T他对用于运动控制和自动化的电机趋势的年度调查揭示了同步交流电机使用的几个趋势和新发展;步进电机,特别是在闭环产品;各类无刷电机;还有一些专业的直驱产品刚刚进入市场。
同步交流电机的普及
由于结构和操作非常像那些无刷直流(bldc)电机,同步交流电机-有时账单无刷交流,永磁(PM)交流电机,甚至pmac -现在正从复杂的伺服电机应用扩展到其他工业驱动应用。更具体地说,他们看到印刷和包装设备的使用量增加;输送机;车辆轮毂驱动(我们将在5月份《设计世界》的特别运动专刊中探讨agv和机器人);起重机和起重机;还有再生电梯驱动。
这些轻型低惯性电机通常在高扭矩和效率下提供5到150马力。举个例子:中创公司的ABM驱动PMAC电机的效率比同类感应电机高10 - 15%。
同步交流电机的变速运行需要通过专门设计的变频器或VFD进行控制,以启动和同步转子-定子相互作用。就像无刷直流电动机一样,同步交流电机使用电子设备(典型的霍尔效应传感器)来决定绕组的正确电流量。转子上的四个或多个永磁体阵列可实现同步运行。
但不像无刷直流电动机梯形缠绕定子线圈(反电动势输出梯形波形需要直流输入)同步交流电机是正弦缠绕。这使得正弦反电动势输出(和需要正弦电流输入)以及一个声音和电更安静的马达。访问motioncontroltips.com,搜索。”无刷直流电机和同步交流电机的区别,了解更多相关信息。
连续换向避免了转矩波动,使功率因数高,以及超高的效率,即使考虑到控制器损耗。
不像感应电机显示低效率和功率因数在低速,永磁电机也保持性能不需要变速箱或齿轮电机设计。
步进电机(PM和其他)在新的地方
小型电机,包括NEMA 34和60毫米大小的电机(在无刷直流和伺服以及混合步进和闭环步进变化)继续看到越来越多的使用。这些小型电机代表了高达70%的市场(单位)体积。
主要应用在3D打印机、机器人处理、医疗设备和工业运动设计等领域。我们的行业专家对这些行业的步进电机有一些有趣的输入。
Harris Ayaz |应用工程师•ISL Products International:PM步进电机越来越多地用于工业应用。最近有自动化印刷、包装和电子时钟行业的客户来找我们。这些电机比更流行的混合步进电机小得多。PM电机可以用定制的安装配置和专用连接器制造。
混合步进电机领域的最新趋势包括在此轴上增加(运动组件供应商预先集成)一个线性螺杆和螺母,以提供一个完整的线性运动解决方案。这使得步进器为客户提供了一种即插即用的解决方案。
其他趋势是双轴步进电机以及齿轮箱步进电机的增加。
Jonas Proeger•Trinamic运动控制:我不知道他们是如何制造它们的,但一些电机的小尺寸令人印象深刻,这允许新的应用。我们已经看到了令人印象深刻的机器人手术应用设计,在手术机器人的一个拳头大小的末端执行器上有六个或更多的微型马达。
大多数步进电机仍然在开环中运行,而且这将是很长一段时间的情况-因为毕竟,步进电机最大的好处之一是他们如何以低成本提供可靠和精确的定位,而不需要一个反馈系统。也就是说,我们看到闭环系统的兴起,使步进电机成为完全的伺服系统——它们不必躲在无刷直流电动机或直流电兄弟背后。
Ayaz | ISL Products International:闭环控制的兴起是模仿伺服系统及其反馈。步进电机可与一体化驱动方案配套使用;这允许闭环控制,减少了购买两个独立组件的需要。许多客户想要一种交钥匙操作方法,步进与闭环系统提供了足够的一致负载。
Proeger•Trinamic运动控制:随着越来越多的算法在微电子学中实现,我的观点是,最终与无刷直流伺服或步进伺服,甚至开环步进之间的接口将没有区别。当那个时候到来的时候,选择哪种电机类型的决定将只是一个机械的决定:当步进电机在低速和大扭矩时有他们的最佳点,无刷直流电动机在更高的速度下表现更好。
闭环步进和编码器创新交叉授粉
闭环步进电机利用高分辨率反馈和dsp——由于摩尔定律,两者的价格都越来越低。根据foresight & Strategic Intelligence的数据,到2023年,在全球范围内,这些闭环步进系统的使用将以6.3%的复合年增长率增长。曾经闭环控制是多余的,现在这样的设置提高了定位或运动任务的效率,需要负载响应控制。
许多应用在机器人、包装和半导体制造方面。这些利用步进电机结构的优势,即使优于传统的开环产品。在许多情况下,闭环步进产品采用集成电机的形式,包括电源、驱动和控制板;反馈装置;通信和I/O电子;还有电缆和连接器。
Eric Rice•应用运动产品:闭环步进控制在定位和速度控制应用中继续获得市场份额。这种使用的增长主要是由新的集成电机设计所驱动,该设计利用了闭环控制的好处(如更大的扭矩输出、更高的加速率、更安静的操作和更高的效率),但它也由集成电机设计本身的好处所驱动。这些好处包括更少的电缆,没有外部驱动器或放大器,简化的零件清单,节约成本。
此外,闭环控制和集成电机设计的好处都很容易观察到-这有助于终端用户在第一次采用这些技术时感到自信。
这些闭环步进和其他电机对编码器的需求意味着对更高的编码器功能的需求不断增加(以补充当今的高性能网络和连接选项)。
Proeger•Trinamic运动控制:步进伺服的兴起将刺激新一代编码器的出现。通常,在嵌入式驱动器中,最好的选择是磁编码器。这是因为这种驱动器结构紧凑、坚固耐用,使用的机械设置也更简单。缺点是,如果设计工程师想用它来实现步进的FOC,许多磁性编码器的分辨率是有限的。回想一下,步进电机的典型极数为50,而典型的无刷直流电动机的极数为1至16。另一个缺点是它们的内部处理延迟。这推动了对低延迟的高分辨率磁编码器的需求。
高级产品经理•应用运动产品:光学编码器毫无疑问的主导地位已经结束。磁性编码器现在提供的价格(每个组件成本)比竞争产品便宜一个数量级。此外,由于PCB控制的气隙以及固定公差比它们的光学对应物更紧,它们提供更容易的单元组装。
这些因素加上磁性编码器技术的快速进步正在帮助缩小光学编码器的性能优势,这意味着磁性编码器只会继续占据更多的市场份额,甚至将帮助编码器进入历史上不可行的市场。
帕特里克·惠勒|产品经理•航空科技:在电机中编码器设计和应用的另一个趋势是向绝对编码器和其他串行协议发展。当高水平的过程控制必须与线性执行器或级的实际位置相结合时,其挑战是信号序列化所产生的延迟。
对速度(和扭矩)的需求:无刷电机的趋势
电子换向(EC)电机或ECMs -也称为无刷直流电动机-在一系列需要长寿命和最高效率的运动设计中是不可或缺的。
题外话,请注意美国能源部(DOE)规定ecm是那些具有集成驱动和控制的低马力无刷直流电机(在暖通空调设计中很常见)。该机构区分无刷直流电动机(独立驱动和控制的无刷直流电机)和电子商务汽车(有集成的驱动和控制)。但许多整车厂和电机供应商交替使用这两个术语。
更重要的是,大多数EC (bldc)电机制造商供应给暖通空调和运动控制市场,这加速了术语EC电机和电子换向电机在运动行业的采用。
Dave Beckstoffer |产品经理•Portescap:无刷直流电机的趋势是提供多种选择,以覆盖更广泛的应用范围。新的设计正在根据速度、扭矩或两者的结合进行定制。无槽电机适应设计为多极附加转矩或优化磁设计为更高的速度。一些应用——例如工业手工工具——在其操作范围内要求自由运行和拧紧阶段。Portescap的Ultra EC电机开发在这些应用中表现出色,提供了更快的自由运行阶段和更高的峰值扭矩能力。
Ayaz•ISL Products International:在医疗设备和机器人领域,无刷电机出现了新的趋势。我们参与了不同行业的项目,但在这两个市场,无刷直流电机是最常见的。
最近,在医疗设备和工业应用中,我们已经看到了更多的外流型无刷直流电动机的使用。以前跑者型无刷直流电动机是最常见的轻型娱乐消费电动汽车。跑偏器有磁铁附着在定子线圈外面的一个环或套筒上,用于输出电机可以旋转的形式。
在小型机器人中,通常使用数字伺服电机。这些电机是成本效益和(与反馈)提供精确的运动通过PWM。我们也看到许多行星齿轮头与无刷直流电动机配对-速度降低和增加扭矩。对于战术机器人系统,行星齿轮头是最佳的高扭矩和高效率,以及大负荷承载能力。
全球电机制造商Nidec的创始人兼首席执行官长森信信预测了使用电机的行业的几个趋势。
“1973年,我创建了Nidec,用无刷直流电机取代世界上所有的电动马达……确信这项技术的潜力。45年后,我们看到了与无刷直流电机相关的创新——最具影响力的是20世纪90年代硬盘驱动器(HDD)电机市场的扩张。现在,出现了四个规模相似的新趋势……”
家用电器传统上由拉丝马达驱动是否越来越多地使用无刷直流电机-优点包括更高的电源效率,与电池电源的兼容性和寿命。Nagamori补充道,几乎所有的室内空调、冰箱、洗衣机和吸尘器中的电机都(或将)被无刷直流电机所取代。
汽车电气化-从内燃机向电动机的迁移正在迅速进行,无数其他以前由发动机驱动的部件正在被电动机驱动的版本所取代。
增殖的机器人(包括协作机器人)-大多数都配备了电机和减速器。曾经生产HDD电机的Nidec工厂现在正转向生产机器人减速机。Nagamori补充说:“机器人价格昂贵,但随着价格的下降,越来越多的人(甚至在人们家中)使用机器人。”事实上,据预测,到2050年,世界人口将达到90亿,每3人拥有服务机器人。
取代物流和农业中的人工工作——无人机在物流和农业领域的潜力尤其大,但仍需要新的突破和监管。Nagamori预计这些将在未来几年内实现。
Proeger•Trinamic运动控制:关于无刷电机,有一个有趣的趋势是由无人机市场驱动的。虽然通常在工业应用中,我们看到的主要是内流道电机-通常与NEMA双位数风格的法兰-我们现在看到越来越多的外流道,以非常低的成本产生令人印象深刻的扭矩。通常情况下,它们比传统的跑步器有更高的杆数,导致变速箱的传动比更小。它们还没有出现在传统的工业机械中,但它们被用于许多仓库自动化系统和一些协作机器人项目中。
互操作性、供应商配置和电机的正确设计功能
互操作性是一项今年大受欢迎的马达功能。
Maroney•应用运动产品:我们努力保持产品在产品线和代之间的兼容性。作为基线,我们在步进电机上坚持标准NEMA帧尺寸,在伺服电机上坚持公制尺寸——我们通过相关的标准组织来认证我们的现场总线实现,例如EtherNet/IP的ODVA。
除此之外,我们的专有的Q编程语言是相同的所有我们的电机-从我们最小的开环步进驱动器到我们最大的伺服驱动器。这让使用我们产品的工程师学习一种语言,并将其应用到所有系统中的所有运动轴上——从最小的设置轴到最大最复杂的设置轴。这减少了编程时间并简化了故障排除。
事实上,我们对向后兼容性的关注确保了oem的机器在未来数年都可以使用,并可与我们的最新产品进行改装。
Beckstoffer•Portescap:在任何新产品的设计开发阶段,我们确保可以提供完整的电机系统-包括电机,变速箱和编码器。机械兼容性保证了新设计将与其他产品轻松集成。例子:一些新的电机可能包括一个正面设计接受最近的直径齿轮箱。电机的后法兰可以有几何形状来容纳相关的编码器。这使得工程师可以在系统中使用新产品,并完成运动反馈。
电机供应商为整车厂和设计工程师提供增值服务(或内部工程支持),以帮助他们的运动设计工作。
Ayaz•ISL Products International:在过去的12个月里,我们通过增值的方式帮助了客户(oem)。我们专注于优化标准直流电机和齿轮电机,并根据OEM的具体要求定制每个电机或齿轮电机。
我们提供的最常见的增值是为每个客户应用定制输出性能参数(如速度和扭矩)。我们还能够提供各种电机和齿轮头类型,轴定制,材料选择,磁铁类型,引线和连接器,编码器的变化。我们用我们内部的工程经验来指导工程师正确的方向,毕竟,运动控制是一项精确的任务。
ISL产品国际运营总监:我们的目标是设计工程师的à点菜菜单,当涉及到订购直流电机和齿轮电机。
Beckstoffer•Portescap:创新是我们的激情所在。我们将这种热情延伸到我们的客户,在他们设计的早期就与他们接触,为他们的设计提供运动部分的专业知识。它不仅仅是电机复合材料,我们审查了与电机复合材料接触的机械和电气部分,以确保系统的最佳效率。一个共同的设计努力的结果是一个更高效和紧凑的最终产品。
妮可·阿什顿•波特斯卡普:当我们在设计过程的早期与客户接触时,这有助于降低电机集成风险,同时提供突破性的设计影响。当我们从客户最初的想法阶段就开始与他们合作时,真正的合作创新才会发生,利益才会最大化。
当然,在线配置工具和软件继续改变设计工程方法。
Beckstoffer•Portescap:今天的设计工程师需要越来越详细的在线信息,以支持对其设计中可用的运动选项进行更深入的研究。我们开发了MotionCompass软件,为设计工程师提供了一种随时利用我们专业知识的方法。
通过提供基于扭矩和速度的动态建议,我们缩短了迭代过程。这也是因为电机的物理测试已经被在线计算所取代。这让设计工程师有信心的原型最初的电机选择,并最终减少了新产品进入市场的时间。
Ayaz•ISL Products International:电刷式电机在工业上仍然很常见。电刷直流电动机的优点是不需要控制器来操作。我们看到的一个新趋势是无芯刷电机的兴起,也被称为无铁电机。
这些电机比同类电机更有效,并显示更少的齿槽转矩-加上磁铁,如钕,以提供高转矩。无芯刷电机的使用增加主要是在医疗行业的无绳和手持设备中,因为电机有相对较低的电流吸引。
预先装配线性装置和其他机械元件的电机大量存在,以简化组装。许多供应商出售集成丝杠变速箱,以减少零件数量,并避免与联轴器等相关的机械问题。考虑一个具体的例子:一个医疗设备(一次性活检工具)现在由一个电机和变速箱以及变速箱扩展部分的集成丝杠和螺母组成。
Beckstoffer•Portescap:变速箱的设计被三个设计目标所推进——提高效率,提供更高的输出扭矩,接受更高的电机输入速度。这就要求设计工程师在开发新产品时平衡这三个要求。
作为解决这三个问题的解决方案之一,我们再次推出了R22HT,以提供更高的输出扭矩和更高的输入速度,并逐步提高效率,所有这些都采用了行星技术。事实上,该设计为oem提供了更广泛的齿轮比选择,以微调扭矩和速度输出为任何应用程序。
其他微型更多的设计包括无刷直流空心齿轮电机,允许在整形外科的克氏针和针的内联驱动。其他的马达更小。
帝国磁性公司总裁:其中一项使用尖端微电机和微设备的技术被称为LIGA——这是一个德语首字母缩写,是光刻、电铸、使用高能x射线的成型和指示工艺的简称。束线设施中的微加工和微设备需要由齿轮、电机和其他微小部件组成的设计,因为许多LIGA结构的活性区域为0.25到4毫米。
了下:家电工程+家居自动化,3D打印•增材制造•立体光刻,运动控制技巧,驱动(步进)+放大器,编码器•光学,齿轮•齿轮头•减速机,汽车•步进
告诉我们你的想法!