Etapas de motor lineal completas, incluida placa base, motor lineal, guías lineales, codificador y controles.

Los servomotores lineales de accionamiento directo han experimentado un aumento considerable en su adopción en los últimos años, gracias en parte a las demandas de los usuarios finales de un mayor rendimiento y una mayor precisión. Si bien los motores lineales suelen ser reconocidos por su capacidad para ofrecer una combinación de altas velocidades, carreras largas y una excelente precisión de posicionamiento, imposible de conseguir con otros mecanismos de accionamiento, también pueden lograr un movimiento extremadamente lento, suave y preciso. 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 los motores lineales no sean una solución adecuada.

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

La consideración “primaria”: ¿núcleo de hierro o sin hierro?
Los servomotores lineales de accionamiento directo se presentan en dos tipos principales: con núcleo de hierro o sin hierro, según si los devanados de la parte primaria (similares al estator de un motor rotatorio) están montados en una pila de laminación de hierro o en epoxi. Decidir si la aplicación requiere un motor lineal con núcleo de hierro o sin hierro suele ser el primer paso del 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 enfocan el flujo electromagnético hacia los imanes de la parte secundaria (similar al rotor de un motor rotatorio). 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 hierro suelen tener menor capacidad de empuje, por lo que no son adecuados para los requisitos de empuje extremadamente altos que se presentan en aplicaciones como prensado, mecanizado o moldeo. Sin embargo, son excelentes para el ensamblaje y transporte a alta velocidad.

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

Existen numerosos métodos que los fabricantes utilizan para reducir el dentado. Un enfoque común consiste en inclinar la posición de los imanes (o de los dientes), lo que crea transiciones más suaves a medida que los dientes primarios se desplazan sobre los imanes secundarios. Se puede lograr un efecto similar modificando la forma de los imanes a un octógono alargado.

Otro método para reducir el cogging se conoce como bobinado fraccional. En este diseño, el primario contiene más dientes de laminación que imanes en el secundario, y la pila de laminación tiene una forma especial. En conjunto, estas dos modificaciones actúan para anular las fuerzas de cogging. Y, por supuesto, el software siempre ofrece una solución. Los algoritmos anti-cogging permiten que los servoaccionamientos y controladores ajusten la corriente suministrada al primario para minimizar las variaciones de fuerza y ​​velocidad.

Los motores lineales sin hierro no experimentan deformación por fricción (cogging), ya que sus bobinas primarias están encapsuladas en epoxi, en lugar de estar enrolladas alrededor de una lámina de acero. Además, los servomotores lineales sin 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 encontrados en sistemas electromecánicos. Los tiempos de asentamiento suelen ser mejores (menores) para los motores sin hierro que para las versiones con núcleo de hierro. La ausencia de acero en el primario, y la consiguiente ausencia de deformación por fricción (cogging) u ondulación de velocidad, también significa que los motores lineales sin hierro pueden proporcionar un movimiento muy lento y constante, típicamente 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 servoaccionamiento y controlador. Los fabricantes de equipos originales (OEM) y fabricantes de maquinaria con amplia experiencia, o aquellos con requisitos de diseño o rendimiento muy específicos, pueden construir un sistema completo con capacidades internas y componentes estándar de diversos fabricantes.

El diseño de sistemas de motores lineales es posiblemente más sencillo que el de sistemas basados ​​en correas, cremalleras y piñones, o tornillos. Hay 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 son sin 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 (OEM) y los fabricantes de maquinaria que buscan una solución integral, existen numerosas opciones para actuadores completos accionados por motores lineales, etapas de alta precisión e incluso sistemas cartesianos y de pórtico.

¿Es el entorno 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 prácticamente cualquier tipo de guía lineal o sistema de gestión de cables para satisfacer 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 principal (bobinados, incluyendo cables y sistema de gestión de cables) permanece estacionaria.

Sin embargo, si el entorno está compuesto por 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, lo que deja la pista magnética expuesta a la contaminación. El diseño semicerrado de los motores lineales sin hierro ofrece una mejor protección, pero se debe tener cuidado para asegurar que la ranura de la parte secundaria no esté expuesta directamente a fuentes de contaminación. Existen opciones de diseño para encerrar tanto los motores lineales con núcleo de hierro como los sin hierro, pero estas pueden reducir la capacidad del motor para disipar el calor, lo que podría complicar un problema.