自動化によるモーターとドライブの用途の進化

Dec 10, 2023

マイルズ・ブディミール著 | 2023 年 3 月 23 日

自動化が既存のアプリケーションだけでなく新しいアプリケーションでも拡大し続けるにつれて、自動化を可能にするテクノロジーもこれらの変化に歩調を合わせて進化しています。 モーターやドライブも例外ではありません。 特に、新しい独自の用途におけるスペースとサイズの制限に対応するために、モーターは小型化しています。 モーターの設計と構築方法にも変化があり、カスタム設計やモーターとドライブのネットワークと接続が増加しています。

私たちは最近、業界の主要な専門家数名に、モーター、ギアモーター、駆動技術のトレンドについて尋ねました。 これらの専門家が語った内容は次のとおりです。

専門家に会う

ビレン・パテル|ビジネス開発マネージャー、モビリティ ソリューション · マクソン

クリス・ゴットリーブ |ディレクター、ドライブ、コントロール ·おはよう

デイブ・ベックストファー|ビジネス開発マネージャー · ポルテスキャップ

ジェームズ・ギャラント|オペレーションディレクター · ISL Products International Ltd.

ローレンス・リン |EV電池事業開発マネージャー・Festo

ロバート・ルーチャーズ|ビジネス開発担当副社長 · ECM PCB ステーター テクノロジー

モーターメーカーはなぜ、ほんの 10 年前には不可能だったサイズのモーターを製造できるのでしょうか?

ベックストファー:近年のモーターの小型化は、設計、材料、自動化機能など、いくつかの重要な要素によって達成されてきました。 設計の観点から見ると、シミュレーション ソフトウェアの進歩により、エンジニアはより小さな直径のコンセプトを評価して実現可能性を確認できるようになります。 エンジニアはまた、特許を取得した独自のモーター機能により、サイズ縮小の限界を押し広げ続けています。 これは、より高出力の磁石、より導電性の高い金属、より高強度のコンポーネントなどの材料の進歩によってさらに可能になります。

これらすべてには、コイルを正確に巻き、モーターの小型コンポーネントの組み立てを完了する自動化が必要です。 これらの分野の継続的な進歩により、モーターメーカーは、直径と長さが継続的に小さいモーターを設計および生産できるようになりました。

勇敢:ブラシレス モーターは、ここ数年でさらに広く受け入れられ、使用されるようになりました。 それに伴い開発コストも大幅に下がり、よりお求めやすくなりました。 直径わずか 22 mm の遊星ギアボックスを備えたブラシレス モーターを提供できます。 ブラシレス モーターは、設計上、より優れた IP 定格を持つ要素の影響を少し受けやすくなります。 新規顧客からのリクエストの約 50% は、ブラシレス モーターとブラシ付きモーターを比較しています。

当社のギアモーターは、白物家電からロボット工学、狩猟用具に至るまで、ほぼすべての商業用または産業用アプリケーションで使用できます。 当社の DC モーターには、遊星歯車、平歯車、またはウォーム ギアボックスのいずれかを提供しています。 当社のモーターはブラシ付きまたはブラシレスで、コアレスのオプションも利用できます。 当社の遊星歯車モーターは直径 12 mm まで小さく、ウォーム ギアモーターは直径 70 mm を超えるものもあります。

Festo CMMT-ST サーボ ドライブは、グリッパー システムではなくロボット自体に取り付けられているため、グリッパー上のスペースが解放され、設計の複雑さが軽減されます。

ベックストファー:ブラシレス DC (BLDC) モーターは、高速機能と電子整流により動作上の利点をもたらします。 さらに、スロットレス BLDC 設計により、自立型円筒コイル設計により素早い加速と減速が可能になります。 短期循環補助装置は、心臓イベントや手術中に患者の心臓を補助し、体全体への血液の送り出しを補います。 このデバイスは高速で動作し、心臓の洞調律に最高の応答性を示す必要があるため、BLDC スロットレス モーターは理想的なソリューションとなります。 これらのモーターの高出力密度により、患者の状態のあらゆる変化に対応するのに十分なトルクが確保されます。

あなたは戦うでしょう : モーター システムのギアトレインは通常、システムのサイズ、コスト、複雑さ、騒音を増大させるため、お客様は通常、設計からギアを削除することを目的として ECM を訪れます。 その代わりに、当社のパートナーはダイレクトドライブ ソリューションに興味を持っています。 ECM は、(さまざまなギア比設計に加えて) ダイレクト ドライブ解析を実行して、コスト、サイズ、重量のそれぞれのトレードオフを調査できます。 さまざまな歯車システムを迅速に解析できるため、最適な速度とトルクの組み合わせを迅速かつ確実に決定できます。 これにより、適切なモーター、ギアトレイン、システムの組み合わせを設計できます。

最近サポートした新しくてユニークなモーター アプリケーションは何ですか?

パテル:マクソンは、ダイナミックな動きを念頭に置いて特別に設計されたフレームレスモーターの新しいファミリーをリリースしました。 DT シリーズ (ダイナミック トルク) は、幅広いアプリケーション、特に速度が瞬時に変化するアプリケーションに簡単に統合できます。 ローターとステーターはベアリングやモーターシャフトなしで別々に納品され、組み立て時にのみ接続されます。 EC フレームレス DT モータ シリーズの特長としては、ロータの慣性が最小限であり、放熱性に優れ、コンパクトで、組み込みが非常に簡単であることが挙げられます。 フラットなデザイン、高トルク、およびケーブルグランド用のスペースにより、特定のアプリケーションへの高レベルの統合が可能になります。

ゴットリーブ:設計ベースの改善に関しては、磁束の最適化に重点を置くことで、旧世代のサーボモーターと同じパッケージに強力なトルク密度とより高い出力を詰め込んだ Kollmorgen AKM2G などのモーターが生み出されます。 または、AKMA ウォッシュダウン サーボモーターの今後のリリースを検討してください。 食品グレードのペイントモーターは塗料が剥がれる可能性があるため食品環境では受け入れられないという問題を実際に解決していますが、衛生要件レベルのAKMH衛生モーターよりもはるかに経済的です。 それは本当のスイートスポットに当たります。

あなたは戦います：ウォッシュダウンまたは腐食性の設定に関して、ECM は当社のステーターの特許取得済みの品質により、モーターを冷却しながら完全に密閉することができます。 PCB ステータは、従来の巻線機のように、ステータ巻線に空気を吸引したり吹き込んだりする必要はなく、PCB ステータ内の不活性銅と活性銅の両方を使用してアルミニウム ハウジングを通して熱を伝導します。 これは、モーター内部コンポーネントの密閉と保護を根本的に改善して、他の異物、破片、または有害な液体の侵入を制限するため、有益です。

リン： EVバッテリーメーカーは、Festoが複雑なモーションシステムでの相互運用性を実現するEMMTステッピングモーターとコンパクトなCMMTサーボドライブを開発したという事実に反応しています。 CMMT ドライブは、すべての主要なイーサネットベースの通信プロトコルと互換性があり、幅広い適用性を備えています。 EMMT/CMMT の組み合わせは、ガントリーに必要な速度、トルク、精度を生み出すのに最適です。 Festo は、相互運用可能な製品のワンストップ ショップのための機械軸も提供します。

あなたは戦います：私たちがこれまで見てきたブラシ付きモーターのアプリケーションのほとんどは、コスト重視の消費財向けでした。 もちろん、これらは摩耗を増加させ、効率を低下させますが、シンプルでコスト競争力があります。 ECM は、当社のソフトウェア設計プラットフォームである PrintStator を使用して、PCB ステータ製品がコスト競争力があるかどうかをすぐに理解できます。 これにより、特定のプロジェクトに費やすことになる時間とリソースが大幅に節約され、後でそのテクノロジが適切ではないと判断される可能性があります。 PCB ステータ マシンのコスト競争力があれば、一般的なブラシ付きマシンの欠点はすべて PCB ステータ マシンによって解消されます。 ECM は、定速 HVAC ファンやブロワーから、分解能とトルク要件のあるトルク モーターまで、さまざまなモーターを設計できます。 これは、ECM マシンのトルク生成を従来のサーボまたはステッパーのトルク生成とどのように比較するかを確認するモデリングの観点からは、もう 1 つの簡単なタスクです。

この分解図は、カメラ制御用のハンドホイール コントローラーで使用される PCB ステーターを備えた ECM モーターを示しています。

ここ数年、ECM はさまざまな電気モーター アプリケーションの顧客仕様を取り入れ、社内エンジニアやベータ パートナーが PrintStator を使用して設計ソリューションのモデル化、プロトタイピング、生成を行えるようにしてきました。 また、製造能力のないクライアントのために、製造会社とのパートナーシップも形成しました。 私たちはこのモデルを、次世代モーターの機能を既存のモーターサプライヤーや電気機械を必要とするあらゆる業界に拡張する手段として捉えています。 PrintStator が設計したステーターは世界中のどこでも印刷できるため、本質的に、当社の SaaS パートナーが独自のモーター OEM になることを許可しています。

また、多国籍エレクトロニクス メーカーである Celestica などの企業との電気モーター設計のコラボレーションにも積極的に取り組んでおり、2023 年には大手世界的メーカーとのいくつかの新しいパートナーシップを発表する予定です。完全な SaaS 製品を通じて PrintStator を提供することで、PCB のメリットが拡大します。ステータ電気モーターの設計を複数のイノベーターに提供し、多数の業界でカスタムのイノベーションを生み出します。 これらには、ほんの一例を挙げると、優良企業、政府、中小企業、ゲーム会社、イノベーター、ディスラプター、新興企業向けのアプリケーションが含まれます。

機械メーカー向けのカスタマイズやサービスとしてのシステム (SaaS) の設計作業をどのように想定していますか?

勇敢:当社は、DC モーター/ギアモーターのコンポーネント レベルで機械メーカーを支援します。 ISL Products のようなモーター専門家と協力することで、OEM はインターネットで解決策を探すのではなく、専門家に頼ることでその面を効率化できます。 ISL は、当社の標準設計をカスタマイズすることにより、お客様の仕様に合わせて DC モーター/ギアモーターを設計および製造します。 当社では、このプロセスを、競争力のある価格を提供しながら、すべてのお客様に対する付加価値のあるサービスと考えています。

あなたは戦います： ECM の使命は、ソフトウェアをイノベーターやエンジニアに拡張して、高度に特殊化された電気モーターに対する将来の要件を満たすことです。 ある試算によると、電気モーターの需要は、年間2,000億ドルをはるかに超えるセクターのほぼすべての業種で年間10億台以上に急増すると予想されています。 最初は、これはハードウェアの課題のように聞こえるかもしれません。 最終的に、私たちは次世代モーターのニーズを満たすには SaaS 設計が不可欠であると結論付けました。 それは根本的に、電気モーターの設計で過去に機能していたものは今後も機能しないという評価にあります。 より専門的なアプローチの必要性を形成する要因は 3 つあります。

明らかな触媒は、モビリティや暖房など、これらのカテゴリの多くが化石燃料から電気エネルギーに変換されることです。 さらなる推進力は、複数の分野にわたるロボット工学と自動化の急増です。 そして、世界的な電動モーターの需要を促進する 3 番目の要因は、より多くのエネルギーを電気に変換しようとする動きです。

私たちは、どのような種類の機械がこの電化された未来に最も適しているかを決定するために内部調査を行いました。 主要な結論は、世界は単純に電気モーターをさらに必要とするわけではないということです。 世界市場では、より効率的で性能が高く、オーダーメイドで、より持続可能な方法で生産される次世代電気モーターが必要となります。 これらの機械を作成するには、OEM とプラント エンジニアはより優れた設計を必要とします。 ECM の経験では、これらの設計を実現する最善の方法は、サービスとしてのソフトウェアを通じて PCB ステーター電気モーターのパフォーマンスと持続可能性の利点を提供することです。 当社の PrintStator SaaS プラットフォームを使用すると、エンジニアは、正確な性能とフォームファクター仕様に合わせて設計された独自の PCB ステータ電気モーターを作成できます。 ECM は現在 PrintStator のベータテストを行っており、2023 年に完全な SaaS リリースを予定しています。

ECM 従業員は、比較のために従来の銅巻ステータ (左側) と ECM PCB ステータ (右側) を保持しています。

モーターとドライブの接続に関して、最近どのような傾向がありますか?

ゴットリーブ: EtherCAT を介した安全性により、インストールが簡素化され、ドライブからモーターまでの監視が高速になり、コントローラーの監視を待つ必要がありません。 私が安全作業を見てきた最も基本的な用途の 1 つは、機械の稼働中に包装用ブランクをホッパーに追加する場合です。 ブランクはマシンのインターロック セクションに保持されますが、マシンの出力速度が遅い場合でもブランク ボックスのインターロック ハンドルを開くことができ、送りながらマシンを稼働し続けることができます。 これにより、シャットダウンとその後の起動サイクルが回避されますが、再起動がスムーズに行われるという保証はありません。

また、安全ドライブは市場では「必須」です。 高度な安全機能により、人間の生産性が向上し、機械の稼働中または機械が停止している場合の人間の相互作用に対する統計的安全性が向上します。 ドライブの安全トルクオフは今や「重要事項」であり、機械メーカーが差別化できるのは、安全な速度、安全な停止、安全な方向などを可能にする高度な安全オプションです。 OEM が自社に適した方法を選択できるように、SafeMotion Monitor には 16 の異なる安全機能が用意されています。

あなたは戦います： ECM はあらゆるケーブル接続を組み込むことができます。 お客様のアプリケーションの要求に応じて、これを何度か行いました。

ECM の特許取得済みのプロセスは、従来のモーターのステーターの銅配線をプリント基板に置き換え、ここに示すように非常に薄いモーター設計を可能にします。

勇敢:長年にわたり、当社は付加価値のあるモーター ソリューションを提供することで多くのお客様を支援してきました。 これは、顧客の組み立てプロセスを合理化するためにモーターにわずかなカスタマイズを追加することになります。 最も一般的なリクエストの 1 つは、モーター端子にリード線を追加することです。 一部の顧客は、Molex、TE、JST などの一般的なブランドの特定のコネクタの追加も要求します。

これは当社の製造チームにとって簡単なリクエストであり、お客様が組立ラインに迅速に設置できるようにします。 私たちが喜んで提供するサービスです。

ゴットリーブ:サプライチェーンの観点からケーブル接続の柔軟性が求められていることがわかります。 サプライ チェーンが不安定なこの時期には、異なるベンダーのコネクタ間に相互運用性があることを確認する必要があります。