Les moteurs à entraînement direct fonctionnent à peu près de la même manière que la plupart des moteurs à courant continu sans balais. Des aimants sont fixés au rotor du moteur et les enroulements sont disposés sur le stator du moteur. Lorsque les enroulements sont alimentés, ils produisent des champs électromagnétiques qui attirent ou repoussent les aimants du rotor. Une commutation ou une commutation appropriée de l'alimentation des enroulements produit un mouvement contrôlé. Il existe des moteurs à entraînement direct linéaires et rotatifs, mais les versions rotatives sont de loin les plus fréquemment utilisées.
Direct drive motors with diameters of >1m are possible, able to produce a torque of >10,000Nm. De nombreux moteurs à entraînement direct sont « sans cadre », ce qui signifie qu'ils sont fournis sans boîtier, roulements ou capteur de rétroaction. Cela permet aux constructeurs de machines et aux intégrateurs de systèmes de rationaliser la conception de leur boîtier, de leur arbre et de leurs roulements afin d'optimiser la taille, la forme, le poids et les performances dynamiques globales.
Les deux principales raisons qui poussent un ingénieur concepteur à choisir un entraînement direct sont les performances dynamiques et le facteur de forme. Plutôt que d'avoir recours à un accouplement, une boîte de vitesses, des courroies ou des chaînes, un moteur à entraînement direct se fixe directement à la charge afin qu'il n'y ait pas d'hystérésis, de jeu ou de « mouvement perdu » dans aucune direction de mouvement. L’avantage de conception des moteurs assez plats avec un grand trou au milieu – permettant le passage des bagues collectrices, des tuyaux et des câbles – ne doit pas être sous-estimé.
Les avantages de l’approche à entraînement direct comprennent :
Excellentes performances dynamiqueset un contrôle précis de la position et/ou de la vitesse
Pas de jeu ni d'usure
Haute fiabilitéen raison du faible nombre de pièces et de l'élimination des engrenages, poulies, joints, roulements, etc.
Compact– réalisable avec une faible hauteur axiale et un grand alésage
Faible ondulation de coupleou "cogging"
Efficacité énergétiquede l'éradication des pertes dans les éléments mécaniques intermédiaires
Faible bruit acoustiqueou vibration auto-induite
Pas/faible entretien
Faibles besoins en refroidissementgrâce à une géométrie thermique avantageuse
Entrefers relativement grands– installation facile et résistance aux chocs.
Le principal inconvénient est souvent plus perçu que réel : les moteurs à entraînement direct (moteurs DD) sont souvent considérés comme plus chers que les moteurs traditionnels. Bien que cela puisse souvent être vrai dans une simple comparaison 1:1, une vision plus globale (prenant en compte l'éradication des engrenages intermédiaires, des accouplements et de la maintenance ainsi qu'une réduction de la simplification mécanique globale) montre que les systèmes d'entraînement direct sont peut-être étonnamment, la solution optimale en termes de coût et de performances dans de nombreuses applications.
Des exemples classiques d'applications à entraînement direct se trouvent dans les cardans tels que les systèmes d'antennes (par exemple les communications par satellite montées sur véhicule), les caméras de surveillance et de vidéosurveillance, les scanners, les télescopes, les appareils électro-optiques, les tableaux de tarifs et les systèmes radar. Il existe également des applications dans les machines-outils CNC, les équipements d'emballage, la robotique et même les platines vinyles haut de gamme.
Si l'alésage de l'entraînement direct est assez petit (<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.
Résolveurs sans cadre
Un résolveur dont la hauteur axiale est petite par rapport à son diamètre peut être appelé résolveur sans cadre, résolveur à dalle ou résolveur en crêpe. À proprement parler, « sans cadre » signifie que le boîtier du résolveur a été supprimé, mais de nombreux ingénieurs utiliseront le terme sans cadre pour désigner un résolveur de faible hauteur et de grand diamètre.
La plupart des résolveurs sont sans balais plutôt qu'avec balais, mais sont tous basés sur les principes du transformateur. En d’autres termes, ce sont des capteurs d’angle inductifs. À mesure que la position du rotor d'un résolveur varie par rapport à son stator, le couplage électromagnétique entre le rotor et le stator varie. Cela peut être constaté lorsque les signaux de sortie du résolveur varient de manière sinusoïdale par rapport au signal d'excitation ou d'entrée.
Certains résolveurs sont appelés « simple vitesse », « deux vitesses », « quatre vitesses », etc. Cela fait référence au nombre de fois où la sortie du résolveur varie de manière unique sur 1 tour. La sortie d'un résolveur à vitesse unique est unique sur 1 tour ; la sortie d'un résolveur à deux vitesses est unique sur 180 degrés en 1 tour ; la sortie d'un résolveur à quatre vitesses est unique sur 90 degrés en 1 tour et ainsi de suite.
Les résolveurs ont une excellente expérience dans les applications liées à la sécurité, notamment dans l'aérospatiale civile. Ils sont extrêmement robustes et fiables, mais ont tendance à être encombrants, lourds et difficiles à personnaliser.
Encodeurs en anneau
Les codeurs à anneau sont également appelés codeurs à grand alésage creux ou codeurs à grand arbre traversant. Comme pour les résolveurs sans cadre, tous ces termes font référence à un codeur dont la hauteur axiale est petite par rapport à son diamètre. Les codeurs en anneau sont généralement optiques ou magnétiques.
Le codeur optique utilise le balayage d'un réseau fin ou « échelle » éclairée par une source de lumière LED. L'échelle, rotative ou linéaire, est constituée de "lignes" transparentes et opaques disposées selon un cycle de service 50-50. Le nombre de régions transparentes sur le disque correspond au pas d'échelle qui définit la résolution de l'encodeur. Le capteur génère une tension proportionnelle à l'intensité lumineuse incidente. À mesure que le capteur se déplace par rapport à l'échelle, la tension varie de manière sinusoïdale. Les codeurs optiques offrent des niveaux élevés de précision mais sont relativement fragiles et sensibles aux contaminants.
Un codeur magnétique utilise une piste magnétique multipolaire. Le capteur, à effet Hall ou magnétorésistif, mesure la variation du flux magnétique lorsque les pôles magnétiques se déplacent par rapport au capteur. Des signaux sinusoïdaux et cosinusoïdaux peuvent être générés comme dans le codeur optique. Les codeurs magnétiques sont robustes, compacts et peuvent être très rentables. Ils sont cependant sensibles aux champs magnétiques. Il est difficile de produire une résolution limitant une piste magnétique à pas fin. La répétabilité est compromise par l'hystérésis et les changements de précision sur une plage de températures de fonctionnement. La piste magnétique est relativement fragile et peut être sensible aux chocs.
Codeurs inductifs
Les codeurs inductifs (IncOders) utilisent la même physique fondamentale que les résolveurs mais offrent les mêmes sorties électriques numériques qu'un codeur optique. Cela signifie qu'ils offrent la même robustesse et la même fiabilité qu'un résolveur, mais avec une interface électrique facile à utiliser.
Contrairement à un résolveur, toute l'électronique nécessaire au fonctionnement se trouve à l'intérieur du stator de l'IncOder. Cela signifie que l'interface électrique est généralement une alimentation CC basse tension qui produit une sortie de données numériques représentant un angle absolu ou un changement d'angle.
Contrairement à un codeur en anneau, la mesure de l'IncOder n'est pas effectuée uniquement en un point, mais plutôt sur toutes les faces planes du rotor et du stator. Cela signifie que les IncOders sont beaucoup moins sensibles aux imprécisions dues à une rotation non concentrique, ce qui rend leur installation relativement facile.