Direktantriebsmotoren funktionieren weitgehend auf die gleiche Weise wie die meisten bürstenlosen Gleichstrommotoren. Am Rotor des Motors sind Magnete angebracht und am Stator des Motors sind Wicklungen angeordnet. Wenn die Wicklungen mit Strom versorgt werden, erzeugen sie elektromagnetische Felder, die die Magnete des Rotors entweder anziehen oder abstoßen. Durch geeignetes Schalten oder Kommutieren der Energiezufuhr zu den Wicklungen wird eine kontrollierte Bewegung erzeugt. Es gibt lineare und rotatorische Direktantriebsmotoren, am häufigsten werden jedoch rotierende Versionen verwendet.
Direct drive motors with diameters of >1m are possible, able to produce a torque of >10,000Nm. Viele Direktantriebsmotoren sind „rahmenlos“, was bedeutet, dass sie ohne Gehäuse, Lager oder Rückkopplungssensor geliefert werden. Dadurch können Maschinenbauer und Systemintegratoren ihr Gehäuse-, Wellen- und Lagerdesign optimieren, um Gesamtgröße, Form, Gewicht und dynamische Leistung zu optimieren.
Die beiden Hauptgründe für einen Konstrukteur, sich für einen Direktantrieb zu entscheiden, sind dynamische Leistung und Formfaktor. Anstatt sich mit einer Kupplung, einem Getriebe, Riemen oder Ketten zu befassen, wird ein Direktantriebsmotor direkt an der Last befestigt, sodass es in keiner Bewegungsrichtung zu Hysterese, Spiel oder „Totgang“ kommt. Der Konstruktionsvorteil, der sich aus relativ flachen Motoren mit einem großen Loch in der Mitte ergibt, durch das Schleifringe, Rohre und Kabel hindurchgeführt werden können, sollte nicht unterschätzt werden.
Zu den Vorteilen des Direktantriebsansatzes gehören:
Hervorragende dynamische Leistungund genaue Steuerung von Position und/oder Geschwindigkeit
Kein Spiel oder Verschleiß
Hohe Zuverlässigkeitaufgrund der geringen Teileanzahl und des Wegfalls von Zahnrädern, Riemenscheiben, Dichtungen, Lagern usw.
Kompakt– mit geringer axialer Höhe und großer Bohrung realisierbar
Geringe Drehmomentwelligkeitoder 'Ruckeln'
Energieeffizienzvon der Beseitigung von Verlusten in mechanischen Zwischenelementen
Geringer akustischer Lärmoder selbstinduzierte Vibration
Kein/geringer Wartungsaufwand
Geringe Kühlanforderungenaufgrund vorteilhafter thermischer Geometrie
Relativ große Luftspalte– einfache Installation und Widerstandsfähigkeit gegen Stöße.
Der Hauptnachteil wird oft eher wahrgenommen als tatsächlich – Direktantriebsmotoren (DD-Motoren) gelten oft als teurer als herkömmliche Motoren. Während dies bei einem einfachen 1:1-Vergleich oft zutrifft, zeigt eine ganzheitlichere Betrachtung (unter Berücksichtigung der Abschaffung von Zwischengetrieben, Kupplungen und Wartung sowie einer Reduzierung der gesamten mechanischen Vereinfachung), dass Direktantriebsanordnungen dies möglicherweise zutreffen überraschenderweise in vielen Anwendungen die optimale Kosten- und Leistungslösung.
Klassische Beispiele für Direktantriebsanwendungen finden sich in kardanischen Aufhängungen wie Antennensystemen (z. B. in Fahrzeugen montierte Satellitenkommunikation), Überwachungs- und CCTV-Kameras, Scannern, Teleskopen, Elektrooptiken, Tariftabellen und Radarsystemen. Es gibt auch Anwendungen in CNC-Werkzeugmaschinen, Verpackungsanlagen, Robotik und sogar High-End-Plattenspielern.
Wenn die Bohrung des Direktantriebs relativ klein ist (<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.
Rahmenlose Resolver
Ein Resolver, dessen axiale Höhe im Vergleich zu seinem Durchmesser klein ist, kann entweder als rahmenloser Resolver, Slab-Resolver oder Pancake-Resolver bezeichnet werden. Streng genommen bedeutet „rahmenlos“, dass auf das Resolvergehäuse verzichtet wurde. Viele Ingenieure verwenden jedoch den Begriff „rahmenlos“, wenn sie sich auf einen Resolver mit geringer Höhe und großem Durchmesser beziehen.
Die meisten Resolver sind bürstenlos statt bürstenbehaftet, basieren aber alle auf dem Transformatorprinzip. Mit anderen Worten handelt es sich um induktive Winkelsensoren. Da sich die Position des Rotors eines Resolvers relativ zu seinem Stator ändert, variiert auch die elektromagnetische Kopplung zwischen Rotor und Stator. Dies ist daran zu erkennen, dass die Ausgangssignale des Resolvers im Verhältnis zum Erreger- oder Eingangssignal sinusförmig variieren.
Einige Resolver werden als „Einzelgeschwindigkeit“, „Zweigeschwindigkeit“, „Viergeschwindigkeit“ usw. bezeichnet. Dies bezieht sich auf die Häufigkeit, mit der sich der Ausgang des Resolvers über eine Umdrehung hinweg eindeutig ändert. Der Ausgang eines Single-Speed-Resolvers ist über eine Umdrehung hinweg einzigartig; Der Ausgang eines Resolvers mit zwei Geschwindigkeiten ist über alle 180 Grad innerhalb einer Umdrehung einzigartig; Der Ausgang eines Resolvers mit vier Geschwindigkeiten ist über alle 90 Grad innerhalb einer Umdrehung einzigartig und so weiter.
Resolver haben eine hervorragende Erfolgsbilanz in sicherheitsrelevanten Anwendungen – insbesondere in der zivilen Luft- und Raumfahrt. Sie sind äußerst robust und zuverlässig, neigen jedoch dazu, sperrig, schwer und schwierig anzupassen.
Ringkodierer
Ring-Encoder werden auch als Encoder mit großer Hohlbohrung oder Encoder mit großer Durchgangswelle bezeichnet. Wie bei rahmenlosen Resolvern beziehen sich alle diese Begriffe auf einen Encoder, dessen axiale Höhe im Vergleich zu seinem Durchmesser klein ist. Ringkodierer sind typischerweise optisch oder magnetisch.
Der optische Encoder nutzt die Abtastung eines feinen Gitters oder einer „Skala“, die von einer LED-Lichtquelle beleuchtet wird. Die Skala, rotierend oder linear, besteht aus transparenten und undurchsichtigen „Linien“, die in einem Arbeitszyklus von 50-50 angeordnet sind. Die Anzahl der transparenten Bereiche auf der Scheibe entspricht dem Skalenabstand, der die Auflösung des Encoders definiert. Der Sensor erzeugt eine Spannung proportional zur einfallenden Lichtintensität. Wenn sich der Sensor relativ zur Skala bewegt, ändert sich die Spannung sinusförmig. Optische Encoder bieten ein hohes Maß an Präzision, sind jedoch relativ zerbrechlich und anfällig für Verunreinigungen.
Ein magnetischer Encoder verwendet eine mehrpolige Magnetspur. Der Hall-Effekt- oder magnetoresistive Sensor misst die Änderung des Magnetflusses, wenn sich die Magnetpole relativ zum Sensor bewegen. Wie beim optischen Encoder können Sinus- und Cosinussignale erzeugt werden. Magnetische Encoder sind robust, kompakt und können sehr kostengünstig sein. Sie sind jedoch anfällig für Magnetfelder. Es ist schwierig, eine Magnetspur mit feiner Tonhöhe zu erzeugen, die die Auflösung begrenzt. Die Wiederholbarkeit wird durch Hysterese und Genauigkeitsänderungen über einen Betriebstemperaturbereich hinweg beeinträchtigt. Die Magnetspur ist relativ spröde und kann stoßempfindlich sein.
Induktive Encoder
Induktive Encoder (IncOders) nutzen die gleiche grundlegende Physik wie Resolver, bieten aber die gleichen digitalen elektrischen Ausgänge wie ein optischer Encoder. Das bedeutet, dass sie die gleiche Robustheit und Zuverlässigkeit wie ein Resolver bieten, jedoch über eine einfach zu bedienende elektrische Schnittstelle verfügen.
Im Gegensatz zu einem Resolver befindet sich die gesamte für den Betrieb erforderliche Elektronik im Stator des IncOder. Dies bedeutet, dass es sich bei der elektrischen Schnittstelle typischerweise um eine Niederspannungs-Gleichstromversorgung handelt, die einen digitalen Datenausgang erzeugt, der einen absoluten Winkel oder eine Winkeländerung darstellt.
Im Gegensatz zu einem Ringencoder erfolgt die Messung beim IncOder nicht nur an einem Punkt, sondern über die gesamten planaren Flächen von Rotor und Stator. Dies bedeutet, dass IncOder viel weniger anfällig für Ungenauigkeiten aufgrund einer nicht konzentrischen Drehung sind, was ihre Installation relativ einfach macht.