Estágios completos do motor linear – incluindo placa base, motor linear, guias lineares, codificador e controles.

Os servomotores lineares de acionamento direto tiveram um aumento mensurável na adoção nos últimos anos, em parte graças às demandas dos usuários finais por maior rendimento e melhor precisão. E embora os motores lineares sejam mais frequentemente reconhecidos pela sua capacidade de fornecer uma combinação de altas velocidades, cursos longos e excelente precisão de posicionamento que não é possível com outros mecanismos de acionamento, eles também podem alcançar movimentos extremamente lentos, suaves e precisos. Na verdade, a tecnologia de motores lineares oferece uma gama tão ampla de capacidades – força de impulso, velocidade, aceleração, precisão de posicionamento e repetibilidade – que existem poucas aplicações para as quais os motores lineares não são uma solução adequada.

As variações de motores lineares incluem servomotores lineares, motores de passo lineares, motores de indução lineares e motores lineares de tubo de impulso. Quando um servo motor linear é a melhor opção para uma aplicação, aqui estão três coisas a serem consideradas durante a seleção inicial do motor.

A consideração “primária”: núcleo de ferro ou sem ferro?
Os servomotores lineares de acionamento direto vêm em dois tipos principais, com núcleo de ferro ou sem ferro, referindo-se se os enrolamentos da parte primária (análogo ao estator em um motor rotativo) são montados em uma pilha de laminação de ferro ou em epóxi. Decidir se a aplicação requer um núcleo de ferro ou um motor linear sem ferro é normalmente o primeiro passo no projeto e na seleção.

Os motores lineares com núcleo de ferro são mais adequados para aplicações que exigem forças de empuxo extremamente altas. Isso ocorre porque a laminação da parte primária contém dentes (saliências) que focam o fluxo eletromagnético em direção aos ímãs da parte secundária (análogo ao rotor de um motor rotativo). Esta atração magnética entre o ferro na parte primária e os ímãs permanentes na parte secundária permite que o motor forneça forças elevadas.

Os motores lineares sem ferro geralmente têm capacidades de força de empuxo mais baixas, portanto não são adequados para os requisitos de empuxo extremamente altos encontrados em aplicações como prensagem, usinagem ou moldagem. Mas eles se destacam na montagem e transporte em alta velocidade.

A desvantagem do design do núcleo de ferro é o denteamento, que degrada a suavidade do movimento. A engrenagem ocorre porque o design com fenda da peça primária faz com que ela tenha posições “preferenciais” à medida que se desloca ao longo dos ímãs da peça secundária. Para superar a tendência do primário de se alinhar com os ímãs do secundário, o motor precisa produzir mais força, o que causa uma ondulação de velocidade – conhecida como denteamento. Essa variação de ondulação de força e velocidade degrada a suavidade do movimento, o que pode ser um problema significativo em aplicações onde a qualidade do movimento durante o deslocamento (não apenas a precisão do posicionamento final) é importante.

Existem vários métodos que os fabricantes usam para reduzir o desgaste. Uma abordagem comum é distorcer a posição dos ímãs (ou dos dentes), criando transições mais suaves à medida que os dentes decíduos passam pelos ímãs secundários. Um efeito semelhante pode ser alcançado alterando a forma dos ímãs para um octógono alongado.

Outro método para reduzir o denteamento é conhecido como enrolamento fracionário. Neste projeto, o primário contém mais dentes de laminação do que ímãs no secundário, e a pilha de laminação tem um formato especial. Juntas, essas duas modificações funcionam para cancelar as forças dentadas. E claro, o software sempre oferece uma solução. Algoritmos anti-cogging permitem que servo-drives e controladores ajustem a corrente fornecida ao primário para que as variações de força e velocidade sejam minimizadas.

Os motores lineares sem ferro não apresentam engrenagens, uma vez que suas bobinas primárias são encapsuladas em epóxi, em vez de serem enroladas em torno de uma laminação de aço. E os servomotores lineares sem ferro têm uma massa menor (o epóxi é mais leve, embora menos rígido, que o aço), permitindo-lhes atingir alguns dos mais altos valores de aceleração, desaceleração e velocidade máxima encontrados em sistemas eletromecânicos. Os tempos de estabilização são normalmente melhores (menores) para motores sem ferro do que também para versões com núcleo de ferro. A falta de aço no primário e a falta associada de denteamento ou ondulação de velocidade também significa que motores lineares sem ferro podem fornecer movimento muito lento e constante, normalmente com variação de velocidade inferior a 0,01%.

Qual nível de integração?
Assim como os motores rotativos, os servomotores lineares são apenas um componente de um sistema de movimento. Um sistema completo de motor linear também requer rolamentos para suportar e guiar a carga, gerenciamento de cabos, feedback (normalmente um codificador linear) e um servoacionamento e controlador. OEMs e fabricantes de máquinas altamente experientes, ou aqueles que possuem requisitos de design ou desempenho muito exclusivos, podem construir um sistema completo com recursos internos e componentes prontos para uso de vários fabricantes.

O projeto de sistemas de motores lineares é indiscutivelmente mais simples do que o projeto de sistemas baseados em correias, cremalheira e pinhões ou parafusos. Há menos componentes e menos etapas de montagem trabalhosas (sem alinhamento de suportes de fusos esféricos ou tensionamento de correias). E os motores lineares não têm contato, portanto os projetistas não precisam se preocupar em fazer provisões para lubrificação, ajustes ou outras manutenções da unidade de acionamento. Mas para os OEMs e fabricantes de máquinas que procuram uma solução pronta para uso, há inúmeras opções para atuadores lineares completos acionados por motor, estágios de alta precisão e até mesmo sistemas cartesianos e de pórtico.

O ambiente é adequado para um motor linear?
Os motores lineares são frequentemente a solução preferida em ambientes difíceis, como salas limpas e ambientes de vácuo, uma vez que têm menos peças móveis e podem ser combinados com quase qualquer tipo de guia linear ou gerenciamento de cabos para atender aos requisitos de geração de partículas, liberação de gases e temperatura de o aplicativo. E em casos extremos, o secundário (pista magnética) pode ser usado como parte móvel, com a parte primária (enrolamentos, incluindo cabos e gerenciamento de cabos) permanecendo estacionária.

Mas se o ambiente consistir em lascas de metal, poeira metálica ou partículas de metal, um servo motor linear pode não ser a melhor opção. Isto é especialmente verdadeiro para motores lineares com núcleo de ferro porque seu design é inerentemente aberto, deixando o trilho magnético exposto à contaminação. O design semifechado dos motores lineares sem ferro oferece melhor proteção, mas deve-se tomar cuidado para garantir que a ranhura na parte secundária não fique diretamente exposta a fontes de contaminação. Existem opções de projeto para incluir motores lineares com núcleo de ferro e sem ferro, mas isso pode reduzir a capacidade do motor de dissipar calor, potencialmente trocando um problema por outro.