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当前电机在智能制造进程中会面临的技术难点与市场机遇
http://www.31bear.com 2020-12-01 13:47:02 中国工控网
轴承网】讯
  电机作为自动化运动控制技术的重要关键部分,是帮助智能制造业提升竞争优势的核心产品。值得一提的是,在各种细分领域上,自动化技术的不断成熟不仅满足主动控制的需求,对被动电机技术的安全驱动规模也在逐年提升。此外如今电机技术系统更具精准的驱动能力,更强大的数据处理分析能力和控制需求优化。
 
  5G数字化、物联网、大数据等信息技术的应用促进了传统制造业转型,并且推动智能制造在全球各个领域迅速铺开。自动化水平是全世界各国经济持续发展水平的重要参考因素,不管是德国提倡的“工业4.0”、美国主张的“工业互联网”,还是中国重视的“中国制造2025”,都对自动化运动控制技术的发展有着积极推进的作用。
 
  而电机作为自动化运动控制技术的重要关键部分,是帮助智能制造业提升竞争优势的核心产品。业内人士普遍认为,在疫情与国际经济环境双重影响下,电机行业成为资本力量的热门选择。一方面是,不同地区出现用工紧张或支出成本较高;另一方面是,受政策影响,拥有丰富研发实力、规模较大的电机企业是市场投资的目标之一。
 
  以如今流行的直流无刷电机为例,在全球范围内其的供需都呈现了直线上升的趋势。据GrandviewResearch的数据显示,亚洲的市场份额达到了46.94%,未来将会进一步攀升。据前瞻预测,2027年亚洲无刷电机将达到135.5亿美元左右。同时,该类型的电机在近几年内应用持续火爆,如无人机、电动工具等消费类电子产品的出货量都达到千万件数量级别。
 
  可以预见的是,直流无刷电机在未来的受欢迎程度将会超出预期,而目前我们所看到的它所在应用领域的仅仅是冰山一角。那么从早期使用的普通电机,到现在改用直流无刷电机、永磁同步电机等其他先进技术类型电机的中间到底发生了哪些有趣的变化呢?11月6日,由大比特资讯主办的第二届电机前瞻技术与市场发展论坛正式召开。会议上,围绕直流无刷电机、高转矩密度电机、永磁同步电机、直流电机EMC、钕铁硼磁体以及电机控制发展趋势的话题,大比特资讯产业研究室、峰岹科技、华中科技大学、华芯微特、韬略科技、成都银河、深圳大学机电与控制工程学院企业代表与高校教授,分享了当前电机在智能制造进程中会面临的技术难点与市场机遇,并对如何在产品选型中找到创新研发方向的提出建议。
 
  BLDC电机成为自动化产业链“价值者”
 
  首先,如今电机的能力在众多产业链中占据着不可替代的作用,其中热门的BLDC电机更是要比原来普通电机适用全方位的自动化发展需求,据大比特资讯分析师邱诗晓介绍,BLDC电机不仅打破了直流电机和交流电机的严格界限,而且它基于应用场景的不同可以选择方波驱动、正弦波驱动,使用V/F控制、FOC控制等各种电机控制方式。
 
  例如国内蒸蒸日上的无人机产业,无刷直流电机就广泛运用在其中,电机和螺旋桨的搭配方式直接影响无人机的载荷和续航能力,一台专业级的无人机至少需要4~6个无刷直流电机。受疫情因素市场上增加了对无人机的需求。
 
  新类型的产品衬托出BLDC电机性能发挥的优势,并满足通用解决方案以外的特定用户需求,在增强用户体验包括易用操作性、便捷方便性、交互理解性上,可以让用户更快地看到核心产品带来的特别属性。
 
  峰岹科技应用技术总监罗薛认为,直流无刷电机无疑是未来的主流方向,它相较于有刷电机而言,在产品使用寿命上是有着显著的区别,尤其是不采用碳刷后,电刷与换向器的摩擦声大大减小了。以家庭跑步机为例,基于有刷电机的跑步机,通常使用寿命会在100-200个小时左右,如果消费用户平均每日跑步半个小时,那么不足一年时间,跑步机则处于损坏状态;而基于无刷电机的跑步机,使用寿命则能有较大幅度的提升,在效率标准执行方面会更具规模,而且能降低噪音影响带来的不好体验。
 
  当然,单独争论某一类型的产品是不具备技术领域持续性的,所以,峰岹科技围绕电机驱动技术、芯片技术和传感器技术三大领域,带来全球首创的多项三相单相无霍尔直流无刷驱动技术及单相霍尔不敏感直流无刷驱动技术,在有效满足了多个产业领域对高性能电机驱动控制专用芯片微型化、数字化、智能化、多功能化、高集成化的要求。
 
  回望市场需求的变化,作为革新和增强传统制造过程中加速高效节能类型电机技术未来发展的途径而言,受用户认可会是处于首要地位。其产品除了可以获取很高的效率以实现应用在被连续使用的设备中,同时它们还充当了将精准控制和数字智能领域相结合的桥梁。
 
  另外,基于“精准控制+数字智能”的模式,可进行的智能电机技术探索将有利于形成一套完整有效率的生产体系,但目前以传统制造为主的产业其可变性和可调节性又取决于市场需求的变化而变化,而且生产周期亦无法实现特定情况的短期需求,造成同类矛盾重复出现。对此,邱诗晓认为,原材料上涨、用工费用的上升以及整机价格下降,再加上近年来产能过剩以及产品附加值低,传统制造业已进入微利时代。
 
  虽然实力雄厚的大企业可以依托自身的优势转型全自动化的产品设备,但是国内较多的中小型企业仍处于传统制造转型为半自动生产的过程中。他还强调,唯有降低成本、保证质量、提升产能和供货速度是微利时代赢得市场的唯一出路,同时自动化才能满足这些需求。
 
  永磁体材料应用驱动更加智能的未来
 
  电机自动化进程中除了控制方式与结构设计之外,近年来发展迅速的永磁体材料为电机产业带来创新的变化,特别是钕铁硼等高磁能积稀土永磁材料的应用,为无槽电机的实用化创造了条件,它不仅能彻底消除齿槽效应引起的转矩波动外,还能大幅度削弱由于电枢反应和机械偏心而产生的转矩波动。
 
  据成都银河磁体技术副总经理何金洲介绍,永磁体主要分为铁氧体永磁与稀土永磁两大类别,其中属于稀土永磁的钕铁硼磁体在实际应用中优势明显。他分别说明了,粘结钕铁硼磁体磁环的磁极数和磁极螺旋角无需在成型过程中预定,仅需要改变充磁线圈设计,可提供给客户设计自由度大;热压钕铁硼磁体则圆周均匀性好、充磁自由度大、耐温性较好、耐腐蚀性较好、可制作的尺寸范围广。
 
  在可知目前永磁体材料的属性与价格等独特优势后,大大提高了在它在各种应用市场的价值地位,主要应用于汽车工业、办公室设备、家电、电动工具、轨道交通等精密机械领域。何金洲认为,站在稀土永磁的角度上看,目前我国在这方面的市场前景与竞争力都是有十足底气的,例如在汽车行业或电机行业,我国向美国、欧洲、日本等发达地区的供应份额占比较大,而且在未来,国内钕铁硼稀土钕铁硼行业发展迅速,技术水平不断提升,物美价廉的国产磁体将扮演重要角色。
 
  借助国产力量永磁同步电机更进一步
 
  现如今电机研发将众多新材料、新工艺、新技术、新设计融入产品当中,随之无一例外都会遇到转矩、功率、效率、尺寸、重量及其他性能参数的挑战。在日益火爆的新能源汽车市场,驱动电机系统是其核心系统之一,其性能决定了爬坡能力、加速能力以及最高车速等汽车行驶的主要性能指标。
 
  当前,从行业配套上看新能源汽车所使用的电机主流主要分为两种,一是以特斯拉为代表的交流异步电机;二是以比亚迪等自主品牌为代表的永磁同步电机。其中永磁同步电机具有体积小、效率高、重量轻、可靠性好、工作温升小等优势,在新能源汽车驱动器中采用较多。但永磁同步电机并非毫无弱点可言,其存在最最大转矩受永磁体去磁约束,抗震能力差,高转速受限制,功率较小,成本高和起动困难等缺点。
 
  但整体上看,我国在驱动电机上取得了较大的突破,已经自主开发出满足各类新能源汽车需求的产品,部分主要性能指标已达到相同功率等级的国际先进水平,在本次峰会上,华芯微特电机高级算法工程师程思远带来,基于ARM CORTEX-M0、M4内核的SWM190系列以及SWM201系列,面向汽车电子,电机驱动,水泵、智能控制和物联网等领域推出了多个系列的MCU产品,而且产品在可靠性、稳定性等方面直接对标国际芯片厂商。
 
  此外,峰会上比亚迪汽车集成开发高级工程师杨永峰告诉大比特记者,由于永磁同步电机内部构造中有永磁体材质的高质量转子磁极,所以能区别于感应电机、直流电机、绕线式电机等产品,不需要重新在电机内部单独建立一个类似磁场,也能达到效率更高的要求。
 
  在新能源汽车领域,续航能力是一大市场痛点,永磁同步电机除了效率上佳方面外,在控制能力上也比三相电机控制要更加好操作,此外,在保持高效率驱动的同时,损耗也相比其他类型电机产品要小,损耗较低意味着体积与重量会比其他类型电机下降。因此,在生产相同功率的电机产品的整车时,整体的重量会有一定的下降,符合如今新能源汽车轻量化的时代特点,并且在体积和重量下降的情况下,汽车厂商便有了变化性的设计而言,让用户在乘坐空间上更加宽敞和舒适。
 
  结语
 
  总的来说,疫情因素迫使很多产业会考虑整合供应链,想要实现关键零部件自主化生产。在各种细分领域上,自动化技术的不断成熟不仅满足主动控制的需求,对被动电机技术的安全驱动规模也在逐年提升。
 
  未来在新兴产业上,需要在云服务、大数据等智能化平台辅助下,让电机技术系统更具精准的驱动能力,更强大的数据处理分析能力和控制需求优化。
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