Tпроведенный им за год обзор тенденций в области электродвигателей для управления движением и автоматизации выявил несколько тенденций и новых разработок в области использования синхронных двигателей переменного тока; шаговых двигателей, особенно в системах с замкнутым контуром; бесщеточных двигателей различных типов; а также небольшое количество специализированных устройств с прямым приводом, которые только набирают обороты.
Благодаря конструкции и эксплуатации, во многом схожей с бесщеточными двигателями постоянного тока (bldc), синхронные двигатели переменного тока — иногда их называют бесщеточными двигателями переменного тока, двигателями переменного тока с постоянными магнитами (PMM) и даже PMACS — в настоящее время распространяются от сложных серводвигателей к другим промышленным приводам. В частности, они все чаще используют печатное и упаковочное оборудование; конвейеры; приводы транспортных узлов (о которых мы расскажем в статье об автономных транспортных средствах и робототехнике в специальном выпуске журнала Design World, который выйдет в мае); подъемники и краны; а также приводы лифтов с регенерацией.
Эти легкие малоинерционные двигатели обычно обеспечивают мощность от 5 до 150 л.с. при высоком крутящем моменте и КПД. Показательный пример: двигатели Sinochron PMAC от ABM Drives обеспечивают КПД на 10-15% выше, чем аналогичные асинхронные двигатели.
Для работы синхронных двигателей переменного тока с регулируемой частотой вращения требуется управление с помощью инвертора или ЧРП, специально разработанного для запуска и синхронизации взаимодействия ротора и статора. Как и в двигателях постоянного тока, в синхронных двигателях переменного тока используется электроника (обычно датчики на основе эффекта Холла), которая определяет правильную величину тока, подаваемого на обмотки. Для синхронной работы на роторе используются матрицы из четырех или более постоянных магнитов.
Но в отличие от двигателей постоянного тока с трапециевидной обмоткой статорных катушек (и обратной ЭДС на выходе с трапециевидной формой сигнала, требующей ввода постоянного тока) синхронные двигатели переменного тока наматываются синусоидально. Это обеспечивает синусоидальную обратную ЭДС на выходе (и необходимость в синусоидальном токе на входе), а также более тихий на слух и электрически двигатель. Поиск “разница между двигателями постоянного тока и синхронными двигателями переменного тока” подробнее об этом.
Непрерывная коммутация позволяет избежать пульсаций крутящего момента и обеспечивает высокий коэффициент мощности, а также превосходную эффективность даже с учетом потерь в контроллере.
В отличие от асинхронных двигателей, которые демонстрируют низкий КПД и коэффициент мощности при низких оборотах, двигатели PM также сохраняют производительность без необходимости установки коробки передач или мотор-редуктора.
Все большее распространение получают небольшие двигатели, включая двигатели NEMA 34 и 60 мм (в вариантах постоянного тока и сервопривода, а также гибридные шаговые двигатели и шаговые двигатели с замкнутым контуром). На долю этих небольших двигателей приходится до 70% объема рынка.
Ведущими областями применения являются 3D-принтеры, роботы-манипуляторы, медицинские приборы и промышленный дизайн движения. Наши отраслевые эксперты представили несколько интересных предложений по шаговым двигателям для этих рынков.
Харрис Аяз (Harris Ayaz) | Инженер-прикладник • ISL Products International: Шаговые двигатели PM все чаще используются в промышленности. В последнее время к нам обращаются клиенты из сферы автоматизированной печати, упаковки и производства электронных часов. Эти двигатели намного меньше, чем более распространенные гибридные шаговые двигатели. Двигатели PM могут изготавливаться с индивидуальными конфигурациями крепления и специальными разъемами.
Последние тенденции в области гибридных шаговых двигателей включают в себя добавление (предварительную интеграцию поставщиком компонентов для перемещения) линейного винта и гайки на этот вал, что обеспечивает полное решение для линейного перемещения. Это делает шаговые двигатели более удобным решением для клиентов.
Другими тенденциями являются увеличение количества шаговых двигателей с двумя валами, а также шаговых двигателей с редукторами.
Йонас Проэгер • Тринамическое управление движением: Я не знаю, как они их изготавливают, но впечатляюще малые размеры некоторых двигателей позволяют находить новые применения. Мы видели беспрецедентные разработки для роботизированной хирургии, где есть шесть или более крошечных двигателей в один концевой эффектор размером с кулак на хирургическом роботе.
Большинство шаговых двигателей по—прежнему работают в разомкнутом контуре, и так будет продолжаться еще долгое время, потому что, в конце концов, одним из самых больших преимуществ шаговых двигателей является то, что они могут обеспечивать надежное и точное позиционирование при низких затратах без необходимости в системе обратной связи. Тем не менее, мы наблюдаем рост числа систем с замкнутым контуром, превращающих шаговые двигатели в полноценные сервоприводы, и им не нужно прятаться за своими аналогами bldc или dc.
Аяз | ISL Products International: Развитие систем управления с замкнутым контуром заключается в том, чтобы имитировать сервоприводы и их обратную связь. Шаговые двигатели могут быть подключены к системам управления «все в одном»; это обеспечивает управление с замкнутым контуром и снижает необходимость приобретения двух отдельных компонентов. Многим заказчикам требуется система управления «под ключ», и шаговые двигатели с замкнутым контуром обеспечивают стабильную нагрузку.
Proeger • Трехдинамическое управление движением: Поскольку в микроэлектронике внедряется все больше и больше алгоритмов, я считаю, что в конечном итоге не будет никакой разницы между взаимодействием с сервоприводом bldc, шаговым сервоприводом или даже шаговым устройством с разомкнутым контуром. Когда это время придет, решение о выборе типа двигателя будет зависеть только от механики: в то время как шаговые двигатели имеют преимущество при низких оборотах и высоком крутящем моменте, двигатели постоянного тока работают лучше при более высоких оборотах.
Шаговые двигатели с замкнутым контуром используют обратную связь с высоким разрешением и DSP, которые становятся все более доступными благодаря закону Мура. По данным Prescient & Strategic Intelligence, к 2023 году использование этих шаговых систем с замкнутым циклом в глобальном масштабе будет расти на 6,3% в годовом исчислении. Если раньше замкнутое управление было излишним, то теперь такие установки повышают эффективность при выполнении задач позиционирования или перемещения, требующих управления с учетом нагрузки.
Они находят широкое применение в робототехнике, упаковке и производстве полупроводников. Они используют преимущества шаговых двигателей, превосходя по своим характеристикам традиционные устройства с разомкнутым контуром. Во многих случаях шаговые двигатели с замкнутым контуром представляют собой интегрированные двигатели, которые включают в себя платы питания, привода и контроллера; устройство обратной связи; коммуникационную электронику и электронику ввода-вывода; а также кабели и разъемы.
Эрик Райс (Eric Rice) • Прикладные продукты для движения: Шаговое управление с замкнутым контуром продолжает завоевывать долю рынка в системах позиционирования и контроля скорости. Этот рост использования в первую очередь обусловлен новыми конструкциями интегрированных двигателей, которые используют преимущества замкнутого контура управления (такие как больший крутящий момент, более высокие показатели ускорения, более тихая работа и более высокая эффективность), но также и преимуществами самой интегрированной конструкции двигателя. Эти преимущества включают меньшее количество кабелей, отсутствие внешнего привода или усилителя, упрощенный перечень запасных частей и экономию средств.
Кроме того, легко заметить преимущества как замкнутого контура управления, так и интегрированных конструкций двигателей, что помогает конечным пользователям чувствовать себя уверенно при первом внедрении этих технологий.
Потребность в энкодерах для этих шаговых и других двигателей с замкнутым контуром управления привела к растущему спросу на более широкие возможности энкодеров (в дополнение к современным высокопроизводительным сетям и возможностям подключения).
Proeger • Трехдинамическое управление движением: Появление шаговых сервоприводов приведет к появлению нового поколения энкодеров. Как правило, для встраиваемых приводов лучшим выбором является магнитный энкодер. Это связано с тем, что такие приводы компактны, надежны и имеют более простую механическую настройку. Недостатком этого является то, что, если инженер-конструктор хочет использовать его для фокусировки шагового двигателя, многие магнитные датчики имеют ограниченное разрешение. Напомним, что для шаговых двигателей типичное количество полюсов составляет 50 по сравнению с 1: 16 для типичного двигателя постоянного тока. Другим недостатком является задержка при внутренней обработке данных. Это обусловило спрос на магнитные энкодеры высокого разрешения с низкой задержкой.
Майк Марони | Старший менеджер по продуктам • Прикладные продукты для движения: Неоспоримому доминированию оптических энкодеров пришел конец. Цены на магнитные энкодеры в настоящее время на порядок ниже (в пересчете на стоимость компонентов), чем у конкурентов. Кроме того, они обеспечивают более легкую сборку блока — благодаря воздушному зазору, управляемому печатной платой, а также более жестким допускам на крепление, чем у их оптических аналогов.
Эти факторы в сочетании со стремительным технологическим прогрессом в области магнитных энкодеров помогают снизить преимущество оптических энкодеров в производительности, что означает, что магнитные энкодеры будут продолжать занимать все большую долю рынка и даже помогут энкодерам выйти на рынки, где они исторически были невозможны.
Патрик Уилер | Менеджер по продукции • Aerotech: Другой тенденцией в разработке и применении энкодеров в двигателях является переход к абсолютным энкодерам и другим последовательным протоколам. Проблема заключается в задержке, возникающей при сериализации сигналов, когда необходимо сочетать высокий уровень управления технологическим процессом с фактическим положением линейных приводов или ступеней.
Двигатели с электронной коммутацией (EC), или ECMS, также известные как bldc—двигатели, незаменимы во множестве механизмов, требующих длительного срока службы и максимальной эффективности.
В качестве отступления отметим, что Министерство энергетики США (DOE) уточняет, что ECMS — это маломощные двигатели постоянного тока bldc со встроенными приводами и органами управления (так часто встречается в системах кондиционирования воздуха). Агентство различают двигатели постоянного тока bldc (бесщеточные двигатели постоянного тока с отдельными приводами и органами управления) и электродвигатели EC (со встроенными приводами и органами управления). Однако многие производители оборудования и поставщики двигателей используют эти термины как взаимозаменяемые.
Более того, большинство производителей электродвигателей EC (bldc) поставляют их как на рынки систем кондиционирования воздуха, так и на рынки систем управления движением, что ускоряет внедрение терминов «электродвигатель EC» и «двигатель с электронной коммутацией» в индустрии движения.
Дэйв Бекстоффер | Менеджер по продуктам • Portescap: Бесщеточные двигатели постоянного тока, как правило, предлагают множество вариантов для более широкого спектра применений. Новые конструкции разрабатываются с учетом скорости, крутящего момента или их комбинации. Двигатели без щелей становятся многополярными для получения дополнительного крутящего момента или оптимизируют магнитную конструкцию для более высоких скоростей. В некоторых областях применения, например, в производстве ручных инструментов, требуются как фазы свободного хода, так и фазы затяжки. Электродвигатель Ultra EC, разработанный компанией Portescap, отлично зарекомендовал себя в этих областях, обеспечивая более быструю фазу свободного хода и более высокий максимальный крутящий момент.
Аяз • АЙСЛ Продактс Интернэшнл: В области медицинского оборудования и робототехники появляются новые тенденции в области бесколлекторных двигателей. Мы участвовали в проектах в различных отраслях, но на этих двух рынках двигатели bldc наиболее распространены.
В последнее время двигатели bldc типа outrunner все чаще используются в медицинском оборудовании и промышленности. Ранее двигатели bldc типа outrunner были наиболее распространены в легких бытовых электромобилях для отдыха. У опережающих устройств есть магниты, прикрепленные к кольцу или втулке на внешней стороне катушек статора, для получения выходного сигнала, который принимает форму вращения двигателя.
В робототехнике меньшего масштаба обычно используются цифровые сервомоторы. Эти двигатели экономичны и (с обратной связью) обеспечивают точное перемещение с помощью ШИМ. Мы также видим множество планетарных редукторов в паре с двигателями постоянного тока — для снижения скорости и увеличения крутящего момента. В тактических роботизированных системах планетарные редукторы лучше всего подходят для обеспечения высокого крутящего момента и эффективности, а также высокой грузоподъемности.
Сигэнобу Нагамори, основатель и генеральный директор мирового производителя двигателей Nidec, прогнозирует несколько тенденций в отраслях, использующих электродвигатели.
“В 1973 году я основал компанию Nidec, чтобы заменить все электродвигатели в мире бесщеточными двигателями постоянного тока, убедившись в потенциале этой технологии. Спустя 45 лет мы стали свидетелями инноваций, связанных с бесщеточными двигателями постоянного тока, наиболее заметным из которых стало расширение рынка двигателей для жестких дисков (HDD) в 1990—х годах. Сейчас существуют четыре новые тенденции аналогичного масштаба ”
Бытовая техника традиционно приводимый в действие щеточными двигателями все чаще используются бесщеточные двигатели постоянного тока — Преимущества включают в себя более высокую энергоэффективность, совместимость с питанием от батарей и долговечность. Почти все двигатели в комнатных кондиционерах, холодильниках, стиральных машинах и пылесосах заменены (или будут заменены) бесщеточными двигателями постоянного тока, — добавил Нагамори.
Электрификация автомобилей — Переход от двигателей внутреннего сгорания к электродвигателям происходит быстрыми темпами, и множество других компонентов, которые ранее приводились в действие двигателем, заменяются версиями, приводимыми в движение электродвигателями.
Размножающиеся роботы (включая коллаборативных роботов) — большинство из них оснащено двигателями, а также редукторами скорости. Заводы Nidec, которые когда-то производили двигатели для жестких дисков, теперь перепрофилируются на производство роботизированных редукторов скорости. “Роботы стоят дорого, но по мере снижения цен их использование (даже в домах людей) будет расширяться”, — добавил Нагамори. По прогнозам, к 2050 году население земли достигнет девяти миллиардов человек, и на каждого человека будет приходиться по три робота-обслуживающего персонала.
Замена ручных задач в логистике и сельском хозяйстве — Потенциал беспилотных летательных аппаратов в логистике и сельском хозяйстве особенно высок, хотя по-прежнему необходимы новые разработки и нормативные акты. Нагамори ожидает, что это произойдет в течение ближайших двух лет.
Proeger • Трехдинамическое управление движением: Что касается бесщеточных двигателей, то на рынке беспилотных летательных аппаратов наблюдается интересная тенденция. В то время как обычно в промышленном применении мы видели в основном двигатели inrunner — часто с двузначными фланцами типа NEMA, — сейчас мы видим все больше и больше двигателей outrunner, которые генерируют впечатляющий крутящий момент при действительно низких затратах. Как правило, они имеют большее количество полюсов, чем традиционные приводы, что приводит к уменьшению передаточных чисел коробок передач. Они еще не появились в традиционном промышленном оборудовании, но используются во многих системах автоматизации складов, а также в некоторых проектах по созданию роботов для совместной работы.
Интероперабельность — это функциональность двигателя, которая в этом году приобретает все большее значение.
Maroney • Прикладные продукты для движения: Мы стремимся к тому, чтобы наши продукты были совместимы между собой в разных линейках и поколениях. В качестве основы мы придерживаемся стандартных размеров рамок NEMA для шаговых двигателей и метрических размеров для сервомоторов, а также сертифицируем наши системы полевых шин соответствующими организациями по стандартизации, такими как ODVA, например, для EtherNet/IP.
Кроме того, наш фирменный язык программирования Q является единым для всех наших двигателей — от самого маленького шагового привода с разомкнутым контуром до самого большого серводвигателя. Это позволяет инженерам, использующим наши продукты, изучать единый язык и применять его ко всем осям перемещения во всех своих системах — от самых маленьких установочных осей до самых больших и сложных. Это сокращает время программирования и упрощает поиск и устранение неисправностей.
На самом деле, наше внимание к обратной совместимости гарантирует, что машины производителей оборудования будут пригодны для обслуживания в течение многих лет и могут быть модернизированы с помощью наших новейших предложений.
Бекстоффер • Портэскэп: На этапе проектирования любого нового продукта мы гарантируем, что можем предложить комплексные двигательные системы, включая двигатель, коробку передач и энкодер. Механическая совместимость гарантирует, что новый дизайн будет легко интегрирован с другими продуктами. Показательный пример: некоторые новые двигатели могут иметь переднюю поверхность, предназначенную для установки редукторов с наибольшим диаметром. Задний фланец двигателя может иметь геометрию, соответствующую соответствующим датчикам. Это позволяет инженерам использовать новые продукты в системах с обратной связью по движению.
Поставщики двигателей рекламируют расширяющийся перечень дополнительных услуг (или внутреннюю инженерную поддержку) для производителей оборудования и инженеров-конструкторов, которые хотят получить помощь в своей работе по проектированию двигателей.
Аяз • АЙСЛ Продактс Интернэшнл: В течение последних 12 месяцев мы помогали заказчикам (производителям оборудования) с помощью нашего подхода, направленного на повышение эффективности. Мы специализируемся на оптимизации стандартных двигателей постоянного тока и мотор-редукторов и адаптируем каждый двигатель к конкретным требованиям производителя.
Наиболее распространенной добавленной стоимостью, которую мы предоставляем, являются индивидуальные выходные параметры (такие как частота вращения и крутящий момент) для каждого конкретного случая применения. Мы также можем предложить различные типы двигателей и зубчатых головок, индивидуальные настройки вала, выбор материалов, типы магнитов, проводов и разъемов, а также варианты энкодеров. Мы используем наш собственный инженерный опыт, чтобы направлять инженеров в правильном направлении, ведь управление движением — это сложная задача.
Джеймс Галлант | операционный директор • ISL Products International: Когда дело доходит до заказа двигателей постоянного тока и мотор-редукторов, мы стремимся стать для инженеров-проектировщиков обслуживанием по меню.
Бекстоффер • Портэскэп: Инновации — это наша страсть. Мы распространяем эту страсть на наших клиентов, взаимодействуя с ними на ранних этапах проектирования, чтобы предложить свой опыт в разработке движущей силы. Это касается не только моторного композита, мы рассматриваем механические и электрические компоненты, которые взаимодействуют с моторным композитом, чтобы обеспечить оптимальную эффективность системы. Результатом совместной работы по проектированию является более эффективный и компактный конечный продукт.
Николь Эштон • Портэскэп: Когда мы взаимодействуем с заказчиками на ранних этапах процесса проектирования, это помогает снизить риск интеграции двигателя, обеспечивая при этом прорывное влияние на дизайн. Когда мы работаем с заказчиком на стадии его первоначального замысла, именно тогда происходят настоящие совместные инновации и максимизируются выгоды.
Конечно, онлайн-инструменты настройки и программное обеспечение продолжают изменять подходы к проектированию.
Бекстоффер • Портэскэп: Современным инженерам—конструкторам требуется все более подробная информация в режиме онлайн — для более глубокого изучения доступных вариантов управления движением в их проектах. Мы разработали программное обеспечение MotionCompass, которое предоставляет инженерам-конструкторам возможность использовать наш опыт в любое время.
Предоставляя динамические рекомендации, основанные на крутящем моменте и частоте вращения, мы сократили время итерационного процесса. Это также связано с тем, что физические испытания двигателей были заменены онлайн-расчетами. Это позволяет инженерам-конструкторам уверенно создавать прототипы с первоначальным выбором двигателя и, в конечном счете, сокращает время вывода новых продуктов на рынок.
Аяз • АЙСЛ Продактс Интернэшнл: Щеточные двигатели по-прежнему широко распространены в промышленности. Преимущество щеточных двигателей постоянного тока в том, что для их работы не требуется контроллер. Новой тенденцией, которую мы наблюдаем, является появление щеточных двигателей без сердечника, также известных как двигатели без железа.
Эти двигатели более эффективны, чем аналогичные, и имеют меньший крутящий момент при включении, а также изготовлены с использованием магнитов, таких как неодим, для обеспечения высокого крутящего момента. Щеточные двигатели без сердечника все чаще используются в основном в беспроводных и портативных устройствах медицинской промышленности, поскольку они потребляют относительно небольшой ток.
Для упрощения сборки в двигатели встроены линейные устройства и другие механические элементы. Многие поставщики продают редукторы со встроенными ходовыми винтами, чтобы сократить количество деталей и избежать механических проблем, связанных с муфтами и многим другим. Рассмотрим конкретный пример: Одно медицинское устройство (одноразовый инструмент для биопсии) теперь оснащено двигателем и редуктором, а также встроенным ходовым винтом и гайкой в удлинителе редуктора.
Бекстоффер • Портэскэп: Конструкция коробки передач совершенствуется в соответствии с тремя целями — повысить эффективность, обеспечить более высокий выходной крутящий момент и обеспечить более высокую частоту вращения двигателя. Это ставит перед инженерами-конструкторами задачу сбалансировать эти три требования при разработке новых продуктов.
В качестве единого решения для решения всех трех задач мы вновь представили R22HT, который обеспечивает значительно более высокий выходной крутящий момент и позволяет увеличить входные частоты вращения, а также поэтапно повысить эффективность благодаря планетарной технологии. Фактически, такая конструкция предоставляет производителям более широкий выбор передаточных чисел для точной настройки крутящего момента и скорости вращения для любого применения.
Другие миниатюрные модели more включают бесщеточные канюлированные мотор-редукторы постоянного тока, которые позволяют поочередно приводить в движение провода и штифты Киршнера в ортопедической хирургии. Другие двигатели еще меньше.
Ричард Холстед | Президент • Empire Magnetics: Одна из технологий, использующих передовые микромоторы и микроустройства, известна как LIGA — от немецкой аббревиатуры, которая означает литографию, гальванопластику, формование и индикацию процессов с использованием высокоэнергетических рентгеновских лучей. Для микрообработки и создания микроустройств на предприятиях beamline требуются конструкции, состоящие из миниатюрных шестерен, двигателей и других компонентов, поскольку многие конструкции LIGA имеют активную площадь от 0,25 до 4 мм.
Вам также может понравиться:
Свежие комментарии