L'évolution des utilisations de l'automatisation pour les moteurs et les variateurs

Dec 10, 2023

Par Miles Budimir | 23 mars 2023

Alors que l'automatisation continue de se développer dans les applications existantes ainsi que dans les nouvelles applications, la technologie d'automatisation habilitante évolue pour suivre le rythme de ces changements. Les moteurs et les entraînements ne font pas exception. En particulier, les moteurs sont devenus plus petits pour s'adapter aux restrictions d'espace et de taille dans de nouvelles applications uniques. Il y a également eu des changements dans la conception et la construction des moteurs, avec une augmentation des conceptions personnalisées ainsi que de la mise en réseau et de la connectivité des moteurs et des variateurs.

Nous avons récemment interrogé plusieurs experts de l'industrie sur les tendances qu'ils observent dans les technologies des moteurs, motoréducteurs et entraînements. Voici ce que ces experts avaient à dire.

Rencontrez les experts

Biren Patel|Responsable du développement commercial, solutions de mobilité · maxon

Chris Gottlieb |Directeur, lecteurs et contrôle ·Bonjour

Dave Beckstoffer|Chargé de développement commercial · Portescap

James Gallant|Directeur des opérations · ISL Products International Ltd.

Laurent Lin |Responsable du développement commercial des batteries EV · Festo

Robert Luchars|Vice-président du développement commercial · ECM PCB Stator Technology

Comment se fait-il que les fabricants de moteurs puissent construire des moteurs de tailles impossibles il y a à peine dix ans ?

Beckstoff : La miniaturisation des moteurs au cours des dernières années a été réalisée par plusieurs facteurs clés - conception, matériaux et capacité d'automatisation. Du point de vue de la conception, les progrès des logiciels de simulation permettent aux ingénieurs d'évaluer des concepts de plus petit diamètre pour confirmer la faisabilité. Les ingénieurs continuent également de repousser les limites de la réduction de taille grâce à des caractéristiques de moteur uniques et brevetées. Ceci est en outre rendu possible par les progrès des matériaux, notamment des aimants plus puissants, des métaux plus conducteurs et des composants plus résistants.

Tout cela nécessite une automatisation pour enrouler avec précision les bobines et terminer l'assemblage des composants miniatures des moteurs. Avec les progrès continus dans ces domaines, les fabricants de moteurs ont pu concevoir et produire des moteurs avec des diamètres et des longueurs toujours plus petits.

Galant: Les moteurs sans balais sont devenus beaucoup plus largement acceptés et utilisés au cours des dernières années. Parallèlement à cela, le coût de développement a considérablement diminué, ce qui les rend plus abordables. Nous pouvons proposer des moteurs brushless avec des réducteurs planétaires aussi petits que 22 mm de diamètre. Les moteurs sans balais, de par leur conception, sont un peu plus sensibles aux éléments avec un meilleur indice de protection IP. Nous recevons environ 50 % des demandes de nos nouveaux clients pour les moteurs sans balais par rapport aux moteurs à balais.

Nos motoréducteurs peuvent être trouvés dans presque toutes les applications commerciales ou industrielles allant des produits blancs à la robotique en passant par les équipements de chasse. Nous proposons des réducteurs planétaires, droits ou à vis sans fin sur nos moteurs à courant continu. Nos moteurs sont à balais ou sans balais et des options sans noyau sont également disponibles. Nos motoréducteurs planétaires peuvent avoir un diamètre aussi petit que 12 mm et les motoréducteurs à vis sans fin peuvent atteindre plus de 70 mm de diamètre.

Les servomoteurs Festo CMMT-ST sont montés sur le robot lui-même plutôt que sur le système de préhension, ce qui libère de l'espace sur le préhenseur et simplifie la conception.

Beckstoff : Les moteurs CC sans balais (BLDC) offrent des avantages opérationnels avec leur capacité à grande vitesse et leur commutation électronique. De plus, une conception BLDC sans fente permet une accélération et une décélération rapides grâce à la conception de la bobine cylindrique autoportante. Les dispositifs d'assistance circulatoire à court terme assistent le cœur du patient lors d'un événement cardiaque ou d'une intervention chirurgicale, complétant le pompage du sang dans tout le corps. L'appareil doit fonctionner à grande vitesse et être extrêmement réactif au rythme sinusal du cœur, ce qui fait des moteurs sans fente BLDC une solution idéale. La densité de puissance élevée de ces moteurs garantit également un couple suffisant pour répondre à tout changement de l'état du patient.

tu combattras : Les clients viennent généralement chez ECM avec l'intention de supprimer les engrenages de leur conception, car les trains d'engrenages des systèmes de moteurs ajoutent généralement de la taille, du coût, de la complexité et du bruit au système. Nos partenaires sont plutôt intéressés par une solution à entraînement direct. L'ECM est capable d'exécuter l'analyse de l'entraînement direct (en plus d'une variété de conceptions de rapport d'engrenage) pour explorer le compromis entre le coût, la taille et le poids de chacun. Parce que nous pouvons exécuter une analyse rapide de divers systèmes d'engrenages, la combinaison vitesse-couple optimale peut être rapidement déterminée avec une grande certitude. Cela nous permet de concevoir des combinaisons moteur-réducteur-système adaptées.

Quelles sont les applications moteur nouvelles et uniques que vous avez récemment prises en charge ?

Patel : maxon a lancé une nouvelle famille de moteurs sans châssis spécialement conçus pour les mouvements dynamiques. La série DT (Dynamic Torque) peut être facilement intégrée dans une large gamme d'applications, en particulier lorsqu'il s'agit d'applications où la vitesse peut changer instantanément. Le rotor et le stator sont livrés séparément, sans roulements ni arbre moteur, et ne sont reliés qu'au montage. Les caractéristiques de la série de moteurs DT sans cadre EC incluent une inertie minimale du rotor, une excellente dissipation thermique, une compacité et une intégration extrêmement simple. La conception plate, les couples élevés et l'espace pour les presse-étoupes permettent un haut niveau d'intégration dans une application donnée.

Gottlieb : En ce qui concerne les améliorations basées sur la conception, la concentration sur l'optimisation du flux produit des moteurs tels que le Kollmorgen AKM2G, qui offre une densité de couple et une puissance plus élevées dans le même boîtier que les anciennes générations de servomoteurs. Ou considérez la sortie prochaine de notre servomoteur de lavage AKMA. Cela résout vraiment le problème du moteur de peinture de qualité alimentaire qui est inacceptable dans un environnement alimentaire car la peinture peut s'écailler, mais c'est beaucoup plus économique que le niveau d'exigence sanitaire du moteur hygiénique AKMH. Il va frapper un vrai sweet spot.

Vous combattrez : En ce qui concerne les paramètres de lavage ou corrosifs, ECM peut entièrement enfermer ses moteurs, tout en les gardant au frais, grâce aux qualités brevetées de nos stators. Les stators PCB utilisent à la fois le cuivre inactif et actif dans le stator PCB pour évacuer la chaleur à travers le boîtier en aluminium, plutôt que d'exiger que de l'air soit aspiré ou soufflé à travers les enroulements du stator‚ comme cela se produit dans une machine bobinée traditionnelle. Ceci est bénéfique car il améliore radicalement l'étanchéité et la protection des composants internes du moteur pour limiter la pénétration d'autres corps étrangers, débris ou fluides nocifs.

Lin : Les fabricants de batteries EV répondent au fait que Festo a construit ses moteurs pas à pas EMMT et ses servocommandes CMMT compactes pour l'interopérabilité dans les systèmes de mouvement complexes. Les variateurs CMMT sont compatibles avec tous les principaux protocoles de communication basés sur Ethernet pour une large applicabilité. La combinaison EMMT/CMMT est idéale pour produire la vitesse, le couple et la précision requis dans les portiques. Festo fournit également des axes mécaniques pour un guichet unique de produits interopérables.

Vous combattrez : La plupart des applications de moteurs à balais que nous avons vues concernaient des biens de consommation sensibles aux coûts. Celles-ci, bien sûr, ont augmenté l'usure et diminué l'efficacité, mais elles sont simples et peu coûteuses. ECM peut rapidement utiliser notre plate-forme de conception logicielle, PrintStator, pour comprendre si une offre de stator PCB serait compétitive. Cela permet d'économiser beaucoup de temps et de ressources qui pourraient finir par être consacrés à un projet donné, pour déterminer plus tard que la technologie n'est pas adaptée. Si une machine PCB Stator est compétitive, tous les inconvénients d'une machine à balais typique seraient éliminés avec une machine PCB Stator. ECM peut concevoir divers moteurs, des ventilateurs et soufflantes CVC à vitesse constante aux moteurs couple avec des exigences de résolution et de couple. Il s'agit d'une autre tâche facile du point de vue de la modélisation pour voir comment la production de couple d'une machine ECM se compare à celle d'un servo ou d'un moteur pas à pas traditionnel.

Cette vue éclatée montre un moteur ECM avec un stator PCB utilisé dans un contrôleur de volant pour le contrôle de la caméra.

Au cours des dernières années, ECM a pris les spécifications des clients pour diverses applications de moteurs électriques afin que nos ingénieurs internes et nos partenaires bêta puissent utiliser PrintStator pour modéliser, prototyper et produire des solutions de conception. Nous avons également formé des partenariats avec des maisons de production pour des clients sans capacités de fabrication. Nous considérons ce modèle comme un moyen d'étendre les capacités des moteurs de nouvelle génération aux fournisseurs de moteurs existants et à toute verticale nécessitant des machines électriques. Les stators conçus par PrintStator peuvent être imprimés n'importe où dans le monde‚ donc, essentiellement, nous permettons à nos partenaires SaaS de devenir leurs propres OEM de moteurs.

Nous sommes également activement engagés dans des collaborations de conception de moteurs électriques avec des entreprises telles que Celestica, un fabricant multinational d'électronique, et annoncerons plusieurs nouveaux partenariats avec de grands fabricants mondiaux en 2023. L'offre de PrintStator via un produit SaaS complet étendra les avantages de la conception de moteurs électriques PCB Stator à plusieurs innovateurs pour créer des innovations personnalisées dans de nombreux secteurs verticaux. Celles-ci incluent des applications pour les sociétés de premier ordre, les gouvernements, les petites entreprises, les sociétés de jeux, les innovateurs, les perturbateurs et les startups‚ pour n'en nommer que quelques-uns.

De quelles manières avez-vous assumé le travail de personnalisation et de conception de systèmes en tant que service (SaaS) pour les constructeurs de machines ?

Galant: Nous aidons les constructeurs de machines au niveau des composants dans les moteurs/réducteurs à courant continu. Travailler avec un spécialiste des moteurs comme ISL Products aide les équipementiers à rationaliser cet aspect en s'appuyant sur des experts plutôt qu'en cherchant sur Internet une solution possible. ISL conçoit et fabrique des moteurs/réducteurs à courant continu selon les spécifications du client en adaptant nos conceptions standard. Nous considérons ce processus comme un service à valeur ajoutée pour tous nos clients tout en offrant des prix compétitifs.

Vous combattrez : La mission d'ECM est d'étendre le logiciel aux innovateurs et aux ingénieurs pour répondre aux futures exigences des moteurs électriques hautement spécialisés. Selon une estimation, la demande de moteurs électriques atteindra plus d'un milliard d'unités par an dans presque toutes les verticales imaginables dans un secteur évalué à plus de 200 milliards de dollars par an. Au départ, cela peut ressembler à un défi matériel. En fin de compte, nous avons conclu que la conception SaaS est essentielle pour répondre aux besoins des moteurs de nouvelle génération. Cela réside fondamentalement dans une évaluation selon laquelle ce qui a fonctionné dans le passé avec la conception de moteurs électriques ne fonctionnera pas à l'avenir. Trois facteurs déterminent la nécessité d'une approche plus spécialisée.

Un catalyseur évident est la conversion de bon nombre de ces catégories‚ telles que la mobilité et le chauffage‚ des combustibles fossiles à l'énergie électrique. Un facteur supplémentaire est l'essor de la robotique et de l'automatisation dans plusieurs secteurs. Et un troisième facteur qui stimule le besoin mondial de moteurs électriques est la volonté de convertir une plus grande partie de notre énergie en électricité.

Nous avons effectué des recherches internes pour déterminer quel type de machines servira le mieux cet avenir électrifié. Une conclusion prédominante : le monde n'aura pas simplement besoin de plus de moteurs électriques. Les marchés mondiaux auront besoin de moteurs électriques de nouvelle génération plus efficaces, plus performants, sur mesure et produits de manière plus durable. Pour créer ces machines, les équipementiers et les ingénieurs d'usine auront besoin de meilleures conceptions. D'après l'expérience d'ECM, la meilleure façon de réaliser ces conceptions est de leur offrir les avantages de performance et de durabilité des moteurs électriques PCB Stator via un logiciel en tant que service. Notre plate-forme PrintStator SaaS permet aux ingénieurs de créer leurs propres moteurs électriques PCB Stator, conçus pour des performances précises et des spécifications de facteur de forme. ECM teste actuellement PrintStator en version bêta avec des plans pour une version SaaS complète en 2023.

Un employé d'ECM tient un stator bobiné en cuivre conventionnel (à gauche) et un stator PCB ECM (à droite) à des fins de comparaison.

Quelles tendances récentes voyez-vous dans la connectivité des moteurs et des variateurs ?

Gottlieb : La sécurité sur EtherCAT permet une installation simple et la surveillance variateur-moteur est rapide - vous n'avez pas à attendre la surveillance du contrôleur. L'une des applications les plus élémentaires où j'ai vu des travaux de sécurité est l'ajout de flans d'emballage dans une trémie pendant que la machine est en marche. Les flans sont maintenus dans une section verrouillée de la machine, mais vous pouvez ouvrir les poignées de verrouillage de la boîte de flans à des vitesses de sortie lentes de la machine, permettant à la machine de continuer à fonctionner tout en l'alimentant. Cela évite l'arrêt et le cycle de démarrage qui s'ensuit - dont il n'y a aucune garantie que le redémarrage se déroulera sans heurts.

De plus, les disques de sécurité sont un "must have" sur le marché. Les fonctions de sécurité avancées permettent une productivité humaine améliorée et une sécurité statistique améliorée pour l'interaction humaine pendant que la machine est en marche ou si la machine est arrêtée. L'arrêt sécurisé du couple sur un variateur est désormais un « enjeu de table », et là où les constructeurs de machines peuvent se différencier, c'est dans les options de sécurité avancées permettant une vitesse sûre, un arrêt sûr, une direction sûre, etc. Nous proposons seize fonctions de sécurité différentes dans notre moniteur SafeMotion afin que l'OEM puisse choisir la méthodologie qui lui convient.

Vous combattrez : L'ECM peut intégrer n'importe quelle connexion par câble ; nous l'avons fait à plusieurs reprises, en fonction des besoins du client pour l'application.

Le processus breveté d'ECM remplace le câblage en cuivre du stator dans un moteur conventionnel par une carte de circuit imprimé, permettant des conceptions de moteur extrêmement minces, comme illustré ici.

Galant: Au fil des ans, nous avons aidé de nombreux clients en leur fournissant des solutions de moteur à valeur ajoutée. Cela revient à ajouter une légère personnalisation aux moteurs pour aider à rationaliser le processus d'assemblage du client. L'une des demandes les plus courantes consiste à ajouter des fils conducteurs aux bornes du moteur. Certains clients demandent également l'ajout d'un connecteur spécifique - de marques courantes telles que Molex, TE, JST et autres.

Il s'agit d'une simple demande de notre équipe de fabrication, permettant à nos clients une installation plus rapide sur leur chaîne de montage. C'est un service que nous sommes heureux d'offrir.

Gottlieb : Je pense que vous voyez l'exigence de flexibilité dans les connexions de câbles du point de vue de la chaîne d'approvisionnement. Nous devons nous assurer qu'il existe une interopérabilité entre les connecteurs de différents fournisseurs en ces temps de chaînes d'approvisionnement précaires.