Bezdrátový přenos elektrické energie ze ZČU ověřen v praxi Ve spolupráci výzkumných center Fakulty elektrotechnické a Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni vznikl prototyp technologického příslušenství obráběcího stroje s bezdrátově napájeným pohonem vřetena. Už v TT 2021/8 jsme vás formou rozhovoru informovali o zrodu patentu fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity (ZČU) v Plzni na technologii bezkontaktního přenosu elektrické energie v rámci rotujících částí strojů. Nyní Tomáš Kavalír (RTI - Regionální technologický institut) a Vladimír Kindl (RICE - Research and Innovation Centre for Electrical Engineering), se kterými jsme tenkrát hovořili, pokročili společně s dalšími členy týmu výzkumníků ve složení Jan Hnátík (RTI), Michal Křížek (RTI) a Pavel Turjanica (RICE) dále a vyvinuli zařízení, díky jehož konstrukci je umožněn volný otáčivý pohyb rotorové části, což s sebou přináší množství technických výhod. Mezi zásadní přínosy patří možnost regulace otáček a výkonu, možnost polohování vřetena a možnost automatické výměny nástroje (v závislosti na konstrukci). Unikátnost tohoto zařízení spočívá především v tom, že nabízí tyto technické výhody všechny zároveň, na rozdíl od jiných konstrukčních řešení.
DOSAVADNÍ TECHNOLOGIE BEZDRÁTOVÉHO PŘENOSU ENERGIE
Bezdrátový přenos energie (WPT — wireless power transfer) pomocí sériově-paralelní (S-P) rezonanční vazby je široce používán v aplikacích, kde je vyžadován spolehlivý přenos energie prostřednictvím rotujících částí. Často se používá v letectví, robotice a medicíně a v průmyslových strojích jako náhrada mechanických kroužkových sběračů v elektrických strojích. Zatímco využití WPT v medicíně, robotice a méně průmyslově zaměřených oblastech je častější, využití této metody v rámci strojírenství bylo doposud orientováno především na energeticky méně náročné aplikace, jako je napájení diagnostických senzorů. Poslední zmíněná oblast použití ve strojírenském průmyslu souvisí s unikátním využitím této metody umožňující napájení obráběcích vřetenových hlav určených pro úhlové vrtání a úhlové závitování. Využití technologického příslušenství spojeného s vřetenem automatizovaného obráběcího stroje lze v současnosti realizovat mnoha způsoby. Obecně existují dvě možnosti připojení takového příslušenství. Jedním je využití rotace vřetenové hlavy stroje k ovládání technologického příslušenství a druhým externí pohon příslušenství.
UPÍNÁNÍ A OTÁČENÍ NÁSTROJŮ OTÁČENÍM VŘETENOVÉ HLAVY
V první skupině se příslušenství připojuje k vřetenu stroje standardním způsobem upínání a otáčení nástroje je realizováno otáčením vřetenové hlavy. Z tohoto důvodu je nutné zajistit těleso technologického příslušenství tak, aby se neotáčelo společně s vřetenovou hlavou. Mezi největší výhody této metody patří možnost využití automatické výměny nástrojů (ATC — automatic tool changer) a zároveň vysoký výkon a krouticí moment, který je přenášen z vřetena stroje. Nevýhodou tohoto způsobu je omezená rychlost příslušenství, která je dána mechanickou povahou (planetové převodovky) pohonu. Dále není možné další polohování příslušenství ve vřetenu (po upnutí je zajištěno ve výchozí poloze). Nutnost polohování je však někdy nezbytná pro dosažení polohy v případě obrábění komplikovaných prvků — např. vrtání a úhlové řezání závitů. To je důležité pro obrábění dílů v automobilovém a zejména leteckém průmyslu, kde je typické použití lehkých slitin na bázi hliníku. Tento typ slitiny se vyznačuje vysokou řeznou rychlostí, a proto vyžaduje vysoké otáčky vřetena. Otáčky vřetena výše popsaného příslušenství jsou však výrazně omezeny z důvodu mechanické koncepce.
PŘÍSLUŠENSTVÍ S EXTERNÍM POHONEM
Druhou skupinou příslušenství je zařízení, kde je upevněno vřeteno obráběcího stroje, a příslušenství má vlastní pohon. V tomto případě se pro pohon často používá externí napájecí zdroj. Technologická vřetena poháněná vlastním elektromotorem dosahují extrémních otáček (i více než 100 000 ot/min) a zároveň mají dostatečný výkon a krouticí moment. Je také možné ovládat rychlost nástroje, která je základní pro operace závitování a řezání závitů. Stroj musí upravit posuv ve směru osy nástroje na otáčky vřetena tak, aby odpovídal stoupání nástroje. Nevýhodou je však elektroinstalace, která napájí elektromotor z externího zdroje. Kabeláž snižuje možnost umístění vřetena, nutnost připojení kabelů navíc výrazně komplikuje nebo dokonce znemožňuje ATC.
Z tohoto důvodu je nutné zajistit těleso technologického příslušenství tak, aby se neotáčelo společně s vřetenovou hlavou. Mezi největší výhody této metody patří možnost využití automatické výměny nástrojů (ATC — automatic tool changer) a zároveň vysoký výkon a krouticí moment, který je přenášen z vřetena stroje. Nevýhodou tohoto způsobu je omezená rychlost příslušenství, která je dána mechanickou povahou (planetové převodovky) pohonu. Dále není možné další polohování příslušenství ve vřetenu (po upnutí je zajištěno ve výchozí poloze). Nutnost polohování je však někdy nezbytná pro dosažení polohy v případě obrábění komplikovaných prvků — např. vrtání a úhlové řezání závitů. To je důležité pro obrábění dílů v automobilovém a zejména leteckém průmyslu, kde je typické použití lehkých slitin na bázi hliníku. Tento typ slitiny se vyznačuje vysokou řeznou rychlostí, a proto vyžaduje vysoké otáčky vřetena. Otáčky vřetena výše popsaného příslušenství jsou však výrazně omezeny z důvodu mechanické koncepce.
Příslušenství s externím pohonem
Druhou skupinou příslušenství je zařízení, kde je upevněno vřeteno obráběcího stroje, a příslušenství má vlastní pohon. V tomto případě se pro pohon často používá externí napájecí zdroj. Technologická vřetena poháněná vlastním elektromotorem dosahují extrémních otáček (i více než 100 000 ot/min) a zároveň mají dostatečný výkon a krouticí moment. Je také možné ovládat rychlost nástroje, která je základní pro operace závitování a řezání závitů. Stroj musí upravit posuv ve směru osy nástroje na otáčky vřetena tak, aby odpovídal stoupání nástroje. Nevýhodou je však elektroinstalace, která napájí elektromotor z externího zdroje. Kabeláž snižuje možnost umístění vřetena, nutnost připojení kabelů navíc výrazně komplikuje nebo dokonce znemožňuje ATC. Další metodou, která umožňuje současné ATC a umístění příslušenství, je pohon tlakovou kapalinou. Pro pohon se používá chladicí kapalina přiváděná středem vřetena. Příslušenství využívající k pohonu nástroje malou turbínu dosahuje vysokých otáček vřetena, ale neposkytuje dostatečný krouticí moment ani výkon. Na druhou stranu nástavce vybavené pístovými hydromotory poskytují dostatečný krouticí moment, ale dosahují nízkých otáček vřetena. Ani jedno z řešení však neposkytuje možnost řízení otáček vřetena potřebné pro operace závitování a řezání závitů.
Řešením je bezdrátový přenos energie
Výše uvedené limitující faktory představují pádné argumenty pro vývoj spolehlivého způsobu napájení technologického příslušenství obráběcích strojů. Jak naznačila první rozsáhlá měření na experimentálním prototypu, lze tímto způsobem přenést dostatečný výkon potřebný pro optimální funkci na technologické příslušenství, přičemž je možné další zvýšení přenášeného výkonu. Hlavní motivací je využití bezdrátového napájení technologického příslušenství při zachování výhod automatické výměny nástrojů a regulace otáček vřetena. Tabulka 1 ukazuje, že pouze řešení s bezdrátovým přenosem energie umožňuje kombinaci tří klíčových funkcí, jmenovitě schopnost ATC, volnost polohování příslušenství kolem osy vřetena stroje a ovládání otáček vřetena. V případě bezdrátového přenosu síly na technologické příslušenství nebrání pohybu nástroje žádné napájecí kabely, navíc je možné ovládat otáčky příslušenství a polohu nástroje při zachování možnosti ATC. Pro zajištění nezávislého a plně integrovaného komunikačního kanálu nezbytného pro řízení stroje lze také použít bezdrátový přenosový systém. Podrobnou implementací rotačního bezdrátového přenosu výkonu pro pohon obráběcího stroje pomocí sériově paralelní rezonanční indukční vazby se zabývá článek Wireless Power Transmission System for Powering Rotating Parts of Automatic Machineries, který najdete na stránkách ZČÚ.
Využití elektromagnetické indukce v obráběcích strojích
Popsané technické řešení najde své využití například pro napájení obráběcích vřeten malého výkonu umístěných ve vřeteníku obráběcího stroje, tedy v místech, kde není možno kontaktně řešit elektrické napájení. Přitom je zachována možnost automatické výměny nástroje, umožněno řízení otáček a dosažení velmi vysokých otáček, a to jak rotorové části technologického příslušenství, tak rotoru elektrického motoru v technologickém příslušenství. Technologické příslušenství obráběcího stroje s bezdrátově napájeným pohonem vřetena je tvořeno prstencovou statorovou částí s vysílací cívkou (označené jako TX na níže uvedeném obrázku) pro přenos elektrické energie na rotorovou část. Rotorová část je vůči statorové části volně otočná a pro příjem elektrické energie z vysílací cívky využívá konstrukčně identickou přijímací cívku (označeno jako RX na obrázku CAD modelu prototypu). Rotorová část je dále vybavena elektrickým motorem pro pohon vřetena, který je opatřen nástavcem, například sklíčidlem, pro uchycení obráběcího nástroje s možností automatické výměny. Přenos elektrické energie ze statoru na rotor umožňuje elektromagnetická indukce s využitím rezonance. Vazebné elementy (viz TX a RX na obrázku modelu vlevo) mají z důvodu omezených zástavbových rozměrů podobu planárních cívek, využívajících nosné konstrukce obráběcího stroje zároveň jako magnetického obvodu. Zvyšuje se tím robustnost, mechanická odolnost a schopnost chlazení navržených vazebných elementů. Princip použitého bezdrátového přenosu elektrické energie je již znám ze stavu techniky, např. z jiného patentu FEL RICE, patentového spisu CZ 308445 B6. Výstupem spolupráce dvou výzkumných center ZČU je užitný vzor, který se opírá o tento patent opírá. Technologii se podařilo implementovat a úspěšně otestovat v reálném průmyslovém prostředí, konkrétně ve stroji DMU 40 eVo linear. Příslušenství bylo veřejnosti rovněž představeno na loňském Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně. Pro úplnost je třeba ještě doplnit, že vzhledem k mechanické stabilitě a vysoké rychlosti rotujících částí jsou prvky spojky prototypu konstruovány ze železného jádra z konstrukční oceli, které vytváří značné ztráty a tím zhoršuje kvalitativní faktory magnetických spojek. V porovnání s příkonem celého technologického celku však znamená horší očekávaná účinnost bezdrátového přenosu menší technický problém. Významný přínos této práce spočívá v relativně jednoduché konstrukci spojovacích prvků s nízkou cenou a značnou robustností, odolností vůči dynamickým podmínkám, dobrou tepelnou vodivostí a snadnou adaptací na jakékoli průmyslové zařízení.
/Michael Málek s využitím materiálů ZČU/
