Серводвигатели с прямым приводом: отказ от редукторов и повышение точности

Серводвигатели с прямым приводом (Direct Drive Motors, DD-моторы) представляют собой революционную технологию в области промышленной автоматизации, устраняющую традиционные механические передачи между двигателем и нагрузкой. В отличие от классических серводвигателей, которые требуют редукторов, ремней и муфт для согласования скорости и крутящего момента, системы прямого привода напрямую соединяют ротор двигателя с перемещаемым объектом.

Эта архитектура обеспечивает измеримые преимущества в динамике, точности, повторяемости, энергосбережении и низких требованиях к обслуживанию. Отсутствие механической трансмиссии между двигателем и нагрузкой означает меньшую вероятность ошибок передачи, что приводит к более высокой точности позиционирования и управления скоростью.

Глобальный рынок серводвигателей с прямым приводом демонстрирует устойчивый рост, отражая растущий спрос на высокоточные решения автоматизации. Объем рынка оценивается в 3,5 миллиарда долларов США в 2024 году и, как ожидается, достигнет 5 миллиардов долларов к 2030 году. Общий рынок серводвигателей и приводов вырос с 16,26 миллиарда долларов в 2024 году до 17,16 миллиарда в 2025 году при среднегодовом темпе роста 5,5%.

Технологические достижения являются значимым трендом на рынке серводвигателей и приводов. Эти достижения облегчают разработку дизайна продукции и упрощают управление движением, позволяя создавать более компактные, эффективные и точные системы автоматизации для различных отраслей промышленности.

Принцип работы и конструктивные особенности

Серводвигатели с прямым приводом устраняют все промежуточные элементы между источником крутящего момента и приводимым в действие объектом, реализуя непосредственную связь. Эта концепция радикально отличается от традиционных систем, где двигатель вращается со скоростью в несколько тысяч оборотов в минуту, а затем крутящий момент передается через редуктор для снижения скорости и увеличения момента.

Прямой привод не только улучшает движение, но также уменьшает требования к обслуживанию и увеличивает доступность оборудования. Джефф Арнольд, специалист по продукции компании Kollmorgen, указывает на случай с машиной подачи для прессов, где редуктор подвергался такому интенсивному старт-стопному движению, что выходил из строя преждевременно.

Регулярное обслуживание этой машины заключалось в замене редуктора каждый год, потому что компания знала, что если его не заменить, он сломается. Прямой привод предложил альтернативу: исключив редуктор, производитель оригинального оборудования смог устранить точки отказа и минимизировать время простоя. Это существенно сокращает количество деталей: старая конструкция имела двигатель, редуктор, ремень и шкив, а также все кронштейны, которые скрепляли это вместе, теперь машина значительно проще в сборке.

Безрамные моторы прямого привода

Безрамные моторы прямого привода представляют собой наиболее интегрированную форму технологии, состоящую только из статора и ротора без корпуса, подшипников или выходного механизма. Эта конструкция позволяет производителям оборудования интегрировать двигатель непосредственно в свои механические системы, экономя пространство, снижая вес и улучшая общую производительность системы.

Безрамные моторы прямого привода служат основным источником энергии для современного прецизионного оборудования, их производительность напрямую определяет точность и надежность высококлассных устройств. Производство безрамных моторов прямого привода является искусством, сочетающим науку о материалах, прецизионную механику и электромагнетизм.

Точность воздушного зазора между статором и ротором обычно должна контролироваться на микрометровом уровне. С развитием процессов безрамные моторы прямого привода достигнут более высокой плотности мощности, меньшего размера и большей точности, а точность круглой сборки сегментированных статоров достигнет микрометрового уровня.

Арнольд отмечает, что безрамные двигатели прямого привода требуют много работы для проектирования интеграции, они имеют ограниченные применения - люди, которые их используют, действительно нуждаются в производительности. Есть случаи, когда невозможно допустить люфт, поэтому даже когда двигатели прямого привода были действительно сложными, некоторые люди все равно их использовали.

Он приводит иронический пример производителя прецизионных шестерен, который обратился к прямому приводу, потому что включение редуктора в систему ухудшало точность их продукции. Это подчеркивает парадокс: даже компания, специализирующаяся на производстве высокоточных редукторов, признает, что для достижения максимальной точности лучше вообще отказаться от редукторов.

Применение в полупроводниковой промышленности

Полупроводниковая индустрия предъявляет одни из самых высоких требований к системам управления движением, сочетая экстремальную точность и прецизионность с высокой производительностью. Основным параметром, характеризующим движение в полупроводниковой промышленности, является высокая точность, будь то фронт-энд или бэк-энд производство.

Независимо от применения - литография, метрология и инспекция, обработка пластин и монтаж кристаллов - все требуют, чтобы стадия имела высокую точность и повторяемость с постоянно растущими требованиями к производительности. Двигатели прямого привода делают эти требования возможными.

Множественные двигатели прямого привода используются для обработки пластин внутри полупроводникового оборудования. Моторы прямого привода применяются в SCARA-роботах для обработки пластин, где двигатели обеспечивают точное вращение или безопасную транспортировку пластины в технологическую камеру или на следующую станцию. Линейные двигатели также используются для поступательного движения внутри полупроводникового оборудования.

Фронт-энд полупроводникового производства относится к изготовлению от чистой пластины до завершенной пластины, когда микрочипы созданы, но они все еще находятся на пластине. Многие фронт-энд процессы включают вращение пластины, что звучит просто, пока не осознаешь, что инерционное несоответствие между креплением пластины и двигателем может легко достигать 2000:1 для системы прямого привода.

Это представляет проблему настройки при попытке поддерживать превосходную реакцию скорости и положения. Сервоприводы ADVANCED Motion Controls имеют инструменты и средства управления для настройки этого приложения в соответствии со спецификацией.

После обработки пластина проходит через ряд этапов, прежде чем стать чипом, известных как бэк-энд производство. Сначала пластина разрезается на отдельные чипы, процесс, обычно называемый резкой пластин, затем происходит проволочное соединение и крепление кристаллов. Чтобы поддерживать производительность как можно выше, эти операции захвата и размещения должны происходить на очень высокой скорости и с субмикронной точностью.

Безжелезные двигатели Tecnotion идеально подходят для этих применений благодаря их низкой массе и высокой точности. Многие применения в полупроводниковой промышленности происходят в вакуумной среде, где стандартный двигатель не будет работать, так как не сможет выдерживать низкое давление воздуха, и выделение газов будет неприемлемым.

Безредукторные приводы для горнодобывающей промышленности

Принципиальная идея безредукторной приводной системы заключается в уменьшении количества компонентов и разнообразия деталей. Особенно устраняются компоненты, которые находятся на грани текущих производственных или мощностных ограничений, что обеспечивает возможность масштабирования и увеличения мощности, передаваемой приводимой машине.

Снижающиеся содержания руд, приводящие к увеличению требований к транспортировке материалов и пропускной способности заводов, являются одним из главных вызовов в текущей горнодобывающей среде. Это сопровождается ростом затрат на энергию и рабочую силу, снижением производительности заводов и требованием наивысшей доступности оборудования.

Ответом Siemens является новейшая безредукторная приводная технология для измельчения и транспортировки. Безредукторные приводные решения превосходят механические ограничения традиционных приводных систем, используя принцип экономии масштаба. Путем устранения различных компонентов приводной цепи сокращаются мероприятия по техническому обслуживанию и запасы запчастей.

Преимущества кульминируют в несравненной доступности безредукторной приводной технологии Siemens около 99,5%, подтвержденной детальными реальными эксплуатационными данными с рудника Antapaccay в Перу. Это было первое предприятие в мире, использующее безредукторные приводы для обоих применений - измельчения и транспортировки.

Безредукторные приводы для крупных рудных конвейеров

За последние несколько лет все чаще используются ленточные конвейеры, требующие высокой приводной мощности и производительности. Из-за критической природы этих приводных решений надежность и эффективность являются существенными, ThyssenKrupp и Siemens предпочитают прямолинейную конструкцию с ограниченным количеством компонентов для достижения этой цели.

Приводная цепь просто состоит из приводного барабана и двух включенных подшипников, что означает, что двигатель напрямую соединен с валом барабана, полностью устраняя подшипники двигателя. При использовании двигателя без подшипников вся приводная система имеет только два подшипника барабана и никаких муфт в сравнении с традиционной конструкцией, которая требует двенадцать подшипников и две муфты.

Низкоскоростной синхронный двигатель с подшипниками потребовал бы два дополнительных подшипника и большую муфту между двигателем и приводным барабаном. Уменьшение количества муфт и подшипников двигателя означает гораздо меньше движущихся частей, что приводит к более высокой надежности и меньшим требованиям к обслуживанию.

Для безредукторных приводов, установленных на Antapaccay, Siemens использовала циклоконвертеры вместо инверторов источника напряжения. Циклоконвертеры имеют высочайшую надежность и эффективность 99,5%, а также высокие возможности перегрузки, которые особенно требуются для работы на низких скоростях.

Безредукторные приводы для мельниц измельчения

Системы безредукторного привода мельниц характеризуются тем, что двигатель обернут вокруг мельницы как кольцо. По этой причине их часто называют кольцевыми двигателями. Полюса ротора прикреплены непосредственно к фланцу мельницы, и, следовательно, ротор становится неотъемлемой частью мельницы.

Любой механический контакт для передачи мощности избегается, что генерирует упомянутые преимущества. Дополнительно применяются следующие преимущества, специфичные для приводов мельниц: не требуется выравнивание приводной цепи, как необходимо для шестеренных приводов; венцовая шестерня, шестерня, подшипники, редукторы и двигатели требуют точного выравнивания.

Затраты на смазку значительно сокращаются, исчисляясь десятками тысяч долларов США ежегодно. Экономия энергии обычно составляет до 750 000 долларов США в год для мельницы SAG мощностью 20 МВт при стоимости электроэнергии 11 центов США за кВтч.

Для высокогорных установок выше 3000 метров над уровнем моря шестеренные приводы со стандартными электрическими двигателями и приводами требуют снижения номинальных токов и напряжений, которые накапливаются в коэффициенты снижения мощности. Например, до 0,60 для референсного проекта Antapaccay на высоте 4200 метров над уровнем моря. Безредукторные приводы не требуют такого высокого снижения номинала, поскольку они могут быть спроектированы для таких условий с самого начала.

Переменная скорость для оптимизации процесса

Скорость безредукторного привода может быть адаптирована к эксплуатационным требованиям в любое время во всем диапазоне работы. Переменная скорость позволяет компенсировать изменения производительности, а также более твердую руду, и предотвращать контакт металла с металлом между измельчающими телами и футеровкой мельницы.

Это приводит к оптимизированной работе и значительно меньшему износу футеровки мельницы и потреблению шаров, как объясняет руководитель эксплуатации и технического обслуживания концентратора в США. Кроме того, направление вращения мельницы может быть просто изменено переключателем, так что износ футеровки распределяется равномерно с обеих сторон.

Сниженный износ футеровки продлевает интервалы технического обслуживания мельницы. Дополнительно следующие преимущества вытекают из гибкости с изменением скорости: скорость мельницы может быть адаптирована к восходящим и нисходящим процессам, избегая переизмельчения и оптимизируя распределение нагрузки между SAG и шаровой мельницей.

Потребление энергии зависит от нагрузки, крутящего момента и скорости мельницы, что означает, что дополнительная энергия может быть сохранена, если требуется скорость мельницы ниже номинальной. Регулировка скорости к изношенной футеровке приводит к оптимизированной производительности и меньшему износу измельчающих тел, как цитирует представитель немецкого поставщика мельниц.

Скорость шаровой мельницы может быть снижена во время коротких мероприятий по техническому обслуживанию, например, инспекций SAG мельницы, что позволяет избежать отнимающего время процесса выгрузки шаровой мельницы. Шаровые мельницы с фиксированной скоростью шестеренных приводов должны быть остановлены с предварительным процессом выгрузки перед прерыванием и необходимым временем для перезапуска.

Кейс: рудник Antapaccay в Перу

Рудник Antapaccay является проектом расширения месторождения медного рудника Tintaya, расположенного на высоте 4200 метров над уровнем моря в регионе Куско Перуанских Анд. Рудник, принадлежащий Glencore Xstrata, включает новые рудничные объекты, оборудование для транспортировки материалов и новый концентратор мощностью 70 000 тонн в день.

Месторождение с оцененным минеральным ресурсом более 1000 миллионов тонн при содержании 0,49% меди запланировано производить ежегодно 160 000 тонн меди в концентрате в первые несколько лет минимального 20-летнего срока работы рудника. Завод запустился вовремя и доставил свой первый концентрат в ноябре 2012 года, в мае 2013 года концентратор достиг проектной мощности и работает на 10% выше этого уровня.

ThyssenKrupp и Siemens поставили 6,5-километровый наземный конвейер для транспортировки медной руды от рудника до перерабатывающего завода. Конвейер имеет ленту шириной 1370 мм, движется со скоростью 6,2 м/с и имеет проектную мощность до 5260 тонн руды в час. Он оснащен инновационной системой безредукторных приводов, обеспечивающих выходную мощность 3800 кВт на каждом из двух приводных барабанов.

Antapaccay первоначально проектировался с традиционной приводной системой: инверторы переменной частоты с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором вместе с муфтами и редукторами, конструкция включала четыре двигателя по 1900 кВт каждый. Система безредукторных приводов в сравнении использует только два приводных барабана, каждый с номиналом 3800 кВт.

Следовательно, потребовались только два циклоконвертера и два распределительных устройства среднего напряжения в отличие от первоначальных четырех ЧРП и четырех распределительных устройств среднего напряжения. За счет сокращения электрического оборудования площадь E-house составила половину от первоначального размера.

С механической стороны безредукторные приводы теперь требуют обслуживания только четырех подшипников барабана вместо 48 подшипников и 8 муфт. Система безредукторного привода для Antapaccay была реализована с теми же капитальными затратами, что и первоначально оценивалось для традиционной конструкции.

Однако эксплуатационные расходы значительно снижены за счет комбинации приблизительно 3-4% меньшего потребления энергии и требования меньшего количества запасных частей. Это инновационное решение полностью устраняет дорогостоящие запасные части, такие как редукторы, муфты и асинхронные двигатели.

Данные по доступности оборудования

Доступность является абсолютным ключевым показателем для минеральных перерабатывающих заводов. В конкретном случае Antapaccay каждый час простоя приведет к потере производства более чем 100 000 долларов США на основе текущих рыночных цен на медь.

Система безредукторного привода конвейера потребовала общего времени профилактического обслуживания 37,0 часов в период с ноября 2012 по ноябрь 2013 года, первые месяцы непрерывной работы. Дополнительно корректирующее обслуживание было выполнено в том же временном интервале общей продолжительностью 8,4 часа.

Следовательно, доступность безредукторного привода конвейера составляет 99,52%. Большая часть времени простоя относится к типичным событиям, которые происходят во время фазы ввода в эксплуатацию завода, таким как сбои связи и сигналов. После их исправления вероятность их повторного появления очень низка.

Для безредукторных приводов мельниц почти только профилактические меры обслуживания были проведены в тот же период между ноябрем 2012 и ноябрем 2013 года. Как обычно, эти предупредительные задачи обслуживания были выполнены в нормальных запланированных простоях технологического оборудования.

Измеренная по трем безредукторным приводам мельниц доступность находится на отличных значениях около 99,5%. Фокусируясь в первую очередь на корректирующем обслуживании, всего два часа и шестнадцать минут простоя произошло за 28 440 часов общей работы трех систем безредукторного привода.

Таким образом, в случае если учитывать только дополнительное время простоя, генерируемое системами безредукторного привода, доступность составила бы даже 99,99%. Корректирующее обслуживание безредукторного привода шаровой мельницы 1 было необходимо для инспекции одного из вентиляторов охлаждения двигателя, а на шаровой мельнице 2 из-за неисправности одного из датчиков вентилятора охлаждения двигателя.

Применение в высокоточной робототехнике

Высокотехнологичная фабрика известна своей передовой автоматизацией, где высокоточные роботизированные манипуляторы демонстрируют сборку сложных систем управления серводвигателями для соответствия строгим стандартам точности и надежности. Эти роботизированные манипуляторы играют ключевую роль в сборке сложных электрических компонентов, которые требуют прецизионности на микронном уровне, обычно в диапазоне от 1 до 5 микрон.

Когда эти роботизированные системы используют серводвигатели, они оснащены высокоразрешающими энкодерами и передовыми датчиками, такими как датчики Холла для определения положения и акселерометры для отслеживания скорости и ускорения. Эти компоненты критически важны для систем обратной связи в реальном времени, которые позволяют системе быстро реагировать на изменения нагрузки, вибрации и других внешних факторов.

Система управления тщательно управляет работой двигателя, используя пропорционально-интегрально-дифференциальные методы. Это делает возможным для роботизированных манипуляторов быстро реагировать - часто менее чем за 10 миллисекунд - что критически важно для задач, требующих быстрых, точных движений.

Двигатели могут генерировать крутящий момент до 250 ньютон-миллиметров и вращаться со скоростью до 10 000 оборотов в минуту. Это означает, что система может справляться как с быстрыми движениями, необходимыми в высокопроизводительных производственных средах, так и с осторожным обращением с деликатными деталями.

Стандартные роторные двигатели прямого привода Kollmorgen имеют повторяемость лучше 1 угловой секунды. Следовательно, двигатель прямого привода может удерживать положение с точностью в 60 раз выше, чем обычные системы с редуктором. Это тематическое исследование показывает не только важность передовых систем управления двигателями для повышения точности производства, но также демонстрирует, как приводная электроника специально спроектирована для более плавной и быстрой работы задач автоматизации в высокотехнологичных отраслях.

Преимущества технологии прямого привода

Использование этих передовых моторных технологий вместе напрямую приводит к значительно более высокому качеству продукции, меньшему количеству отходов и более эффективному производству в целом. Моторы прямого привода приносят высокопроизводительные характеристики многим применениям, таким как производственные процессы упаковки, обработки материалов, печати и легкой сборочной промышленности.

Серводвигатели играют ключевую роль в управлении линейным и угловым ускорением, скоростью и позиционированием. Они находят широкое применение в производственной промышленности, особенно в производстве линейных роботов, используемых для создания автомобилей и самолетов. Эти роботы необходимы для выполнения высокоповторяющихся, но точных задач, таких как сварка, сверление, крепление, герметизация, дозирование и жесткое производство.

Безрамные моторы прямого привода находят применение в различных отраслях и областях. Они обычно используются в робототехнике, прецизионном производстве, оборудовании для производства полупроводников, медицинских устройствах, аэрокосмической и оборонной промышленности. Компактная конструкция и высокий выходной крутящий момент делают их идеальными для применений, где пространство ограничено, но требуется высокая производительность и возможности прямого привода.

Безрамные моторы прямого привода также хорошо подходят для задач, требующих точного и аккуратного управления движением, таких как поворотные столы, индексаторы и системы позиционирования. Их универсальность и надежность делают их предпочтительным выбором для требовательных применений в различных отраслях.

Таблица 1: Технические характеристики серводвигателей с прямым приводом

Повный Андрей Владимирович, преподаватель Филиала УО Белоруский государственный технологический университет "Гомельский государственный политехнический колледж"