Etapas completas del motor lineal, que incluyen placa base, motor lineal, guías lineales, codificador y controles.

Los servomotores lineales de accionamiento directo han experimentado un notable aumento en su adopción en los últimos años, gracias en parte a la demanda de los usuarios finales de mayor rendimiento y precisión. Si bien los motores lineales suelen ser reconocidos por su capacidad para ofrecer una combinación de altas velocidades, recorridos largos y una excelente precisión de posicionamiento, imposible con otros mecanismos de accionamiento, también pueden lograr movimientos extremadamente lentos, suaves y precisos. De hecho, la tecnología de motores lineales ofrece una gama tan amplia de capacidades —fuerza de empuje, velocidad, aceleración, precisión de posicionamiento y repetibilidad— que existen pocas aplicaciones para las que no sean una solución adecuada.

Entre las variantes de motores lineales se incluyen los servomotores lineales, los motores paso a paso lineales, los motores de inducción lineales y los motores lineales de tubo de empuje. Cuando un servomotor lineal es la mejor opción para una aplicación, hay tres aspectos a considerar durante la selección inicial del motor.

La consideración “principal”: ¿Núcleo de hierro o sin hierro?
Los servomotores lineales de accionamiento directo se presentan en dos tipos principales: con núcleo de hierro o sin núcleo de hierro. Esta distinción se refiere a si los devanados de la parte primaria (análoga al estator de un motor rotativo) están montados en una estructura de laminación de hierro o en resina epoxi. Decidir si la aplicación requiere un motor lineal con núcleo de hierro o sin núcleo de hierro suele ser el primer paso en el diseño y la selección.

Los motores lineales con núcleo de hierro son ideales para aplicaciones que requieren fuerzas de empuje extremadamente altas. Esto se debe a que la laminación de la parte primaria contiene dientes (protuberancias) que concentran el flujo electromagnético hacia los imanes de la parte secundaria (similar al rotor de un motor rotativo). Esta atracción magnética entre el hierro de la parte primaria y los imanes permanentes de la parte secundaria permite que el motor genere fuerzas elevadas.

Los motores lineales sin núcleo de hierro generalmente tienen menor capacidad de fuerza de empuje, por lo que no son adecuados para las exigencias de empuje extremadamente altas que se encuentran en aplicaciones como el prensado, el mecanizado o el moldeo. Sin embargo, son excelentes para el ensamblaje y el transporte a alta velocidad.

La desventaja del diseño con núcleo de hierro es el efecto de engranaje, que reduce la suavidad del movimiento. Este efecto se produce porque el diseño ranurado de la pieza primaria hace que adopte posiciones "preferidas" al desplazarse a lo largo de los imanes de la pieza secundaria. Para contrarrestar esta tendencia de la pieza primaria a alinearse con los imanes de la secundaria, el motor debe generar mayor fuerza, lo que provoca una ondulación de velocidad, conocida como efecto de engranaje. Esta variación de fuerza y ​​la ondulación de velocidad reducen la suavidad del movimiento, lo que puede ser un problema importante en aplicaciones donde la calidad del movimiento durante el desplazamiento (y no solo la precisión del posicionamiento final) es crucial.

Existen numerosos métodos que los fabricantes utilizan para reducir el efecto de engranaje. Un enfoque común consiste en modificar la posición de los imanes (o de los dientes), creando transiciones más suaves a medida que los dientes primarios se desplazan sobre los imanes secundarios. Un efecto similar se puede lograr cambiando la forma de los imanes a un octágono alargado.

Otro método para reducir el efecto de engranaje se denomina bobinado fraccional. En este diseño, el primario contiene más dientes de laminación que imanes en el secundario, y el conjunto de laminaciones tiene una forma especial. Estas dos modificaciones, en conjunto, neutralizan las fuerzas de engranaje. Y, por supuesto, el software siempre ofrece una solución. Los algoritmos anti-engranaje permiten a los servomotores y controladores ajustar la corriente suministrada al primario para minimizar las variaciones de fuerza y ​​velocidad.

Los motores lineales sin núcleo de hierro no experimentan el efecto de retención, ya que sus bobinas primarias están encapsuladas en epoxi, en lugar de estar enrolladas alrededor de una laminación de acero. Además, los servomotores lineales sin núcleo de hierro tienen una masa menor (el epoxi es más ligero, aunque menos rígido, que el acero), lo que les permite alcanzar algunos de los valores más altos de aceleración, desaceleración y velocidad máxima que se encuentran en los sistemas electromecánicos. Los tiempos de estabilización también suelen ser mejores (menores) para los motores sin núcleo de hierro que para las versiones con núcleo de hierro. La ausencia de acero en la bobina primaria, y la consiguiente ausencia de efecto de retención o fluctuación de velocidad, también significa que los motores lineales sin núcleo de hierro pueden proporcionar un movimiento muy lento y constante, generalmente con una variación de velocidad inferior al 0,01 %.

¿Qué nivel de integración?
Al igual que los motores rotativos, los servomotores lineales son solo un componente de un sistema de movimiento. Un sistema completo de motor lineal también requiere rodamientos para soportar y guiar la carga, gestión de cables, retroalimentación (normalmente un codificador lineal) y un servocontrolador. Los fabricantes de equipos originales (OEM) y constructores de maquinaria con amplia experiencia, o aquellos con requisitos de diseño o rendimiento muy específicos, pueden construir un sistema completo con capacidades propias y componentes estándar de diversos fabricantes.

El diseño de sistemas de motores lineales es, sin duda, más sencillo que el de sistemas basados ​​en correas, cremalleras y piñones o tornillos. Requiere menos componentes y menos pasos de montaje laboriosos (no es necesario alinear los soportes de los husillos de bolas ni tensar las correas). Además, los motores lineales no tienen contacto, por lo que los diseñadores no tienen que preocuparse por la lubricación, los ajustes ni el mantenimiento de la unidad de accionamiento. Sin embargo, para los fabricantes de equipos originales y los constructores de maquinaria que buscan una solución integral, existen numerosas opciones de actuadores completos accionados por motores lineales, plataformas de alta precisión e incluso sistemas cartesianos y de pórtico.

¿El entorno es adecuado para un motor lineal?
Los motores lineales suelen ser la solución preferida en entornos difíciles, como salas blancas y entornos de vacío, ya que tienen menos piezas móviles y pueden combinarse con casi cualquier tipo de guía lineal o sistema de gestión de cables para cumplir con los requisitos de generación de partículas, desgasificación y temperatura de la aplicación. En casos extremos, la parte secundaria (pista magnética) puede utilizarse como parte móvil, mientras que la parte primaria (bobinados, incluidos los cables y su sistema de gestión) permanece fija.

Sin embargo, si el entorno contiene virutas, polvo o partículas metálicas, un servomotor lineal podría no ser la mejor opción. Esto es especialmente cierto para los motores lineales con núcleo de hierro, ya que su diseño es inherentemente abierto, dejando la pista magnética expuesta a la contaminación. El diseño semicerrado de los motores lineales sin núcleo de hierro ofrece una mejor protección, pero se debe tener cuidado para asegurar que la ranura en la parte secundaria no esté directamente expuesta a fuentes de contaminación. Existen opciones de diseño para encapsular tanto los motores lineales con núcleo de hierro como los que no lo tienen, pero estas pueden reducir la capacidad del motor para disipar el calor, lo que podría generar un problema diferente.