Stadi completi di motore lineare: piastra di base, motore lineare, guide lineari, encoder e controlli.

I servomotori lineari ad azionamento diretto hanno registrato un aumento misurabile nell'adozione negli ultimi anni, grazie in parte alle richieste degli utenti finali di maggiore produttività e migliore precisione. E sebbene i motori lineari siano spesso riconosciuti per la loro capacità di fornire una combinazione di alte velocità, corse lunghe ed eccellente precisione di posizionamento che non è possibile con altri meccanismi di azionamento, possono anche ottenere movimenti estremamente lenti, fluidi e precisi. In effetti, 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 adatta.

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

La considerazione “primaria”: nucleo di ferro o senza ferro?
I servomotori lineari ad azionamento diretto sono disponibili in due tipi principali, con nucleo in ferro o senza ferro, a seconda che gli avvolgimenti nella parte primaria (analoghi allo statore in un motore rotativo) siano montati in un pacco di laminazione in ferro o in resina epossidica. Decidere se l'applicazione richiede un nucleo in ferro o un motore lineare senza ferro è in genere il primo passo nella progettazione e nella selezione.

I motori lineari con nucleo in ferro sono più adatti per applicazioni che richiedono forze di spinta estremamente elevate. Questo perché la laminazione della parte primaria contiene denti (sporgenze) che focalizzano il flusso elettromagnetico verso i magneti della parte secondaria (analogamente al rotore di 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 generalmente hanno capacità di forza di spinta inferiori, quindi non sono adatti per i requisiti di spinta estremamente elevati riscontrati in applicazioni quali pressatura, lavorazione meccanica o stampaggio. Ma eccellono nell’assemblaggio e nel trasporto ad alta velocità.

Lo svantaggio del design del nucleo in ferro è il cogging, che riduce la fluidità del movimento. Il cogging si verifica perché il design scanalato della parte primaria le fa assumere posizioni “preferite” mentre viaggia lungo i magneti della parte secondaria. Per superare la tendenza del primario ad allinearsi con i magneti del secondario, il motore deve produrre più forza, che provoca un'ondulazione della velocità, denominata cogging. Questa variazione dell'ondulazione della forza e della velocità degrada la fluidità del movimento, il che può rappresentare un problema significativo nelle applicazioni in cui è importante la qualità del movimento durante la corsa (non solo la precisione del posizionamento finale).

Esistono numerosi metodi utilizzati dai produttori per ridurre il cogging. Un approccio comune consiste nel distorcere la posizione dei magneti (o dei denti), creando transizioni più fluide mentre i denti primari viaggiano attraverso i 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 denominato avvolgimento frazionato. In questo modello, il primario contiene più denti di laminazione di quanti magneti siano presenti nel secondario e il pacco di laminazione ha una forma speciale. Insieme, queste due modifiche funzionano per annullare le forze di cogging. E, naturalmente, il software offre sempre una soluzione. Gli algoritmi anti-cogging consentono ai servoazionamenti e ai controller di regolare la corrente fornita al primario in modo da ridurre al minimo le variazioni di forza e velocità.

I motori lineari senza ferro non sono soggetti a cogging, poiché le loro bobine primarie sono incapsulate in resina epossidica, anziché essere avvolte attorno a una laminazione di acciaio. Inoltre, i servomotori lineari senza ferro hanno una massa inferiore (la resina epossidica è più leggera, anche se meno rigida, dell'acciaio), consentendo loro di raggiungere alcuni dei valori di accelerazione, decelerazione e velocità massima più elevati riscontrati nei sistemi elettromeccanici. I tempi di assestamento sono generalmente migliori (più bassi) per i motori senza ferro rispetto anche alle versioni con nucleo in ferro. La mancanza di acciaio nella primaria e l'assenza di cogging o di ondulazione della velocità fanno sì che i motori lineari senza ferro possano 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 movimento. Un sistema di motore lineare completo richiede inoltre cuscinetti per supportare e guidare il carico, gestione dei cavi, feedback (in genere un encoder lineare) e un servoazionamento e un controller. OEM e costruttori di macchine di grande esperienza, o coloro che hanno requisiti di progettazione o prestazioni molto specifici, possono costruire un sistema completo con funzionalità interne e componenti standard di vari produttori.

La progettazione di sistemi di motori lineari è probabilmente più semplice della progettazione di sistemi basati su cinghie, cremagliere e pignoni o viti. Sono necessari meno componenti e meno fasi di assemblaggio ad alta intensità di manodopera (nessun allineamento dei supporti delle viti a ricircolo di sfere o tensionamento delle cinghie). Inoltre, i motori lineari sono senza contatto, quindi i progettisti non devono preoccuparsi di provvedere alla lubrificazione, alle regolazioni o ad altri interventi di manutenzione dell'unità di azionamento. Ma per gli OEM e i costruttori di macchine che cercano una soluzione chiavi in ​​mano, sono disponibili una miriade di opzioni per attuatori completi azionati da motori lineari, stadi ad alta precisione e persino sistemi cartesiani e a portale.

L'ambiente è adatto per un motore lineare?
I motori lineari sono spesso la soluzione preferita in ambienti difficili, come camere bianche e ambienti sottovuoto, poiché hanno meno parti mobili e possono essere abbinati a quasi tutti i tipi di guida lineare o gestione dei cavi per soddisfare i requisiti di generazione di particelle, degassamento e temperatura di l'applicazione. E in casi estremi, la parte secondaria (pista magnetica) può essere utilizzata come parte mobile, mentre la parte primaria (avvolgimenti, compresi cavi e gestione dei cavi) rimane fissa.

Ma se l’ambiente è costituito da trucioli metallici, polvere metallica o particelle metalliche, un servomotore lineare potrebbe non essere l’opzione migliore. Ciò è particolarmente vero per i motori lineari con nucleo in ferro perché il loro design è intrinsecamente aperto, lasciando la pista magnetica esposta alla contaminazione. Il design semichiuso dei motori lineari ironless offre una migliore protezione, ma è necessario prestare attenzione per garantire che la fessura nella parte secondaria non sia direttamente esposta a fonti di contaminazione. Esistono opzioni di progettazione per racchiudere sia motori lineari con nucleo in ferro che motori lineari senza ferro, ma queste possono ridurre la capacità di un motore di dissipare il calore, scambiando potenzialmente un problema con un altro.