Los motores lineales están en auge. Proporcionan a las máquinas la máxima precisión y rendimiento dinámico.

Los motores lineales son muy rápidos y precisos para el posicionamiento, pero también permiten velocidades de desplazamiento lentas y constantes para cabezales y carros de máquinas, así como para sistemas de manipulación de herramientas y piezas. Diversas aplicaciones —cirugía láser, inspección visual y manipulación de botellas y equipaje— utilizan motores lineales por su gran fiabilidad, bajo mantenimiento y optimización de los ciclos de producción.

Mayor velocidad y fuerza

Los motores lineales se acoplan directamente a su carga, lo que elimina numerosos componentes de acoplamiento: acoplamientos mecánicos, poleas, correas de distribución, husillos de bolas, transmisiones por cadena y cremalleras y piñones, por nombrar algunos. Esto, a su vez, reduce los costos e incluso la holgura. Los motores lineales también permiten un movimiento constante, un posicionamiento preciso durante cientos de millones de ciclos y velocidades más altas.

Las velocidades típicas que se pueden alcanzar con motores lineales varían: las máquinas de selección y colocación (que realizan muchos movimientos cortos) y los equipos de inspección utilizanmotores paso a paso linealescon velocidades de hasta 60 pulg./seg; aplicaciones de cizalla volante y máquinas de selección y colocación que hacen movimientos más largos.sin escobillas y sin engranajesMotores lineales para velocidades de hasta 200 pulg./seg; montañas rusas, lanzaderas de vehículos y transportadores de personas utilizan motores lineales.inducción de CAmotores para alcanzar velocidades de hasta 2.000 pulg./seg.

Otro factor que determina qué tecnología de motor lineal es la mejor es la fuerza necesaria para mover la carga de la aplicación. La carga o masa, junto con el perfil de aceleración de la aplicación, determinan en última instancia esta fuerza.

Cada aplicación presenta diferentes desafíos; sin embargo, en general, los sistemas de transferencia de piezas utilizan motores paso a paso lineales con fuerzas de hasta 220 N o 50 lb; los semiconductores, el corte por láser, el corte por chorro de agua y la robótica utilizan motores sin escobillas de engranajes de hasta 2500 N; los sistemas de transporte utilizan motores de inducción de CA lineales de hasta 2200 N; y las líneas de transferencia y las máquinas herramienta utilizan motores sin escobillas con núcleo de hierro de hasta 14 000 N. Tenga en cuenta que cada aplicación es diferente y los ingenieros de aplicaciones del fabricante generalmente brindan asistencia en este paso de la especificación.

Existen otros factores además de la velocidad y la fuerza. Por ejemplo, los sistemas transportadores utilizan motores de inducción de CA lineales debido a su gran recorrido y a las ventajas de tener un secundario pasivo sin imanes permanentes. Aplicaciones como la cirugía ocular con láser y la fabricación de semiconductores utilizan motores sin escobillas y sin engranajes para una precisión y suavidad de desplazamiento.

Operación básica

Los motores lineales funcionan mediante la interacción de dos fuerzas electromagnéticas: la misma interacción básica que produce torque en un motor rotatorio.

Imagine cortar un motor rotatorio y luego aplanarlo: Esto da una idea aproximada de la geometría de un motor lineal. En lugar de acoplar la carga a un eje giratorio para generar par, la carga se conecta a un carro plano en movimiento para generar movimiento lineal y fuerza. En resumen, el par es la expresión del trabajo que proporciona un motor rotatorio, mientras que la fuerza es la expresión del trabajo de un motor lineal.

Exactitud

Consideremos primero un sistema de paso rotatorio tradicional: conectado a un husillo de bolas con un paso de 5 revoluciones por pulgada, la precisión es de aproximadamente 0,004 a 0,008 pulgadas (0,1 a 0,2 mm). Un sistema rotatorio accionado por un servomotor tiene una precisión de 0,001 a 0,0001 pulgadas.

Por el contrario, un motor lineal acoplado directamente a su carga proporciona una precisión que varía entre 0,0007 y 0,000008 pulgadas. Tenga en cuenta que el acoplamiento y el juego del husillo de bolas no están incluidos en estas cifras, y estos degradan aún más la precisión de los sistemas rotatorios.

La precisión relativa varía: el típico motor paso a paso rotatorio que detallamos aquí puede posicionarse con precisión hasta el diámetro de un cabello humano. Sin embargo, los servos lo mejoran hasta 80 veces, mientras que un motor lineal puede mejorarlo aún más, hasta 500 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano.

A veces, el mantenimiento y el costo (a lo largo de la vida útil del equipo) son consideraciones más importantes que la precisión. Los motores lineales también destacan en este aspecto: los costos de mantenimiento generalmente disminuyen con el uso de motores lineales, ya que las piezas sin contacto mejoran el funcionamiento de la máquina y aumentan el tiempo medio entre fallos. Además, la ausencia de holgura en los motores lineales elimina los impactos, lo que prolonga aún más la vida útil de la máquina. Otras ventajas: Se puede aumentar el tiempo entre ciclos de mantenimiento, lo que permite un mayor flujo operativo. Un menor mantenimiento y la participación del personal mejoran el resultado final (ganancias) y reducen el costo de propiedad a lo largo de la vida útil del equipo.

Beneficios comparados

Las aplicaciones requieren movimiento lineal. Si se utiliza un motor rotatorio, se requiere un mecanismo de conversión mecánica para convertir el movimiento rotatorio en lineal. En este caso, los diseñadores seleccionan el mecanismo de conversión más adecuado para la aplicación, minimizando las limitaciones.

• Motor lineal versus correa y polea:Para obtener movimiento lineal de un motor rotatorio, un método común es utilizar una correa y una polea. Normalmente, la fuerza de empuje está limitada por la resistencia a la tracción de la correa; los arranques y paradas bruscos pueden provocar el estiramiento de la correa y, por lo tanto, resonancia, lo que resulta en un mayor tiempo de asentamiento. El enrollamiento mecánico, la holgura y el estiramiento de la correa también reducen la repetibilidad, la precisión y el rendimiento de la máquina. Dado que la velocidad y la repetibilidad son fundamentales en el movimiento servo, esta no es la mejor opción. Mientras que un diseño de correa y polea puede alcanzar los 3 m/s, el lineal puede alcanzar los 10 m/s. Sin holgura ni enrollamiento, los motores lineales de accionamiento directo mejoran aún más la repetibilidad y la precisión.
• Motor lineal versus motor de cremallera y piñón:Los sistemas de cremallera y piñón proporcionan mayor empuje y rigidez mecánica que los diseños de correa y polea. Sin embargo, el desgaste bidireccional con el tiempo genera repetibilidades e imprecisiones cuestionables, las principales desventajas de este mecanismo. El juego impide que la retroalimentación del motor detecte la posición real de la carga, lo que genera inestabilidad y reduce las ganancias y el rendimiento general. Por el contrario, las máquinas accionadas por motores lineales son más rápidas y posicionan con mayor precisión.
• Motor lineal versus husillo de bolas:El método más común para convertir el movimiento rotatorio en lineal es usar un husillo de avance o de bolas. Estos son económicos, pero menos eficientes: los husillos de avance suelen tener una eficiencia del 50 % o inferior, y los husillos de bolas, de alrededor del 90 %. La alta fricción produce calor y el desgaste a largo plazo reduce la precisión. La distancia de recorrido está limitada mecánicamente. Además, los límites de velocidad lineal solo pueden ampliarse aumentando el paso, pero esto degrada la resolución posicional; una velocidad de rotación excesivamente alta también puede provocar latigazos en los husillos, lo que genera vibraciones. Los motores lineales ofrecen recorridos largos e ilimitados. Con un codificador en la carga, la precisión a largo plazo suele ser de ±5 µm/300 mm.

Tipos básicos de motores lineales

Así como existen diferentes tecnologías de motores rotativos, también existen varios tipos de motores lineales: paso a paso, sin escobillas y de inducción lineal de CA, entre otros. Cabe destacar que la tecnología lineal utiliza variadores (amplificadores), posicionadores (controladores de movimiento) y dispositivos de retroalimentación (como sensores Hall y codificadores) comúnmente disponibles en la industria.

Muchos diseños se benefician de motores lineales personalizados, pero los diseños estándar suelen ser adecuados.

Motores lineales con núcleo de hierro sin escobillasSe caracterizan por la laminación de acero en el forzador móvil para canalizar el flujo magnético. Este tipo de motor tiene mayor capacidad de fuerza y ​​es más eficiente, pero pesa de tres a cinco veces más que los motores sin engranajes de tamaño comparable. La platina estacionaria consta de imanes permanentes multipolares de polaridad alterna unidos a una placa de acero laminado en frío con níquel. Sin embargo, las laminaciones de acero del forzador móvil reaccionan con los imanes de la platina estacionaria, que desarrollan una fuerza de atracción y presentan una pequeña ondulación o dentado a medida que el motor se mueve de un campo magnético a otro, lo que produce variaciones de velocidad.

Estos motores desarrollan una gran cantidad de fuerza máxima, tienen una mayor masa térmica y una constante de tiempo térmica larga, por lo que son adecuados para aplicaciones de ciclo de trabajo intermitente y de alta fuerza que mueven cargas muy pesadas, como en líneas de transferencia y máquinas herramientas; están diseñados para viajes ilimitados y pueden incluir múltiples placas móviles con trayectorias superpuestas.

Motores sin escobillas y sin engranajesEl forzador móvil tiene un conjunto de bobina sin láminas de acero. La bobina consta de alambre, resina epoxi y una estructura de soporte no magnética. Esta unidad es mucho más ligera. El diseño básico produce una menor fuerza, por lo que se insertan imanes adicionales en la pista fija (para aumentar la fuerza). Esta pista tiene forma de U, con imanes a cada lado. El forzador se inserta en el centro de la U.

Estos motores son ideales para aplicaciones que requieren un funcionamiento suave sin dentado magnético, como equipos de escaneo o inspección. Sus mayores aceleraciones son útiles en la selección y colocación de semiconductores, la clasificación de chips y la dispensación de soldadura y adhesivos. Estos motores están diseñados para un recorrido ilimitado.

Motores paso a paso linealesEstán disponibles desde hace mucho tiempo; el forzador móvil consta de núcleos de acero laminado con dientes ranurados con precisión, un solo imán permanente y bobinas insertadas en el núcleo laminado. (Tenga en cuenta que dos bobinas dan como resultado un motor paso a paso bifásico). Este conjunto está encapsulado en una carcasa de aluminio.

El plato fijo consta de dientes grabados fotoquímicamente sobre una barra de acero, rectificada y niquelada. Estos pueden apilarse uno tras otro para alcanzar una longitud ilimitada. El motor incluye forzador, cojinetes y plato. La fuerza de atracción del imán se utiliza como precarga para los cojinetes; también permite operar la unidad en posición invertida para diversas aplicaciones.

Motores de inducción de CAConsisten en un forzador, que es un conjunto de bobinas compuesto por láminas de acero y devanados de fase. Los devanados pueden ser monofásicos o trifásicos. Esto permite el control directo en línea o mediante un inversor o un variador vectorial. La platina estacionaria (denominada placa de reacción) suele consistir en una fina capa de aluminio o cobre adherida a acero laminado en frío.

Una vez energizada la bobina del forzador, interactúa con la placa de reacción y se mueve. Las ventajas de este diseño son velocidades más altas y recorridos ilimitados; se utilizan para la manipulación de materiales, transporte de personas, cintas transportadoras y puertas corredizas.

Nuevos conceptos de diseño

Algunas de las últimas mejoras de diseño se han implementado mediante reingeniería. Por ejemplo, algunos motores paso a paso lineales (originalmente diseñados para proporcionar movimiento en un plano) ahora se han rediseñado para proporcionar movimiento en dos planos, es decir, movimiento XY. En este caso, el forzador móvil consta de dos motores paso a paso lineales montados ortogonalmente a 90°, de modo que uno proporciona movimiento en el eje X y el otro en el eje Y. También es posible utilizar múltiples forzadores con trayectorias superpuestas.

En estos motores de dos planos, la plataforma estacionaria (o platina) utiliza una nueva construcción de materiales compuestos para mayor resistencia. También se ha mejorado la rigidez, por lo que la deflexión se reduce entre un 60 % y un 80 % en comparación con los modelos de producción anteriores. La planitud de la platina supera las 14 micras por 300 mm para un movimiento preciso. Finalmente, dado que los motores paso a paso tienen una fuerza de atracción natural, este concepto permite montar la platina boca arriba o invertida, lo que proporciona versatilidad y flexibilidad para las aplicaciones.

Otra innovación de ingeniería, la refrigeración por agua, amplía la capacidad de fuerza de los motores lineales de inducción de CA en un 25 %. Con esta ampliación de capacidad, además de la ventaja de una longitud de recorrido ilimitada, los motores de inducción de CA ofrecen el máximo rendimiento para diversas aplicaciones: atracciones, manejo de equipaje y transporte de personas. La velocidad es variable (de 6 a 2000 pulg./s) mediante variadores de velocidad disponibles actualmente en la industria.

Otro motor incluye una carcasa cilíndrica estacionaria con una pieza móvil lineal que le proporciona movimiento. Esta pieza móvil puede ser una varilla de acero revestido de cobre, una bobina móvil o un imán móvil, como un pistón dentro de un cilindro.

Estos diseños ofrecen las ventajas de un motor lineal y un rendimiento similar al de un actuador lineal. Sus aplicaciones incluyen colonoscopias biomédicas, cámaras con actuadores de obturador largo, telescopios que requieren amortiguación de vibraciones, motores de enfoque para litografía, conmutadores de generadores que activan disyuntores para conectarlos y prensado de alimentos, como al estampar tortillas.

Los paquetes o etapas de motor lineal completos son adecuados para el posicionamiento de cargas útiles. Constan de motor, codificador de retroalimentación, interruptores de límite y portacables. Es posible apilar etapas para lograr un movimiento multieje.

Una ventaja de las etapas lineales es su perfil más bajo, lo que les permite adaptarse a espacios más reducidos en comparación con los posicionadores convencionales. El menor número de componentes aumenta la fiabilidad. En este caso, el motor se conecta a variadores convencionales. En una operación de bucle cerrado, el bucle de posición se cierra con un controlador de movimiento.

Además de los productos estándar, abundan los diseños personalizados y especiales. En definitiva, lo mejor es revisar las necesidades del equipo con un ingeniero de aplicaciones para determinar el producto lineal óptimo para las necesidades de la aplicación.