Động cơ chính xác tiên tiến thúc đẩy IoT và Công nghiệp 4.0

Động cơ điện đã tồn tại hơn một thế kỷ (chiếc xe điện đầu tiên xuất hiện từ cuối thế kỷ 19), nhưng những thiết kế ban đầu không hiệu quả, lớn và không chính xác. Sự ra đời của nam châm vĩnh cữu và thiết kế động cơ điện một chiều không chổi than tiên tiến (BLDC) đã cho phép một loạt động cơ mới đủ nhỏ để phù hợp với không gian hạn chế, đủ mạnh để thực hiện các công việc thực tế và đủ hiệu quả để sử dụng trong các ứng dụng không dây hoặc từ xa.

Áp lực tạo ra các sản phẩm vừa hiệu quả cao vừa tiết kiệm chi phí đồng nghĩa với việc kỹ sư điện tử phải tối đa hóa hơn nữa hiệu suất của mọi hệ thống họ thiết kế. Động cơ BLDC hiệu suất cao có thể cung cấp mức hoạt động và tính kinh tế các ứng dụng ngày nay đòi hỏi, bao gồm các ứng dụng khác nhau trải dài từ thiết bị gia dụng thông minh đến các thiết bị IoT tự hành, từ mặt bằng sản xuất công nghiệp đến các lỗ khoan trong khai thác dầu khí.

Khi nói đến ứng dụng công nghiệp, động cơ trong các hệ thống lắp ráp và xử lý bằng robot phải cực kỳ đáng tin cậy, tiết kiệm chi phí và không gian. Phần lớn công nghệ ngày nay đã cho phép thế hệ động cơ mới này thực hiện điều đó. Những động cơ này trước đây được sử dụng trong các ứng dụng khoa học, quân sự, hàng không nhưng giờ đây các công nghệ cốt lõi này đã giảm chi phí và đang được đưa vào một loạt các giải pháp công nghiệp.

Một trong những cách để hợp lý hóa thiết kế là kết hợp động cơ vào trong thân sản phẩm thay vì gắn nó vào điểm chuyển động bên ngoài. Một thiết kế động cơ BLDC không khung, còn được gọi là bộ phận rotor/stato, cho phép động cơ được tích hợp hoàn toàn trong một bộ phận nhất định, tạo ra mô-men xoắn lớn nhất có thể. Đối với các ứng dụng bị hạn chế về không gian giới hạn, các nhà phát triển có thể lựa chọn hình thức tích hợp và cấu hình động cơ. Ví dụ, sử dụng định dạng hình trụ thông thường hoặc động cơ kiểu bánh phẳng khi trục chuyển động bị hạn chế về không gian.

Xe tự lái

Hầu hết mọi người sẽ nghĩ về máy bay hoặc ô tô khi nói đến chủ đề của những chiếc xe không người lái, nhưng thuật ngữ này bao hàm rộng hơn thế rất nhiều. Những tiến bộ trong ngành công nghiệp xe dưới nước hoạt động từ xa (Remotely Operated underwater Vehicle-ROV) đã tạo ra một thị trường cho các thiết bị được sử dụng trong các ứng dụng như tìm kiếm và cứu nạn, an ninh hàng hải, quân sự, thủy điện, kiểm tra giàn khoan dầu ngoài khơi và nghiên cứu khoa học.

Các ROV được sử dụng trong các tình huống như vậy phải nhỏ và di động để chúng có thể dễ dàng di chuyển và triển khai tại các vị trí cần thiết, đảm bảo hiệu suất và kết quả kiểm tra tốt nhất. Các loại xe có tính chất này thường hoạt động dưới 10 mã lực và sử dụng động cơ đẩy nhỏ gọn được gắn trực tiếp vào chân vịt để định vị và điều hướng.

Động cơ được sử dụng phải sở hữu thiết kế nhỏ gọn với khả năng hoạt động đáng tin cậy trong nước, dầu và các chất lỏng khác. Thế hệ mới nhất của động cơ BLDC tiên tiến không chỉ đáp ứng yêu cầu của nhóm các ROV này mà còn ít tạo ra tiếng ồn âm thanh nhờ vào kích thước nhỏ, khả năng và hiệu suất của chúng. Động cơ tùy chỉnh phục vụ phân khúc thị trường đặc biệt này phù hợp cả trong cả cấu hình cơ khí và không khung.

Trong khi vẫn tồn tại các loại xe tự lái chạy bằng nhiên liệu trong các ứng dụng trên không và có bánh, ngày càng có nhiều các nhà sản xuất di chuyển sang các hệ thống điện vì kích thước nhỏ hơn và dễ tích hợp hơn. Ưu điểm của hệ thống điện so với nhiên liệu cũng bao gồm việc giảm lượng khí thải carbon, ít tiếng ồn âm thanh và lượng chất thải thấp hơn. Việc giảm thiểu khí thải và tiếng ồn có lợi cho nhiều ứng dụng khác, chẳng hạn như các giải pháp cảnh sát và quân sự đòi hỏi kích thước và chữ ký âm thanh tối thiểu.

Một lợi thế của hệ thống nhiên liệu bằng điện so với nhiên liệu thông thường là hệ thống điện có khả năng hoạt động an toàn trong hầu hết mọi môi trường của con người, thậm chí cả phòng sạch. Khả năng như vậy là không thể đối với một hệ thống phát ra khí thải. Xe nâng hàng tự động, các thiết bị xe đẩy và bộ phận thùng di động, xe đẩy sàn cửa hàng và thiết bị tự lái khác cũng hoạt động êm ái hơn nhiều khi được điều khiển bởi động cơ điện, giúp tích hợp vào nơi làm việc dễ dàng hơn.

Tuổi thọ pin

Một động cơ điện mạnh mẽ hoạt động ở một chu kỳ nhiệm vụ tương đối cao đặt ra những yêu cầu khắt khe đối với hệ thống phân phối và lưu trữ năng lượng của nó. Ngoài ra, cơ sở hạ tầng điện phải hiệu quả về chi phí nhất có thể. Một động cơ điện hiệu quả có thể thực hiện điều đó.

Tối đa hóa tuổi thọ pin là yếu tố quyết định trong các hệ thống thực hiện nhiệm vụ trọng yếu khác nhau, nơi mà độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị có thể ảnh hưởng đến kết quả của nhiệm vụ đó. Trong các thiết bị y tế hoạt động bằng pin cũng như các xe quân sự được điều khiển từ xa, khả năng kéo dài thêm vài phút trong một tình huống nguy kịch có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể. Tăng tuổi thọ của bất kỳ hệ thống vận hành bằng pin nào cũng là một sáng kiến ​​quan trọng đối với các nhà sản xuất thiết bị, từ điện thoại đến ô tô.

Để đáp ứng nhu cầu này, động cơ DC không khung không chổi than mới nhất có sẵn nhiều cấu hình với thiết kế cung cấp hiệu suất hoạt động cực cao vượt quá 90%. Điều này cho phép tuổi thọ pin được kéo dài so với các thiết kế cũ. Đối với các ứng dụng phụ thuộc vào pin, yếu tố quyết định trong việc đạt được thời gian hoạt động lâu nhất trong một ứng dụng nhất định trước khi pin cần được sạc là hiệu suất của động cơ, chứ không phải là kích thước pin.

Môi trường khắc nghiệt

Trong các ứng dụng mà động cơ BLDC được đặt trong các môi trường khắc nghiệt như khai thác dầu và khí đốt, có những yêu cầu bổ sung được đặt vào thiết kế. Để đáp ứng đúng nhu cầu này, động cơ cho các ứng dụng này phải được đánh giá để thực hiện ở nhiệt độ lên tới 205 ° C và 30,000 PSI, với khả năng chịu được tải sốc vượt ngưỡng 1000g và khả năng chống rung 25g RMS.

Ví dụ, động cơ DC không chổi than trong Hình 3 được thiết kế cho môi trường áp suất và nhiệt độ môi trường khắc nghiệt nhất. Động cơ BLDC này đã được xác nhận theo một số giao thức thử nghiệm môi trường chuyên sâu nhất để đảm bảo hoạt động bình thường ở nhiệt độ và áp suất xung quanh cao, xử lý sốc cao và tải rung trong các ứng dụng khắc nghiệt. Những động cơ này có thiết kế độc quyền có thể tùy biến cho các nhu cầu cụ thể, có sẵn một loạt các mô men và tốc độ và có thể được cấu hình cho hộp số hoặc các hệ thống phản hồi khác.

Giếng dầu khí

Một khía cạnh trong sự tăng trưởng của các phương pháp khoan và khai thác dầu khí tiên tiến là nhu cầu về các động cơ có độ tin cậy và hiệu suất cao có thể tồn tại và vận hành trong các giếng dầu khí. Điều này đòi hỏi một BLDC được phát triển đặc biệt để chịu được các điều kiện khắc nghiệt nhất có thể trong các hoạt động khoan.

Các động cơ tích hợp được sử dụng trong các thiết bị khoan để tách dầu phải hoạt động đáng tin cậy liên tục bất kể điều kiện bởi vì khai thác dầu và khí đốt là một ngành mà 1 giờ ngừng hoạt động có thể dẫn tới khoản chi phí 100.000 đô la. Thay thế động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị tích hợp nào, trong một giàn khoan có thể mất hàng giờ hoặc thậm chí vài ngày, tùy thuộc vào tình hình.

Trong trường hợp này, BLDC chịu được áp suất và nhiệt độ cao có thể trực tiếp giải quyết những ứng dụng trong khai thác như van đập bùn, triển khai caliper và định vị cảm biến. Các động cơ này đã được thử nghiệm thành công để hoạt động liên tục ở nhiệt độ lên đến 205 ° C và áp suất lên đến 30.000 psi.

Một thiết kế tùy chỉnh với các vòng xoáy biến thiên là cần thiết để tạo ra một động cơ không chỉ đáp ứng một loạt các điện áp và dòng điều khiển mà còn có thể chịu đựng các điều kiện môi trường khắc nghiệt nhất đồng thời hoạt động tối ưu với hộp số hoặc thiết bị phản hồi khác.

Thiết kế mạnh mẽ của động cơ cũng có thể phục vụ các ứng dụng đòi hỏi khắt khe khác trong phạm vi đa dạng của môi trường khắc nghiệt, nơi thất bại hoặc hoạt động kém không phải là một lựa chọn.

Sự lan tỏa của công nghệ tự động hóa tiên tiến trong sản xuất đang tăng nhanh, trong cả các nhà máy sản xuất cũ và các nhà máy áp dụng công nghệ sản xuất thông minh và hệ thống robot thông minh mới nhất. Sự cần thiết phải kiểm soát chuyển động chính xác được thúc đẩy bởi nhiều nhu cầu trong sản xuất, từ việc di chuyển sản phẩm trên sàn sản xuất đến nhiều trạm làm việc khác nhau cho tới việc vận chuyển sản phẩm đã hoàn thành tới các cơ sở. Giải pháp chuyển động thích hợp có thể giảm đáng kể áp lực này cho các nhà thiết kế.