旋轉直驅優勢（Advantages of Rotary Direct Drives）
提升動態性能
- 無需運動形式轉換
- 驅動系統不存在因傳動或耦合元件引起的彈性、背隙、遲滯與摩擦。
- 多極馬達
- IDAM 馬達採多極設計，能產生極高扭矩，且可從轉速 > 0 直到連續轉速全範圍運用。
- 薄型環狀轉子
- 採用大內徑開放式薄型環形設計，轉子慣性矩極低，因此馬達可具備極高加速能力。
- 直接位置量測
- 透過直接位置量測與剛性機械結構，定位具有高動態性與高精度。
降低運營成本
- 無額外運動部件
- 驅動組件的組裝、調整與維護工作大幅減少。
- 驅動系統無磨損
- 即使承受高負載與頻繁交變負載，驅動系統仍極為耐用，機器停機時間因此降低。
- 高可用性
- 除了延長使用壽命和減少磨損外，扭矩馬達（torque motor）的堅固性亦提升了系統可用性。
提升設計靈活性
- 中空軸
- 扭矩馬達的大型開放式內徑（中空軸）設計提供極大的設計靈活性，可供管路、夾具、旋轉接頭及佈線通過馬達中心。
- 組件整合 RDDS
- 由於所需空間較小，系統可輕鬆整合至機器設計中。
- 緊湊設計
- 搭配大型開放式內徑（中空軸），系統相對於扭矩輸出極為緊湊。
- 零件數量少
- 成熟的設計有助於將系統整合至整體機器概念中；更少且更堅固的零件帶來低故障率（高 MTBF*）。
*MTBF：Mean Time Between Failures（平均故障間隔時間）
系統優勢（System Advantages）
- 高動態性能與剛性（High dynamics and stiffness）
- 極順暢的運動（Extremely smooth motion）
- 高加速（High acceleration）
- 高速度（High velocity）
- 緊湊設計（Compact design）
- 易於組裝（Easy assembly）
- 優異的靜態與動態負載剛性（Excellent static and dynamic load rigidity）
- 無背隙（No backlash）
- 低磨損、低維護系統（Low-wear and low-maintenance system）
- 小慣性（Small inertia）
- 峰值扭矩 Tp：8.9 – 369 Nm
- 量測系統（Measuring system）：光學量測原理，多種增量數依型號
- 軸承（Bearing）：緊湊、可承受高外部傾覆扭矩（tilting torque）、高剛性與精度、極低軸向與徑向跳動（runout）
- 自由內徑（Free inner diameter）
標準結構（Standard Design）
RDDS 標準結構：元件 1（載台板）至 7（底板）位置示意
RDDS 標準結構包含以下七大元件：
熱保護（Thermal Motor Protection）
監控迴路 I 與 II（Monitoring Circuit I and II）
直驅系統常在熱性能極限下運作。此外，運作過程中可能發生超過允許額定電流的不可預見過載。因此，伺服控制器一般應具備過載保護，以控制馬達電流。馬達電流的有效值（均方根值）只能在短時間內超過馬達允許的額定電流。這種間接式溫度監控快速且可靠。
IDAM 馬達配備溫度感測器（PTC 與 KTY），應用於熱保護。
監控迴路 I（Monitoring Circuit I）
三相繞組配備三個串聯的 PTC 以確保馬達保護。PTC 為正溫度係數熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient thermistor），安裝後其熱時間常數低於 5 s。
PTC 溫度特性：電阻 R [Ω] 對溫度 ϑ [K] 曲線，超過額定響應溫度 Tn 後電阻急劇上升
PTC 溫度特性（Temperature characteristics PTC）
電阻值 R [Ω] 與溫度 ϑ [K] 的對應（由來源文字擷取）：
| 溫度 | Tn-20 | Tn-5 | Tn | Tn+5 | Tn+15 |
|---|---|---|---|---|---|
| 電阻 R [Ω] | 250 | 550 | 1330 | 4000 | — |
Tn：額定響應溫度（Nominal response temperature）
與 KTY 不同，PTC 電阻在超過額定響應溫度 Tn 時急劇上升，可達冷態值的數倍。三個 PTC 串聯後，即使僅一個元件超過 Tn，整體電阻也會產生明顯變化。使用三個感測器可確保馬達在不對稱相位負載靜止狀態下，仍能觸發安全停機信號。
商用馬達保護跳脫裝置通常在 1.5 至 3.5 kΩ 之間動作，因此可在每個繞組數度誤差範圍內偵測到過溫。若 PTC 迴路電阻過低，跳脫裝置亦會動作，通常表示監控迴路異常，並確保控制器與馬達感測器之間的安全電氣隔離。馬達保護跳脫裝置不包含在供貨範圍內。
注意：PTC 不適用於溫度量測。如需溫度量測，應使用 KTY。如有需求，可在客戶要求下整合其他監控感測器。原則上，PTC 感測器信號必須被監控，以防止過溫。
監控迴路 II（Monitoring Circuit II）
PTC 與 KTY 標準接線圖：三相繞組（U、V、W）各配置 PTC，單相（U）配置 KTY84-130
馬達其中一相配備額外的 KTY84-130 感測器，此感測器為正溫度係數半導體電阻（semiconductor resistor with positive temperature coefficient）。
溫度等效信號的產生具有延遲，延遲時間取決於馬達類型。為防止馬達過溫，控制器中定義了切斷限制值。馬達靜止時，常電流流過繞組，電流大小取決於各極點位置。
KTY 溫度特性：電阻 R [Ω] 對溫度 ϑ [°C] 曲線（-40 至 140 °C），量測電流 Imax = 2 mA
因此馬達受熱不均勻，可能導致未被監控繞組過熱。PTC 與 KTY 感測器對馬達具基本絕緣，不適合依據 DIN EN 50178 標準直接連接至 PELV/SELV 電路。
注意：KTY 感測器僅監控單一繞組，其信號可用於溫度監視或警告，但不允許單獨用於切斷。
電氣連接（Electrical Connections）
RDDS1 矩陣的標準電纜連接為軸向出線，位置於圖紙中定義。電纜從馬達出口的長度為 1.0 m，線端開放並配有端套。所用電纜符合 UL 認證，適用於拖鏈（cable drag chains）。
旋轉系統可選配直接安裝於外殼的插頭，或連接電纜末端的耦合插頭。
系統旋轉正方向
載台板（stage plate）的標準旋轉方向為逆時針方向，但依連接形式可能有所不同。
接腳配置 — 電纜連接（標準）
電纜類型：4G1.5 + 2x (2x0.75) KAWEFLEX 5281，外徑 Ø 12.6 mm，動態彎曲半徑 95 mm，靜態彎曲半徑 63 mm
| 馬達（Motor） | |
|---|---|
| 芯線（Core） | 信號（Signal） |
| 1 | 相 U（Phase U） |
| 2 | 相 V（Phase V） |
| 3 | 相 W（Phase W） |
| GNYE | PE |
| 5 | PTC（3x 串聯，所有相） |
| 6 | PTC（3x 串聯，所有相） |
| 7 | + 溫度感測器 KTY84-130（單相） |
| 8 | - 溫度感測器 KTY84-130（單相） |
| Shield | |
電纜類型：12x0.08 NJ AWM STYLE 20963，外徑 Ø 3.7 mm，動態彎曲半徑 40 mm，靜態彎曲半徑 8 mm
| 量測系統 1 Vpp（Measuring system 1 Vpp） | |
|---|---|
| 芯線（Core） | 信號（Signal） |
| GN | U1+ |
| BN | U1- |
| BK | U2+ |
| RD | U2- |
| GY | U0+ |
| PK | U0- |
| WH | GND |
| BU | +5 V |
| Shield | |
接腳配置 — 插頭連接（選配）
RDDS1-130xH：9 極 M17 安裝插頭
| 馬達（Motor）— 9 極 M17 安裝插頭 | |
|---|---|
| 接腳（Pin） | 信號（Signal） |
| 1 | 相 U（Phase U） |
| 2 | 相 V（Phase V） |
| 3 | 相 W（Phase W） |
| PE | PE |
| A | PTC（3x 串聯，所有相） |
| B | PTC（3x 串聯，所有相） |
| C | NC |
| D | + 溫度感測器 KTY84-130（單相） |
| E | - 溫度感測器 KTY84-130（單相） |
| Case | Shield |
| 量測系統 1 Vpp — 17 極 M17 安裝插頭 | |
|---|---|
| 接腳（Pin） | 信號（Signal） |
| 1 | +5 V Sense |
| 2 | NC |
| 3 | NC |
| 4 | GND Sense |
| 5 | NC |
| 6 | NC |
| 7 | +5 V |
| 8 | NC |
| 9 | NC |
| 10 | GND |
| 11 | NC |
| 12 | U2+ |
| 13 | U2- |
| 14 | U0+ |
| 15 | U1+ |
| 16 | U1- |
| 17 | U0- |
| Case | Shield |
RDDS1-160xH、RDDS1-180xH、RDDS1-230xH 及 MA/MU/MD 連接變體（所有尺寸）
RDDS1-160xH、RDDS1-180xH、RDDS1-230xH 採用 8 極 M23 安裝插頭；連接變體 MA/MU/MD（所有尺寸）採用 8 極 M23 耦合插頭（位於電纜末端）。
| 馬達（Motor）— 8 極 M23 安裝插頭 | |
|---|---|
| 接腳（Pin） | 信號（Signal） |
| 1 | 相 U（Phase U） |
| 4 | 相 V（Phase V） |
| 3 | 相 W（Phase W） |
| 2 / PE | PE |
| A | PTC（3x 串聯，所有相） |
| B | PTC（3x 串聯，所有相） |
| C | + 溫度感測器 KTY84-130（單相） |
| D | - 溫度感測器 KTY84-130（單相） |
| Case | Shield |
| 量測系統 1 Vpp — 12 極 M23 安裝插頭 / 耦合插頭 | |
|---|---|
| 接腳（Pin） | 信號（Signal） |
| 1 | U2- |
| 2 | +5 V Sense |
| 3 | U0+ |
| 4 | U0- |
| 5 | U1+ |
| 6 | U1- |
| 7 | NC |
| 8 | U2+ |
| 9 | NC |
| 10 | GND |
| 11 | GND Sense |
| 12 | +5 V |
| Case | Shield |
換相（Commutation）
旋轉直驅系統優先以換相（commutated）模式運行。IDAM 扭矩馬達標準配置不含 Hall 感測器。IDAM 建議採用量測系統相關換相方式，因為現代伺服變頻器與控制器均支援此方式。
絕緣電阻（Insulation Strength）
母線電壓（link voltage）最高 600 VDC 的絕緣強度。
IDAM 馬達符合 EC 指令 73/23/EEC 及歐洲標準 EN 50178 與 EN 60204。出廠前以差異化高壓測試方法進行測試，並在真空環境下澆注。請確保遵守馬達型號相關的工作電壓。
變頻器運行時馬達端子的過電壓
由於快速切換的功率半導體產生高 du/dt 負荷，當馬達與變頻器之間使用較長連接電纜（約 5 m 以上）時，馬達端子可能出現顯著高於實際變頻器電壓的電壓尖峰，對馬達絕緣造成極高負荷。
注意：
- PWM 模組的 du/dt 值不得超過 8 kV/µs。
- 馬達連接電纜應盡可能短。
- 為保護馬達，應在特定配置中使用示波器量測施加於馬達繞組相對 PE 的電壓（PWM）。現有電壓尖峰不應明顯超過 1 kV。從約 2 kV 起，應預期絕緣逐漸損壞。
- 請遵守控制器製造商提供的建議與配置注意事項。
IDAM 工程師將協助您的應用，並協助判斷和降低過高電壓。
冷卻與冷卻迴路（Cooling and Cooling Circuit）
功率損耗與熱損耗
除了由馬達常數 km 決定的功率損耗外，馬達還承受頻率依存的損耗，尤其在較高控制頻率（50 Hz 以上）時更為顯著。這些損耗共同造成馬達及其他系統組件升溫。
在馬達低控制頻率（< 80 Hz）下，以下規則適用：馬達常數 km 高的馬達，相較於 km 較低的同規格馬達，所產生的功率損耗更低。
馬達運行期間產生的功率損耗，透過馬達組件傳遞至相連元件。整體系統精心設計，透過對流、傳導與輻射三種方式影響並控制熱分佈。
液冷馬達的連續扭矩約為無冷卻馬達的兩倍。旋轉直驅系統的選型與整合必須根據安裝空間、精度與冷卻需求進行。
對於高性能機器及高動態運作且對應高軸承負載的設備，建議優先採用主動冷卻。
冷卻設計
系統冷卻設計為套式冷卻（jacket cooling），應由客戶連接至冷卻裝置的冷卻迴路。冷卻套作為選配件隨馬達提供，或已作為機器結構的整合部分由客戶供應。
冷卻介質（cooling medium）從入口通過不同高度的冷卻肋孔道流向出口。入口與出口接頭可依需求分配至兩個連接口。流道以 O 形環密封。
冷卻套剖面：冷卻接頭（Cooling connections）、冷卻槽（Cooling slots）及 O 形環槽（O-ring slots）位置示意
注意：使用水作為冷卻劑時，必須加入添加劑以防止冷卻迴路中的腐蝕與生物沉積。
冷卻介質溫度依存性（Dependency of Characteristic Data on the Supply Temperature of Cooling Medium）
資料表中水冷運行的連續電流 Icw 是在額定供應溫度 ϑnV = 25 °C 下可達到的。較高的供應溫度 ϑV 將導致冷卻性能降低，進而降低額定電流。縮減後的連續電流 Ic red 可由以下二次方程式計算：
Ic red = Icw × √ϑmax − ϑVϑmax − ϑnV
| 符號 | 說明 | 單位 |
|---|---|---|
| Ic red | 縮減後連續電流（Reduced continuous current） | A |
| Icw | 水冷連續電流，於 ϑnV 下（Continuous current, cooled at ϑnV） | A |
| ϑV | 目前供應溫度（Current supply temperature） | °C |
| ϑnV | 額定供應溫度（Rated supply temperature） | °C |
| ϑmax | 最大允許繞組溫度（Maximum permissible winding temperature，適用於恆定馬達電流） | °C |
相對連續電流 Ic red / Icw [%] 對供應溫度 ϑV [°C] 曲線（額定供應溫度 ϑnV = 25 °C）
定位週期（Positioning Cycle）
以下定位週期範例使用系統 RDDS1-160x195-S-B-CA-WM-9000：
範例系統參數
定位週期（左）：角加速度 a [rad/s²] 與位置偏差 [arcsec] vs. 時間 t [ms]
定位週期（右）：角加速度 a [rad/s²] 與 DAC 扭矩 [% Tnom/Tp] vs. 時間 t [ms]
Tp：峰值扭矩（Peak torque）；Tnom：額定扭矩（Nominal torque）
系統配置（System Configuration）
系統配置架構：RDDS1、IDAM DSMRW、Servo Control E、Servo Drive E 及 PC（Ethernet/EtherCAT）互連示意，同時支援 XDDS 平面系統與 MDDS 多軸系統
旋轉直驅系統（RDDS1）可搭配以下控制架構運行：
- IDAM® DSMRW：單軸伺服驅動器，或其他廠牌控制器
- 電流回授（Current）
- 編碼器 1 Vss sin/cos
- IDAM® Servo Control E + IDAM® Servo Drive E（多軸擴充模組）
- 透過 Ethernet 連接 PC（Embedded PC，含 Soft-PLC 與多軸插補）
- 支援 IDAM® RDDS1（旋轉）、IDAM® XDDS（平面）、IDAM® MDDS（多軸）等系統
- 其他廠牌控制器（Controls of other producers）
附加負載（Additional Loads）
以下說明旋轉系統可能的負載情況。外部力或附加質量依施力點及位置對旋轉系統造成特定負載。
軸向力與軸向負載
圖 1 與圖 2：同心配置的軸向合力 Fax = Fa + m × g（兩種安裝方向）
作用於中心、作用線與旋轉軸重合的外部力（Fa），以及同心配置的附加質量（m），在圖 1 與圖 2 的組裝方式下，將產生合軸向力（Fax）：
Fax = Fa + m × g
傾覆扭矩（軸向偏心）
圖 3：偏心距 r 產生傾覆扭矩 Ttilt（正置安裝）
圖 4：偏心距 r 產生傾覆扭矩 Ttilt（倒置安裝）
若合軸向力（Fax）相對旋轉軸有偏心距（r）（如圖 3 與圖 4），旋轉系統將承受附加傾覆扭矩：
Ttilt = r × Fax
在槓桿臂與力互相垂直時：
|Ttilt| = |r| × |Fax| × sin 90°
Ttilt = r × Fax
徑向力與傾覆扭矩
圖 5：徑向力 Fr、合徑向力 Frad、距離 a、b、c 及傾覆扭矩 Ttilt 示意（水平安裝）
作用於中心、垂直於旋轉軸的外部徑向力（Fr），以及同心配置的附加質量（m），在圖 5 的組裝方式下，將產生合徑向應力（Frad）：
Frad = Fr + m × g
徑向力（Frad）的施力點通常距載台板距離（a），且徑向負載額外造成傾覆扭矩。依圖 5，傾覆扭矩為：
Ttilt = b × Frad
在槓桿臂與力互相垂直時，類同前頁：
|Ttilt| = |b| × |Frad| × sin 90°
Ttilt = b × Frad
其中距離 b 依圖 5 為：
b = a + c
因此傾覆扭矩為：
Ttilt = (a + c) × Frad
c 值為各直徑規格的特定數值：
| RDDS1 | c [m] |
|---|---|
| 130xH | 0.028 |
| 160xH | 0.032 |
| 180xH | 0.026 |
| 230xH | 0.029 |
注意：在任何情況下，規定的限制值（Fax、Frad、Ttilt）均不得超過。如您的負載需求較高，請與我們聯繫。
直驅選型（Selection of Direct Drives for Rotary Applications）
週期性應用（Cycled Applications）
週期性運作中，順序定位動作之間穿插無動作的暫停。簡單的定位順序由正加速運動接著減速（通常大小相同的負加速）構成，因此加速與減速時間相等，最大角速度 ωmax 在加速階段結束時達到。
角速度 ω vs. 時間 t：顯示 ωmax、-ωmax、運動時間 tM 與暫停時間 tP 的週期性往返運動
由此得到 α(t) 圖（α：角加速度）以及所需運動扭矩：
T = J × α
（T：扭矩 [Nm]，J：質量慣性矩 [kgm2]，α：角加速度 [rad/s2]）
週期於 ω(t) 圖中描述（ω：角速度，t：時間），顯示含暫停的前後往返運動（tM：運動時間，tP：暫停時間）。
角加速度 α 與扭矩 T vs. 時間 t：T1–T6 六段扭矩週期，顯示 tM/2 與 tP 各時間段
依照所需節拍週期的扭矩變化，馬達依三項準則選型：
- 週期中的最大扭矩 M：依資料表 Tp（峰值扭矩）
- 週期中的有效扭矩 M：依資料表 Tc（無冷卻）或 Tcw（水冷）
- 週期中的最大轉速 M：依資料表 nlp
有效扭矩等於節拍週期中扭矩曲線（六段扭矩週期）的均方根值：
Trms = √T12·t1 + T22·t2 + … + T62·t6t1 + t2 + … + t6
範例計算中的安全係數 1.4 同時考慮馬達在扭矩-電流特性非線性區域的運作，在此情況下計算 Teff 的公式僅為近似值。
令 T1 = T、T2 = -T、T3 = 0、T4 = -T、T5 = T、T6 = 0，以及 t1 = tM/2、t2 = tM/2、t3 = tP、t4 = tM/2、t5 = tM/2、t6 = tP，計算有效扭矩：
Trms = Tnom × √tMtM + tP
此方程式適用於節拍週期中大小相同扭矩的情況（慣性矩與角加速度為常數）。根號內出現「運動時間總和除以運動時間與暫停時間之總和」，分母即為週期時間。
定位運動的角加速度、最大角速度與最大轉速計算式：
α = 4 × φ / tM2
ωmax = α × tM / 2
nmax = 60 / (2 × π) × ωmax
| 符號 | 說明 | 單位 |
|---|---|---|
| φ | 定位角（Motion angle） | rad |
| tM | 運動時間（Motion time） | s |
| α | 角加速度（Angular acceleration） | rad/s2 |
| ωmax | 最大角速度（Maximum angular speed） | rad/s |
| nmax | 最大轉速（Maximum rotary speed） | rpm |
若伺服變頻器中設定了加加速度限制（jerk limit），定位時間將相應延長，此時須以更高加速度維持固定的定位時間。
旋轉直驅系統選型範例（Selection of Rotary Direct Drive Systems）
範例：週期性應用，例如測試系統
| 預設值（Preset values） | 數值 | 說明 |
|---|---|---|
| 質量慣性矩 J [kgm2] | 0.018 | |
| 定位角 φ [°] | 22.5 | |
| 摩擦扭矩 Tf [Nm] | 2 | |
| 安裝空間 D（最大外徑）[mm] | 180 | |
| 運動時間 tM [ms] | 30 | |
| 安全係數（Safety factor） | 1.4 | |
| 暫停時間 tP [ms] | 60 |
定位角換算為弧度：
φ = 180/π × 22.5° = 0.3927 rad
各步驟計算結果：
α = 4 × 0.3927 rad / (0.03 s)2 = 1745.33 rad/s2
ωmax = 1745.33 rad/s2 × 0.03 s / 2 = 26.18 rad/s
nmax = 60 / (2 × π) × 26.18 rad/s = 250 rpm
加入摩擦扭矩與安全係數後，得到最大安全係數扭矩：
Tnom = [(0.018 kgm2 × 1745.33 rad/s2) + 2 Nm] × 1.4 = 46.78 Nm
加速與制動扭矩相等，有效扭矩等於節拍週期扭矩曲線的均方根值：
Trms = 46.78 Nm × √0.03 s0.03 s + 0.06 s = 27.01 Nm
（六段扭矩週期 = 兩個週期）
系統選型結果
兩款選定系統均可達到最大轉速 250 rpm。
選型範例：角速度 ω vs. 時間 t（ωmax、tM、tP）
選型範例：角加速度 α 與扭矩 T vs. 時間 t（T1–T3 簡化週期）
查詢與選型
如需就您的應用進行查詢與選型，歡迎隨時與我們聯繫。