Un motore lineare può essere pensato come un servomotore rotativo srotolato e disteso per produrre un movimento fondamentalmente lineare. Un attuatore lineare tradizionale è un elemento meccanico che converte il movimento rotatorio di un servomotore rotativo in una corsa rettilinea. Entrambi offrono movimento lineare ma con caratteristiche prestazionali e compromessi molto diversi. Non esiste una tecnologia superiore o inferiore: la scelta di quale utilizzare dipende dall'applicazione. Diamo uno sguardo più da vicino.
La regola pratica per i motori lineari è che brillano in applicazioni che richiedono elevata accelerazione, alte velocità o alta precisione. Nella metrologia dei semiconduttori, ad esempio, dove la risoluzione e la produttività sono fondamentali e anche un'ora di inattività può costare decine di migliaia di dollari, i motori lineari rappresentano la soluzione ideale. Ma che dire di una situazione meno impegnativa?
Uno dei primi problemi con i motori lineari era la competitività dei costi. I motori lineari richiedono magneti in terre rare, che rappresentano uno dei fattori limitanti per la lunghezza della corsa. Certo, in teoria i magneti possono essere allineati praticamente all'infinito, ma in realtà, a parte la sfida di garantire una rigidità sufficiente su una corsa lunga, i costi aumentano, in particolare per i design con canale a U.
I motori con nucleo in ferro possono generare la stessa forza utilizzando magneti più piccoli rispetto al design equivalente senza ferro, quindi se il muscolo è il requisito principale e le specifiche prestazionali sono sufficientemente rilassate da tollerare alcuni disturbi della forza di cogging con conseguenti errori di posizione dinamica o velocità, i motori con nucleo in ferro potrebbero essere l'approccio migliore. Se i requisiti prestazionali sono ancora più flessibili, dell’ordine dei micron anziché dei nanometri, forse la combinazione di attuatori lineari fornisce il compromesso più appropriato: scegliere un attuatore lineare per il confezionamento dei farmaci, ad esempio, ma un motore lineare per il sequenziamento del DNA per la scoperta dei farmaci.
Durata del viaggio
Sebbene esistano numerose eccezioni, la lunghezza della corsa ottimale per i motori lineari varia da un paio di millimetri a diversi metri. Al di sotto di tale valore, un'alternativa come una flessione potrebbe essere più efficace; sopra, le trasmissioni a cinghia e poi i design a pignone e cremagliera sono probabilmente le scommesse migliori.
La lunghezza della corsa dei motori lineari è limitata non solo dal costo e dalla stabilità di montaggio, ma anche dal problema della gestione dei cavi. Per generare movimento, la forzatrice deve essere energizzata, il che significa che i cavi di alimentazione devono percorrere tutta la corsa. I cavi ad alta flessibilità e le relative canaline sono costosi e il fatto che il cablaggio sia il principale punto di guasto nel controllo del movimento in generale complica ulteriormente il problema.
Naturalmente, la natura stessa dei motori lineari può fornire una soluzione intelligente a questo problema. Laddove abbiamo queste preoccupazioni, monteremo il forzante sulla base fissa e sposteremo la traccia magnetica. In questo modo tutti i cavi arrivano al forzatore stazionario. Ottieni un po' meno accelerazione da un dato motore perché non stai accelerando una bobina, stai accelerando una traccia magnetica, che è più pesante. Se lo facessi per il Sol acuto, non andrebbe bene. Se davvero non hai un'applicazione ad alti G, questo potrebbe essere un ottimo progetto.
Profeta cita i servomotori lineari Aerotech con forze di picco comprese tra 28 e 900 libbre, ma anche in questo caso il design fondamentale dei motori lineari si presta a soluzioni uniche che offrono molto di più. Abbiamo clienti che prenderanno i nostri motori lineari più grandi, ne metteranno insieme sei e genereranno quasi 6000 libbre di forza. Puoi mettere più forzatori su più binari, fissarli meccanicamente insieme e quindi commutarli tutti insieme in modo che agiscano come un unico motore; oppure è possibile inserire più forzatori nella stessa pista magnetica e montarli sul carrello che sostiene il carico e trattarli come un unico motore.
Poiché viviamo nel mondo reale ed è impossibile far corrispondere esattamente la commutazione, questo approccio comporta una penalizzazione in termini di efficienza di una piccola percentuale, ma potrebbe comunque fornire la migliore soluzione completa per una determinata applicazione.
Testa a testa
Dal punto di vista della forza, come si confrontano i motori lineari con le combinazioni motore rotativo/attuatore lineare? Esiste un significativo compromesso di forza: confrontiamo un motore lineare slotless a otto poli da 4 pollici di larghezza con un prodotto a vite da 4 pollici di larghezza. Il nostro motore lineare a otto poli ha una forza di picco di 40 libbre (180 N) e una forza continua di 11 libbre (50 N). In questo stesso profilo con un servomotore NEMA 23 e il nostro prodotto con azionamento a vite, il carico assiale massimo è di 200 libbre, quindi se lo guardi in questo modo, stai osservando sostanzialmente una riduzione di 20 volte della forza continua.
I risultati effettivi varieranno a seconda del passo e del diametro della vite, delle bobine del motore e del design del motore, si affretta a notare, e sono limitati dai cuscinetti assiali che supportano la vite. Il motore lineare con nucleo in ferro da 13 pollici di larghezza dell'azienda può generare 1600 libbre di forza assiale di picco rispetto alle 440 libbre fornite da un prodotto con azionamento a vite da 6 pollici di larghezza, ad esempio, ma la quantità di spazio concesso è considerevole.
Per parafrasare uno slogan politico, è l'applicazione, stupida. Se la densità di forza è la preoccupazione principale, allora un attuatore è probabilmente la scelta migliore. Se l'applicazione richiede reattività, ad esempio in un'applicazione ad alta precisione e ad alta accelerazione come l'ispezione LCD, vale la pena scendere a compromessi tra ingombro e forza per ottenere le prestazioni necessarie.
Mantenerlo pulito
La contaminazione è un problema importante per il controllo del movimento negli ambienti di produzione e i motori lineari non fanno eccezione. Un grosso problema con la progettazione dei motori lineari standard è l’esposizione alla contaminazione, come particelle solide o umidità. Questo è vero per i progetti "flatbed" e meno problematico per i progetti [con canale a U].
È molto difficile sigillare completamente la soluzione. Non vuoi essere in un ambiente ad alta umidità. Se intendi inserire un motore lineare in un'applicazione di taglio a getto d'acqua, devi esercitare una pressione positiva su di esso e assicurarti che sia ben protetto perché l'elettronica del motore lineare è proprio lì con l'attuazione.
Nel caso dei progetti con canale a U, l'inversione della U può ridurre al minimo la possibilità che le particelle entrino nel canale, ma ciò crea problemi di gestione termica che possono compromettere le prestazioni come risultato dello spostamento della massa della guida magnetica rispetto allo spostamento della massa del forzante . Ancora una volta, è un compromesso e, ancora una volta, l'applicazione guida l'utilizzo.
Non è solo l'ambiente che può influenzare il motore lineare: il motore lineare può creare problemi con l'ambiente. A differenza dei design rotanti, i grandi magneti nelle unità lineari possono provocare danni agli ambienti magneticamente sensibili, ad esempio nelle macchine per la risonanza magnetica (MRI). Può rappresentare un problema anche in applicazioni più prosaiche come il taglio dei metalli. Ottieni questi magneti ad alta forza che cercano di attirare ciascuno di questi chip metallici sulla pista magnetica, quindi i motori lineari non funzioneranno bene in questi tipi di applicazioni senza un'adeguata protezione.
Informazioni su tali applicazioni…
Qual è allora il punto di forza dell’applicazione per i motori lineari? La metrologia, tanto per cominciare, in settori quali la produzione di semiconduttori, LED e LCD. Anche la stampa digitale di segnaletica di grandi dimensioni è un mercato in crescita, così come il settore biomedico, e anche la produzione di piccole parti, i nostri clienti organizzano coppie di motori lineari in configurazioni a portale per attività di assemblaggio. Desideri ottenere la massima produttività possibile, quindi l'elevata accelerazione e velocità che puoi ottenere da questi motori è vantaggiosa. Una cosa che abbiamo fatto ultimamente è la produzione di celle a combustibile; il taglio dello stencil è un altro.
Ciò risponde alla domanda dove, ma per quanto riguarda la domanda quanto? La tecnologia dei motori lineari è in fase di sviluppo da decenni, quindi dove si trova in termini di accettazione da parte del mercato? Non li incontriamo spesso a causa del costo, ma in alcune applicazioni hanno molto senso.
Lo attribuiamo al ciclo di vita del consumatore. Ci sono gli innovatori, i primi ad adottare, la maggioranza anticipata, la maggioranza tardiva e i ritardatari. Siamo arrivati a un punto in cui sta diventando sempre più comune l'utilizzo di un motore lineare. Ci stiamo spostando verso quella fase iniziale di maggioranza.
Il prezzo dei motori lineari sta diminuendo man mano che ottimizziamo il processo di produzione e i volumi aumentano, quindi li vediamo in sempre più applicazioni, [Aerotech] produce anche stadi con viti a ricircolo di sfere. Direi che a questo punto stiamo vendendo tanti stadi con motore lineare, se non di più, quanti stadi con vite a ricircolo di sfere. Li stiamo inserendo in sempre più applicazioni. Dieci anni fa, la maggior parte delle applicazioni erano di tipo laboratorio, in ambienti puliti. Ora li stiamo inserendo in operazioni molto più industriali. Uno dei segmenti di cui mi occupo è quello automobilistico e abbiamo inserito i motori lineari in molte più applicazioni automobilistiche.
A seconda della configurazione, è possibile ottenere una soluzione con motore lineare quasi a un costo inferiore a quello di una trasmissione a cinghia. Hai il vantaggio di un motore lineare con azionamento diretto, tempi di risposta rapidi e assenza di rigidità della molla come ha la cinghia per un prezzo molto simile. Lo svantaggio è che non hai quel vantaggio meccanico della cinghia e della puleggia/scatola del cambio per darti quella forza extra.
Aspetti positivi e negativi: questo riassume davvero tutto. Considera attentamente la tua candidatura, comprendi le tue esigenze, determina dove risiede la tua flessibilità. Una volta che sai come pensare ai tuoi compromessi, sarai in grado di prendere una decisione informata se un motore lineare o una sorta di attuatore lineare soddisferà al meglio le tue esigenze.
Orario di pubblicazione: 12 giugno 2023