I motori lineari possono raggiungere elevate accelerazioni e lunghe corse con buone forze di spinta e precisioni di posizionamento estremamente elevate, mentre altri meccanismi di azionamento, come cinghie, viti o cremagliere, devono sacrificare almeno uno di questi requisiti per soddisfare gli altri. Per questo motivo, i motori lineari sono la scelta preferita per applicazioni altamente dinamiche come la metrologia e la produzione di semiconduttori.

In effetti, in base alle loro specifiche prestazionali, i motori lineari sembrano essere la soluzione perfetta per soddisfare i requisiti contrastanti che spesso si riscontrano nelle applicazioni di movimento lineare. Ma questo solleva la domanda: "Perché i motori lineari non vengono adottati più ampiamente?"

Per capire perché il tasso di adozione dei motori lineari è ancora inferiore rispetto ad altre tecnologie di azionamento, come cinghie, viti o cremagliera e pignone, diamo un'occhiata ad alcuni dei vantaggi e degli svantaggi dei progetti di motori lineari.

Generazione e dissipazione del calore

Nel dimensionamento e nella selezione di un motore, sia rotativo che lineare, una delle considerazioni principali è il calore. Infatti, le curve di coppia (o forza) in funzione della velocità, che rappresentano intervalli di funzionamento continui e intermittenti per una determinata combinazione motore-azionamento, si basano sulla capacità del motore di dissipare il calore in condizioni operative specifiche.

La generazione di calore può essere ancora più problematica per i motori lineari rispetto ai motori rotativi, poiché il carico è montato sul forcer, che contiene gli avvolgimenti del motore. (In alcuni modelli di motori lineari, il carico può essere montato sulla pista magnetica, sebbene ciò possa essere fattibile solo per corse brevi.) E nei motori lineari ironless, gli avvolgimenti sono incapsulati in resina epossidica, che non dissipa il calore con la stessa facilità di metalli come ferro o alluminio.

Ciò significa che il calore viene facilmente trasferito al carico e ai componenti circostanti, causando dilatazione termica, degradazione o, in casi estremi, danni o guasti. Anche se il carico non viene influenzato, l'accumulo di calore può ridurre la potenza continua erogata dal motore. Per contrastare questo fenomeno, alcune applicazioni richiedono un raffreddamento ad aria forzata o a liquido, con un conseguente aumento di costi, ingombro e complessità.

Protezione dalla contaminazione

A causa del loro design aperto e dei magneti esposti, i motori lineari piatti con nucleo in ferro e i motori senza ferro con canale a U possono essere difficili da proteggere dalla contaminazione. Mentre le guide lineari di supporto possono essere protette con diverse guarnizioni e raschiatori disponibili in commercio, i magneti esposti di un motore lineare possono attrarre particelle ferrose provenienti dalle operazioni di lavorazione o semplicemente dalla contaminazione aerea, spesso presente negli ambienti di produzione e di fabbrica. Inoltre, la contaminazione da liquidi può danneggiare componenti elettronici sensibili o interferire con i sistemi di feedback.

Naturalmente, coperture e strutture esterne possono essere progettate per proteggere dalla contaminazione, ma possono rendere più difficile la dissipazione del calore da parte del motore, aggravando i problemi legati al calore descritti sopra.

Compensazione delle vibrazioni e delle oscillazioni

Uno dei principali punti di forza di una soluzione con motore lineare è l'eliminazione della necessità di componenti meccanici di trasmissione della potenza, come viti, cinghie, riduttori e giunti, tra il motore e il carico. Ciò significa che i motori lineari non risentono degli effetti di gioco, avvolgimento e cedevolezza, fattori determinanti nella loro capacità di raggiungere precisioni di posizionamento molto elevate ed eseguire movimenti altamente dinamici, con rapide accelerazioni e decelerazioni.

Tuttavia, i componenti di trasmissione meccanica possono rivelarsi utili in un sistema di movimento, fornendo un meccanismo di smorzamento delle oscillazioni e attenuando i disturbi, come le reazioni dovute alle forze di lavorazione o le vibrazioni indotte dal movimento del carico. Senza questo effetto di smorzamento "integrato", oscillazioni e vibrazioni possono impedire ai motori lineari di raggiungere la precisione di posizionamento o il tempo di assestamento desiderati.

Per garantire che il sistema possa reagire e correggere gli effetti di queste vibrazioni e oscillazioni non smorzate, i sistemi con motore lineare spesso richiedono circuiti di controllo di velocità, posizione e corrente (forza) a frequenza più elevata, nonché una maggiore larghezza di banda del circuito di corrente. Anche il sistema di feedback di posizione, in genere un encoder lineare ottico o magnetico, deve avere una risoluzione più elevata in modo che il controllore possa tracciare con maggiore precisione la posizione del motore e del carico. Anche il telaio della macchina o la struttura di supporto devono essere sufficientemente rigidi (con un'elevata frequenza naturale) per rimanere relativamente insensibili a urti e vibrazioni e resistere alle forze generate dal motore lineare.

In altre parole, poiché ci sono meno componenti che contribuiscono a compensare vibrazioni e disturbi, i circuiti di feedback e di controllo devono essere in grado di comunicare in modo più rapido e accurato affinché il sistema possa ottenere prestazioni dinamiche e ad alta accuratezza.

Costo iniziale rispetto al costo totale di proprietà

Infine, uno dei principali fattori limitanti l'adozione diffusa dei motori lineari continua a essere il costo iniziale. Sebbene abbondino i confronti che dimostrano il costo totale di proprietà (TCO) inferiore delle soluzioni con motori lineari rispetto alle tradizionali soluzioni a cinghia, vite o cremagliera e pignone in alcune applicazioni, il costo iniziale di un sistema con motore lineare rappresenta ancora un ostacolo all'adozione per ingegneri e progettisti che devono soddisfare le specifiche prestazionali con un budget limitato. Un esempio concreto: per applicazioni con corse molto lunghe – uno dei settori in cui le soluzioni con motori lineari eccellono – il costo dei magneti e degli encoder lineari ad alta risoluzione per soddisfare i requisiti di corsa può portare a escludere una soluzione con motore lineare.

Le applicazioni non tradizionali stimolano la crescita dei tassi di adozione dei motori lineari

Nonostante le potenziali difficoltà poste dalla generazione di calore, dalla protezione dalla contaminazione, dai controlli ad alta larghezza di banda e dai costi, il tasso di adozione dei motori lineari è in crescita. Un tempo considerati soluzioni di nicchia per applicazioni di semiconduttori, metrologia e lavorazioni meccaniche pesanti, i motori lineari con nucleo in ferro, senza ferro e tubolari sono ora utilizzati in applicazioni automobilistiche, alimentari, del packaging e della stampa, dove i movimenti potrebbero non essere così complessi o i requisiti di precisione così esigenti, ma dove i vantaggi di un minor numero di componenti, minori tempi di fermo e una maggiore produttività giustificano i costi aggiuntivi e le considerazioni progettuali.