Postęp techniczny i dostępność nowych rozwiązań na rynku silników elektrycznych sprawiają, że tzw. silniki bezpośrednie stają się coraz bardziej popularne i coraz częściej wypierają tradycyjne serwonapędy z przekładniami. Na ich korzyść przemawiają też aspekty ekonomiczne, związane z podwyższoną efektywnością energetyczną.
Współczesne silniki momentowe bezpośrednie (ang. DDR ? Direct Drive Rotary) oferują bardzo wiele nowoczesnych rozwiązań, funkcji i parametrów użytkowych, zwiększających niezawodność i precyzję działania nowoczesnych aplikacji napędowych oraz automatyki, takich jak: aparatura medyczna, robotyka, generatory i alternatory czy urządzenia transportowe. I choć w większości zastosowań wciąż dominują klasyczne silniki elektryczne z odpowiednio dobranymi przekładniami mechanicznymi, to jednak w branży serwonapędowej daje się zauważyć wyraźny i dynamiczny wzrost zastosowań silników bezpośrednich. Z definicji są to urządzenia, które przekazują moc mechaniczną w postaci momentu obrotowego i prędkości bezpośrednio na wał układu napędowego, bez pośrednictwa przekładni, pasów transmisyjnych itp.
Firmy konstruujące różne maszyny i roboty oraz wiele zakładów przemysłowych coraz częściej poszukują napędów o większej dokładności i bardziej zaawansowanych funkcjach. Niestety, stosowane dotychczas powszechnie przekładnie mechaniczne zawsze mają pewne luzy konstrukcyjne, które ograniczają precyzję ich działania. Kolejnym aspektem jest energochłonność tego typu układów napędowych. I na tym polu doskonale sprawdzają się właśnie silniki bezpośrednie, trzeba jednak pamiętać, że przy niższych prędkościach obrotowych efektywność energetyczna spada.
Obecnie grupy klientów zainteresowanych zakupem silników bezpośrednich można podzielić na trzy kategorie:
- Pierwsza to kupujący gotowe silniki czy napędy, w kompletnych obudowach. Stosuje się je w robotach, maszynach przemysłowych i wybranych aplikacjach OEM.
- Druga kategoria to kupujący specyfikowane, dedykowane silniki i napędy. Kupują oni nieobudowane silniki, enkodery, łożyska i inne elementy mechaniczne, a następnie we własnym zakresie budują i integrują układy napędowe dostosowane do swoich aplikacji.
- Kategoria trzecia przypomina drugą z tą różnicą, że tworzący ją klienci do budowy i integracji specjalizowanych napędów korzystają z usług podmiotów zewnętrznych.
Producenci silników bezpośrednich zwykle skupiają się na jednej lub dwóch wspomnianych kategoriach.
Budowa silników bezpośrednich
Podstawowa konfiguracja budowy silnika bezpośredniego to pierścień o znacznej średnicy zewnętrznej, z dużym otworem wewnętrznym (również duża średnica). Stojan silnika składa się z licznych cewek miedzianych, nawiniętych w żłobkach w materiale magnetycznie miękkim ? stali lub żelazie. Z kolei wirnik to swego rodzaju piasta, z magnesami trwałymi rozmieszczonymi na powierzchni lub wewnątrz struktury wału, również wykonanego z materiału magnetycznie miękkiego (rys. 1). W oparciu właśnie o ten sposób rozmieszczenia magnesów wprowadzono podział silników bezpośrednich na dwie grupy: 1. ? z tzw. magnesami trwałymi (ang. PM ? Permanent Magnet) i 2. ? z magnesami wbudowanymi. W przypadku pierwszej z nich w napędzie powstaje duża reluktancja i moment magnetyczny sprzyjające wzrostowi generowanego momentu mechanicznego na wale ? wyrażanego w postaci tzw. gęstości mocy.
W projektowaniu i optymalizacji takich silników wykorzystuje się metody elementów skończonych. Konstrukcje tego typu to bezszczotkowe silniki synchroniczne PM, potocznie zwane bezszczotkowymi prądu stałego. Głównym aspektem poprawnej konstrukcji stojanów tego typu silników jest odpowiednie nawinięcie cewek miedzianych na każdym z zębów/żłobków stojanowych. Od tego zależy rezystancja uzwojeń, a w rezultacie związany z nią poziom strat w miedzi (I2R), mających bezpośredni wpływ na efektywność energetyczną silnika.
Zależnie od preferencji klienta silniki mogą być dostarczane bez obudowy zewnętrznej lub z obudowami ochronnymi i konstrukcyjnymi.
Jedną z opcji służących do zwiększania poziomu uzyskiwanych momentów napędowych w silnikach bezpośrednich jest wprowadzenie układów chłodzenia wodnych lub z innym medium chłodzącym, w ramach obudowy silnika. Układ chłodzenia wodą, dobrze skonfigurowany, może zwiększyć wartość momentu od 2 do 4 razy. Inne czynniki i parametry istotne w zastosowaniach przemysłowych to: dokładność i rozdzielczość pozycjonowania, rozmiary i profil pierścienia stojana oraz koszty zakupu i eksploatacji. Trzeba tu zaznaczyć, że silniki bezpośrednie są zwykle droższe od klasycznych silników bezszczotkowych cylindrycznych, przy tym samym poziomie mocy.
Rynek i dostawcy silników bezpośrednich
Większość producentów silników bezpośrednich posiada w swoich zakładach linie produkcyjne, na których wytwarzane są standardowe urządzenia i układy. Coraz częściej jednak klienci zgłaszają się nie po standardowe produkty, ale po specjalizowane, dedykowane silniki i układy napędowe. Ponad 40 lat temu amerykańska firma Inland Motors (obecnie Kollmorgen) produkowała i dostarczała szczotkowe silniki momentowe prądu stałego na potrzeby branży obronnej USA. Obecnie zastąpiły jesilniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi, wytwarzane z reguły w kompletnych obudowach ochronnych. W ofercie firmy znajdują się również silniki w obudowach kompaktowych (typu cartridge), które ułatwiają ich montaż i implementację. Pierwsze aplikacje obejmowały przede wszystkim systemy pozycjonowania w maszynach stołowych, stacjonarnych, a silniki instalowane były zwykle z obudowami. Obecnie specjaliści techniczni firmy widzą, że gros współczesnych aplikacji i wymagań klientów skupia się na dokładności działania napędów, wysokiej niezawodności przy zredukowanych kosztach eksploatacji.
Kolejny producent, szwajcarska firma Etel rozpoczęła produkcję silników bezpośrednich już w roku 1974, wprowadzając na rynek trzy rodziny silników bezszczotkowych z magnesami trwałymi (tabela). Kevin Derabasse, prezes amerykańskiego oddziału firmy wyjaśnia, że najnowsze silniki serii TMK charakteryzują się zwiększonym niemal 8-krotnie zakresem prędkości obrotowej oraz współczynnikiem wydajności momentowej większym o ok. 30%. Największy silnik oferowany przez firmę ma ponad 3 m średnicy zewnętrznej i wytwarza moment obrotowy o wartości 31 200 Nm. Wykorzystany jest do napędu i pozycjonowania wielkiego teleskopu astronomicznego.
Firma Allied Motion, posiadająca swe przedstawicielstwa również w krajach europejskich, to kolejny dostawca silników bezpośrednich. Produkuje ona silniki bezpośrednie bezszczotkowe z magnesami trwałymi pod nazwą Megaflux. Większość jej klientów to podmioty z branży militarnej i lotniczej. Przedstawiciele działu inżynierskiego tej firmy podkreślają, że jej specjalnością są silniki z bardzo niskim prawdopodobieństwem zakleszczenia i wysokim stopniem zapełnienia stojana uzwojeniami miedzianymi. Urządzenia te cechują się niewielkimi rozmiarami ? największy silnik ma 792 mm średnicy zewnętrznej i dostarcza moment obrotowy na poziomie 2020 Nm.
? Większość naszych klientów zamawia i kupuje silniki bezpośrednie bez obudów, jako elementy uniwersalne i oczywiście zwracają szczególną uwagę na ich żywotność oraz wysoką dokładność pozycjonowania ? potwierdza Joseph Profeta, kierownik grupy systemów sterowania w kolejnej firmie, Aerotech. Oferowane przez nią silniki dedykowane są do niewielkich aplikacji, m.in. w medycynie (kardiologia) czy branży produkcyjnej paneli fotowoltaicznych.
Jednym z najbardziej dynamicznie rozwijających się dostawców silników bezpośrednich na rynku amerykańskim jest obecnie firma Applimotion. Oferuje ona szeroką gamę produktów o różnych konstrukcjach i parametrach roboczych, w ramach rodzin: ULT, UTH, UTS i UTO. Największy silnik należy do rodziny UTH ? jego średnica zewnętrzna to 533 mm i moment obrotowy na poziomie 68 Nm. Z kolei produkt najmniejszy ma średnicę 12 mm, a długość osi obrotowej to zaledwie 8 mm. Firma oferuje również silniki wykonane w technologii bezżłobkowej, bez żelaza, która zapewnia niemal całkowite wyeliminowanie możliwości zakleszczania się i dzięki temu bardzo ?gładką? pracę napędu oraz ograniczenie strat związanych z powstawaniem prądów wirowych nawet przy dużej prędkości obrotowej. Pewną niedogodnością tego rozwiązania jest około 25% spadek wartości momentu obrotowego ze względu na większą szczelinę pomiędzy stojanem a wirnikiem.
Kolejna firma ? Aspen Motors Technologies ? wytwarza silniki bezpośrednie o średnicach od 1 cala do 39 cali i mocy znamionowej od kilku watów do 65 kW. Podejście projektowe ukierunkowane na klienta owocuje stosunkowo niedrogimi rozwiązaniami technicznymi, możliwymi do zastosowania w wielu, nawet specjalizowanych aplikacjach. Indywidualnie dobierane mogą być praktycznie wszystkie elementy projektowanych urządzeń ? materiał i struktura stojana i wirnika, magnesy, geometria silnika, rodzaj montażu, wał itd., dzięki czemu silniki nadają się doskonale do rozwiązań OEM i innych.
Nowe technologie silników
Najnowsza technologia w zakresie konstrukcji silników elektrycznych, wchodząca właśnie z poziomu laboratoriów badawczych i rozwojowych do produkcji, to silniki z tzw. strumieniem poprzecznym. Charakteryzują się one bardzo wysokimi poziomami momentu obrotowego, przy niewielkich rozmiarach, a wszystko dzięki uzyskiwanej w nich dużej gęstości momentu. Urządzenia te mają bardzo skomplikowaną strukturę pól i strumieni magnetycznych, której projektowanie wymaga stosowania algorytmów trójwymiarowej analizy elementów skończonych.
W laboratoriach zakładów Electric Torque Machines spędzono wiele czasu, testując różne konfiguracje tej konstrukcji i obecnie zdecydowano się na wdrożenie do produkcji pewnych serii napędów, o kilku określonych wymiarach i konfiguracjach. Jak podkreślają eksperci wspomnianej firmy, silniki ze strumieniem poprzecznym mogą osiągać wartości momentu dwukrotnie większe niż porównywalne parametrycznie silniki bezpośrednie.
Magnesy z pierwiastków ziem rzadkich
Materiały magnetyczne wytwarzane z pierwiastków ziem rzadkich, takich jak neodym (Nd) czy stabilizowany termicznie dysproz (Dy), których cena w ostatnim czasie spada, coraz częściej są rozważane przez producentów jako alternatywa dla tradycyjnych materiałów, używanych w przemyśle maszynowym. Niewykluczone, że już wkrótce będą one stosowane do konstrukcji magnesów trwałych w silnikach elektrycznych.
D. Jones, prezes firmy Incremotion Associates Inc. i M. Mubeen z firmy Phoenix Tech.
Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE