Un motor lineal puede considerarse como un servomotor rotatorio desenrollado y extendido para producir un movimiento fundamentalmente lineal. Un actuador lineal tradicional es un elemento mecánico que convierte el movimiento de giro de un servomotor rotatorio en movimiento rectilíneo. Ambos ofrecen movimiento lineal, pero con características de rendimiento y ventajas muy diferentes. No existe una tecnología superior o inferior; la elección de cuál utilizar depende de la aplicación. Analicémoslo con más detalle.
La regla general para los motores lineales es que destacan en aplicaciones que requieren alta aceleración, altas velocidades o alta precisión. En metrología de semiconductores, por ejemplo, donde la resolución y el rendimiento son cruciales e incluso una hora de inactividad puede costar decenas de miles de dólares, los motores lineales ofrecen la solución ideal. Pero ¿qué ocurre en una situación menos exigente?
Un problema inicial con los motores lineales fue la competitividad en cuanto a costos. Estos motores requieren imanes de tierras raras, lo que representa uno de los factores limitantes para la longitud de carrera. Si bien en teoría los imanes pueden alinearse prácticamente sin fin, en realidad, además del desafío de garantizar la rigidez suficiente a lo largo de una carrera larga, los costos se acumulan, especialmente en los diseños con canal en U.
Los motores con núcleo de hierro pueden generar la misma fuerza utilizando imanes más pequeños que el diseño equivalente sin hierro. Por lo tanto, si la fuerza es el requisito principal y las especificaciones de rendimiento son lo suficientemente flexibles como para tolerar alguna perturbación de la fuerza de dentado que resulte en errores de posición dinámica o velocidad, el núcleo de hierro podría ser la mejor opción. Si los requisitos de rendimiento son aún más flexibles, del orden de micras en lugar de nanómetros, quizás la combinación de actuador lineal ofrezca la solución más adecuada: elegir un actuador lineal para el envasado de fármacos, por ejemplo, pero un motor lineal para la secuenciación de ADN en el descubrimiento de fármacos.
Duración del viaje
Aunque existen muchas excepciones, la longitud de carrera óptima para motores lineales varía de un par de milímetros a varios metros. Para valores inferiores, una alternativa como un flexor podría ser más efectiva; para valores superiores, las transmisiones por correa y, posteriormente, los diseños de cremallera y piñón son probablemente mejores opciones.
La longitud de carrera de los motores lineales está limitada no solo por el coste y la estabilidad del montaje, sino también por la gestión del cableado. Para generar movimiento, el forzador debe estar energizado, lo que significa que los cables de alimentación deben recorrer toda su carrera. Los cables de alta flexibilidad y sus correspondientes canaletas son caros, y el hecho de que el cableado sea el principal punto de fallo en el control de movimiento en general complica aún más el problema.
Por supuesto, la propia naturaleza de los motores lineales puede ofrecer una solución inteligente a este problema. Si surgen estas preocupaciones, montaremos el forzador en la base fija y moveremos la pista magnética. De esta manera, todos los cables llegan al forzador fijo. Se obtiene una aceleración ligeramente menor de un motor dado porque no se acelera una bobina, sino una pista magnética, que es más pesada. Si se hiciera esto para altas fuerzas G, no sería una buena idea. Si realmente no se tiene una aplicación de alta G, este podría ser un diseño muy bueno.
Profeta cita los servomotores lineales Aerotech con fuerzas máximas que oscilan entre 28 y 900 lbs. Sin embargo, el diseño fundamental de los motores lineales permite soluciones únicas que ofrecen mucho más. Tenemos clientes que utilizan nuestros motores lineales más grandes, combinan seis de ellos y generan casi 6000 lbs de fuerza. Se pueden colocar varios forzadores en varias pistas, fijarlos mecánicamente y luego conmutarlos para que actúen como un solo motor; o se pueden colocar varios forzadores en la misma pista magnética y montarlos en el carro que soporta la carga, considerándolos como un solo motor.
Dado que vivimos en el mundo real y es imposible hacer coincidir la conmutación exactamente, este enfoque implica una pérdida de eficiencia de un pequeño porcentaje, pero aun así puede brindar la mejor solución general para una aplicación determinada.
Cara a cara
Desde el punto de vista de la fuerza, ¿cómo se comparan los motores lineales con las combinaciones de motor rotatorio y actuador lineal? Existe una compensación significativa de fuerza: comparamos un motor lineal sin ranuras de 4 pulgadas de ancho y ocho polos con un producto accionado por tornillo de 4 pulgadas de ancho. Nuestro motor lineal de ocho polos tiene una fuerza máxima de 40 lb (180 N) y una fuerza continua de 11 lb (50 N). En este mismo perfil, con un servomotor NEMA 23 y nuestro producto accionado por tornillo, la carga axial máxima es de 200 lb; por lo tanto, desde esta perspectiva, la fuerza continua se reduce 20 veces.
Los resultados reales variarán según el paso y el diámetro del tornillo, las bobinas del motor y el diseño del motor, señala rápidamente, y están limitados por los rodamientos axiales que soportan el tornillo. El motor lineal con núcleo de hierro de 33 cm de ancho de la compañía puede generar 727 kg de fuerza axial máxima, en comparación con los 200 kg que proporciona un producto accionado por tornillo de 15 cm de ancho, por ejemplo, pero el espacio que se pierde es considerable.
Parafraseando un eslogan político, es la aplicación, ¡qué tontería! Si la densidad de fuerza es la principal preocupación, entonces un actuador es probablemente la mejor opción. Si la aplicación requiere capacidad de respuesta, por ejemplo, en una aplicación de alta precisión y alta aceleración como la inspección de LCD, vale la pena sacrificar espacio por fuerza para obtener el rendimiento necesario.
Manteniéndolo limpio
La contaminación es un problema importante para el control de movimiento en entornos de fabricación, y los motores lineales no son la excepción. Un problema importante con el diseño estándar de motores lineales es la exposición a la contaminación, como partículas sólidas o humedad. Esto es cierto para los diseños de plataforma plana, pero menos problemático para los diseños de canal en U.
Es muy difícil sellar completamente la solución. No conviene estar en un entorno con mucha humedad. Si se va a utilizar un motor lineal en una aplicación de corte por chorro de agua, es necesario aplicarle presión positiva y asegurarse de que esté bien protegido, ya que la electrónica del motor lineal está directamente conectada con el actuador.
En el caso de los diseños de canal en U, invertir la U puede minimizar la posibilidad de que entren partículas en el canal, pero esto genera problemas de gestión térmica que pueden comprometer el rendimiento al mover la masa del riel magnético en lugar de la del forzador. De nuevo, se trata de un equilibrio entre la aplicación y el uso.
No es solo el entorno lo que puede afectar al motor lineal, sino que este puede generar problemas ambientales. A diferencia de los diseños rotativos, los grandes imanes de las unidades lineales pueden causar problemas en entornos sensibles al magnetismo, por ejemplo, en máquinas de resonancia magnética (MRI). Incluso puede ser un problema en aplicaciones más comunes como el corte de metales. Estos imanes de alta fuerza intentan atraer cada una de las virutas metálicas hacia la pista magnética, por lo que los motores lineales no funcionarán bien en este tipo de aplicaciones sin la protección adecuada.
Acerca de esas aplicaciones…
¿Cuál es el punto óptimo de aplicación para los motores lineales? Para empezar, la metrología, en áreas como la fabricación de semiconductores, LED y LCD. La impresión digital de letreros grandes también es un mercado en crecimiento, al igual que el sector biomédico, e incluso en la fabricación de piezas pequeñas. Nuestros clientes disponen pares de motores lineales en configuraciones de pórtico para tareas de ensamblaje. Buscamos obtener el máximo rendimiento del producto, por lo que la alta aceleración y velocidad que ofrecen estos motores es ventajosa. Últimamente, nos hemos dedicado a la fabricación de pilas de combustible; el corte con esténcil es otra área.
Esto responde a la pregunta de dónde, pero ¿qué hay de la pregunta de cuánto? La tecnología de motores lineales lleva décadas en desarrollo, así que ¿dónde se encuentra en términos de aceptación en el mercado? No los encontramos con frecuencia debido a su coste, pero en ciertas aplicaciones son muy útiles.
Lo atribuimos al ciclo de vida del consumidor. Están los innovadores, los pioneros, la mayoría temprana, la mayoría tardía y los rezagados. Nos encontramos en una etapa en la que el uso de un motor lineal se está volviendo más común. Estamos entrando en esa etapa de mayoría temprana.
El precio de los motores lineales está bajando a medida que optimizamos el proceso de fabricación y aumenta el volumen, por lo que los vemos en cada vez más aplicaciones. [Aerotech] también fabrica plataformas con husillos de bolas. Diría que actualmente vendemos tantas plataformas de motores lineales, si no más, como de husillos de bolas. Los estamos incorporando a cada vez más aplicaciones. Hace diez años, la mayoría de las aplicaciones eran de laboratorio, en entornos limpios. Ahora los estamos incorporando a operaciones mucho más industriales. Uno de los segmentos que atiendo es el automotriz, y hemos estado incorporando motores lineales a muchas más aplicaciones automotrices.
Dependiendo de su configuración, puede obtener una solución de motor lineal por casi menos de lo que costaría una transmisión por correa. Tiene la ventaja de un motor lineal con transmisión directa, un tiempo de respuesta rápido y la ausencia de la rigidez del resorte que ofrece la correa, por un precio muy similar. La desventaja es que no cuenta con la ventaja mecánica de la correa y la polea/reductor para obtener esa fuerza adicional.
Ventajas y desventajas: eso lo resume todo. Analice su aplicación detenidamente, comprenda sus requisitos y determine dónde reside su flexibilidad. Una vez que sepa cómo considerar las ventajas y desventajas, podrá tomar una decisión informada sobre si un motor lineal o algún tipo de actuador lineal se adapta mejor a sus necesidades.
Hora de publicación: 12 de junio de 2023