生态机电一体化

生态机电一体化是一种开发和应用机电技术的工程方法，目的是减少对生态的影响和机器总体拥有成本。它建立在机电一体化的方法之上，但其目的并不是仅仅改善机器的功能。机电一体化是科学与工程的多学科领域，它将机械、电子、控制理论和计算机科学相结合，以改善和优化产品设计与制造。此外，在生态机电一体化中，功能应与有效使用并在资源上受到有限的影响并存。机器改进的目标是三个关键领域：能源效率，性能和用户舒适度（噪音）和振动）。

在决策者和制造业中，人们越来越意识到资源的稀缺性以及对可持续发展的需求。这样就产生了有关机器设计的新法规（例如，欧洲生态设计指令2009/125 / EC）以及全球机器市场的范式转变：“必须从xxx的资本中获得xxx的附加价值，而不是从最小的资本中获得xxx的利润。资源最少”。制造业越来越需要高性能的机器，这些机器必须以人为本的生产方式经济地使用资源（能源、消耗品）。机械制造公司和原始设备制造商 因此，敦促我们使用具有更高能效和用户舒适度的新一代高性能机器来响应这一市场需求。

减少能耗可以降低能源成本并减少对环境的影响。通常，一台机器在其整个生命周期中所产生的影响中，有80％以上归因于其在使用阶段的能耗。因此，提高机器的能效是减少其环境影响的最有效方法。性能量化了机器执行其功能的能力，通常与生产率，精度和可用性有关。用户舒适度与操作员和环境因机器操作而遭受的噪音和振动有关。

由于能源效率，性能以及噪声和振动是在一台机器中耦合的，因此在设计阶段需要以集成的方式解决这些问题。3个关键领域之间的相互关系的示例：随着机器速度的提高，机器的生产率通常会提高，但是能耗也会随之增加，并且机器振动可能会加剧，从而导致机器精度（例如定位精度）和可用性（由于停机和维护）减少。生态机电设计解决了这些关键领域之间的折衷问题。

生态机电一体化影响机电系统和机器的设计和实施方式。因此，向新一代机器的转型涉及知识机构，原始设备制造商，CAE软件供应商，机器制造商和工业机器所有者。机器的大约80％的环境影响是由其设计决定的，这一事实着重于做出正确的技术设计选择。需要基于模型的多学科设计方法，以便以集成方式解决机器的能源效率，性能和用户舒适度。

关键支持技术可以分类为机器组件，机器设计方法和工具以及机器控制。每个类别下面列出了一些示例。

• 节能电动机：cf. 电动机的能效等级，电动机的生态设计要求
• 变频驱动器：可变电机速度可实现相对于定速应用的节能
• 可变液压泵：通过适应所需的压力和流量来降低能耗（例如，可变排量泵、负荷传感泵）
• 能量存储技术：电气（电池、电容器、超级电容器）、液压（蓄能器）、动能（飞轮）、气动、磁（超导磁能存储）

• 能量模拟：使用能量机器模型和经验数据（例如能效图）来估计设计阶段机器的能量消耗
• 能源需求优化：例如负载均衡以避免功率需求峰值
• 混合动力：施加至少一种其他中间能量形式，以减少一次能源消耗，例如在配备内燃机的车辆中（请参见混合动力车辆传动系统）
• 振动声学分析：研究机器的噪声和振动特征，以定位和区分其根本原因
• 多体建模：模拟耦合刚体的相互作用力和位移，例如评估减振器对机械结构的影响
• 主动减振：例如使用压电轴承主动控制机器振动
• 快速控制原型：为控制和信号处理工程师提供一种快速而廉价的方法，以及早验证设计并评估设计权衡

• 降低能耗：优化控制信号以降低能耗
• 储能系统的能源管理：控制储能系统的功率流和充电状态，以期实现xxx的能源效益和xxx的系统寿命
• 基于模型的控制：利用系统模型来改善受控系统的结果（准确性、反应时间等）
• （自）学习控制：对系统及其变化环境的自适应控制，减少了控制工程师对控制参数的调整和适应的需要
• 最佳机器控制：系统的控制被视为一个优化问题，控制规则被认为是最佳解决方案

生态机电系统应用的一些示例是：

• 小松PC200-8 Hybrid：世界上xxx台混合动力挖掘机，具有基于超级电容器的储能系统。制动期间，液压传动系统中的能量回收可显着改善燃油经济性。
• 混合动力客车：已经使用燃料电池或柴油发动机作为主要能源，并使用电池和/或超级电容器作为能源存储系统，将不同类型的混合动力客车商业化（例如Van Hool的 ExquiCity客车）。
• 混合有轨电车：有轨电车中的混合动力实现了能量回收以及无需架空线的机动性，例如西门子交通系统在某些Combino Supra有轨电车中的应用。该系统结合了牵引电池和超级电容器。