驱动技术趋向集成与智能


作者:Stefanie Michel 日期:2017/12/14 来源:MM《现代制造》

我们将来能够使用曲速引擎(Warp-Antrieb)进行飞行吗,还是对此说“是”呢?确切的说,这是对未来驱动器的大肆渲染。所谓的“迁徙者”对此感到非常高兴,而这与现实的关系不大。我们将来很有可能乘坐这种驱动型式的地下磁悬浮轨道车。但原则上这纯粹是个推想,而有些研发成果也是这样慢慢生长出来的,当然有些则具有破坏性。即便如此,一些趋势和发展也是可以预见的。这样的趋势和发展在何处呢,我们将对此加以阐述。

驱动技术趋向集成与智能

150多年来,电动机得到了较大规模的应用。起初,只是直流电动机的应用,后来又推出了同步和异步电机。有人认为人们不能对电动机进行更多的改变,因为迄今为止人们还在使用它。但是,这其中却另有乾坤。例如,在德意志博物馆里就展出了一台BBC公司1893年生产的功率为88 kW的同步电机。这台电动机有一人高,当时用作造纸机械的驱动装置。而今天,人们已经在使用福伊特(Voith)集团公司生产的功率为100 kW的与生产机器连在一起的直接驱动装置,该电力驱动装置同样也是为造纸业而研制的。这个被称作“Voith Drive”的驱动装置结构非常紧凑,以至于能够直接安装在辊子上。该驱动系统的效率达95%,比福伊特(Voith)集团公司19世纪生产的电力驱动装置更加高效。

驱动技术的重要未来发展趋势

那么工业驱动装置以及驱动系统未来将如何发展呢?倘若今天还无法预言这个创新飞跃的话,那么人们还是能够看到以下3个重要的发展趋势:

* 资源和能源效益;

* 结构空间更小、效率更高;

* 数字化和智能化;

* 生产成本有利(对于生产厂家来说)和投资购置成本低(对于用户来说)。

而研发能源消耗低和能源效益高的驱动装置并不是一个新的发展趋势。多年以来,人们一直在努力使高效电动机达到新的效率标准。评价整体式驱动系统的效益也已是2015版的欧洲能源效益标准EN 50598的重点。在此期间,由于立法者的推进,所有活跃的电动机生产厂家都设立了自己的节能电动机研究项目。但是,这就提出了一个问题,那就是应将现有的电动机技术向前推进到何种程度。

现在,对在电动机上采用传感器技术来对数字化发展趋势作出反应的生产厂家的个数在增加,而且今后还将继续增加

图1 现在,对在电动机上采用传感器技术来对数字化发展趋势作出反应的生产厂家的个数在增加,而且今后还将继续增加

人们目前对异步电机的未来能力持怀疑态度。两年前,ABB公司的低电压电机产品主管Ralf Peschel便谈到:“人们当然可以通过使用长的叠片铁心和更多配备铜的方法来使电动机变得更加高效。但这样做是否有意义则是另一回事。”Oswald电机公司(Oswald Elektromotoren)的Johannes Oswald也认为异步电机不是驱动装置的未来,属于不再生产的型号。他对使用大量的材料和对陈旧的技术给予批评。而与此相反,西门子公司则认为,异步电机(同步电机也是如此)在中期还无法被另外一种技术所替换,特别是在中高效率领域,迄今为止,异步电机(同步电机也是如此)还没有替代品。

为了使现有技术进一步向前发展,仅仅对电动机进行不断优化是不够的。对于Oswald电机公司来说,不但要对整台机器设备进行优化,而且要将满足客户要求作为重点。最近,该公司的工程师们在研发各种不同的直接驱动装置。努力使驱动装置越来越高效,动力性能更佳,当然还要使未来的驱动装置所占空间越来越小。

行星齿轮电机是将传动装置和电动机组合在一起而形成的一个结构紧凑、效率高的电力驱动装置

图2 行星齿轮电机是将传动装置和电动机组合在一起而形成的一个结构紧凑、效率高的电力驱动装置

在工业4.0进程中,为了检测机器运转的状态数据,驱动部件越来越多的装备了传感器。在此期间,无论是ABB公司还是西门子公司都在进行研发,旨在将低电压电机“智能化”。ABB公司有了“智能传感器”。简单的说这是一个传感器包,该传感器包能够无线的装在每台低电压电机上,而且不受电动机生产厂家的限制。该传感器包提供电动机振动、温度和超负荷的数据,并且能够确定电动机的能耗。由一个软件来分析可使用的信息数据,并据此作出电动机维修保养规划。采用该技术可减少机器设备的停机时间,延长机器设备的使用寿命和降低能耗。

西门子公司为最新一代Simotics SD电机提供了一个一揽子数据化方案,该方案的功能与ABB公司的技术解决方案类似,通过一个传感器包接收机器运行状态数据。但是。西门子公司的这项技术解决方案与ABB公司的技术解决方案不同地方的是,这些数据是在西门子公司自己的基于云计算的存储器中进行分析评估的。西门子公司的这一技术解决方案使用的App最终为机器设备的用户提供信息。此外,人们可通过在电动机上安装数据矩阵代码来查明识别电动机,既能够存取电动机信息,又能够存取3D模型的信息。

这样,有一点是明确的,今天,数字化已经在改变着驱动技术,并且在未来将明显影响驱动技术。在此,越来越强化的集成也将起作用。一方面未来驱动装置将会继续集成到工作机械中;另一方面控制装置、电动机和传动装置将越来越多的融合为一体。

驱动装置部件和电子部件集成

奥地利维也纳工业大学(TU Wien)借助其在2017年汉诺威工业博览会上展出的关于行星齿轮电动机的研发介绍了一种全新的集成方式。这种集成方式如其名称中所说,是将行星齿轮电机、传动装置和电动机联合为一个结构紧凑的高效的电力驱动装置。

以Manfred Schroedl教授为首的研发团队在研究采取高速运转电机的功率极限的途径,如高速运转的电机对电的变化有怎样的要求,在圆周速度不变的情况下,通过提高转子转数来提高电动机的功率极限。由此得出一个使电动机与传动装置结合的新方法,在此,电动机是一个带有多个转子的分散式装置,而传动装置是一个行星齿轮。第一步是将若干电动机组合为一个单元,如果人们从几何学的角度将若干电动机相互巧妙布置,那么不动的电动机的部件的某些部分、所谓的定子便不再需要有磁力。这样人们便可简化整个结构,由此便可节省占位和降低损失。

Manfred Schroedl教授说:“例如,我们使用的是4个带有3支路绕组的电力机器。那么,总共是12个磁力线圈。”他解释说,“借助我们的机器布置,这里6个磁力线圈便已够用。”两个转子共同驱动一个大的带内齿的齿轮。另外两个向另一个方向转的转子,驱动一个较小的带外齿的轮子。这样便形成了一个类似一级行星齿轮的情景。Manfred Schroedl教授说:“我们这样直接集成进电动机的传动装置和它的驱动装置极其简单。由此,我们实现了提高效率和降低制造成本的目的。”而且调节也不复杂,不采用传感器进行调节,而是用通电的线缆来设置转子的实际位置。

作为未来的一个选择,该系统提供了一个完全别样的中间减速传动装置的驱动任务,由此便能够用较少的机械组件生成一个结构很紧凑的技术解决方案。该技术解决方案的样机已经表明,在相同的空间条件下,该样机的功率密度最大可提高50%,在具备必要的啮合和材料质量的情况下,还可进一步承受更高的负荷,或使其结构形式极其简单化。Manfred Schroedl教授称,该技术解决方案的进一步推广应用有两个决定性的理由,一是制造成本较低,二是在自动化程度提高的前提下存在着制造的可能性。

现有的产品或创新技术如何继续发展

对现有的驱动装置不断进行优化或是可将企业带进一个胡同,或是可使技术具备面向未来的能力。下面是一个时至今日在工业上很少使用的磁阻技术的实例,当ABB公司和西门子公司已经在近几年来为市场提供同步磁阻电动机时,德国卡尔斯鲁厄大学的电气技术研究所(ETI)便致力于交换磁阻电机的进一步研发。现有的永磁伺服电机对未来发展还具有足够的潜力。正如Oswald电动机公司(Oswald Elektromotoren)的Johannes Oswald所说,还应该对现有的永磁伺服电机作进一步的研究,首先是用先进的计算和模拟程序对这种电动机技术的电磁和机械方面的问题加以改进。但是,在这方面无论如何也不能期待有大的技术性飞跃。

Festo集团公司和Oswald电机公司致力于研发的超导电机目前仍处于研究和试验阶段。Oswald电机公司的超导电机研发部负责人Thomas Reis说:“我们的目标是研发能够推向市场的完全超导驱动装置,并且要使该领域应用的电力驱动装置技术能够不被现实的技术或是进一步的研发成果所覆盖。”他又说,“Oswald电机公司设计超导定子;而这样的超导定子必须要用氦气冷却到﹣200℃。冷却所需的花费高,以至于可与超导电机的效能相抵销。”据称,超导力矩电机的首要应用领域是航空领域,因为这种电动机可为航运飞机的驱动任务技术解决方案做出具有决定性意义的贡献。航运飞机要求效率重量比要达到最低,只能借助于超导电机才能实现航运飞机所要求的效率重量比。

Festo公司推出了自动化领域的工业应用方案。除低温技术外,这实际上是个症结,即超导体可以称得上是非接触的、高能效的、无磨损的运动和工业对象使用的理想驱动装置。Festo公司负责企业战略发展的公司持股负责人和超导方案的项目协调人George Berner说,“借此也能在迄今被认为是无法实现的自动化或是很难实现的自动化领域将自动化向前推进。”在此期间,有了各种各样的应用情景,例如可用于在支座托盘上运输目标物体的高动力运行和精准定位的悬浮运输滑轨、或磁悬浮运输轧辊。当超导体在自动化或是研发成果中得到应用,那么会越来越多的展现出它的可应用性,无接触处理在哪里受欢迎,哪里便处处可见这样的例子。如在空间的分离或是用于对付敏感的对象方面,超导体便展现出其可应用性。

是否可借助进一步研发和优化现有的装置来实现所希望的技术飞跃或技术进步呢,这总归需要在事后才能得到明确的答案。可以肯定的是,某些技术一开始便在一定的条件下出现了本文前面所提到的未来发展趋势。而新的概念则受到人们的青睐和为人们所接受,从而导致实现真正的创新。