我們將來能夠使用曲速引擎(Warp-Antrieb)進行飛行嗎，還是對此說“是”呢?確切的說，這是對未來驅(qū)動器的大肆渲染。所謂的“遷徙者”對此感到非常高興，而這與現(xiàn)實的關(guān)系不大。我們將來很有可能乘坐這種驅(qū)動型式的地下磁懸浮軌道車。但原則上這純粹是個推想，而有些研發(fā)成果也是這樣慢慢生長出來的，當(dāng)然有些則具有破壞性。即便如此，一些趨勢和發(fā)展也是可以預(yù)見的。這樣的趨勢和發(fā)展在何處呢，我們將對此加以闡述。
150多年來，電動機得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。起初，只是直流電動機的應(yīng)用，后來又推出了同步和異步電機。有人認(rèn)為人們不能對電動機進行更多的改變，因為迄今為止人們還在使用它。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BBC公司1893年生產(chǎn)的功率為88?kW的同步電機。這臺電動機有一人高，當(dāng)時用作造紙機械的驅(qū)動裝置。而今天，人們已經(jīng)在使用福伊特(Voith)集團公司生產(chǎn)的功率為100?kW的與生產(chǎn)機器連在一起的直接驅(qū)動裝置，該電力驅(qū)動裝置同樣也是為造紙業(yè)而研制的。這個被稱作“Voith Drive”的驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)非常緊湊，以至于能夠直接安裝在輥子上。該驅(qū)動系統(tǒng)的效率達(dá)95%，比福伊特(Voith)集團公司19世紀(jì)生產(chǎn)的電力驅(qū)動裝置更加高效。
驅(qū)動技術(shù)的重要未來發(fā)展趨勢
那么工業(yè)驅(qū)動裝置以及驅(qū)動系統(tǒng)未來將如何發(fā)展呢?倘若今天還無法預(yù)言這個創(chuàng)新飛躍的話，那么人們還是能夠看到以下3個重要的發(fā)展趨勢：
* 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(對于生產(chǎn)廠家來說)和投資購置成本低(對于用戶來說)。
而研發(fā)能源消耗低和能源效益高的驅(qū)動裝置并不是一個新的發(fā)展趨勢。多年以來，人們一直在努力使高效電動機達(dá)到新的效率標(biāo)準(zhǔn)。評價整體式驅(qū)動系統(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。在此期間，由于立法者的推進，所有活躍的電動機生產(chǎn)廠家都設(shè)立了自己的節(jié)能電動機研究項目。但是，這就提出了一個問題，那就是應(yīng)將現(xiàn)有的電動機技術(shù)向前推進到何種程度。
圖1 現(xiàn)在，對在電動機上采用傳感器技術(shù)來對數(shù)字化發(fā)展趨勢作出反應(yīng)的生產(chǎn)廠家的個數(shù)在增加，而且今后還將繼續(xù)增加
人們目前對異步電機的未來能力持懷疑態(tài)度。兩年前，ABB公司的低電壓電機產(chǎn)品主管Ralf Peschel便談到：“人們當(dāng)然可以通過使用長的疊片鐵心和更多配備銅的方法來使電動機變得更加高效。但這樣做是否有意義則是另一回事。”O(jiān)swald電機公司(Oswald Elektromotoren)的Johannes Oswald也認(rèn)為異步電機不是驅(qū)動裝置的未來，屬于不再生產(chǎn)的型號。他對使用大量的材料和對陳舊的技術(shù)給予批評。而與此相反，西門子公司則認(rèn)為，異步電機(同步電機也是如此)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(同步電機也是如此)還沒有替代品。
為了使現(xiàn)有技術(shù)進一步向前發(fā)展，僅僅對電動機進行不斷優(yōu)化是不夠的。對于Oswald電機公司來說，不但要對整臺機器設(shè)備進行優(yōu)化，而且要將滿足客戶要求作為重點。最近，該公司的工程師們在研發(fā)各種不同的直接驅(qū)動裝置。努力使驅(qū)動裝置越來越高效，動力性能更佳，當(dāng)然還要使未來的驅(qū)動裝置所占空間越來越小。
圖2 行星齒輪電機是將傳動裝置和電動機組合在一起而形成的一個結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的電力驅(qū)動裝置
在工業(yè)4.0進程中，為了檢測機器運轉(zhuǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，驅(qū)動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行研發(fā)，旨在將低電壓電機“智能化”。ABB公司有了“智能傳感器”。簡單的說這是一個傳感器包，該傳感器包能夠無線的裝在每臺低電壓電機上，而且不受電動機生產(chǎn)廠家的限制。該傳感器包提供電動機振動、溫度和超負(fù)荷的數(shù)據(jù)，并且能夠確定電動機的能耗。由一個軟件來分析可使用的信息數(shù)據(jù)，并據(jù)此作出電動機維修保養(yǎng)規(guī)劃。采用該技術(shù)可減少機器設(shè)備的停機時間，延長機器設(shè)備的使用壽命和降低能耗。
西門子公司為最新一代Simotics SD電機提供了一個一攬子數(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，通過一個傳感器包接收機器運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。但是。西門子公司的這項技術(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算的存儲器中進行分析評估的。西門子公司的這一技術(shù)解決方案使用的App最終為機器設(shè)備的用戶提供信息。此外，人們可通過在電動機上安裝數(shù)據(jù)矩陣代碼來查明識別電動機，既能夠存取電動機信息，又能夠存取3D模型的信息。
這樣，有一點是明確的，今天，數(shù)字化已經(jīng)在改變著驅(qū)動技術(shù)，并且在未來將明顯影響驅(qū)動技術(shù)。在此，越來越強化的集成也將起作用。一方面未來驅(qū)動裝置將會繼續(xù)集成到工作機械中;另一方面控制裝置、電動機和傳動裝置將越來越多的融合為一體。
驅(qū)動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)博覽會上展出的關(guān)于行星齒輪電動機的研發(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、傳動裝置和電動機聯(lián)合為一個結(jié)構(gòu)緊湊的高效的電力驅(qū)動裝置。
以Manfred Schroedl教授為首的研發(fā)團隊在研究采取高速運轉(zhuǎn)電機的功率極限的途徑，如高速運轉(zhuǎn)的電機對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)來提高電動機的功率極限。由此得出一個使電動機與傳動裝置結(jié)合的新方法，在此，電動機是一個帶有多個轉(zhuǎn)子的分散式裝置，而傳動裝置是一個行星齒輪。第一步是將若干電動機組合為一個單元，如果人們從幾何學(xué)的角度將若干電動機相互巧妙布置，那么不動的電動機的部件的某些部分、所謂的定子便不再需要有磁力。這樣人們便可簡化整個結(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個帶有3支路繞組的電力機器。那么，總共是12個磁力線圈。”他解釋說，“借助我們的機器布置，這里6個磁力線圈便已夠用。”兩個轉(zhuǎn)子共同驅(qū)動一個大的帶內(nèi)齒的齒輪。另外兩個向另一個方向轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，驅(qū)動一個較小的帶外齒的輪子。這樣便形成了一個類似一級行星齒輪的情景。Manfred Schroedl教授說：“我們這樣直接集成進電動機的傳動裝置和它的驅(qū)動裝置極其簡單。由此，我們實現(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，不采用傳感器進行調(diào)節(jié)，而是用通電的線纜來設(shè)置轉(zhuǎn)子的實際位置。
作為未來的一個選擇，該系統(tǒng)提供了一個完全別樣的中間減速傳動裝置的驅(qū)動任務(wù)，由此便能夠用較少的機械組件生成一個結(jié)構(gòu)很緊湊的技術(shù)解決方案。該技術(shù)解決方案的樣機已經(jīng)表明，在相同的空間條件下，該樣機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，還可進一步承受更高的負(fù)荷，或使其結(jié)構(gòu)形式極其簡單化。Manfred Schroedl教授稱，該技術(shù)解決方案的進一步推廣應(yīng)用有兩個決定性的理由，一是制造成本較低，二是在自動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
對現(xiàn)有的驅(qū)動裝置不斷進行優(yōu)化或是可將企業(yè)帶進一個胡同，或是可使技術(shù)具備面向未來的能力。下面是一個時至今日在工業(yè)上很少使用的磁阻技術(shù)的實例，當(dāng)ABB公司和西門子公司已經(jīng)在近幾年來為市場提供同步磁阻電動機時，德國卡爾斯魯厄大學(xué)的電氣技術(shù)研究所(ETI)便致力于交換磁阻電機的進一步研發(fā)。現(xiàn)有的永磁伺服電機對未來發(fā)展還具有足夠的潛力。正如Oswald電動機公司(Oswald Elektromotoren)的Johannes Oswald所說，還應(yīng)該對現(xiàn)有的永磁伺服電機作進一步的研究，首先是用先進的計算和模擬程序?qū)@種電動機技術(shù)的電磁和機械方面的問題加以改進。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集團公司和Oswald電機公司致力于研發(fā)的超導(dǎo)電機目前仍處于研究和試驗階段。Oswald電機公司的超導(dǎo)電機研發(fā)部負(fù)責(zé)人Thomas Reis說：“我們的目標(biāo)是研發(fā)能夠推向市場的完全超導(dǎo)驅(qū)動裝置，并且要使該領(lǐng)域應(yīng)用的電力驅(qū)動裝置技術(shù)能夠不被現(xiàn)實的技術(shù)或是進一步的研發(fā)成果所覆蓋。”他又說，“Oswald電機公司設(shè)計超導(dǎo)定子;而這樣的超導(dǎo)定子必須要用氦氣冷卻到﹣200℃。冷卻所需的花費高，以至于可與超導(dǎo)電機的效能相抵銷。”據(jù)稱，超導(dǎo)力矩電機的首要應(yīng)用領(lǐng)域是航空領(lǐng)域，因為這種電動機可為航運飛機的驅(qū)動任務(wù)技術(shù)解決方案做出具有決定性意義的貢獻。航運飛機要求效率重量比要達(dá)到最低，只能借助于超導(dǎo)電機才能實現(xiàn)航運飛機所要求的效率重量比。
Festo公司推出了自動化領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用方案。除低溫技術(shù)外，這實際上是個癥結(jié)，即超導(dǎo)體可以稱得上是非接觸的、高能效的、無磨損的運動和工業(yè)對象使用的理想驅(qū)動裝置。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)方案的項目協(xié)調(diào)人George Berner說，“借此也能在迄今被認(rèn)為是無法實現(xiàn)的自動化或是很難實現(xiàn)的自動化領(lǐng)域?qū)⒆詣踊蚯巴七M。”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輸目標(biāo)物體的高動力運行和精準(zhǔn)定位的懸浮運輸滑軌、或磁懸浮運輸軋輥。當(dāng)超導(dǎo)體在自動化或是研發(fā)成果中得到應(yīng)用，那么會越來越多的展現(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付敏感的對象方面，超導(dǎo)體便展現(xiàn)出其可應(yīng)用性。
是否可借助進一步研發(fā)和優(yōu)化現(xiàn)有的裝置來實現(xiàn)所希望的技術(shù)飛躍或技術(shù)進步呢，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。而新的概念則受到人們的青睞和為人們所接受，從而導(dǎo)致實現(xiàn)真正的創(chuàng)新。
