什么是直驱电机？它有什么优缺点？

       什么是直驱电机呢？

       其实，从字面也很容易理解，直驱电机就是直接驱动负载的电机。

直驱电机无齿轮，蜗轮蜗杆，同步带，减速器等中间传动部分，直接连接在负载上，提高了系统的刚性，图片来自ETEL。

       由于负载直接和电机相连，中间没有减速器，同步带，涡轮蜗杆等传动结构，所以传动刚性高，系统控制带宽高，系统响应迅速。

       另外，因为是无齿隙传动，所以可以实现精密驱动。

       当然，直驱电机可以是旋转电机，也可以直线电机，我们平常所说的 直线电机、 音圈电机还有压电电机就是直驱电机。

       但是今天，我们主要集中讨论旋转直驱电机。

一、直驱电机的结构

       旋转直驱电机，由于其在低速下产生高转矩的能力，因此通常被称为转矩电机。

       转矩电机往往是无刷永磁同步电动机，与传统的伺服电机非常相似，但它有大量的极数，大量的极数使常规转矩电机能够以中等速度获得高转矩。

传统伺服电机结构，及直驱电机的两种常见结构。在直驱电机中，一种线圈竖着放，一种水平放。

       直驱电机通常是无框架设计，也就是说不包括外壳，轴承或反馈设备，这些组件用户可以单独购买并集成。

直驱电机结构，定子主要是线圈，转子是磁铁。来自MAGNETIC INNOVATIONS。

直驱电机结构，来自Tecnotion。

       
直驱电机的控制示意图

        其实除了传统的结构外，直驱电机还有一种结构，绕组和磁铁的排布不同于传统方式。

        如下图所示，叫横向磁通电机，主要区别在于磁铁的充磁方向，和线圈的绕线方法。

典型的横向磁通电机结构图，横向磁通电机的线圈绕成一圈一圈的，像蚊香。来自www.pengky.cn。

横向磁通直驱电机和传统直驱电机相比，可以大大提高磁极数，也就意味着可以提高扭矩，但是并不会增加绕组电阻。来自ETMPower。

横向磁通电机和径向磁通电机扭矩对比，相同体积下，横向磁通电机可以实现更高的扭矩，来自ETMPower。

横向磁通直驱电机磁场分布及线圈结构，发现没有，磁通把线圈包围起来了，图片来自ETMPower。

横向磁通直驱电机结构及磁场示意图，磁通包围绕组。

横向磁通直驱电机结构及受力示意图。

二、直驱电机的应用

       其实前面也讲了几个直驱电机的应用。

       这里再补充几个。

       直驱电机，因为没有附加的传动元件，往往比传统电机更紧凑，从而使其更易于集成到空间狭窄的机器和系统中，比如机器人手臂。

直驱电机用于机器人手臂

直驱电机用于协作机器人手臂关节驱动

直驱电机用于机器人手臂

直驱电机用于机器人手臂，来自Kollmorgen。
        

直驱电机用于机器人手臂，来自Kollmorgen。

直驱应用的经典案例：天线和卫星中的万向架。

直驱电机用于电梯系统：使用直驱电机打开和关闭要进入的乘驶室，图片来自Schindler Elevator Corp.。

ETM的直驱电机用于传送带，可完成多功能自动化任务：可实现慢速通过的视觉检查应用， 也可以实现零件高速转移。

       其实，直驱电机还有很多应用，比如：扫描仪，望远镜， CCTV摄像机，雷达和武器系统中的万向架。

       当然，在包装设备，数控机床，甚至高端唱片转盘中也有应用。

三、直驱电机的优缺点

       总体来说，直驱电机有如下几点优势：

       直接驱动，高刚性，高动态响应。

       高精度（和反馈编码器有关）。

       低齿槽效应。

       低热阻：通过恰当的散热和冷却方法，可以有效转移热量，进而提高连续运转扭矩。

       可用于紧凑设计：当电机为扁平式时，中间有一个大孔，可以让滑环，管道和电缆穿过，实现小空间集成。

       低维护：因为少了中间传动机构，机械零件更少，通常，唯一的磨损零件是导轨，所以维护工作量减少了，平均故障间隔时间也提高了。

       高效率：消除了中间机械摩擦和惯性，提高了能源效率。

       缺点：

       直驱电机的主要缺点在于成本高。

       在简单的1：1比较中，直驱电机比传统电机贵。但是，考虑到省去了中间齿轮和联轴器，以及相关的维护和整体机械简化，直驱电机也通常具有成本效益。

       而且，随着直驱电机越来越普遍，并且更强大的钕铁硼（Nd-Fe-B）磁铁的发展，直驱电机的成本正在下降。