Stadi completi di motori lineari, comprensivi di piastra di base, motore lineare, guide lineari, encoder e sistemi di controllo.

I servomotori lineari ad azionamento diretto hanno registrato un notevole aumento di adozione negli ultimi anni, in parte grazie alle richieste degli utenti finali di maggiore produttività e precisione. E sebbene i motori lineari siano spesso riconosciuti per la loro capacità di fornire una combinazione di alta velocità, lunghe corse ed eccellente precisione di posizionamento, impossibile da ottenere con altri meccanismi di azionamento, possono anche raggiungere movimenti estremamente lenti, fluidi e precisi. Infatti, la tecnologia dei motori lineari offre una gamma così ampia di funzionalità – forza di spinta, velocità, accelerazione, precisione di posizionamento e ripetibilità – che sono poche le applicazioni per le quali i motori lineari non rappresentano una soluzione adeguata.

Le varianti dei motori lineari includono servomotori lineari, motori passo-passo lineari, motori a induzione lineari e motori lineari a tubo di spinta. Quando un servomotore lineare rappresenta l'opzione migliore per una determinata applicazione, ecco tre aspetti da considerare durante la fase iniziale di selezione del motore.

La considerazione “principale”: nucleo in ferro o senza ferro?
I servomotori lineari a trasmissione diretta si dividono principalmente in due tipologie: con nucleo in ferro o senza, a seconda che gli avvolgimenti della parte primaria (analoghi allo statore in un motore rotativo) siano montati in una pila di lamelle di ferro o in resina epossidica. Decidere se l'applicazione richiede un motore lineare con nucleo in ferro o senza è in genere il primo passo nella progettazione e nella selezione.

I motori lineari con nucleo in ferro sono particolarmente adatti per applicazioni che richiedono forze di spinta estremamente elevate. Questo perché la laminazione della parte primaria presenta delle sporgenze (denti) che focalizzano il flusso elettromagnetico verso i magneti della parte secondaria (analoga al rotore in un motore rotativo). Questa attrazione magnetica tra il ferro nella parte primaria e i magneti permanenti nella parte secondaria consente al motore di erogare forze elevate.

I motori lineari senza ferro hanno generalmente una minore capacità di spinta, quindi non sono adatti per le esigenze di spinta estremamente elevate che si riscontrano in applicazioni come la pressatura, la lavorazione meccanica o lo stampaggio. Eccellono però nell'assemblaggio e nel trasporto ad alta velocità.

Lo svantaggio del design con nucleo in ferro è il fenomeno del cogging, che compromette la fluidità del movimento. Il cogging si verifica perché la conformazione scanalata della parte primaria fa sì che essa assuma posizioni "preferenziali" mentre si muove lungo i magneti della parte secondaria. Per contrastare la tendenza della primaria ad allinearsi con i magneti della secondaria, il motore deve produrre una forza maggiore, il che causa un'ondulazione della velocità, nota appunto come cogging. Questa variazione di forza e di velocità compromette la fluidità del movimento, il che può rappresentare un problema significativo in applicazioni in cui la qualità del movimento durante lo spostamento (e non solo la precisione del posizionamento finale) è importante.

Esistono numerosi metodi che i produttori utilizzano per ridurre l'effetto cogging. Un approccio comune consiste nell'inclinare la posizione dei magneti (o dei denti), creando transizioni più fluide quando i denti primari si muovono sui magneti secondari. Un effetto simile può essere ottenuto modificando la forma dei magneti in un ottagono allungato.

Un altro metodo per ridurre il cogging è quello dell'avvolgimento frazionato. In questa configurazione, l'avvolgimento primario contiene un numero di denti di laminazione superiore al numero di magneti presenti nell'avvolgimento secondario, e la pila di lamine ha una forma particolare. Insieme, queste due modifiche contribuiscono ad annullare le forze di cogging. E naturalmente, il software offre sempre una soluzione. Gli algoritmi anti-cogging consentono ai servomotori e ai controllori di regolare la corrente fornita all'avvolgimento primario in modo da minimizzare le variazioni di forza e velocità.

I motori lineari senza nucleo di ferro non presentano il fenomeno del cogging, poiché gli avvolgimenti primari sono incapsulati in resina epossidica anziché essere avvolti attorno a una laminazione in acciaio. Inoltre, i servomotori lineari senza nucleo di ferro hanno una massa inferiore (la resina epossidica è più leggera, sebbene meno rigida, dell'acciaio), il che consente loro di raggiungere alcuni dei valori di accelerazione, decelerazione e velocità massima più elevati riscontrabili nei sistemi elettromeccanici. Anche i tempi di assestamento sono in genere migliori (inferiori) per i motori senza nucleo di ferro rispetto alle versioni con nucleo in ferro. L'assenza di acciaio nell'avvolgimento primario, e la conseguente assenza di cogging o ondulazioni di velocità, significa anche che i motori lineari senza nucleo di ferro possono fornire un movimento molto lento e costante, in genere con una variazione di velocità inferiore allo 0,01%.

Quale livello di integrazione?
Come i motori rotativi, i servomotori lineari sono solo un componente di un sistema di movimentazione. Un sistema completo con motore lineare richiede anche cuscinetti per supportare e guidare il carico, gestione dei cavi, feedback (tipicamente un encoder lineare) e un servoazionamento e un controller. I produttori di apparecchiature originali (OEM) e i costruttori di macchine con una vasta esperienza, o coloro che hanno esigenze di progettazione o prestazioni molto particolari, possono realizzare un sistema completo combinando le proprie competenze interne con componenti standard di diversi produttori.

La progettazione di sistemi a motore lineare è probabilmente più semplice rispetto a quella di sistemi basati su cinghie, cremagliere e pignoni o viti. Ci sono meno componenti e meno fasi di assemblaggio laboriose (non è necessario allineare i supporti delle viti a ricircolo di sfere o tensionare le cinghie). Inoltre, i motori lineari sono senza contatto, quindi i progettisti non devono preoccuparsi di prevedere lubrificazione, regolazioni o altre operazioni di manutenzione dell'unità di azionamento. Tuttavia, per i produttori di apparecchiature originali (OEM) e i costruttori di macchine che cercano una soluzione chiavi in ​​mano, esistono innumerevoli opzioni per attuatori completi azionati da motori lineari, stadi di alta precisione e persino sistemi cartesiani e a portale.

L'ambiente è adatto a un motore lineare?
I motori lineari sono spesso la soluzione preferita in ambienti difficili, come camere bianche e ambienti sottovuoto, poiché hanno un numero inferiore di parti in movimento e possono essere abbinati a quasi tutti i tipi di guide lineari o sistemi di gestione dei cavi per soddisfare i requisiti di generazione di particelle, degassamento e temperatura dell'applicazione. In casi estremi, la parte secondaria (binario magnetico) può essere utilizzata come parte mobile, mentre la parte primaria (avvolgimenti, inclusi cavi e sistema di gestione dei cavi) rimane fissa.

Tuttavia, se l'ambiente è costituito da trucioli metallici, polvere metallica o particelle metalliche, un servomotore lineare potrebbe non essere la soluzione migliore. Ciò è particolarmente vero per i motori lineari con nucleo in ferro, poiché la loro struttura è intrinsecamente aperta, lasciando la pista magnetica esposta alla contaminazione. La struttura semi-chiusa dei motori lineari senza nucleo in ferro offre una protezione migliore, ma è necessario prestare attenzione affinché la scanalatura nella parte secondaria non sia direttamente esposta a fonti di contaminazione. Esistono opzioni di progettazione per incapsulare sia i motori lineari con nucleo in ferro che quelli senza nucleo in ferro, ma queste possono ridurre la capacità di dissipazione del calore del motore, potenzialmente sostituendo un problema con un altro.