Этот год в дизайне двигателей наблюдается всплеск трех тенденций. Одноразовые медицинские приборы, новые потребительские товары и автоматизация более простых задач стимулируют спрос на доступные варианты с миниатюрными двигателями. (Подробнее о миниатюризации двигателей читайте во второй части этой двухсерийной серии Motion Trends, посвященной электродвигателям здесь.)

Связанная с этим тенденция к компактному дизайну является ведущей в области применения ручных инструментов. Также все шире используются серводвигатели и двигатели с прямым приводом для бытовой техники, автоматизированных управляемых транспортных средств (AGV) и систем электронной мобильности.

Сама конструкция двигателей развивается, чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым глобализацией, включая высокопроизводительное производство с ожиданиями точности и надежности. Здесь многие приложения, где конструкции серводвигателей когда—то были излишними, теперь используют такие установки для повышения эффективности — особенно там, где управление движением или позиционированием с учетом нагрузки является требованием к дизайну. Фактически, серводвигатели и новые виды шаговых двигателей с замкнутым контуром теперь управляют большим количеством осей, чем когда-либо, в машинах для упаковки, производства полупроводников и робототехники. Синхронные двигатели всех типоразмеров также находятся на подъеме, отчасти благодаря стабильным ценам на редкоземельные элементы при поставке постоянных магнитов.

“Компания ABM DRIVES запустила линейку двигателей Sinochron PMAC несколько лет назад. Эта высокоэффективная технология позволяет на 30% сократить площадь привода при той же производительности, что и у асинхронного двигателя переменного тока — и с повышением эффективности на 10-15%”, — сказал Габриэль Вензин, президент компании ABM Drives, базирующейся в Цинциннати.

Независимо от типа, конструкции с приводом от двигателя все чаще предварительно интегрируются (как физически, так и со стороны органов управления), что упрощает или даже исключает настройку. “Мы предлагаем коробки передач со встроенными ходовыми винтами, чтобы сократить количество деталей и избежать проблем, возникающих из-за перекручивания муфты”, — сказал Бирен Патель, менеджер по разработке систем управления движением maxon precision motors. Производитель также предлагает двигатели со встроенными контроллерами: “Мы начали с наших плоских изделий с бесщеточным приводом постоянного тока (EC) и работаем над созданием дополнительных категорий бесщеточных двигателей, а также предлагаем индивидуальные мехатронные решения”, — сказал Патель.

Другие также отмечают рост разработок производителей для предварительной настройки.

“Мы видим спрос на установки ”под ключ», в которых поставщики motion в большей степени занимаются проектированием систем и разработкой программного обеспечения», — согласился Картер Грин из Dunkermotoren. Производитель предлагает аппаратное и программное обеспечение для управления движением для нескольких уровней настраиваемых решений. “Наша концепция модульного проектирования повышает гибкость, позволяя инженерам-проектировщикам использовать различные приводы, но при этом оставаться в пределах заданной площади”, — пояснил Грин.

Таким образом, производители оборудования могут предоставить конечным пользователям несколько вариантов, сохраняя при этом общие производственные компоненты и методы на своем собственном предприятии. Обычно производитель рассматривает приложения OEM-производителей и конечных пользователей и анализирует требуемые профили перемещения, чтобы затем разработать индивидуальные пакеты двигателя, коробки передач, электроники и программного обеспечения для одноосных и многоосевых требований.

Они не одиноки: другие производители двигателей поддерживают инженеров-конструкторов сборками системного уровня и дополнительными приводами и органами управления, чтобы получить максимальную отдачу от конкретной настройки двигателя. Показательный пример: MICROMO из FAULHABER Group (основана на разработке технологии микромоторов без сердечника в 1947 году) делает это с помощью бесщеточных двигателей постоянного тока без сердечника; шаговых и пьезодвигателей; прецизионных редукторов, линейных приводов и нестандартных конструкций системного уровня. Одним из примеров является широкополосный контроллер движения MC3/MCS, который обеспечивает максимальную производительность от FAULHABER motors (и поставляется с интерфейсом EtherCAT). Электродвигатели MICROMO без сердечника имеют низкую индуктивность, что делает их очень чувствительными к изменениям нагрузки — и это может быть проблемой для некоторых приводов и органов управления. Контроллеры движения MC3/MCS решают эту проблему. Сопряжение с опциями обратной связи, такими как аналоговые датчики Холла, позволяет контроллерам использовать экономичный подход к управлению положением с высоким разрешением, чего не могут сделать другие контроллеры.

Текущими целями проектирования в большинстве отраслей промышленности (помимо снижения стоимости) являются производительность, гибкость и надежность. “Почти все без исключения отрасли меняют свой взгляд на движение”, — сказал Грин. Отчасти это объясняется тем, что все более сложная автоматизация (и перемещение профилей для конкретных задач), а также спрос на эффективные конструкции побуждают конечных пользователей обращаться к поставщикам за более гибкими сборками машин — и клиенты ищут поставщиков, которые могут повысить ценность их процесса, добавил он.

“Будь то простая поддержка приложений или предоставление готового решения, которое не требует производства, мы стремимся помочь производителям оборудования создавать более качественный продукт”, — сказал Грин. “Сотрудничество является ключом к использованию опыта поставщиков, особенно при больших масштабах проекта”.

Это, безусловно, относится к растущей автоматизации складских помещений и автоматизированным системам хранения и поиска (ASRSS), которые используют централизованное управление для автоматического размещения и извлечения товаров со склада с помощью сотен или тысяч осей с приводом от двигателя.

“Одно из самых поразительных изменений, которые мы наблюдали, произошло на рынке погрузочно-разгрузочных работ”, — сказал Грин. Отношение потребителей «Мне это нужно сейчас» и рост крупных распределительных складов для обслуживания новых тенденций покупателей означают, что продукция должна продаваться быстрее, чем когда-либо. “Это, а также огромные различия в типах продуктов, которые нужно брать с полок и складывать в коробки для отправки, приравниваются к огромной потребности в надежной координации сложных задач, чтобы соответствовать спросу”, — добавил он.

Электродвигатели в этих установках приводят в действие подъемники, конвейеры, AGV, упаковщики, штабелеры, этикетировщики и роботы.

“Двигатели, используемые в погрузочно-разгрузочном оборудовании и этих современных роботах, должны быть чрезвычайно надежными и экономичными”, — сказал Мэтт Лесняк, вице-президент Sensata Technologies по промышленным решениям. Одним из предложений Sensata в этой области является бескаркасный бесщеточный двигатель постоянного тока BEI Kimco (BLDC), предназначенный для установки в ограниченных объемах узлов легких роботов и других машин. По словам Лесняка, роботизированные технологии, впервые разработанные для военных и аэрокосмических применений, теперь работают в новых отраслях промышленности, поскольку новые источники материалов и экономичное производство сделали их более экономичными.

Другим примером является дизайн AGV от компании ADAM, базирующейся в Онтарио. Заявленный как автономный мобильный робот (AMR), автомобиль перевозит предметы из произвольного места происхождения в произвольные пункты назначения, используя ПК для управления, лазерный дальномер для навигации и два независимых серводвигателя со встроенными в привод зубчатыми редукторами.

Фактически, некоторые поставщики двигателей поставляют на растущий рынок AGV комплектные приводные колеса в сборе. Рассмотрим Wittenstein iTAS — модульную колесную ось с сервоприводом, разработанную специально для AGV.

Его сдвоенные серводвигатели включают спиральные планетарные редукторы с низким люфтом и колеса VULKOLLAN. Редукторные двигатели обеспечивают широкий момент опрокидывания, хороший диапазон скоростей и удельную мощность (последнее особенно важно для плоских AGV, которые поднимают и перемещают парк немоторизованных тележек снизу). Одна двухколесная ось iTAS использует сервоусилитель simco (принимающий входное напряжение от 12 до 60 В постоянного тока) для координации движения с помощью контроля тока с высоким разрешением и датчиков; управление осуществляется за счет разницы скоростей между двумя приводами. Подключение к Интернету вещей через встроенный веб-сервер позволяет пользователям отслеживать работу сервоусилителя, а также состояние вождения.

Очевидно, что проблемы проектирования AGV имеют некоторые общие черты с проблемами автономных транспортных средств. По словам Джеффа Хемпхилла, вице—президента и главного технического директора Schaeffler Group в Северной Америке, две основные тенденции стимулируют одновременное симбиотическое ускорение — разработки для автономные транспортные средства так же как электронная мобильность. Электромобильность (e-mobility) относится к транспортным средствам с электроприводами (а также интеллектуальными сетями для удовлетворения потребностей автопарков в электроэнергии) вместо транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания, работающими непосредственно на ископаемом топливе.

“Мы много вложили в исследования и производство электронной мобильности. Мы также посвятили исследования и разработки таким продуктам, как приводы для автономных и подключенных транспортных средств, потому что всякий раз, когда вы создаете автономное транспортное средство, вы, по сути, должны предоставить миниатюрного робота для выполнения физических задач, которые выполнил бы человек”, — пояснил Хемпхилл.

“Эти две тенденции стимулируют друг друга, потому что автономные транспортные средства, вероятно, будут превосходить транспортные средства общего пользования или по требованию, поскольку их использование будет намного выше. Здесь электрические трансмиссии (хотя изначально и более дорогие) могут в конечном итоге снизить общую стоимость владения. ”Отчасти это связано с тем, что стоимость электроэнергии составляет от четвертой до третьей части стоимости бензина в зависимости от местоположения. Кроме того, электромобили требуют меньшего технического обслуживания.

“Так, например, будущим операторам общих робо-такси понадобятся электрические робо-такси из-за того, что их проще и дешевле поддерживать в рабочем состоянии”, — сказал Хемпхилл.

Автомобили стали доминировать на ежегодной выставке потребительской электроники, частично в ущерб Североамериканскому международному автосалону (Детройтский автосалон). Многие производители автомобилей представляют свои разработки в Вегасе, а не в Детройте, из-за того, что их дизайн становится все более электрическим.

“У Schaeffler Group есть существующие продукты и партнерские отношения, позволяющие развиваться дальше. Показательный пример: в настоящее время мы производим гибридные модули для Nissan Fuga (Infiniti в США) и версий Porsche Cayenne”, — сказал Хемпхилл. Компания также производит другие компоненты для поддержки гибридных двигателей и трансмиссий — включая все, начиная от фазировщиков кулачков и заканчивая специальными вибропоглощающими амортизаторами. “У нас также есть в разработке множество интегрированных гибридных модулей, а также комплектные электрические оси для электромобилей с батарейным питанием или даже гибридных электромобилей. Фактически, чтобы поставлять двигатели на автомобильный рынок, мы только что приобрели Compact Dynamics, которая производит высокопроизводительные тяговые электродвигатели”.

Тяговые двигатели — это те самые движущиеся транспортные средства. В настоящее время большинство тяговых двигателей применяются в автомобилестроении или легких транспортных средствах. “В настоящее время у нас есть четырехколесный велосипед, который мы называем микромобилем, оснащенный электродвигателем, который может помогать велосипеду или полностью приводить его в движение — или водитель может крутить педали”, — сказал Хемпхилл. Schaeffler Group и раньше производила собственные электродвигатели, но в основном для промышленного применения, такого как станкостроение.

Чтобы обслуживать дизайн электронной мобильности, Schaeffler Group подписала соглашение о сотрудничестве с бывшей материнской компанией Compact Dynamics, производящей силовую электронику.

“Это связано с тем, что все большему числу гибридных модулей и электрических осей требуется встроенная силовая электроника. Таким образом, нам понадобится возможность встраивать готовые конструкции в отдельные корпуса, тестировать и отгружать их как законченные мехатронные блоки”, — добавил Хемпхилл.

Фактически, одной из технологий, способствующих развитию тенденции к автономным транспортным средствам, является постоянно уменьшающийся размер электроники, включая силовую электронику, которая стала меньше и умнее, чем когда-либо.

Что касается механики, то все более тесная интеграция является движущей силой инноваций в области электронной мобильности. “Schaeffler Group сегодня проводит большую интеграцию на начальном этапе. Наши корни уходят в производство классических механических компонентов, таких как подшипники, заклепки и детали из листового металла. Все это необходимо в современных конструкциях, таких как электрические оси и гибридные модули. Поскольку мы все еще производим эти механические детали, у нас есть преимущество, когда мы интегрируем их в более крупные системы”, — сказал Хемпхилл.

Рассмотрим, как компания работает над гибридным модулем прямо сейчас — устройство запуска и отсоединения сцепления и электродвигателя, которые соединяют двигатель и трансмиссию для преобразования обычных автомобилей в гибриды“Благодаря высокому уровню интеграции мы сделали конструкцию на 50 мм короче, чем требовалось заказчику, потому что мы очень хорошо скомбинировали механические компоненты. Аккумуляторы и электроника становятся дешевле и компактнее, но этот дизайн показывает, что мы также разрабатываем способы более элегантного сочетания механических конструкций — чтобы сделать их более доступными и функциональными”, — добавил Хемпхилл.

На самом деле, это распространенная тенденция удовлетворять запросы инженеров-проектировщиков о готовых решениях или интеграции от производителей во всех отраслях промышленности.

Когда производителей попросили привести дополнительные примеры интегрированных дизайнерских предложений, их было много. “Недавно Schaeffler Group разработала облегченный дифференциал, который стал результатом нашего опыта в производстве подшипников и штифтов для планетарных редукторов. Теперь мы интегрируем их с планетарной передачей, чтобы обеспечить понижение для оси e”, — пояснил Хемпхилл. — Или пересмотрите гибридный модуль, который мы создаем. Мы производим не только подшипники, но и гидротрансформатор. Фактически, мы объединили там гидротрансформатор и электродвигатель в один узел”.

Отвечая на вопрос о будущем электронной мобильности, Хемпхилл отметил, что это будет зависеть от того, продолжат ли падать цены на аккумуляторы и силовую электронику. “Но я думаю, что через 10 лет у нас все еще будет множество силовых агрегатов — причем чисто электромобили больше подойдут для повседневного использования водителями. Это потому, что многим людям все равно придется долго добираться на работу. Лично я езжу в Детройт раз в неделю и предпочел бы для этого подключаемый гибрид. Но я думаю, что будет много разнообразия в конструкциях внедорожных грузовиков, эффективных двигателей внутреннего сгорания и, возможно, даже топливных элементов”.

Что-то на горизонте во всех приложениях — это развитие Интернета вещей. “В приложениях для транспортных средств мы увидим это в подключенных и автономных транспортных средствах, которые подключаются к транспортной инфраструктуре”, — сказал Хемпхилл.

“Мы также наблюдаем рост использования Интернета вещей на производстве, особенно в установках для станков. Более того, за эти годы мы накопили огромную библиотеку вычислительных моделей, которые теперь используем для создания цифровых двойников физических деталей. Итак, допустим, мы продаем подшипник для ветряной турбины. Теперь здесь мы можем обмениваться данными с оператором ветряной турбины и запускать наши вычислительные модели в фоновом режиме. Тогда мы можем предупредить оператора: «У вас осталось три месяца на этот подшипник, поэтому вам нужно заказать другой. Кстати, вот обновленный вариант, который мы разработали за это время.’ Такие информированные обмены станут только более распространенными, поскольку электроника и вычислительные мощности в наши дни настолько дешевы”, — объяснил Хемпхилл. •Ознакомьтесь со второй частью этой серии из двух частей, посвященной тенденциям движения электродвигателей, здесь.