Los motores lineales se están popularizando. Proporcionan a las máquinas la máxima precisión y un rendimiento dinámico excepcional.

Los motores lineales son muy rápidos y precisos para el posicionamiento, pero también permiten un desplazamiento lento y constante para cabezales y guías 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 debido a su extrema fiabilidad, su bajo mantenimiento y la mejora de los ciclos de producción.

Mayor velocidad y fuerza

Los motores lineales se acoplan directamente a la carga, lo que elimina una gran cantidad de componentes de acoplamiento: acoplamientos mecánicos, poleas, correas dentadas, husillos de bolas, transmisiones por cadena y cremalleras, entre otros. Esto, a su vez, reduce los costos e incluso la holgura. Además, los motores lineales permiten un movimiento uniforme, un posicionamiento preciso durante cientos de millones de ciclos y velocidades más altas.

Las velocidades típicas alcanzables con motores lineales varían: Las máquinas de recogida 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 cizallamiento volante y máquinas de recogida y colocación que realizan movimientos más largosmotor sin escobillas sin engranajesmotores lineales para velocidades de hasta 200 pulg./seg; las montañas rusas, los lanzadores de vehículos y los transportadores de personas utilizan motores lineales.inducción de corriente alternamotores para alcanzar velocidades de hasta 2000 pulgadas/segundo.

Otro factor que determina qué tecnología de motor lineal es la más adecuada es la fuerza necesaria para mover la carga de la aplicación. Esta fuerza depende, en última instancia, de la carga o masa y del perfil de aceleración de la aplicación.

Cada aplicación presenta desafíos diferentes; 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 sistemas de semiconductores, corte por láser, corte por chorro de agua y robótica utilizan motores sin escobillas sin engranajes de hasta 2500 N; los sistemas de transporte utilizan motores de inducción lineales de CA 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 que los ingenieros de aplicaciones del fabricante suelen brindar asistencia en esta etapa de especificación.

Además de la velocidad y la fuerza, existen otros factores. Por ejemplo, los sistemas de transporte utilizan motores de inducción lineales de corriente alterna debido a su gran recorrido y a las ventajas de contar con un secundario pasivo sin imanes permanentes. Aplicaciones como la cirugía ocular con láser y la fabricación de semiconductores emplean motores sin escobillas y sin engranajes para lograr precisión y suavidad en el movimiento.

Operación básica

Los motores lineales funcionan mediante la interacción de dos fuerzas electromagnéticas, la misma interacción básica que produce el par motor en un motor rotativo.

Imagina cortar un motor rotativo 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 una plataforma plana móvil para generar movimiento lineal y fuerza. En resumen, el par es la expresión del trabajo que realiza un motor rotativo, mientras que la fuerza es la expresión del trabajo que realiza un motor lineal.

Exactitud

Consideremos primero un sistema de motor paso a paso rotativo 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, o de 0,1 a 0,2 mm. Un sistema rotativo accionado por un servomotor tiene una precisión de 0,001 a 0,0001 pulgadas.

En cambio, un motor lineal acoplado directamente a su carga ofrece una precisión que oscila entre 0,0007 y 0,000008 pulgadas. Cabe destacar que el juego del acoplamiento y del husillo de bolas no se incluyen en estas cifras, y estos factores reducen aún más la precisión de los sistemas rotativos.

La precisión relativa varía: el típico motor paso a paso rotativo que describimos aquí puede posicionarse con una precisión equivalente al diámetro de un cabello humano. Sin embargo, los servomotores mejoran esta precisión hasta 80 veces, mientras que un motor lineal puede mejorarla aún más, hasta alcanzar una precisión 500 veces menor que el diámetro de un cabello humano.

En ocasiones, el mantenimiento y el coste (durante la vida útil del equipo) son factores más importantes que la precisión. Los motores lineales también destacan en este aspecto: los costes de mantenimiento suelen disminuir 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 de los motores lineales elimina las vibraciones, 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 una menor necesidad de personal mejoran los resultados (beneficios) y reducen el coste total de propiedad durante la vida útil del equipo.

Comparación de beneficios

Las aplicaciones requieren movimiento lineal. Si se utiliza un motor rotativo, es necesario un mecanismo de conversión mecánica para transformar 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 frente a correa y polea:Para obtener movimiento lineal de un motor rotativo, un método común es usar 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 rápidos pueden provocar estiramiento de la correa y, por lo tanto, resonancia, lo que resulta en un mayor tiempo de estabilización. La torsión mecánica, el juego 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 llegar a los 10 m/s. Sin juego ni torsión, los motores lineales de accionamiento directo mejoran aún más la repetibilidad y la precisión.
• Motor lineal frente a sistema de cremallera y piñón:Los sistemas de cremallera y piñón ofrecen mayor empuje y rigidez mecánica que los sistemas de correa y polea. Sin embargo, el desgaste bidireccional con el tiempo genera imprecisiones y repetibilidad cuestionables, lo que constituye el principal inconveniente de este mecanismo. El juego mecánico impide que la retroalimentación del motor detecte la posición real de la carga, lo que provoca inestabilidad y reduce la ganancia y el rendimiento general. En cambio, las máquinas con motores lineales son más rápidas y se posicionan con mayor precisión.
• Motor lineal frente a husillo de bolas:El método más común para convertir movimiento rotatorio en lineal es usar un husillo de bolas o de avance. Estos son económicos pero menos eficientes: los husillos de avance suelen tener una eficiencia del 50 % o menos, y los husillos de bolas, 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 se pueden extender aumentando el paso, pero esto degrada la resolución de posición; una velocidad de rotación excesivamente alta también puede provocar vibraciones en los husillos. Los motores lineales ofrecen un recorrido largo e ilimitado. 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 sin escobillas con núcleo de hierroSe caracterizan por laminar acero en el elemento móvil para canalizar el flujo magnético. Este tipo de motor tiene mayor fuerza y ​​es más eficiente, pero pesa de tres a cinco veces más que los motores sin engranajes de tamaño comparable. La placa fija consta de imanes permanentes multipolares de polaridad alterna adheridos a una placa de acero laminado en frío niquelado. Sin embargo, las laminaciones de acero en el elemento móvil reaccionan con los imanes de la placa fija, lo que genera una fuerza de atracción y produce una ligera ondulación o efecto de engranaje a medida que el motor se desplaza de un campo magnético a otro, lo que resulta en variaciones de velocidad.

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

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

Estos motores son idóneos para aplicaciones que requieren un funcionamiento suave sin efecto de retención magnética, como equipos de escaneo o inspección. Su mayor aceleración resulta útil en la 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 linealesEste sistema lleva disponible desde hace tiempo; el actuador móvil consta de núcleos de acero laminado con ranuras dentadas de precisión, un imán permanente y bobinas insertadas en el núcleo laminado. (Cabe destacar que dos bobinas dan como resultado un motor paso a paso bifásico). Este conjunto está encapsulado en una carcasa de aluminio.

La platina fija consta de dientes grabados fotoquímicamente sobre una barra de acero, rectificada y niquelada. Se puede apilar una tras otra para obtener una longitud ilimitada. El motor incluye el actuador, los cojinetes y la platina. La fuerza de atracción del imán se utiliza como precarga para los cojinetes; además, permite que la unidad funcione en posición invertida para diversas aplicaciones.

Motores de inducción de corriente alternaConsta de un actuador, 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 placa fija (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 impulsora interactúa con la placa de reacción y se mueve. Este diseño se caracteriza por su alta velocidad y recorrido ilimitado; se utiliza en la manipulación de materiales, sistemas de transporte de personas, cintas transportadoras y puertas correderas.

Nuevos conceptos de diseño

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

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

Otra innovación de ingeniería —la refrigeración por agua— aumenta la capacidad de fuerza de los motores de inducción lineales de CA en un 25 %. Gracias a esta mayor capacidad, junto con la ventaja de un recorrido ilimitado, los motores de inducción de CA ofrecen el máximo rendimiento para numerosas aplicaciones: atracciones de parques de diversiones, manejo de equipaje y sistemas de transporte de pasajeros. La velocidad es variable (de 6 a 2000 pulg./seg) mediante variadores de velocidad ajustables disponibles actualmente en el mercado.

Otro tipo de motor incluye una carcasa cilíndrica fija con una pieza móvil lineal que proporciona el 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. Entre sus aplicaciones se incluyen colonoscopias biomédicas, cámaras con actuadores de obturador largo, telescopios que requieren amortiguación de vibraciones, motores de enfoque para litografía, interruptores de generadores que activan los generadores y prensado de alimentos, como al estampar tortillas.

Los conjuntos completos de motores lineales o etapas son adecuados para el posicionamiento de cargas útiles. Estos constan de motor, codificador de retroalimentación, interruptores de límite y portacables. Es posible apilar etapas para el movimiento en múltiples ejes.

Una ventaja de las etapas lineales es su perfil más bajo, que permite instalarlas en espacios reducidos en comparación con los posicionadores convencionales. Un menor número de componentes se traduce en una mayor fiabilidad. En este caso, el motor está conectado a variadores de frecuencia estándar. En un funcionamiento en lazo cerrado, el bucle de posición se cierra mediante un controlador de movimiento.

Además de los productos estándar, abundan los diseños personalizados y especializados. En definitiva, lo mejor es consultar con un ingeniero de aplicaciones para determinar el producto lineal óptimo que mejor se adapte a las necesidades de la aplicación.