旋转直驱优势（Advantages of Rotary Direct Drives）
提升动态性能
- 无需运动形式转换
- 驱动系统不存在因传动或耦合元件引起的弹性、齿隙、迟滞与摩擦。
- 多极马达
- IDAM 马达采多极设计，能产生极高扭矩，且可从转速 > 0 直到连续转速全范围运用。
- 薄型环状转子
- 采用大内径开放式薄型环形设计，转子惯性矩极低，因此马达可具备极高加速能力。
- 直接位置测量
- 透过直接位置测量与刚度机械结构，定位具有高动态性与高精度。
降低运营成本
- 无额外运动部件
- 驱动组件的组装、调整与维护工作大幅减少。
- 驱动系统无磨损
- 即使承受高负载与频繁交变负载，驱动系统仍极为耐用，机器停机时间因此降低。
- 高可用性
- 除了延长使用寿命和减少磨损外，扭矩马达（torque motor）的坚固性亦提升了系统可用性。
提升设计灵活性
- 中空轴
- 扭矩马达的大型开放式内径（中空轴）设计提供极大的设计灵活性，可供管路、夹具、旋转接头及布线通过马达中心。
- 组件整合 RDDS
- 由于所需空间较小，系统可轻松整合至机器设计中。
- 紧凑设计
- 搭配大型开放式内径（中空轴），系统相对于扭矩输出极为紧凑。
- 零件数量少
- 成熟的设计有助于将系统整合至整体机器概念中；更少且更坚固的零件带来低故障率（高 MTBF*）。
*MTBF：Mean Time Between Failures（平均故障间隔时间）
系统优势（System Advantages）
- 高动态性能与刚度（High dynamics and stiffness）
- 极顺畅的运动（Extremely smooth motion）
- 高加速（High acceleration）
- 高速度（High velocity）
- 紧凑设计（Compact design）
- 易于组装（Easy assembly）
- 优异的静态与动态负载刚度（Excellent static and dynamic load rigidity）
- 无间隙（No backlash）
- 低磨损、低维护系统（Low-wear and low-maintenance system）
- 小惯性（Small inertia）
- 峰值扭矩 Tp：8.9 – 369 Nm
- 量测系统（Measuring system）：光学量测原理，多种增量数依型号
- 轴承（Bearing）：紧凑、可承受高外部倾覆扭矩（tilting torque）、高刚度与精度、极低轴向与径向跳动（runout）
- 自由内径（Free inner diameter）
标准结构（Standard Design）
RDDS 标准结构：元件 1（载台板）至 7（底板）位置示意
RDDS 标准结构包含以下七大元件：
热保护（Thermal Motor Protection）
监控回路 I 与 II（Monitoring Circuit I and II）
直驱系统常在热性能极限下运作。此外，运作过程中可能发生超过允许额定电流的不可预见过载。因此，伺服控制器一般应具备过载保护，以控制马达电流。马达电流的有效值（均方根值）只能在短时间内超过马达允许的额定电流。这种间接式温度监控快速且可靠。
IDAM 马达配备温度感测器（PTC 与 KTY），应用于热保护。
监控回路 I（Monitoring Circuit I）
三相绕组配备三个串联的 PTC 以确保马达保护。PTC 为正温度系数热敏电阻（Positive Temperature Coefficient thermistor），安装后其热时间常数低于 5 s。
PTC 温度特性：电阻 R [Ω] 对温度 ϑ [K] 曲线，超过额定响应温度 Tn 后电阻急剧上升
PTC 温度特性（Temperature characteristics PTC）
电阻值 R [Ω] 与温度 ϑ [K] 的对应（由来源文字撷取）：
| 温度 | Tn-20 | Tn-5 | Tn | Tn+5 | Tn+15 |
|---|---|---|---|---|---|
| 电阻 R [Ω] | 250 | 550 | 1330 | 4000 | — |
Tn：额定响应温度（Nominal response temperature）
与 KTY 不同，PTC 电阻在超过额定响应温度 Tn 时急剧上升，可达冷态值的数倍。三个 PTC 串联后，即使仅一个元件超过 Tn，整体电阻也会产生明显变化。使用三个感测器可确保马达在不对称相位负载静止状态下，仍能触发安全停机信号。
商用马达保护跳脱装置通常在 1.5 至 3.5 kΩ 之间动作，因此可在每个绕组数度误差范围内侦测到过温。若 PTC 回路电阻过低，跳脱装置亦会动作，通常表示监控回路异常，并确保控制器与马达感测器之间的安全电气隔离。马达保护跳脱装置不包含在供货范围内。
注意：PTC 不适用于温度量测。如需温度量测，应使用 KTY。如有需求，可在客户要求下整合其他监控感测器。原则上，PTC 感测器信号必须被监控，以防止过温。
监控回路 II（Monitoring Circuit II）
PTC 与 KTY 标准接线图：三相绕组（U、V、W）各配置 PTC，单相（U）配置 KTY84-130
马达其中一相配备额外的 KTY84-130 感测器，此感测器为正温度系数半导体电阻（semiconductor resistor with positive temperature coefficient）。
温度等效信号的产生具有延迟，延迟时间取决于马达类型。为防止马达过温，控制器中定义了切断限制值。马达静止时，常电流流过绕组，电流大小取决于各极点位置。
KTY 温度特性：电阻 R [Ω] 对温度 ϑ [°C] 曲线（-40 至 140 °C），量测电流 Imax = 2 mA
因此马达受热不均匀，可能导致未被监控绕组过热。PTC 与 KTY 感测器对马达具基本绝缘，不适合依据 DIN EN 50178 标准直接连接至 PELV/SELV 电路。
注意：KTY 感测器仅监控单一绕组，其信号可用于温度监视或警告，但不允许单独用于切断。
电气连接（Electrical Connections）
RDDS1 矩阵的标准电缆连接为轴向出线，位置于图纸中定义。电缆从马达出口的长度为 1.0 m，线端开放并配有端套。所用电缆符合 UL 认证，适用于拖链（cable drag chains）。
旋转系统可选配直接安装于外壳的插头，或连接电缆末端的耦合插头。
系统旋转正方向
载台板（stage plate）的标准旋转方向为逆时针方向，但依连接形式可能有所不同。
接脚配置 — 电缆连接（标准）
电缆类型：4G1.5 + 2x (2x0.75) KAWEFLEX 5281，外径 Ø 12.6 mm，动态弯曲半径 95 mm，静态弯曲半径 63 mm
| 马达（Motor） | |
|---|---|
| 芯线（Core） | 信号（Signal） |
| 1 | 相 U（Phase U） |
| 2 | 相 V（Phase V） |
| 3 | 相 W（Phase W） |
| GNYE | PE |
| 5 | PTC（3x 串联，所有相） |
| 6 | PTC（3x 串联，所有相） |
| 7 | + 温度感测器 KTY84-130（单相） |
| 8 | - 温度感测器 KTY84-130（单相） |
| Shield | |
电缆类型：12x0.08 NJ AWM STYLE 20963，外径 Ø 3.7 mm，动态弯曲半径 40 mm，静态弯曲半径 8 mm
| 量测系统 1 Vpp（Measuring system 1 Vpp） | |
|---|---|
| 芯线（Core） | 信号（Signal） |
| GN | U1+ |
| BN | U1- |
| BK | U2+ |
| RD | U2- |
| GY | U0+ |
| PK | U0- |
| WH | GND |
| BU | +5 V |
| Shield | |
接脚配置 — 插头连接（选配）
RDDS1-130xH：9 极 M17 安装插头
| 马达（Motor）— 9 极 M17 安装插头 | |
|---|---|
| 接脚（Pin） | 信号（Signal） |
| 1 | 相 U（Phase U） |
| 2 | 相 V（Phase V） |
| 3 | 相 W（Phase W） |
| PE | PE |
| A | PTC（3x 串联，所有相） |
| B | PTC（3x 串联，所有相） |
| C | NC |
| D | + 温度感测器 KTY84-130（单相） |
| E | - 温度感测器 KTY84-130（单相） |
| Case | Shield |
| 量测系统 1 Vpp — 17 极 M17 安装插头 | |
|---|---|
| 接脚（Pin） | 信号（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 连接变体（所有尺寸）
RDDS1-160xH、RDDS1-180xH、RDDS1-230xH 采用 8 极 M23 安装插头；连接变体 MA/MU/MD（所有尺寸）采用 8 极 M23 耦合插头（位于电缆末端）。
| 马达（Motor）— 8 极 M23 安装插头 | |
|---|---|
| 接脚（Pin） | 信号（Signal） |
| 1 | 相 U（Phase U） |
| 4 | 相 V（Phase V） |
| 3 | 相 W（Phase W） |
| 2 / PE | PE |
| A | PTC（3x 串联，所有相） |
| B | PTC（3x 串联，所有相） |
| C | + 温度感测器 KTY84-130（单相） |
| D | - 温度感测器 KTY84-130（单相） |
| Case | Shield |
| 量测系统 1 Vpp — 12 极 M23 安装插头 / 耦合插头 | |
|---|---|
| 接脚（Pin） | 信号（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 |
换相（Commutation）
旋转直驱系统优先以换相（commutated）模式运行。IDAM 扭矩马达标准配置不含 Hall 感测器。IDAM 建议采用量测系统相关换相方式，因为现代伺服变频器与控制器均支援此方式。
绝缘电阻（Insulation Strength）
母线电压（link voltage）最高 600 VDC 的绝缘强度。
IDAM 马达符合 EC 指令 73/23/EEC 及欧洲标准 EN 50178 与 EN 60204。出厂前以差异化高压测试方法进行测试，并在真空环境下浇注。请确保遵守马达型号相关的工作电压。
变频器运行时马达端子的过电压
由于快速切换的功率半导体产生高 du/dt 负荷，当马达与变频器之间使用较长连接电缆（约 5 m 以上）时，马达端子可能出现显著高于实际变频器电压的电压尖峰，对马达绝缘造成极高负荷。
注意：
- PWM 模组的 du/dt 值不得超过 8 kV/µs。
- 马达连接电缆应尽可能短。
- 为保护马达，应在特定配置中使用示波器量测施加于马达绕组相对 PE 的电压（PWM）。现有电压尖峰不应明显超过 1 kV。从约 2 kV 起，应预期绝缘逐渐损坏。
- 请遵守控制器制造商提供的建议与配置注意事项。
IDAM 工程师将协助您的应用，并协助判断和降低过高电压。
冷却与冷却回路（Cooling and Cooling Circuit）
功率损耗与热损耗
除了由电机常数 km 决定的功率损耗外，马达还承受频率依存的损耗，尤其在较高控制频率（50 Hz 以上）时更为显著。这些损耗共同造成马达及其他系统组件升温。
在马达低控制频率（< 80 Hz）下，以下规则适用：电机常数 km 高的马达，相较于 km 较低的同规格马达，所产生的功率损耗更低。
马达运行期间产生的功率损耗，透过马达组件传递至相连元件。整体系统精心设计，透过对流、传导与辐射三种方式影响并控制热分布。
液冷马达的连续扭矩约为无冷却马达的两倍。旋转直驱系统的选型与整合必须根据安装空间、精度与冷却需求进行。
对于高性能机器及高动态运作且对应高轴承负载的设备，建议优先采用主动冷却。
冷却设计
系统冷却设计为套式冷却（jacket cooling），应由客户连接至冷却装置的冷却回路。冷却套作为选附件随马达提供，或已作为机器结构的整合部分由客户供应。
冷却介质（cooling medium）从入口通过不同高度的冷却肋孔道流向出口。入口与出口接头可依需求分配至两个连接口。流道以 O 形环密封。
冷却套剖面：冷却接头（Cooling connections）、冷却槽（Cooling slots）及 O 形环槽（O-ring slots）位置示意
注意：使用水作为冷却剂时，必须加入添加剂以防止冷却回路中的腐蚀与生物沉积。
冷却介质温度依存性（Dependency of Characteristic Data on the Supply Temperature of Cooling Medium）
资料表中水冷运行的连续电流 Icw 是在额定供应温度 ϑnV = 25 °C 下可达到的。较高的供应温度 ϑV 将导致冷却性能降低，进而降低额定电流。缩减后的连续电流 Ic red 可由以下二次方程式计算：
Ic red = Icw × √ϑmax − ϑVϑmax − ϑnV
| 符号 | 说明 | 单位 |
|---|---|---|
| Ic red | 缩减后连续电流（Reduced continuous current） | A |
| Icw | 水冷连续电流，于 ϑnV 下（Continuous current, cooled at ϑnV） | A |
| ϑV | 目前供应温度（Current supply temperature） | °C |
| ϑnV | 额定供应温度（Rated supply temperature） | °C |
| ϑmax | 最大允许绕组温度（Maximum permissible winding temperature，适用于恒定马达电流） | °C |
相对连续电流 Ic red / Icw [%] 对供应温度 ϑV [°C] 曲线（额定供应温度 ϑnV = 25 °C）
定位周期（Positioning Cycle）
以下定位周期范例使用系统 RDDS1-160x195-S-B-CA-WM-9000：
范例系统参数
定位周期（左）：角加速度 a [rad/s²] 与位置偏差 [arcsec] vs. 时间 t [ms]
定位周期（右）：角加速度 a [rad/s²] 与 DAC 扭矩 [% Tnom/Tp] vs. 时间 t [ms]
Tp：峰值扭矩（Peak torque）；Tnom：额定扭矩（Nominal torque）
系统配置（System Configuration）
系统配置架构：RDDS1、IDAM DSMRW、Servo Control E、Servo Drive E 及 PC（Ethernet/EtherCAT）互连示意，同时支援 XDDS 平面系统与 MDDS 多轴系统
旋转直驱系统（RDDS1）可搭配以下控制架构运行：
- IDAM® DSMRW：单轴伺服驱动器，或其他厂牌控制器
- 电流回授（Current）
- 编码器 1 Vss sin/cos
- IDAM® Servo Control E + IDAM® Servo Drive E（多轴扩充模组）
- 透过 Ethernet 连接 PC（Embedded PC，含 Soft-PLC 与多轴插补）
- 支援 IDAM® RDDS1（旋转）、IDAM® XDDS（平面）、IDAM® MDDS（多轴）等系统
- 其他厂牌控制器（Controls of other producers）
附加负载（Additional Loads）
以下说明旋转系统可能的负载情况。外部力或附加质量依施力点及位置对旋转系统造成特定负载。
轴向力与轴向载荷
图 1 与图 2：同心配置的轴向合力 Fax = Fa + m × g（两种安装方向）
作用于中心、作用线与旋转轴重合的外部力（Fa），以及同心配置的附加质量（m），在图 1 与图 2 的组装方式下，将产生合轴向力（Fax）：
Fax = Fa + m × g
倾覆扭矩（轴向偏心）
图 3：偏心距 r 产生倾覆扭矩 Ttilt（正置安装）
图 4：偏心距 r 产生倾覆扭矩 Ttilt（倒置安装）
若合轴向力（Fax）相对旋转轴有偏心距（r）（如图 3 与图 4），旋转系统将承受附加倾覆扭矩：
Ttilt = r × Fax
在杠杆臂与力互相垂直时：
|Ttilt| = |r| × |Fax| × sin 90°
Ttilt = r × Fax
径向力与倾覆扭矩
图 5：径向力 Fr、合径向力 Frad、距离 a、b、c 及倾覆扭矩 Ttilt 示意（水平安装）
作用于中心、垂直于旋转轴的外部径向力（Fr），以及同心配置的附加质量（m），在图 5 的组装方式下，将产生合径向应力（Frad）：
Frad = Fr + m × g
径向力（Frad）的施力点通常距载台板距离（a），且径向载荷额外造成倾覆扭矩。依图 5，倾覆扭矩为：
Ttilt = b × Frad
在杠杆臂与力互相垂直时，类同前页：
|Ttilt| = |b| × |Frad| × sin 90°
Ttilt = b × Frad
其中距离 b 依图 5 为：
b = a + c
因此倾覆扭矩为：
Ttilt = (a + c) × Frad
c 值为各直径规格的特定数值：
| RDDS1 | c [m] |
|---|---|
| 130xH | 0.028 |
| 160xH | 0.032 |
| 180xH | 0.026 |
| 230xH | 0.029 |
注意：在任何情况下，规定的限制值（Fax、Frad、Ttilt）均不得超过。如您的负载需求较高，请与我们联系。
直驱选型（Selection of Direct Drives for Rotary Applications）
周期性应用（Cycled Applications）
周期性运作中，顺序定位动作之间穿插无动作的暂停。简单的定位顺序由正加速运动接著减速（通常大小相同的负加速）构成，因此加速与减速时间相等，最大角速度 ωmax 在加速阶段结束时达到。
角速度 ω vs. 时间 t：显示 ωmax、-ωmax、运动时间 tM 与暂停时间 tP 的周期性往返运动
由此得到 α(t) 图（α：角加速度）以及所需运动扭矩：
T = J × α
（T：扭矩 [Nm]，J：质量惯性矩 [kgm2]，α：角加速度 [rad/s2]）
周期于 ω(t) 图中描述（ω：角速度，t：时间），显示含暂停的前后往返运动（tM：运动时间，tP：暂停时间）。
角加速度 α 与扭矩 T vs. 时间 t：T1–T6 六段扭矩周期，显示 tM/2 与 tP 各时间段
依照所需节拍周期的扭矩变化，马达依三项准则选型：
- 周期中的最大扭矩 M：依资料表 Tp（峰值扭矩）
- 周期中的有效扭矩 M：依资料表 Tc（无冷却）或 Tcw（水冷）
- 周期中的最大转速 M：依资料表 nlp
有效扭矩等于节拍周期中扭矩曲线（六段扭矩周期）的均方根值：
Trms = √T12·t1 + T22·t2 + … + T62·t6t1 + t2 + … + t6
范例计算中的安全系数 1.4 同时考虑马达在扭矩-电流特性非线性区域的运作，在此情况下计算 Teff 的公式仅为近似值。
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，计算有效扭矩：
Trms = Tnom × √tMtM + tP
此方程式适用于节拍周期中大小相同扭矩的情况（惯性矩与角加速度为常数）。根号内出现「运动时间总和除以运动时间与暂停时间之总和」，分母即为周期时间。
定位运动的角加速度、最大角速度与最大转速计算式：
α = 4 × φ / tM2
ωmax = α × tM / 2
nmax = 60 / (2 × π) × ωmax
| 符号 | 说明 | 单位 |
|---|---|---|
| φ | 定位角（Motion angle） | rad |
| tM | 运动时间（Motion time） | s |
| α | 角加速度（Angular acceleration） | rad/s2 |
| ωmax | 最大角速度（Maximum angular speed） | rad/s |
| nmax | 最大转速（Maximum rotary speed） | rpm |
若伺服变频器中设定了加加速度限制（jerk limit），定位时间将相应延长，此时须以更高加速度维持固定的定位时间。
旋转直驱系统选型范例（Selection of Rotary Direct Drive Systems）
范例：周期性应用，例如测试系统
| 预设值（Preset values） | 数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 质量惯性矩 J [kgm2] | 0.018 | |
| 定位角 φ [°] | 22.5 | |
| 摩擦扭矩 Tf [Nm] | 2 | |
| 安装空间 D（最大外径）[mm] | 180 | |
| 运动时间 tM [ms] | 30 | |
| 安全系数（Safety factor） | 1.4 | |
| 暂停时间 tP [ms] | 60 |
定位角换算为弧度：
φ = 180/π × 22.5° = 0.3927 rad
各步骤计算结果：
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
加入摩擦扭矩与安全系数后，得到最大安全系数扭矩：
Tnom = [(0.018 kgm2 × 1745.33 rad/s2) + 2 Nm] × 1.4 = 46.78 Nm
加速与制动扭矩相等，有效扭矩等于节拍周期扭矩曲线的均方根值：
Trms = 46.78 Nm × √0.03 s0.03 s + 0.06 s = 27.01 Nm
（六段扭矩周期 = 两个周期）
系统选型结果
两款选定系统均可达到最大转速 250 rpm。
选型范例：角速度 ω vs. 时间 t（ωmax、tM、tP）
选型范例：角加速度 α 与扭矩 T vs. 时间 t（T1–T3 简化周期）
查询与选型
如需就您的应用进行查询与选型，欢迎随时与我们联系。