Двигатели с прямым приводом работают почти так же, как и большинство бесщеточных двигателей постоянного тока. К ротору двигателя прикреплены магниты, а на статоре двигателя расположены обмотки. Когда обмотки находятся под напряжением, они создают электромагнитные поля, которые либо притягивают, либо отталкивают магниты ротора. Соответствующее переключение или коммутация мощности на обмотках обеспечивает контролируемое движение. Существуют линейные и роторные двигатели с прямым приводом, но роторные версии используются чаще всего.
Direct drive motors with diameters of >1m are possible, able to produce a torque of >10,000Нм. Многие двигатели с прямым приводом являются «безрамными», что означает, что они поставляются без корпуса, подшипников или датчика обратной связи. Это позволяет машиностроителям и системным интеграторам оптимизировать конструкцию корпусов, валов и подшипников для оптимизации общих размеров, формы, веса и динамических характеристик.
Двумя основными причинами, по которым инженер-конструктор выбирает прямой привод, являются динамические характеристики и коэффициент формы. Вместо муфты, коробки передач, ремней или цепей двигатель с прямым приводом подключается непосредственно к нагрузке, поэтому нет гистерезиса, люфта или «потеря движения» в любом направлении движения. Преимущество конструкции, заключающееся в том, что двигатели достаточно плоские с большим отверстием посередине, через которое проходят контактные кольца, трубы и кабели, не следует недооценивать.
К преимуществам подхода с прямым приводом относятся:
Отличные динамические характеристикии точный контроль положения и/или скорости
Отсутствие люфтов и износа
Высокая надежностьиз-за меньшего количества деталей и исключения шестерен, шкивов, уплотнений, подшипников и т. д.
Компактный– возможно использование с малой осевой высотой и большим отверстием
Низкая пульсация крутящего моментаили «зацепка»
Энергоэффективностьот устранения потерь в промежуточных механических элементах
Низкий акустический шумили самоиндуцированная вибрация
Нет / низкие эксплуатационные расходы
Низкие требования к охлаждениюблагодаря выгодной термической геометрии
Относительно большие воздушные зазоры– простота установки и устойчивость к ударам.
Основной недостаток часто больше воспринимается, чем есть на самом деле: двигатели с прямым приводом (DD Motors) часто считаются более дорогими, чем традиционные двигатели. Хотя это часто может быть правдой при простом сравнении 1:1, более целостный взгляд (принимая во внимание отказ от промежуточных передач, муфт и технического обслуживания, а также снижение общего механического упрощения) показывает, что устройства с прямым приводом, возможно, являются более эффективными. на удивление, это оптимальное решение по цене и производительности во многих приложениях.
Классические примеры применения с прямым приводом можно найти в подвесах, таких как антенные системы (например, установленные на транспортных средствах спутниковой связи), камеры наблюдения и видеонаблюдения, сканеры, телескопы, электрооптика, таблицы тарифов и радиолокационные системы. Есть также применения в станках с ЧПУ, упаковочном оборудовании, робототехнике и даже в проигрывателях пластинок высокого класса.
Если диаметр прямого привода довольно мал (<2") there is a wide choice of position feedback sensors based on optical, magnetic, capacitive, and inductive technologies. For larger bores, the primary options are frameless resolvers, ring encoders, and inductive encoders.
Безрамочные резольверы
Резольвер, осевая высота которого мала по сравнению с его диаметром, может называться безрамным резольвером, пластинчатым резольвером или блинным резольвером. Строго говоря, «безрамочный» означает, что корпус резольвера исключен, но многие инженеры будут использовать термин «безрамочный», когда речь идет о резольвере малой высоты и большого диаметра.
Большинство резольверов являются бесщеточными, а не щеточными, но все они основаны на принципах трансформаторов. Другими словами, это индуктивные датчики угла. Поскольку положение ротора резольвера меняется относительно его статора, меняется электромагнитная связь между ротором и статором. Это можно увидеть, поскольку выходные сигналы резольвера изменяются синусоидально относительно сигнала возбуждения или входного сигнала.
Некоторые резольверы называются «односкоростными», «двухскоростными», «четырехскоростными» и т. д. Это относится к тому, сколько раз выходной сигнал резольвера однозначно изменяется в течение 1 оборота. Выход односкоростного резольвера уникален в течение 1 оборота; выходной сигнал двухскоростного резольвера уникален на любые 180 градусов в пределах 1 оборота; Выход четырехскоростного резольвера уникален в пределах любых 90 градусов в пределах 1 оборота и так далее.
Резольверы имеют отличную репутацию в приложениях, связанных с безопасностью, особенно в гражданской аэрокосмической отрасли. Они чрезвычайно прочны и надежны, но, как правило, громоздки, тяжелы и их сложно настроить.
Кольцевые энкодеры
Кольцевые энкодеры также известны как энкодеры с большим полым отверстием или энкодеры с большим проходным валом. Как и в случае с безрамочными резольверами, все эти термины относятся к энкодеру, осевая высота которого мала по сравнению с его диаметром. Кольцевые энкодеры обычно бывают оптическими или магнитными.
Оптический кодировщик использует сканирование тонкой решетки или «шкалы», освещенной светодиодным источником света. Шкала, вращающаяся или линейная, состоит из прозрачных и непрозрачных «линий», расположенных в рабочем цикле 50-50. Количество прозрачных областей на диске соответствует шагу шкалы, определяющему разрешение кодера. Датчик генерирует напряжение, пропорциональное интенсивности падающего света. По мере перемещения датчика относительно шкалы напряжение меняется синусоидально. Оптические энкодеры обеспечивают высокий уровень точности, но относительно хрупкие и чувствительны к загрязнениям.
Магнитный энкодер использует многополюсную магнитную дорожку. Датчик Холла или магниторезистивный датчик измеряет изменение магнитного потока при перемещении магнитных полюсов относительно датчика. Синусоидальные и косинусоидальные сигналы могут генерироваться так же, как в оптическом кодере. Магнитные энкодеры прочны, компактны и могут быть очень экономичными. Однако они чувствительны к магнитным полям. Трудно создать магнитную дорожку с малым шагом, ограничивающую разрешение. Повторяемость ухудшается из-за гистерезиса и изменений точности в диапазоне рабочих температур. Магнитная дорожка относительно хрупкая и может быть подвержена ударам.
Индуктивные энкодеры
Индуктивные энкодеры (IncOders) используют ту же фундаментальную физику, что и резольверы, но предлагают те же цифровые электрические выходы, что и оптические энкодеры. Это означает, что они обладают той же прочностью и надежностью, что и резольвер, но имеют простой в использовании электрический интерфейс.
В отличие от резольвера, вся электроника, необходимая для работы, находится внутри статора IncOder. Это означает, что электрический интерфейс обычно представляет собой низковольтный источник постоянного тока, который выдает выходные цифровые данные, представляющие абсолютный угол или изменение угла.
В отличие от кольцевого энкодера, измерения IncOder производятся не только в одной точке, но и на всех плоских поверхностях ротора и статора. Это означает, что IncOders гораздо менее подвержены неточностям из-за неконцентрического вращения, что делает их установку относительно простой.