I motori ad azionamento diretto funzionano più o meno allo stesso modo della maggior parte dei motori CC senza spazzole. I magneti sono fissati al rotore del motore e gli avvolgimenti sono disposti sullo statore del motore. Quando gli avvolgimenti sono energizzati, producono campi elettromagnetici che attraggono o respingono i magneti del rotore. Un'appropriata commutazione o commutazione dell'alimentazione agli avvolgimenti produce un movimento controllato. Esistono motori lineari e rotativi ad azionamento diretto, ma le versioni rotative sono di gran lunga le più utilizzate.
Direct drive motors with diameters of >1m are possible, able to produce a torque of >10,000Nm. Molti motori ad azionamento diretto sono "senza telaio", il che significa che vengono forniti senza alloggiamento, cuscinetti o sensore di feedback. Ciò consente ai costruttori di macchine e agli integratori di sistemi di ottimizzare la progettazione di alloggiamenti, alberi e cuscinetti per ottimizzare dimensioni, forma, peso e prestazioni dinamiche complessive.
I due motivi principali per cui un progettista sceglie un azionamento diretto sono le prestazioni dinamiche e il fattore di forma. Invece di dover gestire un accoppiamento, una scatola del cambio, cinghie o catene, un motore ad azionamento diretto si collega direttamente al carico, quindi non vi è isteresi, gioco o "movimento perso" in nessuna direzione di movimento. Il vantaggio progettuale derivante da motori piuttosto piatti con un grande foro al centro, che consente il passaggio di anelli collettori, tubi e cavi, non deve essere sottovalutato.
I vantaggi dell’approccio ad azionamento diretto includono:
Eccellenti prestazioni dinamichee controllo accurato della posizione e/o della velocità
Nessun gioco o usura
Alta affidabilitàa causa del basso numero di componenti e dell'eliminazione di ingranaggi, pulegge, guarnizioni, cuscinetti, ecc.
Compatto– realizzabile con altezza assiale ridotta e foro ampio
Bassa ondulazione della coppiao "cogging"
Efficienza energeticadall’eliminazione delle perdite negli elementi meccanici intermedi
Basso rumore acusticoo vibrazioni autoindotte
Nessuna/bassa manutenzione
Bassi requisiti di raffreddamentograzie alla vantaggiosa geometria termica
Traferri relativamente grandi– facilità di installazione e resistenza agli urti.
Lo svantaggio principale è spesso più percepito che reale: si ritiene spesso che i motori ad azionamento diretto (DD Motors) siano più costosi dei motori tradizionali. Anche se questo può spesso essere vero in un semplice confronto 1:1, una visione più olistica (tenendo conto dell’eliminazione di ingranaggi intermedi, accoppiamenti e manutenzione, nonché di una riduzione della semplificazione meccanica complessiva) mostra che le soluzioni di azionamento diretto sono, forse sorprendentemente, la soluzione ottimale in termini di costi e prestazioni in molte applicazioni.
Esempi classici di applicazioni ad azionamento diretto si trovano nei gimbal come sistemi di antenne (ad esempio comunicazioni satellitari montate su veicoli), telecamere di sorveglianza e CCTV, scanner, telescopi, elettro-ottici, tabelle tariffarie e sistemi radar. Esistono anche applicazioni nelle macchine utensili CNC, nelle apparecchiature per l'imballaggio, nella robotica e persino nei giradischi di fascia alta.
Se il foro dell'azionamento diretto è piuttosto piccolo (<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.
Resolver senza cornice
Un risolutore la cui altezza assiale è piccola rispetto al suo diametro può essere definito risolutore frameless, risolutore a lastra o risolutore a pancake. In senso stretto, "senza cornice" significa che l'alloggiamento del risolutore è stato eliminato, ma molti ingegneri utilizzeranno il termine senza cornice quando si riferiscono a un risolutore con altezza ridotta e diametro grande.
La maggior parte dei risolutori sono senza spazzole anziché con spazzole, ma sono tutti basati sui principi del trasformatore. In altre parole, sono sensori angolari induttivi. Poiché la posizione del rotore di un risolutore varia rispetto al suo statore, varia anche l'accoppiamento elettromagnetico tra il rotore e lo statore. Ciò può essere visto come i segnali di uscita del risolutore variano sinusoidalmente rispetto all'eccitazione o al segnale di ingresso.
Alcuni risolutori sono definiti "a velocità singola", "a due velocità", "a quattro velocità" ecc. Questo si riferisce al numero di volte in cui l'uscita del risolutore varia in modo univoco su 1 giro. L'uscita di un risolutore a velocità singola è unica su 1 giro; l'uscita di un risolutore a due velocità è unica su qualsiasi 180 gradi entro 1 giro; l'uscita di un risolutore a quattro velocità è unica su qualsiasi 90 gradi entro 1 giro e così via.
I risolutori hanno un'eccellente esperienza nelle applicazioni legate alla sicurezza, in particolare nel settore aerospaziale civile. Sono estremamente robusti e affidabili ma tendono ad essere ingombranti, pesanti e difficili da personalizzare.
Encoder ad anello
Gli encoder ad anello sono noti anche come encoder a foro cavo di grandi dimensioni o encoder ad albero passante di grandi dimensioni. Come nel caso dei risolutori frameless, tutti questi termini si riferiscono a un encoder la cui altezza assiale è piccola rispetto al suo diametro. Gli encoder ad anello sono tipicamente ottici o magnetici.
Il codificatore ottico utilizza la scansione di un reticolo sottile o "scala" illuminato da una sorgente luminosa a LED. La scala, rotativa o lineare, è composta da "linee" trasparenti e opache disposte secondo un ciclo di lavoro 50-50. Il numero di regioni trasparenti sul disco corrisponde al passo della scala che definisce la risoluzione dell'encoder. Il sensore genera una tensione proporzionale all'intensità della luce incidente. Quando il sensore si sposta rispetto alla scala, la tensione varia in modo sinusoidale. Gli encoder ottici offrono elevati livelli di precisione ma sono relativamente fragili e sensibili agli agenti contaminanti.
Un encoder magnetico utilizza una traccia magnetica multipolare. Il sensore, ad effetto Hall o magnetoresistivo, misura la variazione del flusso magnetico mentre i poli magnetici si muovono rispetto al sensore. I segnali seno e coseno possono essere generati come nell'encoder ottico. Gli encoder magnetici sono robusti, compatti e possono essere molto convenienti. Sono tuttavia sensibili ai campi magnetici. È difficile produrre una traccia magnetica a passo fine che limiti la risoluzione. La ripetibilità è compromessa dall'isteresi e dalle variazioni di precisione in un intervallo di temperature operative. La pista magnetica è relativamente fragile e può essere suscettibile agli urti.
Encoder induttivi
Gli encoder induttivi (IncOder) utilizzano la stessa fisica fondamentale dei risolutori ma offrono le stesse uscite elettriche digitali di un encoder ottico. Ciò significa che offrono la stessa robustezza e affidabilità di un risolutore ma con un'interfaccia elettrica facile da usare.
A differenza di un risolutore, tutta l'elettronica necessaria per il funzionamento si trova all'interno dello statore dell'IncOder. Ciò significa che l'interfaccia elettrica è tipicamente un alimentatore CC a bassa tensione che produce un'uscita dati digitale che rappresenta un angolo assoluto o una variazione dell'angolo.
A differenza di un encoder ad anello, la misurazione dell'IncOder non viene effettuata solo in un punto ma piuttosto su tutte le facce planari del rotore e dello statore. Ciò significa che gli IncOder sono molto meno suscettibili alle imprecisioni derivanti dalla rotazione non concentrica, rendendo così la loro installazione relativamente semplice.