Los usos en evolución de la automatización para motores y variadores

Dec 10, 2023

Por Miles Budimir | 23 de marzo de 2023

A medida que la automatización continúa expandiéndose en las aplicaciones existentes y más nuevas, la tecnología de automatización habilitadora está evolucionando para seguir el ritmo de estos cambios. Los motores y accionamientos no son una excepción. En particular, los motores se han vuelto más pequeños para adaptarse a las restricciones de espacio y tamaño en aplicaciones nuevas y únicas. También ha habido cambios en la forma en que se diseñan y construyen los motores, con un aumento en los diseños personalizados, así como en las redes y conectividad de motores y variadores.

Recientemente preguntamos a varios expertos líderes de la industria sobre las tendencias que están viendo en las tecnologías de motores, motorreductores y accionamientos. Esto es lo que esos expertos tenían que decir.

Conoce a los expertos

Biren Patel|Gerente de desarrollo de negocios, soluciones de movilidad · maxon

Chris Gottlieb |Director, unidades y control ·Buen día

david beckstoffer|Gerente de desarrollo de negocios · Portescap

James galante|Director de operaciones · ISL Products International Ltd.

Lorenzo Lin |Gerente de desarrollo de negocio de baterías EV · Festo

Robert Luchars|Vicepresidente de desarrollo comercial · ECM Tecnología de estator de PCB

¿Cómo es que los fabricantes de motores pueden construir motores de tamaños imposibles hace solo una década?

Beckstoffer: La miniaturización de los motores en los últimos años se ha logrado gracias a varios factores clave: diseño, materiales y capacidad de automatización. Desde una perspectiva de diseño, los avances en el software de simulación brindan a los ingenieros la capacidad de evaluar conceptos de menor diámetro para confirmar la viabilidad. Los ingenieros también continúan empujando los límites de la reducción de tamaño a través de características de motor únicas y patentadas. Esto se ve facilitado aún más por los avances en los materiales, incluidos los imanes de mayor potencia, los metales más conductores y los componentes de mayor resistencia.

Todo esto requiere automatización para enrollar con precisión las bobinas y completar el ensamblaje de los componentes en miniatura de los motores. Con los continuos avances en estas áreas, los fabricantes de motores han podido diseñar y producir motores con diámetros y longitudes cada vez más pequeños.

Galante: Los motores sin escobillas se han vuelto mucho más aceptados y utilizados en los últimos años. Junto con eso, el costo de desarrollo se ha reducido significativamente, haciéndolos más asequibles. Podemos ofrecer motores sin escobillas con cajas de engranajes planetarios tan pequeños como 22 mm de diámetro. Los motores sin escobillas, por diseño, son un poco más susceptibles a los elementos con una mejor clasificación IP. Recibimos alrededor del 50 % de las solicitudes de nuevos clientes de motores sin escobillas frente a motores con escobillas.

Nuestros motorreductores se pueden encontrar en casi cualquier aplicación comercial o industrial, desde electrodomésticos hasta robótica y equipos de caza. Ofrecemos cajas de engranajes planetarios, rectos o helicoidales en nuestros motores de CC. Nuestros motores son con escobillas o sin escobillas y también hay disponibles opciones sin núcleo. Nuestros motorreductores planetarios pueden ser tan pequeños como de 12 mm de diámetro, y los motorreductores de tornillo sinfín pueden tener hasta más de 70 mm de diámetro.

Los servoaccionamientos CMMT-ST de Festo se montan en el propio robot en lugar de en el sistema de pinzas, lo que libera espacio en la pinza y simplifica el diseño.

Beckstoffer: Los motores CC sin escobillas (BLDC) brindan ventajas operativas con su capacidad de alta velocidad y conmutación electrónica. Además, un diseño BLDC sin ranura permite una rápida aceleración y desaceleración debido al diseño de bobina cilíndrica autoportante. Los dispositivos de apoyo circulatorio a corto plazo ayudan al corazón del paciente durante un evento cardíaco o una cirugía, y complementan el bombeo de sangre por todo el cuerpo. El dispositivo debe funcionar a alta velocidad y ser extremadamente sensible al ritmo sinusal del corazón, lo que hace que los motores sin ranura BLDC sean una solución ideal. La alta densidad de potencia de estos motores también garantiza que haya suficiente par disponible para responder a cualquier cambio en el estado del paciente.

Luchars : Los clientes generalmente acuden a ECM con la intención de eliminar los engranajes de su diseño, ya que los trenes de engranajes en los sistemas de motor generalmente agregan tamaño, costo, complejidad y ruido al sistema. En cambio, nuestros socios están interesados ​​en una solución de accionamiento directo. ECM es capaz de ejecutar el análisis de transmisión directa (además de una variedad de diseños de relación de transmisión) para explorar el costo, el tamaño y el peso de cada uno. Debido a que podemos ejecutar un análisis rápido de varios sistemas de engranajes, la combinación óptima de velocidad y par se puede determinar rápidamente con alta certeza. Esto nos permite diseñar combinaciones adecuadas de motor, tren de engranajes y sistema.

¿Cuáles son algunas aplicaciones de motor nuevas y únicas que ha admitido recientemente?

Patel: maxon ha lanzado una nueva familia de motores sin marco diseñados específicamente con movimientos dinámicos en mente. La serie DT (Dynamic Torque) se puede integrar fácilmente en una amplia gama de aplicaciones, específicamente cuando se trata de aplicaciones donde la velocidad puede cambiar instantáneamente. El rotor y el estator se entregan por separado, sin cojinetes ni eje del motor, y solo se conectan durante el montaje. Las características de la serie de motores EC sin marco DT incluyen inercia mínima del rotor, excelente disipación de calor, compacidad e integración extremadamente simple. El diseño plano, los altos pares y el espacio para prensaestopas permiten un alto nivel de integración en una aplicación determinada.

Gottlieb: En cuanto a las mejoras basadas en el diseño, la concentración en la optimización del flujo produce motores como el Kollmorgen AKM2G, que incluye una gran densidad de par y una mayor potencia en el mismo paquete que las generaciones anteriores de servomotores. O considere el próximo lanzamiento de nuestro servomotor de lavado AKMA. Realmente está resolviendo el problema de que el motor de pintura de calidad alimentaria es inaceptable en un entorno alimentario, ya que la pintura se puede despegar, pero es mucho más económico que el nivel de requisitos sanitarios del motor higiénico AKMH. Golpeará un verdadero punto dulce.

Luchars: Con respecto a los ajustes de lavado o corrosivos, ECM puede encerrar completamente sus motores, mientras los mantiene frescos, debido a las cualidades patentadas de nuestros estatores. Los estatores de PCB utilizan tanto el cobre inactivo como el activo en el estator de PCB para conducir el calor a través de la carcasa de aluminio, en lugar de requerir que el aire sea aspirado o soplado a través de los devanados del estator, como ocurre en una máquina tradicional de bobinado de alambre. Esto es beneficioso ya que mejora radicalmente el sellado y la protección de los componentes internos del motor para limitar la entrada de otros objetos extraños, desechos o fluidos dañinos.

Lin: Los fabricantes de baterías para vehículos eléctricos responden al hecho de que Festo construyó sus motores paso a paso EMMT y sus servoaccionamientos CMMT compactos para la interoperabilidad en sistemas de movimiento complejos. Las unidades CMMT son compatibles con todos los principales protocolos de comunicación basados ​​en Ethernet para una amplia aplicabilidad. La combinación EMMT/CMMT es ideal para producir la velocidad, el par y la precisión necesarios en los pórticos. Festo también proporciona ejes mecánicos para una ventanilla única de productos interoperables.

Luchars: La mayoría de las aplicaciones de motores con escobillas que hemos visto han sido para bienes de consumo sensibles al costo. Estos, por supuesto, tienen un mayor desgaste y una menor eficiencia, pero son simples y competitivos en costos. ECM puede usar rápidamente nuestra plataforma de diseño de software, PrintStator, para comprender si una oferta de PCB Stator sería competitiva en costos. Esto ahorra una gran cantidad de tiempo y recursos que podrían terminar dedicándose a un proyecto determinado, solo para luego determinar que la tecnología no es la adecuada. Si una máquina con estator para PCB es competitiva en costos, todos los inconvenientes de una máquina cepillada típica se eliminarían con una máquina con estator para PCB. ECM puede diseñar varios motores, desde ventiladores y sopladores HVAC de velocidad constante, hasta motores de torque con requisitos de resolución y torque. Esta es otra tarea fácil desde una perspectiva de modelado para ver cómo la producción de par de una máquina ECM se compara con la de un servo o paso a paso tradicional.

Esta vista ampliada muestra un motor ECM con un estator de PCB utilizado en un controlador de volante para el control de la cámara.

Durante los últimos años, ECM ha tomado las especificaciones de los clientes para varias aplicaciones de motores eléctricos para que nuestros ingenieros internos y socios beta puedan usar PrintStator para modelar, crear prototipos y producir soluciones de diseño. También hemos formado sociedades con casas de producción para clientes sin capacidad de fabricación. Vemos este modelo como un medio para extender las capacidades de los motores de próxima generación a los proveedores de motores existentes y cualquier vertical que requiera máquinas eléctricas. Los estatores diseñados por PrintStator se pueden imprimir en cualquier parte del mundo, por lo que, en esencia, estamos permitiendo que nuestros socios de SaaS se conviertan en sus propios OEM de motores.

También participamos activamente en colaboraciones de diseño de motores eléctricos con empresas como Celestica, un fabricante multinacional de productos electrónicos, y anunciaremos varias asociaciones nuevas con grandes fabricantes mundiales en 2023. Ofrecer PrintStator a través de un producto SaaS completo ampliará los beneficios de PCB Diseño de motores eléctricos de estator para múltiples innovadores para crear innovaciones personalizadas en numerosas verticales. Estos incluyen aplicaciones para corporaciones de primer nivel, gobiernos, pequeñas empresas, empresas de juegos, innovadores, disruptores y nuevas empresas, por nombrar algunas.

¿De qué manera ha asumido la personalización y el trabajo de diseño de sistemas como servicio (SaaS) para los fabricantes de máquinas?

Galante: Ayudamos a los fabricantes de máquinas a nivel de componentes en motores de CC/motorreductores. Trabajar con un especialista en motores como ISL Products ayuda a los OEM a simplificar ese aspecto confiando en expertos en lugar de buscar en Internet una posible solución. ISL diseña y fabrica motores/motorreductores de CC según las especificaciones del cliente al adaptar nuestros diseños estándar. Consideramos este proceso como un servicio de valor agregado para todos nuestros clientes al mismo tiempo que ofrecemos precios competitivos.

Luchars: La misión de ECM es extender el software a innovadores e ingenieros para cumplir con los requisitos futuros de motores eléctricos altamente especializados. Según una estimación, la demanda de motores eléctricos aumentará a más de mil millones de unidades al año en casi todas las verticales imaginables en un sector valorado en más de $ 200 mil millones anuales. Inicialmente, esto puede sonar como un desafío de hardware. En última instancia, hemos llegado a la conclusión de que el diseño de SaaS es vital para satisfacer las necesidades de los motores de próxima generación. Eso radica fundamentalmente en una evaluación de que lo que funcionó en el pasado con el diseño de motores eléctricos no funcionará en el futuro. Hay tres factores que dan forma a la necesidad de un enfoque más especializado.

Un catalizador obvio es la conversión de muchas de estas categorías, como la movilidad y la calefacción, de combustibles fósiles a energía eléctrica. Un factor adicional es el aumento de la robótica y la automatización en múltiples sectores. Y un tercer factor que estimula la necesidad mundial de motores eléctricos es el impulso para convertir más de nuestra energía en electricidad.

Hemos realizado una investigación interna para determinar qué tipo de máquinas servirán mejor en este futuro electrificado. Una conclusión predominante: el mundo no necesitará simplemente más motores eléctricos. Los mercados globales requerirán motores eléctricos de próxima generación que sean más eficientes, de mejor rendimiento, personalizados y producidos de manera más sostenible. Para crear esas máquinas, los OEM y los ingenieros de planta requerirán mejores diseños. Según la experiencia de ECM, la mejor manera de lograr esos diseños es ofrecerles los beneficios de rendimiento y sostenibilidad de los motores eléctricos con estator de PCB a través de software como servicio. Nuestra plataforma PrintStator SaaS permite a los ingenieros crear sus propios motores eléctricos PCB Stator, diseñados para especificaciones precisas de rendimiento y factor de forma. Actualmente, ECM está realizando una prueba beta de PrintStator con planes para un lanzamiento completo de SaaS en 2023.

Un empleado de ECM sostiene un estator bobinado de cobre convencional (a la izquierda) y un estator de PCB de ECM (a la derecha) para comparar.

¿Qué tendencias recientes ve en la conectividad de motores y variadores?

Gottlieb: Safety over EtherCAT permite una instalación sencilla y la supervisión del variador al motor es rápida: no tiene que esperar a la supervisión del controlador. Una de las aplicaciones más básicas en las que he visto trabajo de seguridad es donde se agregan espacios en blanco de empaque en una tolva mientras la máquina está funcionando. Los espacios en blanco se mantienen en una sección entrelazada de la máquina, pero puede abrir las manijas de bloqueo de la caja de espacios en blanco a velocidades de salida lentas, lo que permite que la máquina siga funcionando mientras la alimenta. Esto evita el apagado y el posterior ciclo de inicio, del cual no hay garantías de que el reinicio se realice sin problemas.

Además, las unidades de seguridad son imprescindibles en el mercado. Las funciones de seguridad avanzadas permiten mejorar la productividad humana y mejorar la seguridad estadística para la interacción humana mientras la máquina está funcionando o si la máquina está parada. Safe Torque Off en un variador ahora es 'apuestas de mesa', y donde los fabricantes de máquinas pueden diferenciarse es en las opciones de seguridad avanzadas que permiten velocidad segura, parada segura, dirección segura y más. Ofrecemos dieciséis funciones de seguridad diferentes en nuestro SafeMotion Monitor para que el OEM pueda elegir la metodología que funcione para ellos.

Luchars: ECM puede incorporar cualquier cable de conexión; esto lo hemos hecho en varias ocasiones, dependiendo de lo que el cliente requiera para la aplicación.

El proceso patentado de ECM reemplaza el cableado de cobre del estator en un motor convencional con una placa de circuito impreso, lo que permite diseños de motor extremadamente delgados, como se muestra aquí.

Galante: A lo largo de los años, hemos ayudado a muchos clientes brindándoles soluciones de motores de valor agregado. Esto se reduce a agregar una ligera personalización a los motores para ayudar a optimizar el proceso de ensamblaje del cliente. Una de las solicitudes más comunes es agregar cables conductores a los terminales del motor. Algunos clientes solicitan que también se agregue un conector específico, de marcas comunes como Molex, TE, JST y otras.

Esta es una solicitud simple para nuestro equipo de fabricación, lo que permite a nuestros clientes una instalación más rápida en su línea de ensamblaje. Es un servicio que nos complace ofrecer.

Gottlieb: Creo que está viendo el requisito de flexibilidad en las conexiones de cables desde la perspectiva de la cadena de suministro. Necesitamos asegurarnos de que haya interoperabilidad entre los conectores de diferentes proveedores durante estos tiempos de cadenas de suministro precarias.