我們將來能夠使用曲速引擎(Warp-Antrieb)進(jìn)行飛行嗎，還是對(duì)此說“是”呢?確切的說，這是對(duì)未來驅(qū)動(dòng)器的大肆渲染。所謂的“遷徙者”對(duì)此感到非常高興，而這與現(xiàn)實(shí)的關(guān)系不大。我們將來很有可能乘坐這種驅(qū)動(dòng)型式的地下磁懸浮軌道車。但原則上這純粹是個(gè)推想，而有些研發(fā)成果也是這樣慢慢生長(zhǎng)出來的，當(dāng)然有些則具有破壞性。即便如此，一些趨勢(shì)和發(fā)展也是可以預(yù)見的。這樣的趨勢(shì)和發(fā)展在何處呢，我們將對(duì)此加以闡述。
150多年來，電動(dòng)機(jī)得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。起初，只是直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，后來又推出了同步和異步電機(jī)。有人認(rèn)為人們不能對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行更多的改變，因?yàn)槠駷橹谷藗冞€在使用它。但是，這其中卻另有乾坤。例如，在德意志博物館里就展出了一臺(tái)BBC公司1893年生產(chǎn)的功率為88?kW的同步電機(jī)。這臺(tái)電動(dòng)機(jī)有一人高，當(dāng)時(shí)用作造紙機(jī)械的驅(qū)動(dòng)裝置。而今天，人們已經(jīng)在使用福伊特(Voith)集團(tuán)公司生產(chǎn)的功率為100?kW的與生產(chǎn)機(jī)器連在一起的直接驅(qū)動(dòng)裝置，該電力驅(qū)動(dòng)裝置同樣也是為造紙業(yè)而研制的。這個(gè)被稱作“Voith Drive”的驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)非常緊湊，以至于能夠直接安裝在輥?zhàn)由稀Ｔ擈?qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率達(dá)95%，比福伊特(Voith)集團(tuán)公司19世紀(jì)生產(chǎn)的電力驅(qū)動(dòng)裝置更加高效。
驅(qū)動(dòng)技術(shù)的重要未來發(fā)展趨勢(shì)
那么工業(yè)驅(qū)動(dòng)裝置以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)未來將如何發(fā)展呢?倘若今天還無法預(yù)言這個(gè)創(chuàng)新飛躍的話，那么人們還是能夠看到以下3個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)：
* 資源和能源效益;
* 結(jié)構(gòu)空間更小、效率更高;
* 數(shù)字化和智能化;
* 生產(chǎn)成本有利(對(duì)于生產(chǎn)廠家來說)和投資購置成本低(對(duì)于用戶來說)。
而研發(fā)能源消耗低和能源效益高的驅(qū)動(dòng)裝置并不是一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。多年以來，人們一直在努力使高效電動(dòng)機(jī)達(dá)到新的效率標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)整體式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效益也已是2015版的歐洲能源效益標(biāo)準(zhǔn)EN 50598的重點(diǎn)。在此期間，由于立法者的推進(jìn)，所有活躍的電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家都設(shè)立了自己的節(jié)能電動(dòng)機(jī)研究項(xiàng)目。但是，這就提出了一個(gè)問題，那就是應(yīng)將現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)技術(shù)向前推進(jìn)到何種程度。
圖1 現(xiàn)在，對(duì)在電動(dòng)機(jī)上采用傳感器技術(shù)來對(duì)數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)作出反應(yīng)的生產(chǎn)廠家的個(gè)數(shù)在增加，而且今后還將繼續(xù)增加
人們目前對(duì)異步電機(jī)的未來能力持懷疑態(tài)度。兩年前，ABB公司的低電壓電機(jī)產(chǎn)品主管Ralf Peschel便談到：“人們當(dāng)然可以通過使用長(zhǎng)的疊片鐵心和更多配備銅的方法來使電動(dòng)機(jī)變得更加高效。但這樣做是否有意義則是另一回事。”O(jiān)swald電機(jī)公司(Oswald Elektromotoren)的Johannes Oswald也認(rèn)為異步電機(jī)不是驅(qū)動(dòng)裝置的未來，屬于不再生產(chǎn)的型號(hào)。他對(duì)使用大量的材料和對(duì)陳舊的技術(shù)給予批評(píng)。而與此相反，西門子公司則認(rèn)為，異步電機(jī)(同步電機(jī)也是如此)在中期還無法被另外一種技術(shù)所替換，特別是在中高效率領(lǐng)域，迄今為止，異步電機(jī)(同步電機(jī)也是如此)還沒有替代品。
為了使現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)一步向前發(fā)展，僅僅對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行不斷優(yōu)化是不夠的。對(duì)于Oswald電機(jī)公司來說，不但要對(duì)整臺(tái)機(jī)器設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，而且要將滿足客戶要求作為重點(diǎn)。最近，該公司的工程師們?cè)谘邪l(fā)各種不同的直接驅(qū)動(dòng)裝置。努力使驅(qū)動(dòng)裝置越來越高效，動(dòng)力性能更佳，當(dāng)然還要使未來的驅(qū)動(dòng)裝置所占空間越來越小。
圖2 行星齒輪電機(jī)是將傳動(dòng)裝置和電動(dòng)機(jī)組合在一起而形成的一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的電力驅(qū)動(dòng)裝置
在工業(yè)4.0進(jìn)程中，為了檢測(cè)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)部件越來越多的裝備了傳感器。在此期間，無論是ABB公司還是西門子公司都在進(jìn)行研發(fā)，旨在將低電壓電機(jī)“智能化”。ABB公司有了“智能傳感器”。簡(jiǎn)單的說這是一個(gè)傳感器包，該傳感器包能夠無線的裝在每臺(tái)低電壓電機(jī)上，而且不受電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家的限制。該傳感器包提供電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、溫度和超負(fù)荷的數(shù)據(jù)，并且能夠確定電動(dòng)機(jī)的能耗。由一個(gè)軟件來分析可使用的信息數(shù)據(jù)，并據(jù)此作出電動(dòng)機(jī)維修保養(yǎng)規(guī)劃。采用該技術(shù)可減少機(jī)器設(shè)備的停機(jī)時(shí)間，延長(zhǎng)機(jī)器設(shè)備的使用壽命和降低能耗。
西門子公司為最新一代Simotics SD電機(jī)提供了一個(gè)一攬子數(shù)據(jù)化方案，該方案的功能與ABB公司的技術(shù)解決方案類似，通過一個(gè)傳感器包接收機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。但是。西門子公司的這項(xiàng)技術(shù)解決方案與ABB公司的技術(shù)解決方案不同地方的是，這些數(shù)據(jù)是在西門子公司自己的基于云計(jì)算的存儲(chǔ)器中進(jìn)行分析評(píng)估的。西門子公司的這一技術(shù)解決方案使用的App最終為機(jī)器設(shè)備的用戶提供信息。此外，人們可通過在電動(dòng)機(jī)上安裝數(shù)據(jù)矩陣代碼來查明識(shí)別電動(dòng)機(jī)，既能夠存取電動(dòng)機(jī)信息，又能夠存取3D模型的信息。
這樣，有一點(diǎn)是明確的，今天，數(shù)字化已經(jīng)在改變著驅(qū)動(dòng)技術(shù)，并且在未來將明顯影響驅(qū)動(dòng)技術(shù)。在此，越來越強(qiáng)化的集成也將起作用。一方面未來驅(qū)動(dòng)裝置將會(huì)繼續(xù)集成到工作機(jī)械中;另一方面控制裝置、電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置將越來越多的融合為一體。
驅(qū)動(dòng)裝置部件和電子部件集成
奧地利維也納工業(yè)大學(xué)(TU Wien)借助其在2017年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上展出的關(guān)于行星齒輪電動(dòng)機(jī)的研發(fā)介紹了一種全新的集成方式。這種集成方式如其名稱中所說，是將行星齒輪電機(jī)、傳動(dòng)裝置和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合為一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的高效的電力驅(qū)動(dòng)裝置。
以Manfred Schroedl教授為首的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在研究采取高速運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)的功率極限的途徑，如高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)對(duì)電的變化有怎樣的要求，在圓周速度不變的情況下，通過提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)來提高電動(dòng)機(jī)的功率極限。由此得出一個(gè)使電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)裝置結(jié)合的新方法，在此，電動(dòng)機(jī)是一個(gè)帶有多個(gè)轉(zhuǎn)子的分散式裝置，而傳動(dòng)裝置是一個(gè)行星齒輪。第一步是將若干電動(dòng)機(jī)組合為一個(gè)單元，如果人們從幾何學(xué)的角度將若干電動(dòng)機(jī)相互巧妙布置，那么不動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的部件的某些部分、所謂的定子便不再需要有磁力。這樣人們便可簡(jiǎn)化整個(gè)結(jié)構(gòu)，由此便可節(jié)省占位和降低損失。
Manfred Schroedl教授說：“例如，我們使用的是4個(gè)帶有3支路繞組的電力機(jī)器。那么，總共是12個(gè)磁力線圈。”他解釋說，“借助我們的機(jī)器布置，這里6個(gè)磁力線圈便已夠用。”兩個(gè)轉(zhuǎn)子共同驅(qū)動(dòng)一個(gè)大的帶內(nèi)齒的齒輪。另外兩個(gè)向另一個(gè)方向轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，驅(qū)動(dòng)一個(gè)較小的帶外齒的輪子。這樣便形成了一個(gè)類似一級(jí)行星齒輪的情景。Manfred Schroedl教授說：“我們這樣直接集成進(jìn)電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)裝置和它的驅(qū)動(dòng)裝置極其簡(jiǎn)單。由此，我們實(shí)現(xiàn)了提高效率和降低制造成本的目的。”而且調(diào)節(jié)也不復(fù)雜，不采用傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)，而是用通電的線纜來設(shè)置轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置。
作為未來的一個(gè)選擇，該系統(tǒng)提供了一個(gè)完全別樣的中間減速傳動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，由此便能夠用較少的機(jī)械組件生成一個(gè)結(jié)構(gòu)很緊湊的技術(shù)解決方案。該技術(shù)解決方案的樣機(jī)已經(jīng)表明，在相同的空間條件下，該樣機(jī)的功率密度最大可提高50%，在具備必要的嚙合和材料質(zhì)量的情況下，還可進(jìn)一步承受更高的負(fù)荷，或使其結(jié)構(gòu)形式極其簡(jiǎn)單化。Manfred Schroedl教授稱，該技術(shù)解決方案的進(jìn)一步推廣應(yīng)用有兩個(gè)決定性的理由，一是制造成本較低，二是在自動(dòng)化程度提高的前提下存在著制造的可能性。
現(xiàn)有的產(chǎn)品或創(chuàng)新技術(shù)如何繼續(xù)發(fā)展
對(duì)現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)裝置不斷進(jìn)行優(yōu)化或是可將企業(yè)帶進(jìn)一個(gè)胡同，或是可使技術(shù)具備面向未來的能力。下面是一個(gè)時(shí)至今日在工業(yè)上很少使用的磁阻技術(shù)的實(shí)例，當(dāng)ABB公司和西門子公司已經(jīng)在近幾年來為市場(chǎng)提供同步磁阻電動(dòng)機(jī)時(shí)，德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)的電氣技術(shù)研究所(ETI)便致力于交換磁阻電機(jī)的進(jìn)一步研發(fā)。現(xiàn)有的永磁伺服電機(jī)對(duì)未來發(fā)展還具有足夠的潛力。正如Oswald電動(dòng)機(jī)公司(Oswald Elektromotoren)的Johannes Oswald所說，還應(yīng)該對(duì)現(xiàn)有的永磁伺服電機(jī)作進(jìn)一步的研究，首先是用先進(jìn)的計(jì)算和模擬程序?qū)@種電動(dòng)機(jī)技術(shù)的電磁和機(jī)械方面的問題加以改進(jìn)。但是，在這方面無論如何也不能期待有大的技術(shù)性飛躍。
Festo集團(tuán)公司和Oswald電機(jī)公司致力于研發(fā)的超導(dǎo)電機(jī)目前仍處于研究和試驗(yàn)階段。Oswald電機(jī)公司的超導(dǎo)電機(jī)研發(fā)部負(fù)責(zé)人Thomas Reis說：“我們的目標(biāo)是研發(fā)能夠推向市場(chǎng)的完全超導(dǎo)驅(qū)動(dòng)裝置，并且要使該領(lǐng)域應(yīng)用的電力驅(qū)動(dòng)裝置技術(shù)能夠不被現(xiàn)實(shí)的技術(shù)或是進(jìn)一步的研發(fā)成果所覆蓋。”他又說，“Oswald電機(jī)公司設(shè)計(jì)超導(dǎo)定子;而這樣的超導(dǎo)定子必須要用氦氣冷卻到﹣200℃。冷卻所需的花費(fèi)高，以至于可與超導(dǎo)電機(jī)的效能相抵銷。”據(jù)稱，超導(dǎo)力矩電機(jī)的首要應(yīng)用領(lǐng)域是航空領(lǐng)域，因?yàn)檫@種電動(dòng)機(jī)可為航運(yùn)飛機(jī)的驅(qū)動(dòng)任務(wù)技術(shù)解決方案做出具有決定性意義的貢獻(xiàn)。航運(yùn)飛機(jī)要求效率重量比要達(dá)到最低，只能借助于超導(dǎo)電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)航運(yùn)飛機(jī)所要求的效率重量比。
Festo公司推出了自動(dòng)化領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用方案。除低溫技術(shù)外，這實(shí)際上是個(gè)癥結(jié)，即超導(dǎo)體可以稱得上是非接觸的、高能效的、無磨損的運(yùn)動(dòng)和工業(yè)對(duì)象使用的理想驅(qū)動(dòng)裝置。Festo公司負(fù)責(zé)企業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的公司持股負(fù)責(zé)人和超導(dǎo)方案的項(xiàng)目協(xié)調(diào)人George Berner說，“借此也能在迄今被認(rèn)為是無法實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化或是很難實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)⒆詣?dòng)化向前推進(jìn)。”在此期間，有了各種各樣的應(yīng)用情景，例如可用于在支座托盤上運(yùn)輸目標(biāo)物體的高動(dòng)力運(yùn)行和精準(zhǔn)定位的懸浮運(yùn)輸滑軌、或磁懸浮運(yùn)輸軋輥。當(dāng)超導(dǎo)體在自動(dòng)化或是研發(fā)成果中得到應(yīng)用，那么會(huì)越來越多的展現(xiàn)出它的可應(yīng)用性，無接觸處理在哪里受歡迎，哪里便處處可見這樣的例子。如在空間的分離或是用于對(duì)付敏感的對(duì)象方面，超導(dǎo)體便展現(xiàn)出其可應(yīng)用性。
是否可借助進(jìn)一步研發(fā)和優(yōu)化現(xiàn)有的裝置來實(shí)現(xiàn)所希望的技術(shù)飛躍或技術(shù)進(jìn)步呢，這總歸需要在事后才能得到明確的答案。可以肯定的是，某些技術(shù)一開始便在一定的條件下出現(xiàn)了本文前面所提到的未來發(fā)展趨勢(shì)。而新的概念則受到人們的青睞和為人們所接受，從而導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)真正的創(chuàng)新。
