Estágios completos para motores lineares – incluindo placa de base, motor linear, guias lineares, encoder e controles.

Os servomotores lineares de acionamento direto têm apresentado um aumento considerável na adoção nos últimos anos, em parte devido à demanda dos usuários finais por maior produtividade e precisão. Embora os motores lineares sejam mais frequentemente reconhecidos por sua capacidade de oferecer uma combinação de altas velocidades, longos cursos e excelente precisão de posicionamento, algo impossível com outros mecanismos de acionamento, eles também podem proporcionar movimentos extremamente lentos, suaves e precisos. De fato, a tecnologia de motores lineares oferece uma gama tão ampla de recursos — força de empuxo, velocidade, aceleração, precisão de posicionamento e repetibilidade — que existem poucas aplicações para as quais os motores lineares não sejam 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 servomotor linear é a melhor opção para uma aplicação, aqui estão três coisas a considerar durante a seleção inicial do motor.

A principal consideração: núcleo de ferro ou sem ferro?
Os servomotores lineares de acionamento direto são de dois tipos principais: com núcleo de ferro ou sem núcleo de ferro. Essa distinção se refere ao fato de os enrolamentos da parte primária (análoga ao estator de um motor rotativo) estarem montados em uma estrutura de lâminas de ferro ou em epóxi. Decidir se a aplicação requer um motor linear com núcleo de ferro ou sem núcleo de ferro geralmente é 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 elevadas. Isso ocorre porque a laminação da parte primária contém dentes (saliências) que concentram o fluxo eletromagnético em direção aos ímãs da parte secundária (análoga ao rotor de um motor rotativo). Essa 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 núcleo de ferro geralmente têm menor capacidade de força de empuxo, portanto não são adequados para as exigências de empuxo extremamente altas encontradas em aplicações como prensagem, usinagem ou moldagem. Mas eles se destacam na montagem e no transporte em alta velocidade.

A desvantagem do design com núcleo de ferro é o efeito de cogging, que prejudica a suavidade do movimento. O cogging ocorre porque o design ranhurado da parte primária faz com que ela tenha posições "preferenciais" ao se deslocar ao longo dos ímãs da parte secundária. Para superar a tendência da parte primária de se alinhar com os ímãs da secundária, o motor precisa produzir mais força, o que causa uma ondulação na velocidade — conhecida como cogging. Essa variação de força e ondulação de velocidade prejudica a suavidade do movimento, o que pode ser um problema significativo em aplicações onde a qualidade do movimento durante o deslocamento (e não apenas a precisão do posicionamento final) é importante.

Existem diversos métodos que os fabricantes utilizam para reduzir o atrito entre os eletrodos. Uma abordagem comum é inclinar a posição dos ímãs (ou dos dentes), criando transições mais suaves à medida que os dentes primários se movem sobre os ímãs secundários. Um efeito semelhante pode ser obtido alterando o formato dos ímãs para um octógono alongado.

Outro método para reduzir o efeito de cogging é conhecido como enrolamento fracionário. Nesse projeto, o primário contém mais dentes de lâmina do que ímãs no secundário, e o conjunto de lâminas possui um formato especial. Juntas, essas duas modificações atuam para cancelar as forças de cogging. E, claro, o software sempre oferece uma solução. Algoritmos anti-cogging permitem que servoacionadores e controladores ajustem a corrente fornecida ao primário, de modo que as variações de força e velocidade sejam minimizadas.

Os motores lineares sem núcleo de ferro não sofrem com o efeito de cogging, já que suas bobinas primárias são encapsuladas em epóxi, em vez de serem enroladas em torno de uma lâmina de aço. Além disso, os servomotores lineares sem núcleo de ferro têm uma massa menor (o epóxi é mais leve, embora menos rígido, que o aço), permitindo que alcancem alguns dos maiores valores de aceleração, desaceleração e velocidade máxima encontrados em sistemas eletromecânicos. Os tempos de estabilização também são normalmente melhores (menores) para motores sem núcleo de ferro do que para versões com núcleo de ferro. A ausência de aço no núcleo primário e a consequente ausência de cogging ou ondulação de velocidade também significam que os motores lineares sem núcleo de ferro podem fornecer movimentos muito lentos e estáveis, tipicamente com variação de velocidade inferior a 0,01%.

Qual o nível de integração?
Assim como os motores rotativos, os servomotores lineares são apenas um componente em 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 encoder linear) e um servoacionador e controlador. Fabricantes de equipamentos originais (OEMs) e construtores de máquinas altamente experientes, ou aqueles que possuem requisitos de projeto ou desempenho muito específicos, podem construir um sistema completo com recursos internos e componentes disponíveis no mercado de diversos fabricantes.

O projeto de sistemas com motores lineares é indiscutivelmente mais simples do que o projeto de sistemas baseados em correias, cremalheiras e pinhões ou fusos. Há menos componentes e menos etapas de montagem trabalhosas (sem necessidade de alinhamento de suportes de fusos de esferas ou tensionamento de correias). Além disso, os motores lineares não têm contato, portanto, os projetistas não precisam se preocupar com lubrificação, ajustes ou outras manutenções da unidade de acionamento. Mas para os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) e construtores de máquinas que buscam uma solução completa, existem inúmeras opções de atuadores acionados por motores lineares, mesas 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, pois possuem menos peças móveis e podem ser combinados com praticamente qualquer tipo de guia linear ou sistema de gerenciamento de cabos para atender aos requisitos de geração de partículas, desgaseificação e temperatura da aplicação. E, em casos extremos, a parte secundária (trilho magnético) pode ser usada como a parte móvel, enquanto a parte primária (enrolamentos, incluindo cabos e sistema de gerenciamento de cabos) permanece estacionária.

Mas se o ambiente for composto por cavacos de metal, poeira metálica ou partículas metálicas, um servomotor linear pode não ser a melhor opção. Isso é especialmente verdadeiro para motores lineares com núcleo de ferro, pois seu design é inerentemente aberto, deixando a trilha magnética exposta à contaminação. O design semiaberto dos motores lineares sem núcleo de ferro oferece melhor proteção, mas deve-se ter cuidado para garantir que a ranhura na parte secundária não esteja diretamente exposta a fontes de contaminação. Existem opções de design para encapsular tanto motores lineares com núcleo de ferro quanto sem núcleo de ferro, mas estas podem reduzir a capacidade de dissipação de calor do motor, potencialmente trocando um problema por outro.