Se puede considerar un motor lineal como un servomotor giratorio desenrollado y colocado plano para producir un movimiento fundamentalmente lineal. Un actuador lineal tradicional es un elemento mecánico que convierte el movimiento de giro de un servomotor giratorio en un recorrido en línea recta. Ambos ofrecen movimiento lineal pero con características de rendimiento y compensaciones muy diferentes. No existe tecnología superior o inferior; la elección de cuál utilizar depende de la aplicación. Echemos un vistazo más de cerca.
La regla general para los motores lineales es que brillan en aplicaciones que requieren alta aceleración, altas velocidades o alta precisión. En metrología de semiconductores, por ejemplo, donde la resolución y el rendimiento son críticos e incluso una hora de inactividad puede costar decenas de miles de dólares, los motores lineales proporcionan la solución ideal. Pero ¿qué pasa con una situación menos exigente?
Uno de los primeros problemas con los motores lineales fue la competitividad de costes. Los motores lineales requieren imanes de tierras raras, que presentan uno de los factores limitantes en la longitud de la carrera. Claro, en teoría, los imanes se pueden alinear prácticamente infinitamente, pero en realidad, aparte del desafío de garantizar suficiente rigidez en una carrera larga, los costos aumentan, particularmente para los diseños de canal en U.
Los motores con núcleo de hierro pueden generar la misma fuerza usando imanes más pequeños que el diseño equivalente sin hierro, por lo que si el músculo es el requisito principal y las especificaciones de rendimiento están lo suficientemente relajadas como para tolerar alguna perturbación de la fuerza dentada que resulte en errores de posición dinámica o velocidad, los motores con núcleo de hierro podrían ser el mejor enfoque. Si los requisitos de rendimiento son aún más flexibles, del orden de micras en lugar de nanómetros, tal vez la combinación de actuador lineal proporcione el compromiso más apropiado: elegir un actuador lineal para el envasado de medicamentos, por ejemplo, pero un motor lineal para la secuenciación del ADN para el descubrimiento de fármacos.
Duración del viaje
Aunque existen muchas excepciones, la longitud de carrera óptima para los motores lineales oscila entre un par de milímetros y varios metros. Por debajo de eso, una alternativa como una flexión podría ser más efectiva; Como se mencionó anteriormente, las transmisiones por correa y luego los diseños de piñón y cremallera son probablemente mejores opciones.
La longitud de carrera de los motores lineales está limitada no sólo por el costo y la estabilidad del montaje, sino también por la cuestión de la gestión de cables. Para generar movimiento, el forzador debe estar energizado, lo que significa que los cables de alimentación deben viajar con él durante toda su carrera. El cable de alta flexibilidad y las canaletas que lo acompañan son costosos, y el hecho de que el cableado sea el mayor punto de falla 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 ese problema. Cuando tengamos esas inquietudes, montaremos el forzador en la base estacionaria y moveremos la pista magnética. De esta manera todos los cables llegan a la fuerza estacionaria. Obtienes un poco menos de aceleración de un motor dado porque no estás acelerando una bobina, estás acelerando una pista magnética, que es más pesada. Si estuvieras haciendo esto para altas G, no sería bueno. Si realmente no tienes una aplicación de alta G, este podría ser un muy buen diseño.
Profeta cita los servomotores lineales de Aerotech con fuerzas máximas que oscilan entre 28 y 900 libras, pero aquí nuevamente, el diseño fundamental de los motores lineales se presta a soluciones únicas que ofrecen mucho más. Tenemos clientes que toman nuestros motores lineales más grandes, juntan seis y generan casi 6000 libras de fuerza. Puede colocar varios forzadores en varias pistas, fijarlos mecánicamente y luego conmutarlos todos juntos para que actúen como un solo motor; o puede colocar varios forzadores en el mismo riel magnético y montarlos en el carro que sostiene la carga y tratarlos como un solo motor.
Dado que vivimos en el mundo real y es imposible igualar la conmutación exactamente, este enfoque conlleva una penalización de eficiencia de un pequeño porcentaje, pero aun así puede generar la mejor solución integral 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 rotativo/actuador lineal? Existe una compensación de fuerza significativa: comparamos un motor lineal sin ranura de ocho polos y 4 pulgadas de ancho con un producto accionado por tornillo de 4 pulgadas de ancho. Nuestro motor lineal de ocho polos tiene una fuerza máxima de 40 libras (180 N) y una fuerza continua de 11 libras (50 N). En este mismo perfil con un servomotor NEMA 23 y nuestro producto accionado por tornillo, la carga axial máxima es de 200 libras, por lo que si lo miras de esa manera, básicamente estás viendo una reducción de 20 veces en la fuerza continua.
Los resultados reales variarán según el paso del tornillo, el diámetro del tornillo, las bobinas del motor y el diseño del motor, se da cuenta rápidamente, y están limitados por los cojinetes axiales que soportan el tornillo. El motor lineal con núcleo de hierro de 13 pulgadas de ancho de la compañía puede generar 1600 libras de fuerza axial máxima en comparación con las 440 libras proporcionadas por un producto accionado por tornillo de 6 pulgadas de ancho, por ejemplo, pero la cantidad de espacio que se cede es considerable.
Parafraseando un eslogan político, es la aplicación, estúpida. 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 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 una excepción. Un gran problema con el diseño de motores lineales estándar es la exposición a la contaminación, como partículas sólidas o humedad. Esto es cierto para los diseños de "cama plana" y menos problemático para los diseños [de canal en U].
Es muy difícil sellar completamente la solución. No querrás estar en un ambiente con mucha humedad. Si va a colocar un motor lineal en una aplicación de corte por chorro de agua, debe aplicarle presión positiva y asegurarse de que esté bien protegido porque los componentes electrónicos del motor lineal están ahí con la actuación.
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 eso crea problemas de gestión térmica que pueden comprometer el rendimiento como resultado de mover la masa del riel magnético versus mover la masa del forzador. . Una vez más, se trata de una compensación y, una vez más, la aplicación impulsa el uso.
No es sólo el entorno el que puede afectar al motor lineal: el motor lineal puede crear problemas con el medio ambiente. A diferencia de los diseños rotativos, los grandes imanes de las unidades lineales pueden causar estragos en entornos magnéticamente sensibles, por ejemplo en máquinas de resonancia magnética (MRI). Incluso puede ser un problema en una aplicación más prosaica como el corte de metales. Obtiene estos imanes de alta fuerza que intentan atraer cada uno de estos chips de metal hacia la pista del imán, por lo que los motores lineales no funcionarán bien en ese tipo de aplicaciones sin la protección adecuada.
Acerca de esas aplicaciones...
Entonces, ¿dónde está el punto óptimo de aplicación para los motores lineales? Metrología, para empezar, en áreas como la fabricación de semiconductores, LED y LCD. La impresión digital de carteles de gran tamaño 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 montaje. Usted desea obtener el mayor rendimiento posible del producto, por lo que la alta aceleración y velocidad que puede obtener de estos motores es ventajosa. Una cosa que hemos estado haciendo últimamente es la fabricación de pilas de combustible; El corte con plantilla es otra.
Eso responde a la pregunta de dónde, pero ¿qué pasa con la pregunta de cuánto? La tecnología de motores lineales lleva décadas desarrollándose, entonces, ¿dónde se encuentra en términos de aceptación en el mercado? No nos topamos mucho con ellos por su coste, pero en determinadas aplicaciones tienen mucho sentido.
Lo atribuimos al ciclo de vida del consumidor. Están los innovadores, los primeros en adoptar, la mayoría temprana, la mayoría tardía y los rezagados. Estamos en una etapa en la que cada vez es más común utilizar un motor lineal. 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 los volúmenes aumentan, por lo que los vemos en cada vez más aplicaciones. [Aerotech] también fabrica etapas con husillos de bolas. Yo diría que en este momento estamos vendiendo tantas etapas de motor lineal, si no más, que etapas de husillo de bolas. Los estamos incorporando a más y más aplicaciones. Hace diez años, la mayoría de las aplicaciones eran de estilo laboratorio, en ambientes limpios. Ahora los estamos poniendo en tipos de operaciones mucho más industriales. Uno de los segmentos que cuido es el del automóvil, y hemos estado incorporando motores lineales a muchas más aplicaciones automotrices.
Dependiendo de su configuración, casi puede obtener una solución de motor lineal por menos de lo que costaría una transmisión por correa. Tiene la ventaja de un motor lineal con transmisión directa, tiempo de respuesta rápido y sin índice de resorte como el que tiene la correa por un precio muy similar. La desventaja es que no tienes la ventaja mecánica de la correa y la polea/caja de cambios para darte esa fuerza adicional.
Ventajas y desventajas: eso realmente lo resume todo. Considere su aplicación detenidamente, comprenda sus requisitos y determine dónde reside su flexibilidad. Una vez que sepa cómo pensar en sus compensaciones, estará en condiciones de tomar una decisión informada sobre si un motor lineal o algún tipo de actuador lineal satisfará mejor sus necesidades.
Hora de publicación: 12 de junio de 2023