日本CKD喜开理DISC 标准类型直驱马达ND-s系列的工作原理

更新时间：2025-10-30

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一、结构基础：盘式轴向磁通架构的核心设计

ND-s 系列采用双定子单转子的盘式轴向磁通结构，这是其实现标准型稳定运行的机械基础。定子与转子呈平行圆盘状布局，中间预留 0.5～1mm 气隙，整体厚度较同功率径向磁通电机缩减 30%。转子核心为铝合金支架，沿圆周均匀镶嵌钕铁硼永磁体（牌号 N45），采用径向充磁方式形成交替磁极，磁极对数根据型号梯度设置（φ200mm 型号为 8 对，φ350mm 型号为 12 对），确保磁场分布均匀性。

定子由硅钢片叠压而成（0.35mm 厚 35W300 无取向硅钢片，叠压系数 0.95），绕组采用分布式绕线工艺嵌入定子槽内，三相绕组按星形接法连接，出线端通过屏蔽线缆接入驱动器。这种结构摒弃了传统电机的减速器、联轴器等中间传动环节，转子直接与负载法兰刚性连接，从机械结构上消除了传动间隙带来的运行波动，适配自动化产线中对稳定性要求较高的常规驱动场景。

二、磁路系统：稳态磁场与感应磁场的作用机制

ND-s 的核心工作基于电磁感应原理，其磁路系统由 “永磁体励磁磁路" 与 “绕组电枢磁路" 构成闭合回路。转子永磁体在气隙中产生稳态主磁通，通过定子铁芯形成闭合路径，气隙磁通密度稳定在 0.8～1.0T，较高速型 HS 系列略低但分布更均匀，为转矩输出的平稳性奠定基础。

当驱动器向定子三相绕组通入正弦交流电时，绕组产生旋转电枢磁场，其旋转速度与电源频率严格同步（同步转速 n=60f/p，f 为电源频率，p 为磁极对数）。电枢磁场与转子永磁体的稳态磁场相互作用，产生电磁转矩：同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引，通过磁场力的切线分力驱动转子旋转，转矩大小与气隙磁通密度、电枢电流有效值及定转子磁极耦合度成正比。

为降低磁路损耗，定子铁芯采用斜槽设计（斜槽角度为 1 个齿距），有效抑制齿槽转矩，使低速运行时的转矩波动控制在额定值的 5% 以内。同时，磁路末端设置导磁端盖，将漏磁通控制在总磁通的 8% 以下，提升磁能利用率，这也是 ND-s 系列在常规负载下能效达 85% 以上的关键因素。

三、能量转换：从电能到机械运动的高效传递

ND-s 的能量转换过程遵循电磁力做功原理，可分为 “电能 - 磁场能 - 机械能" 三个阶段。在电能输入阶段，三相交流电经驱动器整流滤波为直流电，再通过 IGBT 逆变器转换为调频调压的三相交流电，精准控制输出电流的幅值与频率，适配不同负载需求。

进入磁场能转换阶段，定子绕组的交变电流产生动态旋转磁场，该磁场与转子永磁体的静态磁场叠加形成合成磁场，合成磁场的轴线与转子磁极轴线存在夹角（称为 “功角"），功角大小随负载变化自动调节：轻载时功角较小（约 5°～10°），重载时功角增大（最大不超过 90°），确保转矩输出与负载需求实时匹配。

在机械能输出阶段，合成磁场产生的电磁转矩直接作用于转子，带动负载同步旋转，实现 “直接驱动" 的核心特性。由于消除了中间传动环节，能量传递效率较皮带传动提升 20% 以上，且避免了传动部件摩擦产生的能量损耗与噪音，这与直驱技术 “无传动损耗" 的本质优势一致。

四、控制机制：三闭环调节的稳态运行保障

ND-s 系列依托 “位置 - 速度 - 转矩" 三闭环控制系统实现标准型所需的运行稳定性，与高响应型 HD-s 相比，其控制逻辑更侧重稳态精度而非动态响应速度。位置环通过 17 位绝对值编码器实时采集转子位置信号，编码器数据更新频率为 500kHz，将位置信息反馈至驱动器，与设定位置进行对比调节。

速度环接收位置环的偏差信号，通过 PI 调节器输出转矩指令，速度调节范围覆盖 5～500rpm，在额定转速下的速度波动可控制在 ±2rpm 以内。转矩环作为内环，实时监测定子绕组电流，通过矢量控制算法将交流电分解为励磁电流与转矩电流，分别调节磁场强度与输出转矩，确保负载变化时转矩输出平稳。

针对标准工业场景的适配需求，ND-s 支持两种核心运行模式：速度模式下通过模拟量信号（4～20mA）调节转速，分辨率达 1rpm；转矩模式下通过电流信号控制输出力矩，适配恒定张力卷绕等场景。控制系统兼容 Modbus-RTU 通信协议，可与 PLC 实现无缝数据交互，满足常规自动化系统的集成需求。

五、运行保障：磁路与机械的协同稳定设计

ND-s 的持续稳定运行依赖磁路保护与机械防护的双重保障。磁路方面，内置 PTC 热敏电阻监测绕组温度，当温度超过 105℃时，驱动器自动切断输出电流，避免永磁体高温退磁（钕铁硼永磁体退磁温度起始点约 120℃）；同时通过电压钳位电路限制绕组过电压，防止绝缘层击穿。

机械结构上，采用交叉滚子轴承支撑转子，接触角 45°，径向与轴向承载能力均衡，配合预紧螺母消除轴承间隙，使转子径向跳动控制在 0.02mm 以内。外壳采用 IP65 防护等级设计，通过密封圈阻断粉尘与水汽侵入，定子绕组采用 H 级绝缘漆处理，耐温范围 - 10～130℃，适配一般工业环境的湿度（≤95% 无凝露）与粉尘条件。

散热系统采用自然散热与散热筋强化结合的设计，定子外壳一体成型出 24 条轴向散热筋，表面积较平滑外壳增加 2 倍，确保额定负载下绕组温升不超过 70K，避免温度过高导致的性能衰减，为标准工况下的长期运行提供保障。

上一个：日本CKD喜开理DISC大中空径型直驱马达FD-s系列

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