步进电机在汽车行业的新趋势
今天，您可以在线配置汽车，指定所需的确切颜色和功能。您可以购买智能手机，并决定其几乎各个方面，从内存到外壳材料再到背面，面部，侧面和嵌体的颜色。制造业越来越关注定制。OEM，集成商和最终用户在他们专业购买的产品中寻求与个人生活相同程度的灵活性是很有意义的。自动化供应商正在交付。无论是涉及增值的商品产品还是提供竞争优势的定制选项，电动机的最新趋势都围绕选择。
运动应用程序大致可分为两类。首先是大批量低利润业务，例如消费包装商品或食品和饮料的生产与包装。该行业的机械制造商和最终用户通常需要可以在世界范围内快速便捷地采购的商品组件。对于每个在其设计人员中具有运动能力的组织，还有更多缺乏内部技能的人。他们将运动控制视为一种使能技术。他们希望它成为交钥匙工程，以便他们可以专注于为市场带来的核心价值。
第二种类型的应用程序基于较小的领域，这些领域通常是技术密集型的。例如半导体设备或医疗设备。在少量供应商中，核心功能趋于相同。结果，这些类型的行业中的OEM必须利用一切机会来使其产品在市场中脱颖而出。他们更有可能寻找可为其提供竞争优势的定制解决方案。让我们看一下这两个领域的活动。
商品产品
在过去的十年中，重点一直放在改善用于包装，食品和饮料以及制造等主流应用的商品电机的性能。该主题是渐进式变化之一，而不是技术上的重大飞跃。对于具有高停机时间成本的规避风险的市场而言，这很有意义。但是现在，新的趋势正在出现。
首先，关于实际设备的关注要少于过程。曾经有组织在运动方面拥有深厚的工程专业知识。通过如今的精简人员配置，他们更有可能寻求供应商来填补空白。科尔摩根公司产品线经理兼步进电机专家Josh Bellefeuille说：“对于收到的每一个标准报价请求，OEM都需要特定的连接器，特定的轴改装。”这就给运动厂商带来了压力，要求他们开发灵活的制造能力，使他们能够在控制成本的同时快速有效地进行定制。
作为该过程的一部分，制造商会将重复的定制订单转换为产品线。Bellefeuille说：“如果您去任何数量的步进电机制造商，并查看他们的“新功能”页面，则很多产品都与非常特定的利基应用类型有关。” “对于医疗而言，如果有人需要非常，非常平滑，非常平坦，安静的电动机，我们可以优化绕组，优化结构。它是一种标准电动机，但实际上基于我们经常收到的OEM规范，因此我们能够将其放入“标准”设计中。”
示例包括薄煎饼形状因数和厚度约为10毫米的电机。它们将用于半导体制造机器或食品和饮料包装机器的进纸器模块中。为了应对医疗器械市场，出现了专门设计用于冷却的一类电动机。这需要绕组和激励绕组的组合。绕组的自由度包括相数，线圈设计，线径和绕组密度。
尽管电机制造商经常生产与自己的电机匹配的驱动器，但在这里，新的趋势也在涌现。随着越来越复杂和功能不断发展的微控制器的可用性，需要特定运动特性的客户现在可以构建自己的驱动器。但是，如果将这些驱动器与匹配其特性的电动机配对，则只能带来益处。运动供应商正在越来越多地开发框架，使他们能够快速有效地实现定制电机设计。Bellefeuille说：“匝数，线径都会影响您可以在电动机中输入的电流量。它将影响电流，电感和输入电压，并且所有这些都将改变扭矩-速度曲线，对于OEM来说，
无框电动机
20年前，一位想在机器上增加运动的工程师会购买电动机，联轴器，变速箱和执行器。如今，他们很可能会使用由独立的转子和定子组成的无框架电机(没有外壳)来安装定位，以便可以直接将其内置到设备中。
这是竞争优势的问题。“原始设备制造商正在购买转子和定子-或在直线电机的情况下，是磁道和压力-并将它们集成到他们的系统中，无论是机械手，关节组件还是其他任何东西，” Rob Mastromattei说， Celera Motion(马萨诸塞州贝德福德)的开发总监。“通过这些方式，他们可以与众不同并在细分市场中获胜。”
考虑在半导体中进行离子注入。这是一个分步扫描过程，涉及将晶片放置在固定离子束下一段特定的停留时间。OEM厂商可以通过建立设备将每小时处理更多的筹码让他们的客户的钱。现在，设备制造商无法更改植入的基本物理原理。他们可以，但是，通过加快定位给他们的客户和自己的竞争优势。
在低速下运行的常规伺服电动机需要齿轮箱，以便传递离子注入所需的高加速度运动。变速箱具有顺应性，但是，这会增加建立时间并减慢该过程。使用无框电动机直接驱动轴可以解决该问题，同时还可以减小尺寸和减小惯性。“您必须能够非常非常非常准确地进行植入，” Wittenstein(伊利诺伊州巴特利特)的业务部门经理Will Vinson说。“在某些轴上执行此操作的唯一方法是使用无框电机直接驱动并围绕其设计机器。”
这种方法可以为航空航天，通信，医疗，科学和半导体等各种应用领域的OEM提供差异化的解决方案。“在他们的细分市场中真正面临挑战的OEM是更快，更轻，更准确，并提供更好的动力，它们正在[使用无框马达]淘汰了多余的零件，” Mastromattei说。“如果要减小尺寸，提高刚度，赋予其动态稳定性，更改可能导致不稳定性的激励模式，OEM会发现这意味着您需要独特设计的运动轴。”
那是个好消息。坏消息是，它听起来并不容易。幸运的是，许多供应商都提供了无框电动机或套件电动机，以及配对的转子/定子。它们具有各种形状因数，包括用于旋转对称应用的圆弧和R-Theta配置(见图1)。即使使用匹配的硬件，无框电动机也需要对指定和应用电动机技术有清晰的了解。有时内部工程技能可能不包含运动控制，因此，共同设计服务的想法再次发挥作用。
Vinson说：“有很多事情需要考虑。” “当您将电动机实际组装在一起时，就拥有了全部工艺。设计轴承系统时，请务必小心。冷却可能非常困难。专家的支持非常重要。”
与上面的步进讨论一样，一旦OEM决定使用无框电机解决方案，则他们应该从设计阶段开始与供应商合作。这是避免出现问题和误解的最佳方法。该过程可以在此处开始和结束，或者供应商可以实际构建并提供子装配。OEM获得了竞争优势，没有任何风险。
除了转向无框电动机之外，Mastromattei还看到了音圈电动机(VCM)和音圈致动器的使用增加。该技术不是新技术，已有40多年的历史了。更恰当的情况是在正确的时间显示正确的技术。他说：“推动这一发展的原因之一是人们可以使用VCM来获得非常小的，高精度，高分辨率的编码器。” “在此之前，您必须购买200美元的VCM和2000美元的编码器。现在，您可以获得几百美元的VCM和几百美元的编码器，并以纳米分辨率进行定位。”
颠覆性技术
除了定制化趋势以外，还有一些新的电机技术正在酝酿中。电机顾问兼Optimal Motion创始人(美国加利福尼亚州穆里塔)的George Bennett指出，这是一家明尼苏达州的一家初创公司，致力于为易维护设计的可变磁阻电机。例如，资产所有者可以轻松更换线圈，而无需从机器上卸下电机。Bennett说：“由于声学问题，我对可变磁阻的想法真的不满意，但是对于可复制零件的想法却是如此，这样就不必拆开整个机器来固定电动机，这是个好主意，” 。
他还是开发一种称为场调制电机的新型电机的团队的成员。通常，伺服电动机很难在低速下产生扭矩。他们通常需要增加一个变速箱，这会增加尺寸，成本，重量，维护和其他故障点。齿轮箱还引入了反冲，使它们对于某些应用而言无法启动。
步进电动机遭受伺服电动机的反向问题。它们在低速时会产生大量扭矩，但电感会限制其高速性能。它们还遭受称为中程共振的现象，在该现象中，共振会导致电动机的转矩在某些速度下突然降至零。互感也限制了相数，从而限制了扭矩和分辨率。
由Floor 36，Inc.(德克萨斯州沃思堡)总裁卡尔·科普兰(Carl Copeland)设计的场调制电机为这两种类型的电机提供了替代方案。它具有18相，36极和3D磁通路径，与传统电动机完全不同(请参见图2)。高极点数允许单独错开相位对准。结果是制动力矩为零。结果，该电动机在低速时可以提供比伺服电动机更高的转矩，但它也可以比传统的步进电动机更快地运行。它具有非常低的惯性，分辨率为0.909°。它并不是要替换任何一种电机，而是要为取放装配和机器人等应用提供可行的中档解决方案。
例如，考虑一个以5000 RPM运行的三相电动机，以产生22 Nm的转矩。这相当于大约15 HP。现在，让我们将其与等效的场调制电机进行比较。您可以将18相磁场调制电动机视为实际上是模拟六个单独的三相电动机，并连接到单个输出轴。权衡是速度–它可以提供130 Nm的扭矩，但在大约830 RPM的转速下，输出功率大致相同。磁场调制方法的效果类似于用较细的导线重绕电动机的效果，但是没有引入该方法会增加电感的情况。Bennett说：“对于给定的低速转矩，该电动机使您能够构建具有标准三相电动机电流要求的六分之一的驱动器。” “从驱动器电路的角度来看，
磁场调制电机确实有一个缺点，那就是放大器必须驱动18个驱动器，而不是驱动三相。“对于驱动器来说，成本是可比的，因为您没有18个大的H桥，但是它们是1/6尺寸”，贝内特说。“在这与批量定价之间，总的来说，您获得的成本大约是相同的。”较小的零件在尺寸方面也具有优势。驱动器制造商和最终用户可以代替标准的大盒子，而开发更小的驱动器，扁平包装，甚至更多，以更好地满足应用程序的需求。
该团队已经建立了8个原型，包括60 HP，42框架大小。36楼已获得该知识产权的多项专利。希望该技术在2016年底前可用于许可。
当今应用的多样性和需求使OEM面临越来越大的压力来满足性能要求。专注于定制的电机和运动制造商可提供设计团队所需的灵活性。供应商可以做任何事情，从增值制造到提供工程服务。从专用绕组到无框电动机再到全新设计的替代方案，当今的电动机解决方案使OEM和最终用户可以轻松获得所需的性能。
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