发电等领域。ELET也提到了在海浪发电与新型起重机中应用DDR力矩电机的解决方案。这种方法维修成本低廉，安装简单方便，可以很好的代替水利发电和液压起重机。

　　西门子提到在许多机床和生产应用上，采用了1FW3 （框架式）和1FW6 （无框架内置式）转矩电动机。最新型的无框电机被设计成嵌入式的，支持承轴。对1FW6电机而言，还需要一个编译系统。1FW3框架式电机包括轴承和编码器。他们应用在塑料产品生产中（压出机，绕组机，注模机，等等），也用于纸张和纺织工业。

　　Baumuller强调DST电机的应用范围之广，特别是在螺旋器和外形塑性/注模上的紧密驱动方面的应用，以及在印刷厂的印花和覆盖面上的应用。

　　ETEL提到，简而言之，过去使用传统的传动机构、传动链条、调速皮带的场合都可以用转矩电机替代。

　　直接驱动无刷PM转矩电机的厂商们，都坚信OEM用户如果优先选用这种电机，能大大提高生产力和质量品质，大大获益。西门子E&A的经验表明，这些好处都将美梦成真。“在一定条件下，机器生产力可以增长50%，而精确度提高了大约30%”，Baran说。

　　Siemens E&A建议OEMs使用这种电机的好处还有很多。比起电机加传动箱的联合装置来，这种电机维护费用较低，所需要备品备件更少，驱动工作效率更高，有效节约能源，占地空间小，节省空间。

                                            翻译：常嘉佳