I motori lineari possono raggiungere elevate velocità di accelerazione e lunghe corse con buone forze di spinta e precisione di posizionamento estremamente elevata, mentre altri meccanismi di azionamento, come cinghie, viti o cremagliere e pignoni, devono sacrificare almeno uno di questi requisiti per raggiungere il altri. Ecco perché i motori lineari sono la scelta preferita per applicazioni altamente dinamiche come la metrologia e la produzione di semiconduttori.

Infatti, in base alle loro specifiche prestazionali, i motori lineari sembrano essere la soluzione perfetta per soddisfare i requisiti concorrenti spesso presenti nelle applicazioni di movimento lineare. Ma questo fa sorgere la domanda: “Perché i motori lineari non vengono adottati più ampiamente?”

Per capire perché il tasso di adozione dei motori lineari è ancora in ritardo rispetto ad altre tecnologie di azionamento, come cinghie, viti o azionamenti a pignone e cremagliera, esaminiamo alcuni dei vantaggi e degli svantaggi dei progetti di motori lineari.

Generazione e dissipazione del calore

Quando si dimensiona e si seleziona un motore, sia esso rotativo o lineare, una delle considerazioni principali è il calore. Infatti, le curve di coppia (o forza) rispetto alla 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 specificate.

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

Ciò significa che il calore viene facilmente trasferito al carico e ai componenti circostanti, causando espansione termica, degrado o, in casi estremi, danni o guasti. Anche se il carico non viene influenzato, l'accumulo di calore può ridurre la forza continua erogata dal motore. Per contrastare questo problema, alcune applicazioni richiedono il raffreddamento ad aria forzata o a liquido, che aumenta i costi, l’ingombro e la complessità.

Protezione dalla contaminazione

A causa del design aperto e dei magneti esposti, i motori lineari piatti con nucleo in ferro e i design senza ferro con canale a U possono essere difficili da proteggere dalla contaminazione. Mentre le guide lineari di supporto possono essere protette con varie guarnizioni e raschiatori disponibili in commercio, i magneti esposti di un motore lineare possono attrarre particelle ferrose 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 i componenti elettronici sensibili o interferire con i sistemi di feedback.

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

Compensazione di vibrazioni e oscillazioni

Uno dei principali punti di forza di una soluzione di motore lineare è che elimina la 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 soffrono degli effetti di gioco, avvolgimento e cedevolezza, che è un fattore importante nella loro capacità di raggiungere accuratezze di posizionamento molto elevate ed eseguire movimenti altamente dinamici, con velocità di accelerazione e decelerazione rapide.

Ma i componenti di trasmissione meccanica possono essere utili in un sistema di movimento fornendo un meccanismo di smorzamento delle oscillazioni e attenuando i disturbi, come le reazioni delle forze di lavorazione o le vibrazioni indotte dal movimento del carico. E senza questo effetto di smorzamento “incorporato”, le oscillazioni e le 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 apportare correzioni agli effetti di queste vibrazioni e oscillazioni non smorzate, i sistemi di motori lineari spesso richiedono circuiti di controllo di velocità, posizione e corrente (forza) a frequenza più elevata e una larghezza di banda del circuito di corrente più elevata. Anche il sistema di feedback della posizione, in genere un encoder lineare ottico o magnetico, deve avere una risoluzione più elevata in modo che il controller possa tracciare con maggiore precisione la posizione del motore e del carico. Anche il telaio della macchina o la struttura portante deve essere sufficientemente rigido (con una frequenza propria elevata) per rimanere relativamente insensibile agli urti e alle vibrazioni e resistere alle forze generate dal motore lineare.

In altre parole, poiché ci sono meno componenti per aiutare a compensare vibrazioni e disturbi, i circuiti di feedback e controllo devono essere in grado di comunicare più velocemente e con maggiore precisione affinché il sistema possa ottenere prestazioni dinamiche e di alta precisione.

Costo iniziale rispetto al costo totale di proprietà

Infine, uno dei fattori chiave che limitano l’adozione diffusa dei motori lineari continua a essere il costo iniziale. Sebbene abbondano i confronti che dimostrano il minor costo totale di proprietà (TCO) delle soluzioni di motori lineari rispetto alle tradizionali soluzioni a cinghia, vite o cremagliera e pignone in alcune applicazioni, il costo iniziale di un sistema di motori lineari rappresenta ancora una barriera per adozione da parte di ingegneri e progettisti che hanno il compito di soddisfare le specifiche prestazionali con un budget limitato. Caso in questione: per le applicazioni con corse molto lunghe – una delle aree in cui le soluzioni di motori lineari eccellono – il costo dei magneti e degli encoder lineari ad alta risoluzione per soddisfare i requisiti di corsa può rendere irrilevante una soluzione di motori lineari.

Le applicazioni non tradizionali guidano 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 elevata larghezza di banda e dai costi, il tasso di adozione dei motori lineari è in crescita. Un tempo considerati soluzioni di nicchia per semiconduttori, metrologia e applicazioni di lavorazione pesante, i motori lineari con nucleo in ferro, senza ferro e tubolari vengono ora utilizzati nelle applicazioni automobilistiche, alimentari, di imballaggio e di stampa, dove i movimenti potrebbero non essere così impegnativi o i requisiti di precisione sono altrettanto impegnativi, ma i vantaggi di un numero inferiore di componenti, di tempi di inattività inferiori e di una produttività più elevata giustificano costi aggiuntivi e considerazioni sulla progettazione.