直驱电机选型：扭矩计算与选择完整指南

为精密旋转系统选择直驱电机，不仅仅是将电机扭矩与设备重量进行匹配。必须根据完整的负载工况对电机进行选型，包括重力扭矩、惯性扭矩、风力扭矩、摩擦扭矩、转速、加速度、工作循环和定位要求。

我是 HONPINE 技术总监 Theodore Li。本文将以方位和俯仰转台应用为工程示例，说明如何计算直驱电机扭矩，以及如何利用这些计算结果指导电机选型。

该示例涵盖从负载分析到连续扭矩和峰值扭矩计算的完整过程，同时还说明了无框直驱电机何时可能适用于一体化旋转机构。

1. 什么是直驱电机选型？

直驱电机直接连接到被驱动的旋转机构，电机与负载之间没有机械减速箱。

该结构无需通过减速比将电机转速转换为输出扭矩。因此，电机直接产生负载侧所需的扭矩。

对于精密旋转应用，这种方式可带来多项优势，包括减少机械传动部件、无齿轮箱回程间隙、扭矩直接传递和快速动态响应。

但是，直接耦合也意味着电机必须直接加速负载惯量。

因此，直驱电机选型应从实际机械负载开始，而不是仅根据额定功率或设备重量选择电机。

对于旋转轴，所需扭矩通常可分为以下几个部分：

• 重力扭矩

• 惯性扭矩

• 风力扭矩

• 摩擦扭矩

连续扭矩需求可估算为：

连续扭矩 = 重力扭矩 + 风力扭矩 + 摩擦扭矩

加速期间的峰值扭矩需求可估算为：

峰值扭矩 = 重力扭矩 + 风力扭矩 + 摩擦扭矩 + 惯性扭矩

这些计算结果提供了机械负载要求，随后可将其与直驱电机的连续扭矩、峰值扭矩、转速、热容量及其他规格进行比较。

2. 选择直驱电机前应检查哪些参数？

在选择直驱电机前，工程师应确定旋转系统的主要运行参数和机械参数。

对于本文讨论的转台应用，相关参数包括：

最终电机选型还应包括最大转速、工作循环、所需定位精度、编码器分辨率、安装尺寸、轴承负载、环境温度和冷却条件。

这些参数定义得越准确，直驱电机选型结果就越可靠。

3. 如何计算直驱电机的重力扭矩？

当旋转组件的重心与旋转轴不重合时，重力扭矩就变得尤为重要。

这对于俯仰机构、天线平台、光学系统及其他负载安装在远离轴线位置的旋转结构尤其相关。

基本计算公式为：

重力扭矩 = 质量 × 重力加速度 × 偏心距离

例如，若旋转质量为 40 kg，且重心距俯仰轴 0.05 m：

重力扭矩 = 40 × 9.8 × 0.05 = 19.6 N·m

因此，在相应的不利姿态下，俯仰电机需要克服约 19.6 N·m 的重力扭矩。

该计算表明，仅凭负载质量不足以进行直驱电机选型。若两个系统的重心距旋转轴的距离不同，即使质量相同，所需电机扭矩也可能相差很大。

对于俯仰轴，有效重力扭矩还会随角位置变化。因此，最终设计应评估完整工作范围，而不是依赖单一标称位置。

4. 如何计算惯性扭矩？

惯性扭矩是加速或减速旋转质量所需的扭矩。

基本关系为：

惯性扭矩 = 转动惯量 × 角加速度

对于本示例中的俯仰轴：

转动惯量 = 1.6 kg·m²

角加速度 = 20 rad/s²

因此：

惯性扭矩 = 1.6 × 20 = 32 N·m

俯仰轴在加速期间需要约 32 N·m 的惯性扭矩。

对于方位轴，转动惯量约为 3.8–3.9 kg·m²。

以 3.9 kg·m² 作为代表值：

惯性扭矩 = 3.9 × 20 = 78 N·m

这表明，方位轴的惯性扭矩可能远高于俯仰轴的重力扭矩。

这是直驱电机选型中最重要的考量因素之一。

由于电机与负载直接耦合，电机必须加速负载侧惯量，不能依靠齿轮箱转换机械运动。

5. 为什么转动惯量在直驱应用中如此重要？

电机选型中常见的错误是主要关注设备的静态重量。

但对于旋转系统，质量分布通常与总质量同样重要。

转动惯量取决于质量相对于旋转轴的分布距离。因此，半径较大的轻型结构也可能需要较大的加速扭矩。

加速扭矩还会随角加速度直接增加。

例如，若相同的 3.9 kg·m² 方位组件以 20 rad/s² 加速，惯性扭矩约为 78 N·m。若所需角加速度增大，惯性扭矩将按比例增加。

这一关系使加速度成为高动态旋转应用中选择直驱电机时最重要的参数之一。

因此，工程师应考虑：

• 总转动惯量

• 质量分布

• 角加速度

• 加速时间

• 所需转速

• 电机转子惯量

• 峰值扭矩持续时间

完整的运动曲线比仅了解设备静态重量更具参考价值。

6. 如何计算直驱电机的风力扭矩？

对于户外旋转设备，风会产生电机必须克服的外部扭矩。

这对于天线系统、跟踪平台、光电设备、雷达相关机构及其他暴露在外的旋转结构尤其重要。

基本计算可表示为：

风力 = 动压 × 空气动力系数 × 投影面积

相应的扭矩为：

风力扭矩 = 风力 × 有效力臂

因此：

风力扭矩 = 动压 × 空气动力系数 × 投影面积 × 有效力臂

初步转台数据提供了以下代表值：

*所提供的数值与约 12 m/s 风速的计算结果一致。若 17.1 m/s 确认为最终设计风速，则应相应重新计算风力扭矩。

风压与风速的平方成正比：

动压 = 0.5 × 空气密度 × 风速²

因此：

风力扭矩 ∝ 风速²

这意味着设计风速的增加会显著影响所需电机扭矩。

对于最终直驱电机选型，应确认设计风速、空气密度、投影面积、空气动力系数和有效力臂。

7. 应计入多少摩擦扭矩？

轴承和密封件摩擦也会增加总扭矩需求。

对于初步计算，轴承摩擦扭矩可估算为：

轴承摩擦扭矩 = 摩擦系数 × 轴承负载 × 轴承中心直径 ÷ 2

采用 0.0015 的摩擦系数，并计入每轴约 0.1 N·m 的估算密封摩擦扭矩，初步结果为：

与本应用中的惯性扭矩相比，摩擦扭矩相对较小。

但是，连续扭矩计算中仍应包含摩擦。

对于精密旋转运动，摩擦还会影响低速平稳性、伺服调节、跟踪性能和定位稳定性。因此，摩擦既是机械负载参数，也是运动控制考量因素。

8. 如何计算连续扭矩？

连续扭矩表示在持续运行条件下维持所需运动所需的扭矩。

对于转台示例：

连续扭矩 = 重力扭矩 + 风力扭矩 + 摩擦扭矩

对于俯仰轴：

连续扭矩 = 19.60 + 0.56 + 0.27 = 20.43 N·m

对于方位轴，基于所提供的初步数值：

连续扭矩 = 0 + 2.23 + 0.62 = 2.85 N·m

计算结果为：

两个轴之间的差异十分明显。

俯仰轴主要受偏心重力负载影响，而在所提供条件下，方位轴的连续外部扭矩需求相对较小。

9. 如何计算峰值扭矩？

峰值扭矩在加速和减速期间尤为重要。

基本计算公式为：

峰值扭矩 = 重力扭矩 + 风力扭矩 + 摩擦扭矩 + 惯性扭矩

对于俯仰轴：

峰值扭矩 = 19.60 + 0.56 + 0.27 + 32.00

峰值扭矩 = 52.43 N·m

对于方位轴，采用所提供的约 79.60 N·m 代表性惯性扭矩：

峰值扭矩 = 2.23 + 0.62 + 79.60

峰值扭矩 ≈ 82.45 N·m

因此，初步结果为：

该计算揭示了此应用的一个重要特性：

俯仰轴在连续运行时主要受重力扭矩限制，而方位轴在加速时主要受惯性扭矩影响。

因此，两个轴不一定应采用相同的直驱电机选型策略。

10. 连续扭矩与峰值扭矩有什么区别？

连续扭矩和峰值扭矩描述了不同的运行要求。

连续扭矩是电机在不超过其允许热运行条件下，进行持续运行时必须提供的扭矩。

峰值扭矩是在有限时间内所需的较高扭矩，通常发生在加速、减速、快速定位或外部负载暂时变化期间。

因此，应根据这两个数值评估直驱电机。

例如，某电机可能具有足够的峰值扭矩来加速高惯量负载，但若其连续扭矩或热容量不足以支持持续运行，仍可能不适用。

相反，仅按连续扭矩选择电机可能导致加速性能不足。

因此，应结合实际运动曲线，综合评估电机的连续扭矩、峰值扭矩、峰值扭矩持续时间、转速、电流和热特性。

11. 计算扭矩后如何选择直驱电机？

计算得到的负载扭矩是电机选型的起点，但并不能确定完整的电机规格。

对于示例转台，初步机械要求为：

• 俯仰轴

• 连续负载扭矩：20.43 N·m

• 峰值负载扭矩：52.43 N·m

• 方位轴

• 连续负载扭矩：2.85 N·m

• 峰值负载扭矩：约 82.45 N·m

这些数值表示计算得到的负载要求，而不是最终电机额定值。

所选直驱电机应根据应用提供足够的工程余量。

选型还应考虑：

因此，最终电机应基于完整的负载和运动曲线选择，而不能仅依据扭矩。

12. 直驱电机选型清单

在咨询或选择直驱电机前，工程师可准备以下信息：

在电机选型流程开始时提供这些参数，可以显著减少重复计算，并有助于确定适合采用标准直驱电机还是定制机械集成方案。

直驱电机与减速电机

直驱电机和减速电机系统采用本质不同的传动结构。

减速电机可通过机械减速提供较大的输出扭矩，适用于许多应用。

另一方面，当应用高度重视扭矩直接传递、低机械回程间隙、快速动态响应、低速平稳运动或简化旋转传动时，直驱电机可能更具优势。

应根据完整的应用要求确定合适的结构方案。

何时应考虑无框直驱电机？

对于需要更深度机械集成的应用，无框直驱电机可作为传统带壳电机的替代方案。

典型的无框直驱电机主要由定子和转子构成。

客户或系统集成商可将电机与以下部件集成：

• 轴承

• 机械壳体

• 编码器

• 轴或旋转结构

• 冷却系统

• 电缆布线

• 制动器（如需要）

这种方式使电机成为机器旋转机构的一部分，而非作为独立电机组件运行。

对于方位和俯仰机构、跟踪平台、机器人关节、旋转工作台及其他精密旋转系统，无框直驱电机可在机械封装方面提供更大的灵活性。

但是，无框电机选型需要进行系统级评估。

应结合轴承结构、转子支撑、编码器安装、机械刚度、散热能力和可用安装空间对电机进行评估。

应如何验证直驱电机？

扭矩计算是重要的第一步，但最终电机选型应根据完整运行工况进行验证。

实用的验证流程可包括：

1. 负载计算

确认实际质量、重心、转动惯量、摩擦、风载及其他外部负载。

2. 运动曲线

确认最大速度、加速度、减速度、定位频率和工作循环。

3. 电机选型

检查连续扭矩、峰值扭矩、转速、电流、转子惯量、编码器、热容量和机械尺寸。

4. 伺服仿真或计算

评估电机能否实现所需的加速度和定位响应。

5. 样机测试

在适当情况下，在具有代表性的负载和运行条件下测试电机。

6. 热验证

确认电机在实际工作循环下的温度和连续扭矩能力。

7. 最终系统验证

验证定位精度、跟踪性能、加速响应、稳定性和环境性能。

当直驱电机用于精密旋转机构，且电机、轴承、编码器和机械结构作为一个系统运行时，这一过程尤为重要。

直驱电机选型要点

该转台案例展示了几个重要原则。

静态负载不足以进行电机选型。

直驱电机必须克服重力、惯性、风力和摩擦。

转动惯量可决定峰值扭矩。

对于示例方位轴，约 3.9 kg·m² 的转动惯量和 20 rad/s² 的角加速度可产生约 78 N·m 的惯性扭矩。

偏心量可决定连续扭矩。

质量为 40 kg、偏心距离为 0.05 m 的旋转质量可产生约 19.6 N·m 的重力扭矩。

必须分别评估连续扭矩和峰值扭矩。

即使电机具有足够的峰值扭矩，若其连续扭矩或热容量不足，仍可能不适用。

扭矩只是直驱电机选型的一部分。

还应考虑速度、惯量、编码器反馈、热性能、轴承承载能力、安装尺寸、控制要求和工作循环。

结论

方位和俯仰转台的直驱电机选型是一个系统级工程问题，涉及扭矩和运动要求。

对于本文讨论的初步转台示例，计算得到的负载要求为：

这些数值为直驱电机选型提供了起点。

在最终确定电机规格前，应确认实际机械结构、质量分布、转动惯量、设计风速、最大速度、加速度曲线、工作循环、热条件和所需定位性能。

对于需要直接扭矩传递和精密旋转运动的应用，HONPINE 可根据负载扭矩、转动惯量、速度、加速度、编码器要求、安装约束和运行条件评估直驱电机需求。

若您正在为天线转台、方位/俯仰机构、旋转平台、跟踪系统、机器人关节或其他精密旋转应用选择直驱电机，提供负载质量、转动惯量、偏心距离、速度、加速度和工作循环，是确定所需连续扭矩和峰值扭矩的实用起点。