T他对用于运动控制和自动化的电动机趋势的年度调查揭示了同步交流电动机使用方面的几个趋势和新兴发展;步进电机,特别是在闭环产品;各类无刷电机;少数专业直驱产品刚刚进入市场。
同步交流电机的扩散
由于结构和操作非常像无刷直流(bldc)电机,同步交流电机-有时是无刷交流,永磁(PM)交流电机,甚至是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增加了;输送机;车辆轮毂驱动(我们将在5月份的《设计世界》运动特刊上一篇关于agv和机器人的文章中探讨);升降机及起重机;以及蓄热式电梯驱动器。
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。举例来说:ABM传动公司生产的中实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操作需要通过专门设计的逆变器或变频器进行控制,以启动和同步转子-定子的相互作用。就像无刷直流电动机一样,同步交流电动机使用电子设备(通常是霍尔效应传感器)来指示绕组的正确电流。转子上的四个或多个永磁体阵列可实现同步运行。
但不像bldc电机与梯形绕线定子线圈(和反电动势输出与梯形波形需要直流输入)同步交流电机是正弦绕线。这使得正弦反电动势输出(和正弦电流输入的需要)以及一个声音和电力更安静的电机。访问motioncontroltips.com然后搜索。”无刷直流电动机和同步交流电动机的区别来了解更多。
连续换向避免了转矩脉动,使功率因数高,即使在考虑控制器损失时也具有超高的效率。
不像感应电机在低速时表现出低效率和功率因数,永磁电机也保持性能,而不需要变速箱或减速电机设计。
步进电机(PM等)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的变化)继续看到越来越多的使用。这些小型电机占市场(单位)销量的70%。
主要的应用是3D打印机、机器人处理、医疗设备和工业运动设计。我们的行业专家对这些行业的步进电机有一些有趣的投入。
Harris Ayaz |应用工程师•ISL产品国际:PM步进电机越来越多地用于工业应用。最近,自动化印刷、包装和电子时钟行业的客户都与我们接洽。这些电机比更流行的混合步进电机要小得多。PM电机可以制造定制的安装配置和专业连接器。
混合动力步进电机领域的最新趋势包括在该轴上增加(由运动组件供应商预集成)线性螺杆和螺母,以提供完整的线性运动解决方案。这使得步进器为客户提供了一个更加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,但一些电机令人印象深刻的小尺寸允许新的应用。我们已经看到了令人印象深刻的机器人手术应用设计,在一个手术机器人的拳头大小的末端执行器中有六个或更多的微型电机。
大多数步进电机仍然在开环中运行,而且在很长一段时间内都会是这样-因为毕竟,步进电机最大的好处之一是如何以低成本提供可靠和精确的定位,而不需要反馈系统。也就是说,我们看到闭环系统的兴起,使步进电机成熟的伺服-他们不必隐藏在他们的bldc或dc兄弟姐妹。
Ayaz | ISL产品国际:闭环控制的兴起是为了模拟伺服系统及其反馈。步进电机可与一体化驱动器解决方案配对;这允许闭环控制,并减少了购买两个独立组件的需要。许多客户需要一种交钥匙操作方法,带闭环系统的步进器可以充分提供一致的负载。
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系统或步进伺服系统,甚至是开环步进系统之间的接口将没有区别。当那个时候到来时,选择哪种电机类型的决定将只会是一个机械决定:虽然步进电机在低速和高扭矩下有他们的甜蜜点,但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,两者都越来越便宜。根据Prescient & Strategic Intelligence的数据,到2023年,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。曾经的闭环控制是多余的,现在这样的设置提高了需要负载响应控制的定位或运动任务的效率。
在机器人、包装和半导体制造方面有很多应用。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,闭环步进产品采取集成电机的形式,包括电源,驱动和控制器板;反馈装置;通信和I/O电子学;还有电缆和连接器。
Eric Rice•Applied Motion Products: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驱动的,这种设计利用了闭环控制的好处(例如更大的扭矩输出,更高的加速速率,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,以及节省成本。
此外,闭环控制和集成电机设计的好处都很容易观察到,这有助于最终用户在首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:步进伺服系统的兴起将刺激新一代编码器的诞生。通常,在嵌入式驱动器中,最好的选择是磁性编码器。这是因为这样的驱动器结构紧凑,坚固耐用,而且机械设置更简单。缺点是,如果设计工程师想将其用于步进器的FOC,许多磁编码器的分辨率有限。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•Applied Motion Products: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)比竞争对手便宜一个数量级。此外,它们提供更容易的单元组装-由于PCB控制的气隙以及比光学对口更紧的固定公差。
这些因素加上磁编码器技术的快速进步,正在缩小光学编码器的性能优势,这意味着磁编码器只会继续占据更多的市场份额,甚至会帮助编码器进入历史上不可行的市场。
Patrick Wheeler产品经理•Aerotech:电机编码器设计和应用的另一个趋势是绝对编码器和其他串行协议。挑战在于,当高级过程控制必须与线性执行器或级的实际位置相结合时,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ecm -也称为无刷直流电动机-在需要长寿命和最高效率的一系列运动设计中是不可或缺的。
说句题外话…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动机(在暖通空调设计中很常见)。该机构区别BLDC电机(独立驱动和控制的无刷直流电机)和EC电机(有集成的驱动器和控制)。但许多原始设备制造商和汽车供应商互换使用这两个术语。
更重要的是,大多数EC (bldc)电机制造商供应给HVAC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。
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。新的设计正在针对速度、扭矩或两者的结合进行定制。无槽电机正在调整设计为多极,以获得额外的扭矩或优化磁设计以获得更高的速度。一些应用程序——例如工业手动工具——要求在其操作范围内——自由运行和收紧阶段。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产品国际:在医疗设备和机器人领域,无刷电机的新趋势正在出现。我们参与了不同行业的项目,但在这两个市场中,无刷直流电机是最常见的。
最近,我们在医疗设备和工业应用中看到了更多的外流型无刷直流电机的使用。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。出线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。这些电机具有成本效益和(反馈)通过PWM提供精确的运动。我们也看到很多行星齿轮箱与无刷直流电动机配对-减速和增加扭矩。与战术机器人系统,行星齿轮头是最好的高扭矩和高效率,以及重型承载能力。
全球电机制造商Nidec创始人兼首席执行官永森重信(Shigenobu Nagamori)预测了采用电动机的行业的几个趋势。
“1973年,我创立了Nidec,用无刷直流电动机取代世界上所有的电动机……确信这项技术的潜力。45年后,我们看到了与无刷直流电动机相关的创新——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,又出现了四种类似规模的新趋势……”
家用电器传统上由有刷电机驱动越来越多地使用无刷直流电动机-优点包括更高的电源效率,与电池电源的兼容性,和寿命。Nagamori补充说,几乎所有房间空调、冰箱、洗衣机和吸尘器中的电机都(或将)被无刷直流电动机取代。
汽车电气化从内燃机到电动机的转变正在迅速进行,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。曾经生产硬盘电机的日本电产(Nidec)工厂现在转而生产机器人减速机。Nagamori补充说:“机器人很昂贵,但随着价格的下降,使用(即使在人们家里)也会越来越多。”事实上,据预测,到2050年,世界人口将达到90亿,每一个人拥有3个服务机器人。
物流和农业领域人工作业的替代-无人机在物流和农业领域的潜力尤其大,尽管仍需要新的突破和法规。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,无人机市场有一个有趣的趋势。虽然通常在工业应用中,我们主要看到的是采用NEMA两位数法兰的转子电机,但我们现在看到越来越多的转子以极低的成本产生令人印象深刻的扭矩。通常情况下,它们的杆数比传统的直道赛车要高,导致变速箱的传动比更小。它们还没有应用到传统的工业机械中,但它们被用于许多仓库自动化系统以及一些协作机器人项目中。
电机的互操作性、供应商配置和设计权功能
互操作性是今年备受关注的一项电机功能。
Maroney•Applied Motion Products:我们努力保持产品在产品线和代之间的兼容性。作为基准,我们坚持步进电机的标准NEMA帧尺寸和伺服电机的公制尺寸-我们通过相关标准组织验证我们的现场总线实现,例如以太网/IP的ODVA。
除此之外,我们专有的Q编程语言适用于我们所有的电机-从最小的开环步进驱动器到最大的伺服驱动器。这使得使用我们产品的工程师可以学习一种单一的语言,并将其应用于所有系统中的所有运动轴——从最小的安装轴到最大最复杂的安装轴。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原始设备制造商的机器在未来几年仍可使用,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。举例来说:一些新的电机可能包括一个前面设计,以接受最近的直径齿轮箱。电机的后法兰可能具有几何形状,以容纳相关的编码器。这使得工程师可以在系统中使用新产品,并配有运动反馈。
电机供应商为原始设备制造商和设计工程师提供了不断扩大的增值服务(或内部工程支持),以帮助他们的运动设计工作。
Ayaz•ISL产品国际:在过去的12个月里,我们通过我们的增值方法帮助客户(oem)。我们专注于优化标准直流电动机和减速电机,并根据OEM的具体要求定制每个电机或减速电机。
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箱类型,轴定制,材料选择,磁铁类型,引线和连接器,以及编码器的变化。我们利用我们内部的工程经验来指导工程师在正确的方向上……毕竟,运动控制是一项精确的任务。
ISL Products International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减速电机。
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,在他们设计的早期与他们接触,为他们设计的运动部分提供我们的专业知识。它不仅仅是电机复合材料,我们审查了与电机复合材料接合的机械和电气部件,以确保系统的最佳效率。联合设计的结果是一个更高效和紧凑的最终产品。
妮可·阿什顿•Portescap:当我们在设计过程的早期与客户接触时,它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,这才是真正的协作创新,并使效益最大化的时候。
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,以支持在他们的设计中对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。这使得设计工程师可以自信地对初始电机选择进行原型设计,并最终减少将新产品推向市场的时间。
Ayaz•ISL产品国际: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有刷电机的兴起,也被称为无铁电机。
这些电机比同类电机更有效,并表现出更少的齿槽转矩-加上磁铁,如钕,以提供高转矩。无芯有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-因为电机的电流相对较低。
用线性装置和其他机械元件预建的电机比比皆是,以简化组装。许多供应商出售齿轮箱与集成丝杠,以减少零件数量,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)现在配备了一个电机和变速箱,以及变速箱扩展中的集成丝杠和螺母。
Beckstoffer•Portescap:变速箱的设计有三个目标: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需求。
作为解决这三个目标的解决方案,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,并通过行星技术逐级提高效率。事实上,这种设计为oem提供了更广泛的齿轮传动比选择,以微调扭矩和速度输出,适用于任何应用。
其他微型设计包括无刷直流空心减速电机,允许克氏针和针在骨科手术的内联驱动。其他的马达更小。
Richard Halstead |帝国磁业总裁:其中一项使用尖端微电机和微型设备的技术被称为LIGA,它来自德语的首字母缩写,是使用高能x射线的光刻、电铸、成型和指示工艺的缩写。光束线设备上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结构的活动面积为0.25到4毫米。
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