Die sich weiterentwickelnden Einsatzmöglichkeiten der Automatisierung für Motoren und Antriebe

Dec 10, 2023

Von Miles Budimir | 23. März 2023

Da die Automatisierung sowohl in bestehenden als auch in neueren Anwendungen weiter zunimmt, entwickelt sich die Automatisierungstechnologie weiter, um mit diesen Veränderungen Schritt zu halten. Motoren und Antriebe sind keine Ausnahme. Insbesondere sind die Motoren kleiner geworden, um den Platz- und Größenbeschränkungen in neuen, einzigartigen Anwendungen Rechnung zu tragen. Auch die Art und Weise, wie Motoren konstruiert und gebaut werden, hat sich geändert, mit einer Zunahme kundenspezifischer Designs sowie der Vernetzung und Konnektivität von Motoren und Antrieben.

Wir haben kürzlich mehrere führende Branchenexperten zu den Trends befragt, die sie bei Motoren, Getriebemotoren und Antriebstechnologien sehen. Hier ist, was diese Experten zu sagen hatten.

Treffen Sie die Experten

Biren Patel|Business Development Manager, Mobilitätslösungen · maxon

Chris Gottlieb |Regie, Antriebe und Steuerung ·Guten Morgen

Dave Beckstoffer|Geschäftsentwicklungsmanager · Portescap

James Gallant|Betriebsleiter · ISL Products International Ltd.

Lawrence Lin |Business Development Manager für Elektrofahrzeugbatterien · Festo

Robert Luchars|Vizepräsident für Geschäftsentwicklung · ECM PCB Stator Technology

Wie kommt es, dass Motorenhersteller Motoren in Größen bauen können, die noch vor einem Jahrzehnt unmöglich gewesen wären?

Beckstoffer: Die Miniaturisierung von Motoren in den letzten Jahren wurde durch mehrere Schlüsselfaktoren erreicht: Design, Materialien und Automatisierungsfähigkeit. Aus gestalterischer Sicht bieten Fortschritte in der Simulationssoftware Ingenieuren die Möglichkeit, Konzepte mit kleinerem Durchmesser zu bewerten, um die Machbarkeit zu bestätigen. Ingenieure erweitern auch weiterhin die Grenzen der Größenreduzierung durch einzigartige und patentierte Motorfunktionen. Dies wird außerdem durch Fortschritte bei den Materialien ermöglicht, darunter Magnete mit höherer Leistung, leitfähigere Metalle und Komponenten mit höherer Festigkeit.

All dies erfordert eine Automatisierung, um die Spulen präzise zu wickeln und die Montage der Miniaturkomponenten der Motoren abzuschließen. Durch die kontinuierlichen Fortschritte in diesen Bereichen konnten Motorenhersteller Motoren mit immer kleineren Durchmessern und Längen entwickeln und produzieren.

Galant: Bürstenlose Motoren haben in den letzten Jahren eine weitaus größere Akzeptanz und Verwendung erfahren. Gleichzeitig sind die Entwicklungskosten erheblich gesunken, was sie erschwinglicher macht. Wir können bürstenlose Motoren mit Planetengetrieben ab einem Durchmesser von 22 mm anbieten. Bürstenlose Motoren sind konstruktionsbedingt etwas anfälliger gegenüber Witterungseinflüssen und haben eine bessere IP-Schutzart. Wir erhalten etwa 50 % unserer Neukundenanfragen nach bürstenlosen Motoren im Vergleich zu bürstenbehafteten Motoren.

Unsere Getriebemotoren sind in nahezu jeder kommerziellen oder industriellen Anwendung zu finden, von Haushaltsgeräten über Robotik bis hin zu Jagdausrüstung. Für unsere Gleichstrommotoren bieten wir entweder Planeten-, Stirnrad- oder Schneckengetriebe an. Unsere Motoren sind entweder bürstenbehaftet oder bürstenlos und es sind auch Optionen ohne Kern erhältlich. Unsere Planetengetriebemotoren können einen Durchmesser von nur 12 mm haben, und Schneckengetriebemotoren können einen Durchmesser von über 70 mm erreichen.

Festo CMMT-ST-Servoantriebe werden am Roboter selbst und nicht am Greifersystem montiert, wodurch Platz am Greifer frei wird und die Konstruktion weniger kompliziert wird.

Beckstoffer: Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) bieten aufgrund ihrer Hochgeschwindigkeitsfähigkeit und elektronischen Kommutierung betriebliche Vorteile. Darüber hinaus ermöglicht ein nutenloses BLDC-Design aufgrund des selbsttragenden zylindrischen Spulendesigns eine schnelle Beschleunigung und Verzögerung. Geräte zur kurzfristigen Kreislaufunterstützung unterstützen das Herz des Patienten während eines Herzereignisses oder einer Operation und ergänzen das Pumpen des Blutes durch den Körper. Das Gerät muss mit hoher Geschwindigkeit arbeiten und hervorragend auf den Sinusrhythmus des Herzens reagieren, weshalb schlitzlose BLDC-Motoren eine ideale Lösung sind. Die hohe Leistungsdichte dieser Motoren stellt außerdem sicher, dass ausreichend Drehmoment zur Verfügung steht, um auf Veränderungen im Zustand des Patienten zu reagieren.

du wirst kämpfen : Kunden wenden sich in der Regel an ECM mit der Absicht, Zahnräder aus ihrem Design zu entfernen, da die Getriebe in Motorsystemen normalerweise zu mehr Größe, Kosten, Komplexität und Geräuschentwicklung im System führen. Unsere Partner sind stattdessen an einer Direktantriebslösung interessiert. ECM ist in der Lage, die Direktantriebsanalyse (zusätzlich zu einer Vielzahl von Getriebeübersetzungsdesigns) durchzuführen, um die jeweiligen Kosten-, Größen- und Gewichtskompromisse zu untersuchen. Da wir eine schnelle Analyse verschiedener Getriebesysteme durchführen können, kann die optimale Drehzahl-Drehmoment-Kombination schnell und mit hoher Sicherheit ermittelt werden. Dadurch können wir passende Motor-Getriebe-System-Kombinationen konzipieren.

Welche neuen und einzigartigen Motoranwendungen haben Sie kürzlich unterstützt?

Patel: maxon hat eine neue Familie rahmenloser Motoren herausgebracht, die speziell für dynamische Bewegungen entwickelt wurden. Die DT-Serie (Dynamic Torque) lässt sich problemlos in eine Vielzahl von Anwendungen integrieren, insbesondere wenn es um Anwendungen geht, bei denen sich die Geschwindigkeit sofort ändern kann. Rotor und Stator werden separat, ohne Lager und Motorwelle geliefert und erst bei der Montage verbunden. Zu den Merkmalen der rahmenlosen EC-Motorenserie DT gehören minimale Rotorträgheit, hervorragende Wärmeableitung, Kompaktheit und eine äußerst einfache Integration. Die flache Bauweise, die hohen Drehmomente und der Platz für Kabelverschraubungen ermöglichen eine hohe Integration in die jeweilige Anwendung.

Gottlieb: Im Hinblick auf konstruktionsbedingte Verbesserungen führt die Konzentration auf die Flussoptimierung zu Motoren wie dem Kollmorgen AKM2G, der im gleichen Paket wie ältere Generationen von Servomotoren eine enorme Drehmomentdichte und höhere Leistung bietet. Oder denken Sie über die kommende Veröffentlichung unseres AKMA-Washdown-Servomotors nach. Es löst wirklich das Problem, dass der lebensmittelechte Lackmotor in einer Lebensmittelumgebung nicht akzeptabel ist, da sich die Farbe ablösen kann, aber es ist viel wirtschaftlicher als die Hygieneanforderungen des AKMH-Hygienemotors. Es wird einen echten Sweet Spot treffen.

Du wirst kämpfen: In Bezug auf Wasch- oder Korrosionsumgebungen kann ECM seine Motoren aufgrund der patentierten Eigenschaften unserer Statoren vollständig einschließen und sie gleichzeitig kühl halten. PCB-Statoren nutzen sowohl das inaktive als auch das aktive Kupfer im PCB-Stator, um die Wärme durch das Aluminiumgehäuse abzuleiten, anstatt dass Luft durch die Statorwicklungen angesaugt oder geblasen werden muss, wie es bei einer herkömmlichen Drahtwickelmaschine der Fall ist. Dies ist von Vorteil, da dadurch die Abdichtung und der Schutz der internen Motorkomponenten deutlich verbessert werden, um das Eindringen anderer Fremdkörper, Ablagerungen oder schädlicher Flüssigkeiten zu begrenzen.

Lin: Hersteller von Elektrofahrzeugbatterien reagieren auf die Tatsache, dass Festo seine EMMT-Schrittmotoren und kompakten CMMT-Servoantriebe für die Interoperabilität in komplexen Bewegungssystemen entwickelt hat. Die CMMT-Antriebe sind mit allen wichtigen Ethernet-basierten Kommunikationsprotokollen kompatibel und bieten so eine breite Anwendbarkeit. Die EMMT/CMMT-Kombination ist ideal für die Erzeugung der in Portalen erforderlichen Geschwindigkeit, Drehmoment und Genauigkeit. Festo bietet auch mechanische Achsen für einen One-Stop-Shop interoperabler Produkte.

Du wirst kämpfen: Die meisten Bürstenmotoranwendungen, die wir gesehen haben, betrafen kostensensible Konsumgüter. Diese haben natürlich einen erhöhten Verschleiß und einen geringeren Wirkungsgrad, aber sie sind einfach und kostengünstig. ECM kann unsere Software-Designplattform PrintStator schnell nutzen, um herauszufinden, ob ein PCB-Stator-Angebot kostenmäßig wettbewerbsfähig wäre. Dies spart viel Zeit und Ressourcen, die möglicherweise für ein bestimmtes Projekt aufgewendet werden, nur um später festzustellen, dass die Technologie nicht gut passt. Wenn eine PCB-Statormaschine preislich wettbewerbsfähig ist, würden alle Nachteile einer typischen Bürstenmaschine mit einer PCB-Statormaschine beseitigt. ECM kann verschiedene Motoren entwerfen, von HVAC-Lüftern und -Gebläsen mit konstanter Drehzahl bis hin zu Torquemotoren mit Auflösungs- und Drehmomentanforderungen. Aus Modellierungssicht ist dies eine weitere einfache Aufgabe, um zu sehen, wie sich die Drehmomenterzeugung einer ECM-Maschine im Vergleich zu der eines herkömmlichen Servos oder Schrittmotors verhält.

Diese Explosionsansicht zeigt einen ECM-Motor mit einem PCB-Stator, der in einer Handradsteuerung zur Kamerasteuerung verwendet wird.

In den letzten Jahren hat ECM Kundenspezifikationen für verschiedene Elektromotoranwendungen übernommen, damit unsere internen Ingenieure und Betapartner PrintStator zum Modellieren, Prototypenbauen und Erstellen von Designlösungen nutzen konnten. Wir haben auch Partnerschaften mit Produktionshäusern für Kunden ohne Fertigungskapazitäten geschlossen. Wir sehen dieses Modell als eine Möglichkeit, die Fähigkeiten von Motoren der nächsten Generation auf bestehende Motorenlieferanten und alle Branchen auszuweiten, die elektrische Maschinen benötigen. Von PrintStator entworfene Statoren können überall auf der Welt gedruckt werden. Im Wesentlichen ermöglichen wir unseren SaaS-Partnern, ihre eigenen Motor-OEMs zu werden.

Wir engagieren uns auch aktiv in Kooperationen bei der Entwicklung von Elektromotoren mit Unternehmen wie Celestica, einem multinationalen Elektronikhersteller, und werden im Jahr 2023 mehrere neue Partnerschaften mit großen globalen Herstellern bekannt geben. Das Angebot von PrintStator über ein vollständiges SaaS-Produkt wird die Vorteile von PCB erweitern Stator-Elektromotordesign für mehrere Innovatoren, um maßgeschneiderte Innovationen in zahlreichen Branchen zu schaffen. Dazu gehören Anwendungen für Blue-Chip-Konzerne, Regierungen, kleine Unternehmen, Gaming-Unternehmen, Innovatoren, Disruptoren und Start-ups – um nur einige zu nennen.

Auf welche Weise haben Sie Anpassungs- und Systems-as-a-Service-Designarbeiten (SaaS) für Maschinenbauer übernommen?

Galant: Wir unterstützen Maschinenbauer auf Komponentenebene bei Gleichstrommotoren/Getriebemotoren. Die Zusammenarbeit mit einem Motorenspezialisten wie ISL Products hilft OEMs, diesen Aspekt zu optimieren, indem sie sich auf Experten verlassen, anstatt im Internet nach einer möglichen Lösung zu suchen. ISL entwirft und fertigt Gleichstrommotoren/Getriebemotoren nach Kundenspezifikationen durch maßgeschneiderte Standardkonstruktionen. Wir betrachten diesen Prozess als Mehrwertdienst für alle unsere Kunden und bieten gleichzeitig wettbewerbsfähige Preise.

Du wirst kämpfen: Die Mission von ECM besteht darin, Software für Innovatoren und Ingenieure bereitzustellen, um zukünftige Anforderungen an hochspezialisierte Elektromotoren zu erfüllen. Einer Schätzung zufolge wird die Nachfrage nach Elektromotoren in fast allen erdenklichen Branchen in einem Sektor mit einem jährlichen Wert von weit über 200 Milliarden US-Dollar auf über eine Milliarde Einheiten pro Jahr ansteigen. Das mag zunächst wie eine Hardware-Herausforderung klingen. Letztendlich sind wir zu dem Schluss gekommen, dass das SaaS-Design für die Erfüllung der Motoranforderungen der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung ist. Das liegt im Wesentlichen an der Einschätzung, dass das, was in der Vergangenheit bei der Konstruktion von Elektromotoren funktioniert hat, in Zukunft nicht mehr zum Erfolg führen wird. Es gibt drei Faktoren, die einen spezielleren Ansatz erforderlich machen.

Ein offensichtlicher Katalysator ist die Umstellung vieler dieser Kategorien wie Mobilität und Heizung von fossilen Brennstoffen auf elektrische Energie. Ein weiterer Treiber ist der Aufschwung von Robotik und Automatisierung in mehreren Sektoren. Und ein dritter Faktor, der den weltweiten Bedarf an Elektromotoren antreibt, ist der Drang, mehr unserer Energie in Elektrizität umzuwandeln.

Wir haben interne Untersuchungen durchgeführt, um herauszufinden, welche Art von Maschinen für diese elektrifizierte Zukunft am besten geeignet sind. Eine vorherrschende Schlussfolgerung: Die Welt braucht nicht einfach mehr Elektromotoren. Die globalen Märkte benötigen Elektromotoren der nächsten Generation, die effizienter, leistungsfähiger, maßgeschneiderter und nachhaltiger hergestellt sind. Um diese Maschinen zu entwickeln, benötigen OEMs und Anlagenbauer bessere Designs. Nach der Erfahrung von ECM besteht der beste Weg, diese Designs zu verwirklichen, darin, ihnen die Leistungs- und Nachhaltigkeitsvorteile von PCB-Stator-Elektromotoren über Software als Dienstleistung anzubieten. Unsere PrintStator-SaaS-Plattform ermöglicht es Ingenieuren, ihre eigenen PCB-Stator-Elektromotoren zu erstellen, die auf präzise Leistungs- und Formfaktorspezifikationen ausgelegt sind. ECM führt derzeit einen Betatest von PrintStator durch und plant eine vollständige SaaS-Veröffentlichung im Jahr 2023.

Ein ECM-Mitarbeiter hält zum Vergleich einen herkömmlichen Stator mit Kupferwicklung (links) und einen ECM-PCB-Stator (rechts).

Welche aktuellen Trends sehen Sie bei der Konnektivität von Motoren und Antrieben?

Gottlieb: Safety over EtherCAT ermöglicht eine einfache Installation und die Antriebs-zu-Motor-Überwachung ist schnell – Sie müssen nicht auf die Steuerungsüberwachung warten. Eine der grundlegendsten Anwendungen, bei denen ich Sicherheitsarbeiten gesehen habe, ist das Einfüllen von Verpackungszuschnitten in einen Trichter, während die Maschine läuft. Die Zuschnitte werden in einem verriegelten Abschnitt der Maschine gehalten. Sie können jedoch die Verriegelungsgriffe des Zuschnittkastens bei langsamer Ausgabegeschwindigkeit der Maschine öffnen, sodass die Maschine während der Zuführung weiterlaufen kann. Dadurch wird das Herunterfahren und der anschließende Startzyklus vermieden – es gibt keine Garantie dafür, dass der Neustart reibungslos verläuft.

Außerdem sind Sicherheitsantriebe ein „Must-Have“ auf dem Markt. Fortschrittliche Sicherheitsfunktionen ermöglichen eine höhere menschliche Produktivität und eine verbesserte statistische Sicherheit für die menschliche Interaktion, während die Maschine läuft oder wenn die Maschine gestoppt ist. Safe Torque Off an einem Antrieb ist mittlerweile eine „wichtige Herausforderung“, und Maschinenbauer können sich durch die erweiterten Sicherheitsoptionen auszeichnen, die eine sichere Geschwindigkeit, einen sicheren Stopp, eine sichere Richtung und mehr ermöglichen. Wir bieten in unserem SafeMotion Monitor 16 verschiedene Sicherheitsfunktionen an, sodass der OEM die für ihn geeignete Methode auswählen kann.

Du wirst kämpfen: ECM kann jede Kabelverbindung integrieren; Wir haben dies mehrmals getan, je nachdem, was der Kunde für die Anwendung benötigt.

Das patentierte Verfahren von ECM ersetzt die Statorkupferverkabelung in einem herkömmlichen Motor durch eine Leiterplatte und ermöglicht so extrem dünne Motordesigns, wie hier gezeigt.

Galant: Im Laufe der Jahre haben wir vielen Kunden geholfen, indem wir ihnen Mehrwert-Motorlösungen angeboten haben. Dabei geht es darum, die Motoren geringfügig anzupassen, um den Montageprozess des Kunden zu optimieren. Eine der häufigsten Anfragen besteht darin, den Motorklemmen Anschlusskabel hinzuzufügen. Einige Kunden verlangen auch das Hinzufügen eines bestimmten Steckverbinders – von gängigen Marken wie Molex, TE, JST und anderen.

Dies ist eine einfache Anfrage an unser Fertigungsteam, die unseren Kunden eine schnellere Installation an ihrer Montagelinie ermöglicht. Es ist ein Service, den wir gerne anbieten.

Gottlieb: Ich denke, Sie sehen den Bedarf an Flexibilität bei Kabelverbindungen aus Sicht der Lieferkette. Wir müssen sicherstellen, dass in Zeiten prekärer Lieferketten Interoperabilität zwischen Steckverbindern verschiedener Anbieter besteht.