Um motor linear pode ser considerado um servomotor rotativo desenrolado e disposto horizontalmente para produzir um movimento fundamentalmente linear. Um atuador linear tradicional é um elemento mecânico que converte o movimento de rotação de um servomotor rotativo em deslocamento retilíneo. Ambos oferecem movimento linear, mas com características de desempenho e vantagens e desvantagens muito diferentes. Não existe uma tecnologia superior ou inferior — a escolha de qual usar depende da aplicação. Vamos analisar mais detalhadamente.

A regra geral para motores lineares é que eles se destacam em aplicações que exigem alta aceleração, altas velocidades ou alta precisão. Na metrologia de semicondutores, por exemplo, onde a resolução e a produtividade são críticas e até mesmo uma hora de inatividade pode custar dezenas de milhares de dólares, os motores lineares oferecem a solução ideal. Mas e em uma situação menos exigente?

Um dos primeiros problemas com os motores lineares foi a competitividade de custos. Os motores lineares requerem ímãs de terras raras, que representam um dos fatores limitantes para o comprimento do curso. Claro que, em teoria, os ímãs podem ser alinhados praticamente infinitamente, mas na realidade, além do desafio de garantir rigidez suficiente ao longo de um curso longo, os custos aumentam consideravelmente, principalmente para projetos com canaletas em U.

Motores com núcleo de ferro podem gerar a mesma força usando ímãs menores do que o projeto equivalente sem núcleo de ferro. Portanto, se a força for o requisito principal e as especificações de desempenho forem suficientemente flexíveis para tolerar alguma perturbação da força de cogging, resultando em erros dinâmicos de posição ou velocidade, o núcleo de ferro pode ser a melhor abordagem. Se os requisitos de desempenho forem ainda mais flexíveis, na ordem de micrômetros em vez de nanômetros, talvez a combinação com um atuador linear ofereça o compromisso mais adequado — escolha um atuador linear para embalagens de medicamentos, por exemplo, mas um motor linear para o sequenciamento de DNA na descoberta de fármacos.

Duração da viagem
Embora existam muitas exceções, o comprimento de curso ideal para motores lineares varia de alguns milímetros a vários metros. Para valores menores, uma alternativa como um mecanismo flexível pode ser mais eficaz; para valores maiores, transmissões por correia e, em seguida, sistemas de cremalheira e pinhão provavelmente são as melhores opções.

O curso dos motores lineares é limitado não apenas pelo custo e pela estabilidade da montagem, mas também pela questão do gerenciamento dos cabos. Para gerar movimento, o atuador precisa ser energizado, o que significa que os cabos de alimentação precisam acompanhá-lo em todo o seu curso. Cabos de alta flexibilidade e as canaletas correspondentes são caros, e o fato de a fiação ser o principal ponto de falha no controle de movimento em geral complica ainda mais a situação.

Claro, a própria natureza dos motores lineares pode fornecer uma solução inteligente para esse problema. Quando temos essas preocupações, montamos o atuador na base fixa e movemos a pista magnética. Dessa forma, todos os cabos chegam ao atuador fixo. Você obtém uma aceleração um pouco menor de um determinado motor porque não está acelerando uma bobina, mas sim uma pista magnética, que é mais pesada. Se você estivesse fazendo isso para altas forças G, não seria bom. Se você realmente não tem uma aplicação de alta força G, este pode ser um projeto muito bom.

Profeta cita os servomotores lineares da Aerotech com forças de pico que variam de 28 a 900 libras, mas, mais uma vez, o design fundamental dos motores lineares permite soluções exclusivas que oferecem muito mais. Temos clientes que pegam nossos maiores motores lineares, juntam seis deles e geram quase 6000 libras de força. Você pode colocar vários atuadores em trilhos diferentes, fixá-los mecanicamente e comutá-los para que atuem como um único motor; ou pode colocar vários atuadores no mesmo trilho magnético, montá-los no carro que suporta a carga e tratá-los como um único motor.

Como vivemos no mundo real e é impossível reproduzir o tempo de deslocamento com exatidão, há uma perda de eficiência de alguns pontos percentuais a ser paga por essa abordagem, mas ela ainda pode oferecer a melhor solução geral para uma determinada aplicação.

Confronto direto
Em termos de força, como os motores lineares se comparam às combinações de motor rotativo/atuador linear? Há uma significativa compensação em termos de força. Comparamos um motor linear sem ranhuras de 4 polegadas de largura e oito polos com um produto acionado por parafuso de 4 polegadas de largura. Nosso motor linear de oito polos tem uma força de pico de 180 N (40 lbs) e uma força contínua de 50 N (11 lbs). Nesse mesmo perfil, com um servomotor NEMA 23 e nosso produto acionado por parafuso, a carga axial máxima é de 90 kg (200 lbs). Portanto, considerando essa perspectiva, estamos falando de uma redução de aproximadamente 20 vezes na força contínua.

Os resultados reais variam dependendo do passo da rosca, do diâmetro da rosca, das bobinas do motor e do projeto do motor, ele faz questão de observar, e são limitados pelos rolamentos axiais que suportam a rosca. O motor linear com núcleo de ferro de 13 polegadas de largura da empresa pode gerar 1600 libras de força axial máxima, em comparação com as 440 libras fornecidas por um produto acionado por rosca de 6 polegadas de largura, por exemplo, mas a quantidade de espaço sacrificado é considerável.

Parafraseando um slogan político, o importante é a aplicação, estúpido. Se a densidade de força for a principal preocupação, então um atuador provavelmente é a melhor escolha. Se a aplicação exigir alta capacidade de resposta, por exemplo, em uma aplicação de alta precisão e alta aceleração como a inspeção de LCD, a troca entre tamanho e força para obter o desempenho necessário vale a pena.

Mantendo-o limpo
A contaminação é um problema grave no controle de movimento em ambientes de manufatura, e os motores lineares não são exceção. Um grande problema com o projeto padrão de motores lineares é a exposição à contaminação, como partículas sólidas ou umidade. Isso é mais comum em projetos de "mesa plana" e menos problemático em projetos de "canal em U".

É muito difícil selar completamente a solução. Você não quer estar em um ambiente com alta umidade. Se você for usar um motor linear em uma aplicação de corte a jato de água, precisa aplicar pressão positiva sobre ele e garantir que esteja bem protegido, pois os componentes eletrônicos do motor linear estão próximos ao atuador.

No caso de designs em forma de U, inverter o formato do U pode minimizar a chance de entrada de partículas no canal, mas isso cria problemas de gerenciamento térmico que podem comprometer o desempenho devido à necessidade de deslocar a massa do trilho magnético em vez da massa do atuador. Novamente, trata-se de uma questão de equilíbrio e, mais uma vez, a aplicação determina a sua utilização.

Não é apenas o ambiente que pode afetar o motor linear — o motor linear também pode criar problemas com o ambiente. Ao contrário dos motores rotativos, os grandes ímãs das unidades lineares podem causar estragos em ambientes sensíveis a campos magnéticos, como em máquinas de ressonância magnética (RM). Isso pode ser um problema até mesmo em aplicações mais comuns, como o corte de metais. Nesses casos, ímãs de alta força tentam atrair cada partícula de metal para a trilha magnética, portanto, os motores lineares não terão um bom desempenho sem a devida proteção.

Sobre esses aplicativos…
Então, qual é o ponto ideal de aplicação para motores lineares? Metrologia, para começar, em áreas como a fabricação de semicondutores, LEDs e LCDs. A impressão digital de grandes placas também é um mercado em crescimento, assim como o setor biomédico, e até mesmo na fabricação de peças pequenas, nossos clientes utilizam pares de motores lineares em configurações de pórtico para tarefas de montagem. O objetivo é obter o máximo de produtividade possível, portanto, a alta aceleração e velocidade proporcionadas por esses motores são vantajosas. Uma das aplicações que temos desenvolvido recentemente é a fabricação de células a combustível; o corte de estênceis é outra.