Электродвигатели являются основой промышленного управления движением. Ожидается, что спрос на эти двигатели в широком спектре применений — от сервоприводов и шаговых двигателей до линейных двигателей различной конструкции — будет только расти. Рост автоматизации и продолжающаяся электрификация требуют более эффективных электродвигателей и более разнообразных и специализированных конструкций для удовлетворения меняющихся требований к дизайну.

Редакторы журнала Design World недавно опросили ряд ведущих производителей двигателей о тенденциях, которые они наблюдают в индустрии электромоторов. Вот что они нам рассказали.

Познакомьтесь с экспертами
Дэйв Бекстоффер | отраслевой менеджер • Выход из порта
Джефф Коффед | отраслевой менеджер — аэрокосмическая и оборонная промышленность • Коллморген
Брайан Денгел | Генеральный директор • KHK USA Inc.
Пол Денман | инженер-прикладник • Японский пульс
Рамон Гитарт | вице—президент по инжинирингу — электрические двигатели • Бесконечность
Ричард Холстед | Президент • Империя Магнетикс, Инк.
Майк Корковски | операционный менеджер • ЛинМот, США
Роберт Лучарс | исполнительный вице-президент • Технология статора печатной платы ECM
Джастин Рид | технический директор • Технологии C-Motive
Артем Рогачев | Business lead — системный менеджер для водителей автотранспорта • Техасские инструменты
Джонатан Спенсьери | Менеджер продуктовой линейки • Коллморген

Что меняется в технологиях производства двигателей и редукторов?

Тростник: Одним из главных недостатков мотор-редукторов является их неэффективность; единственная причина, по которой они необходимы, заключается в том, что они соответствуют требованиям к крутящему моменту и частоте вращения двигателей, доступных на современном рынке. Следовательно, пользователи двигателей добавляют ремни, шкивы и коробки передач, снижая эффективность, чтобы получить желаемый двигатель.

Электростатические двигатели, такие как технология C-Motive, могут удовлетворить требования к крутящему моменту и скорости благодаря возможностям прямого привода. Это устраняет необходимость в коробках передач, неэффективности и дополнительных затратах энергии для пользователей двигателей.

Денгель: Поскольку производители двигателей переходят от цилиндрических выходных валов со шпонками к выходным валам D-образной формы, конечные пользователи больше не могут использовать стандартные шестерни в качестве ведущей шестерни. Это изменение вынуждает пользователей изготавливать специальные шестерни, соответствующие D-образной форме выходного вала.

Миниатюризация моторной техники обусловлена достижениями в области оборудования, производящего компоненты двигателей. Сборочное оборудование также автоматизируется, что обеспечивает точность, необходимую для сборки двигателей невероятно малого диаметра. Фактически, в оборудовании для производства и сборки малогабаритных двигателей используются двигатели, которые всего десять лет назад считались совсем маленькими.

Какими должны быть электродвигатели, чтобы удовлетворить растущую волну электромобильности?

Денман: Такие двигатели должны обеспечивать программируемое и точное перемещение профиля, полностью управляемое цифровым способом, и должны иметь минимальный износ, поэтому не должны иметь контактирующих поверхностей. При выборе роторных бесщеточных двигателей постоянного тока для них требуются датчики с высоким разрешением (часто абсолютным) и высоким соотношением крутящего момента к весу для контроля конечных элементов и образцов. Во многих случаях они должны иметь защиту от промывки по стандарту IP65.

Лучары: Электродвигатели должны обладать рядом характеристик, отвечающих растущим требованиям электромобильности. В частности, электродвигатели для систем электронной мобильности должны обеспечивать более высокую удельную мощность при меньших габаритах корпуса, большую долговечность, меньший вес, низкий уровень шума и гибкость конструкции для оптимизации форм-фактора. Технология ECM PCB Stator Tech использует запатентованные инновации в области печатных плат для статоров и усовершенствованную САПР двигателя для создания электродвигателей нового поколения, которые включают в себя эти преимущества для систем электронной мобильности. Электродвигатели со статором на печатной плате ECM используются в качестве центрального компонента для преобразования электрической энергии в крутящий момент, мощность в лошадиных силах, механическую мощность и поступательное движение в системах электронной мобильности.

Фактически, наше сочетание топологии двигателя с осевым потоком на печатной плате с платформой SaaS представляет собой новый технологический инструмент для электромобильности. Электродвигатели со статором на печатных платах ECM легче, быстрее, тише и обеспечивают гораздо более высокую эффективность, чем обычные машины. Мы подключаем это к нашему САПР-программному обеспечению PrintStator, которое обеспечивает беспрецедентную гибкость при оптимизации электродвигателей для систем электронной мобильности.

САПР двигателя PrintStator использует дискретные входные данные — величину крутящего момента, габаритные характеристики, желаемую скорость вращения — и преобразует их в конструкцию специального статора на печатной плате, который используется в станках с осевым потоком. Двигатели ECM, применяемые в машинах с воздушным сердечником с осевым потоком, обладают максимальным крутящим моментом и превосходной мощностью при гораздо меньших габаритах.

Эти характеристики являются весьма полезными для разработчиков продуктов, связанных с электромобилями и электронной мобильностью. Превосходная удельная мощность и высокая эффективность решений ECM позволяют увеличить время автономной работы интегрированных систем. Меньшая масса означает, что платформы EV имеют возможность установки дополнительных аккумуляторных модулей, что еще больше расширяет их ассортимент. Ультратонкий форм-фактор и компактная конструкция позволяют легко интегрировать эти машины в качестве среднеприводных двигателей с осевым потоком, практически не создавая препятствий для других механических компонентов.

Кроме того, прочная конструкция ECM способствует повышению безопасности систем электронной мобильности. Полностью герметизированные обмотки двигателя предотвращают повреждение изоляции, а полностью закрытый корпус обеспечивает долговечность машин ECM в экстремальных условиях. Двигатели ECM также отличаются акустической бесшумностью, что означает, что они создают меньше шума снаружи, где бы ни эксплуатировался электромобиль.

Какие области применения подходят для автоматизации с помощью нестандартных конструкций двигателей?

Гитара: Экологически чистые двигатели с воздушным сердечником, в которые встроены частотно-регулируемые приводы (ЧРП), привносят инновации и эффективность в конвейерные системы. Они могут снизить энергопотребление, если двигатель работает на более низких оборотах, когда это возможно. Современные двигатели с воздушным сердечником заменяют статор традиционного двигателя, представляющий собой железный сердечник, обмотанный медной проволокой, на медную проводку с травлением на печатной плате. Помимо повышения эффективности, такой подход обеспечивает снижение уровня шума, надежность и возможность подключения к Интернету вещей (IoT). Когда на крупномасштабном складе могут быть сотни, если не тысячи двигателей, потенциальная экономия оказывается значительной.

Помимо сокращения расходов на электроэнергию, устойчивые системы с воздушными двигателями обеспечивают повышенную надежность, а также могут помочь операторам складов сократить трудозатраты, необходимые для обслуживания промышленного оборудования.

В традиционном статоре с железным сердечником рабочее тепло, выделяемое током нагрузки, проходящим по медным проводам, расширяет и сжимает провод с иной скоростью, чем удерживающий его стальной сердечник. Со временем различные скорости расширения разрушают изоляцию, и в двигателе возникают сбои в заземлении или короткие замыкания между витками.

Компоненты в конструкции Infinitum имеют очень схожие коэффициенты расширения. Это делает системы Infinitum намного более надежными, что важно для критически важных объектов, таких как логистика и обработка пищевых продуктов, которые не могут позволить себе простоев.

Тростник: Конвейеры используются на промышленных предприятиях гораздо чаще, чем принято думать. Даже для тех, кто знает о широком использовании конвейеров, количество двигателей, приводящих в движение конвейеры в промышленных условиях, поражает воображение. Эти конвейеры вносят значительный вклад в общее энергопотребление промышленных предприятий. Однако, когда приводящие их в действие двигательные установки работают с КПД всего на 50-60% (в первую очередь из-за редукторов, снижающих энергоэффективность), это приводит к тому, что пользователи двигателей оплачивают более высокие, чем необходимо, затраты на электроэнергию. Кроме того, выделяемое тепло требует усовершенствования систем ОВКВ для управления повышенным тепловыделением двигателей и коробок передач.

Какие последние инновации в двигателях принесли пользу аэрокосмической и оборонной промышленности?

Выпитый кофе: Более семи десятилетий мы поставляем системы управления движением, оптимизированные для применения в аэрокосмической и оборонной отраслях. Наши двигатели, приводы и другие устройства управления движением всегда отличались высочайшим качеством, и это не изменилось. Новым является то, что в 2023 году мы получили сертификат AS9100D. Этот сертификат дает документальную гарантию того, что системы менеджмента качества компании соответствуют высоким стандартам, ожидаемым в аэрокосмической и оборонной промышленности. Это то, что могут оценить конечные пользователи, стремящиеся найти наилучшего партнера для своих критически важных аэрокосмических и оборонных проектов, включая быстрое создание спутников на низкой околоземной орбите (LEO), исследование космоса, беспилотные летательные аппараты (БПЛА), электрические аппараты вертикального взлета и посадки (eVTOL), и даже больше.

Лучары: Компания ECM разработала прототипы электродвигателей для электромотоциклов, велосипедов и скутеров. В сфере морской и оборонной промышленности компания ECM в сотрудничестве с аэрокосмической и оборонной компанией L3 Harris разработала электродвигатель для автономного подводного аппарата IVER4 900.

Есть ли какие-нибудь новые моющиеся, взрывозащищенные или специально сертифицированные двигатели?

Спенсеры: Серводвигатель AKMA — это наше новейшее предложение для рынка средств гигиены и мойки. Этот двигатель с классом защиты IP69K изготовлен из закаленного анодированного алюминия, что делает его более экономичным по сравнению с нержавеющей сталью.

Легкая конструкция двигателя AKMA упрощает его установку и обслуживание, а высокая плотность крутящего момента обеспечивает машиностроителям более высокую производительность при меньших габаритах. Двигатель идеально подходит для высокоточного перемещения при производстве продуктов питания и напитков, фармацевтической и медицинской упаковки.

Корковский: Мы предлагаем взрывозащищенные двигатели (ATEX), подходящие для работы в 1/2 газовых и 21/22 пылевых зонах. Они полностью герметизированы и имеют класс защиты IP67. У нас есть направляющие модули из нержавеющей стали с классами защиты IP69 /IP67S. Они могут быть легко собраны в виде комплектов для сбора и установки при промывке. Если вы добавите модуль захвата при промывке, который имеет класс защиты IP67, это превратится в комплект для сбора и установки при промывке с захватом.

Спенсеры: Недавно мы расширили ассортимент взрывозащищенных двигателей, сертифицированных ATEX и IECEx/cETLus, для применения в системах с высоким напряжением до 480 В переменного тока. Эти новые сертификаты взрывозащищенности для высоковольтного серводвигателя Goldline EBH свидетельствуют о нашем стремлении внедрять самые современные технологии в области управления движением и удовлетворять самым строгим требованиям применения.

Взрывозащищенные двигатели требуются во взрывоопасных местах, где горючие газы, туман или пары могут находиться во взрывоопасной или воспламеняемой концентрации. Такие условия часто встречаются в шахтах, на нефте- и газоперерабатывающих заводах, текстильных фабриках и промышленных покрасочных цехах. Серводвигатели Goldline EBH с типоразмерами рам от 1 до 6 присоединяются к другим взрывозащищенным двигателям семейства Goldline EB и соответствуют стандартам ATEX/IECEx, в частности, CE 0081 Ex II 2 G Ex d IIB T3 Gb –40ºC ≤ Ta ≤ 40ºC.

Есть ли какие-нибудь тенденции в использовании щеточных и бесщеточных двигателей?

Спенсеры: В различных отраслях промышленности по-прежнему наблюдается заметная тенденция перехода от технологии электродвигателей с щеточным приводом к бесщеточным моделям. Бесщеточные двигатели обладают рядом преимуществ, включая более высокую эффективность, более длительный срок службы и меньшие требования к техническому обслуживанию по сравнению с электродвигателями с щеточным приводом. Робототехника является одной из наиболее благоприятных отраслей для создания бесщеточных устройств из-за их легкого дизайна, энергоэффективности и повышенной надежности.

Бекстоффер: Электродвигатели с щеточным приводом, в частности электродвигатели без сердечника, все чаще используются в системах с батарейным питанием из-за их высокой эффективности, удельной мощности и меньшего веса. Сочетание высокопроизводительных магнитов с корпусами для фокусировки потока приводит к увеличению выходной мощности в одном корпусе. Что касается бесщеточных двигателей, то их высокая скорость и надежность используются в новых областях применения для сердечно-сосудистой системы при хирургических вмешательствах для поддержания кровообращения.

Денман: Появились новые тенденции в области оптического управления с помощью датчиков абсолютного значения с высоким разрешением. Двигатели с датчиками абсолютного значения с высоким разрешением заменяют приводы с волновой передачей. Мы также видим этапы, которые используются в камерах биологической защиты HEPA для высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и анализаторах спектра лекарственных препаратов.

Рогачев: Драйверы двигателей нового поколения все чаще интегрируют более совершенные функции для управления двигателем, устранения неисправностей и обнаружения неисправностей. Эти функции могут значительно разгрузить традиционные функции, основанные на программном обеспечении, что позволяет сократить затраты на разработку программного обеспечения и оптимизировать выбор микроконтроллеров.

Конечно, функциональная безопасность становится все более важным требованием к современным системам, поскольку интеллектуальные двигатели и электроприводы продолжают распространяться в приложениях, тесно взаимодействующих с человеком. Помимо заводских настроек, в пассажирских автомобилях и других конструкциях автомобилей по-прежнему используются расширенные функции интеллектуального управления приводами в окнах, дверях, подъемниках, сиденьях, рулевом управлении и других областях автомобиля, где безопасность является основным приоритетом.