Un motore lineare può essere considerato come un servomotore rotativo srotolato e disteso in modo da produrre un movimento fondamentalmente lineare. Un attuatore lineare tradizionale è un elemento meccanico che converte il movimento rotatorio di un servomotore rotativo in un movimento rettilineo. Entrambi offrono un 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. Analizziamoli più da vicino.

In linea di massima, i motori lineari eccellono in applicazioni che richiedono elevata accelerazione, alta velocità o alta precisione. Nella metrologia dei semiconduttori, ad esempio, dove risoluzione e produttività sono fondamentali e anche un'ora di inattività può costare decine di migliaia di dollari, i motori lineari rappresentano la soluzione ideale. Ma cosa succede in situazioni meno impegnative?

Uno dei primi problemi dei 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 prescindere dalla difficoltà di garantire una rigidità sufficiente su una lunga corsa, i costi aumentano, soprattutto per i modelli con profilo a U.

I motori con nucleo in ferro possono generare la stessa forza utilizzando magneti più piccoli rispetto ai corrispondenti motori senza nucleo in ferro. Pertanto, se la forza muscolare è il requisito principale e le specifiche di prestazione sono sufficientemente flessibili da tollerare alcune perturbazioni della forza di cogging che causano errori dinamici di posizione o velocità, i motori con nucleo in ferro potrebbero rappresentare la soluzione migliore. Se i requisiti di prestazione sono ancora più permissivi, dell'ordine dei micron anziché dei nanometri, la combinazione con un attuatore lineare potrebbe offrire il compromesso più appropriato: ad esempio, si potrebbe scegliere un attuatore lineare per il confezionamento dei farmaci, ma un motore lineare per il sequenziamento del DNA nella scoperta di nuovi farmaci.

Durata del viaggio
Sebbene esistano numerose eccezioni, la lunghezza ottimale della corsa per i motori lineari varia da pochi millimetri a diversi metri. Al di sotto di tale valore, un'alternativa come un sistema flessibile potrebbe essere più efficace; al di sopra, le trasmissioni a cinghia e, successivamente, i sistemi a cremagliera e pignone sono probabilmente le soluzioni migliori.

La corsa dei motori lineari è limitata non solo dai costi e dalla stabilità di montaggio, ma anche dalla gestione dei cavi. Per generare movimento, il motore deve essere alimentato, il che significa che i cavi di alimentazione devono accompagnarlo per tutta la corsa. I cavi ad alta flessibilità e le relative canaline sono costosi, e il fatto che il cablaggio rappresenti il ​​punto di guasto più frequente nei sistemi di controllo del movimento in generale complica ulteriormente la situazione.

Certo, la natura stessa dei motori lineari può offrire una soluzione ingegnosa a questo problema. In questi casi, montiamo il dispositivo di forzatura sulla base fissa e muoviamo la pista magnetica. In questo modo, tutti i cavi convergono sul dispositivo di forzatura fisso. Si ottiene un'accelerazione leggermente inferiore da un dato motore perché non si accelera una bobina, ma una pista magnetica, che è più pesante. Se si utilizzasse questo sistema per applicazioni con elevate accelerazioni, non sarebbe una soluzione ideale. Se invece non si ha un'applicazione con elevate accelerazioni, questo potrebbe essere un ottimo progetto.

Profeta cita i servomotori lineari Aerotech con forze di picco che vanno da 28 a 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 prendono i nostri motori lineari più grandi, ne uniscono sei e generano quasi 6000 libbre di forza. È possibile posizionare più motori su più binari, fissarli meccanicamente insieme e poi commutarli tutti insieme in modo che agiscano come un unico motore; oppure è possibile posizionare più motori sullo stesso binario magnetico e montarli sul carrello che sostiene il carico e trattarli come un unico motore.

Poiché viviamo nel mondo reale ed è impossibile riprodurre la commutazione in modo esatto, questo approccio comporta una perdita di efficienza di qualche punto percentuale, ma potrebbe comunque rivelarsi la soluzione migliore in assoluto per una data applicazione.

Confronto diretto
Dal punto di vista della forza, come si comportano i motori lineari rispetto alle combinazioni motore rotativo/attuatore lineare? C'è un compromesso significativo in termini di forza: confrontiamo un motore lineare senza scanalature a otto poli largo 4 pollici con un prodotto a vite largo 4 pollici. 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). Con lo stesso profilo, utilizzando un servomotore NEMA 23 e il nostro prodotto a vite, il carico assiale massimo è di 200 libbre, quindi, da questo punto di vista, si ha una riduzione della forza continua di circa 20 volte.

Come sottolinea prontamente, i risultati effettivi variano a seconda del passo della vite, del diametro della vite, degli avvolgimenti del motore e del design del motore stesso, e sono limitati dai cuscinetti assiali che supportano la vite. Il motore lineare con nucleo in ferro largo 13 pollici dell'azienda può generare una forza assiale di picco di 1600 libbre, rispetto alle 440 libbre fornite da un prodotto con azionamento a vite largo 6 pollici, ad esempio, ma lo spazio occupato è considerevole.

Per parafrasare uno slogan politico, è l'applicazione che conta, stupido. 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 alta accelerazione come l'ispezione di un display LCD, il compromesso tra ingombro e forza per ottenere le prestazioni necessarie è accettabile.

Mantenerlo pulito
La contaminazione rappresenta un problema importante per il controllo del movimento negli ambienti di produzione e i motori lineari non fanno eccezione. Un grosso problema dei motori lineari standard è l'esposizione a contaminanti come particelle solide o umidità. Questo vale per i motori a pianale ribassato e rappresenta un problema minore per i motori a canale [a U].

È molto difficile sigillare completamente la soluzione. Non bisogna operare in un ambiente con elevata umidità. Se si intende utilizzare un motore lineare in un'applicazione di taglio a getto d'acqua, è necessario applicare una pressione positiva e assicurarsi che sia ben protetto, poiché l'elettronica del motore lineare si trova proprio lì, a diretto contatto con il sistema di attuazione.

Nel caso di design a canale a U, invertire la U può ridurre al minimo la possibilità che particelle entrino nel canale, ma ciò crea problemi di gestione termica che possono compromettere le prestazioni a causa dello spostamento della massa della rotaia magnetica rispetto allo spostamento della massa del dispositivo di forzatura. Anche in questo caso, si tratta di un compromesso e, ancora una volta, l'applicazione determina l'utilizzo.

Non è solo l'ambiente a poter influenzare il motore lineare: anche il motore lineare può creare problemi all'ambiente circostante. A differenza dei motori rotativi, i grandi magneti presenti nelle unità lineari possono causare danni in ambienti sensibili al campo magnetico, come ad esempio nelle macchine per la risonanza magnetica (MRI). Il problema può presentarsi anche in applicazioni più comuni come il taglio dei metalli. Questi magneti ad alta forza tendono ad attrarre i trucioli di metallo sulla pista magnetica, pertanto i motori lineari non offrono prestazioni ottimali in questo tipo di applicazioni senza un'adeguata protezione.

Informazioni su queste applicazioni…
Qual è dunque il punto di forza dei motori lineari? Innanzitutto, la metrologia, in settori come la produzione di semiconduttori, LED e LCD. Anche la stampa digitale di grandi insegne è un mercato in crescita, così come il settore biomedico e persino la produzione di piccoli componenti: i nostri clienti dispongono coppie di motori lineari in configurazioni a portale per le operazioni di assemblaggio. L'obiettivo è massimizzare la produttività, quindi l'elevata accelerazione e velocità offerte da questi motori risultano vantaggiose. Un altro settore in cui ci siamo specializzati è la produzione di celle a combustibile e il taglio con stencil.