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 aumento mensurable en la adopción en los últimos años, gracias en parte a las demandas de los usuarios finales de mayor rendimiento y mejor precisión. Y aunque los motores lineales suelen ser reconocidos por su capacidad para proporcionar una combinación de altas velocidades, carreras largas y una excelente precisión de posicionamiento que no es posible con otros mecanismos de accionamiento, también pueden lograr movimientos extremadamente lentos, suaves y precisos. De hecho, la tecnología de motores lineales proporciona una gama tan amplia de capacidades (fuerza de empuje, velocidad, aceleración, precisión de posicionamiento y repetibilidad) que hay pocas aplicaciones para las que los motores lineales no sean una solución adecuada.

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

La consideración “principal”: ¿núcleo de hierro o sin hierro?
Los servomotores lineales de accionamiento directo vienen en dos tipos principales, con núcleo de hierro o sin hierro, en referencia a si los devanados de la parte primaria (análogos al estator en un motor rotativo) están montados en una pila de laminaciones de hierro o en epoxi. Decidir si la aplicación requiere un núcleo de hierro o un motor lineal sin hierro suele ser el primer paso en el diseño y la selección.

Los motores lineales con núcleo de hierro son los más adecuados 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 (análogo al rotor en 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 entregue fuerzas elevadas.

Los motores lineales sin hierro generalmente tienen capacidades de fuerza de empuje más bajas, por lo que no son adecuados para los requisitos de empuje extremadamente altos que se encuentran en aplicaciones como prensado, mecanizado o moldeado. Pero destacan en el montaje y transporte a alta velocidad.

La desventaja del diseño del núcleo de hierro es el engranaje, que degrada la suavidad del movimiento. El dentado se produce porque el diseño ranurado de la parte primaria hace que tenga posiciones "preferidas" a medida que viaja a lo largo de los imanes de la parte secundaria. Para superar la tendencia del primario a alinearse con los imanes del secundario, el motor tiene que producir más fuerza, lo que provoca una ondulación de la velocidad, conocida como engranaje. Esta variación de la fuerza y ​​la velocidad degrada la suavidad del movimiento, lo que puede ser un problema importante en aplicaciones donde la calidad del movimiento durante el viaje (no solo la precisión del posicionamiento final) es importante.

Existen numerosos métodos que utilizan los fabricantes para reducir el engranaje. Un enfoque común es sesgar la posición de los imanes (o los dientes), creando transiciones más suaves a medida que los dientes primarios viajan a través de los imanes secundarios. Se puede lograr un efecto similar cambiando la forma de los imanes a un octágono alargado.

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

Los motores lineales sin hierro no experimentan engranajes, ya que sus bobinas primarias están encapsuladas en epoxi, en lugar de estar enrolladas alrededor de una lámina de acero. Y los servomotores lineales sin hierro tienen una masa menor (el epoxi es más liviano, 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 asentamiento también suelen ser mejores (más bajos) para los motores sin hierro que para las versiones con núcleo de hierro. La falta de acero en el primario y la falta asociada de engranaje o ondulación de velocidad también significa que los motores lineales sin hierro pueden proporcionar un movimiento muy lento y constante, generalmente con menos del 0,01 por ciento de variación de velocidad.

¿Qué nivel de integración?
Al igual que los motores rotativos, los servomotores lineales son sólo un componente de un sistema de movimiento. Un sistema de motor lineal completo 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 y fabricantes de máquinas con mucha experiencia, o aquellos que tienen requisitos de diseño o rendimiento únicos, pueden construir un sistema completo con capacidades internas y componentes disponibles en el mercado de varios fabricantes.

Podría decirse que el diseño de sistemas de motores lineales es más simple que el diseño de sistemas basados ​​en correas, piñones y cremallera o tornillos. Hay menos componentes y menos pasos de montaje que requieren mucha mano de obra (sin alineación de soportes de husillos de bolas ni tensado de correas). Y los motores lineales no tienen contacto, por lo que los diseñadores no tienen que preocuparse por tomar medidas para la lubricación, los ajustes u otro mantenimiento de la unidad motriz. Pero para aquellos fabricantes de equipos originales y fabricantes de máquinas que buscan una solución llave en mano, existen innumerables opciones para actuadores completos impulsados ​​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 limpias y entornos de vacío, ya que tienen menos piezas móviles y pueden combinarse con casi cualquier tipo de guía lineal o gestión de cables para cumplir con los requisitos de generación de partículas, desgasificación y temperatura de la aplicación. Y en casos extremos, la parte secundaria (pista magnética) se puede utilizar como parte móvil, mientras que la parte primaria (devanados, incluidos los cables y la gestión de cables) permanece estacionaria.

Pero si el entorno está formado por virutas de metal, polvo metálico o partículas metálicas, un servomotor lineal puede no ser la mejor opción. Esto es especialmente cierto para los motores lineales con núcleo de hierro porque su diseño es inherentemente abierto, dejando la pista magnética expuesta a la contaminación. El diseño semicerrado de los motores lineales sin hierro proporciona una mejor protección, pero se debe tener cuidado para garantizar que la ranura de la parte secundaria no esté expuesta directamente a fuentes de contaminación. Existen opciones de diseño para encerrar motores lineales con núcleo de hierro y sin hierro, pero estas pueden reducir la capacidad de un motor para disipar el calor, lo que podría cambiar un problema por otro.