Os motores lineares estão se proliferando. Eles proporcionam às máquinas a mais alta precisão e desempenho dinâmico.

Motores lineares são muito rápidos e precisos para posicionamento, mas também são capazes de operar em velocidades de deslocamento baixas e constantes para cabeçotes de máquinas e corrediças, bem como em sistemas de manuseio de ferramentas e peças. Uma variedade de aplicações — cirurgia a laser, inspeção visual e manuseio de garrafas e bagagens — utiliza motores lineares porque são extremamente confiáveis, exigem pouca manutenção e melhoram os ciclos de produção.

Maior velocidade e força

Motores lineares são acoplados diretamente à sua carga, o que elimina uma série de componentes de acoplamento — acoplamentos mecânicos, polias, correias dentadas, fusos de esferas, acionamentos por corrente e cremalheiras e pinhões, para citar alguns. Isso, por sua vez, reduz custos e até mesmo a folga. Motores lineares também permitem movimento consistente, posicionamento preciso para centenas de milhões de ciclos e velocidades mais altas.

As velocidades típicas atingíveis com motores lineares variam: máquinas de coleta e colocação (que fazem muitos movimentos curtos) e equipamentos de inspeção usammotores de passo linearescom velocidades de até 60 pol./seg; aplicações de cisalhamento voador e máquinas de pegar e colocar que fazem movimentos mais longossem engrenagens e sem escovasmotores lineares para velocidades de até 200 pol./seg; montanhas-russas, lançadores de veículos e veículos de transporte de pessoas usam motores linearesindução CAmotores para atingir velocidades de até 2.000 pol./seg.

Outro fator que determina qual tecnologia de motor linear é a melhor: a força necessária para mover a carga da aplicação. A carga ou massa, juntamente com o perfil de aceleração da aplicação, determinam essa força.

Cada aplicação apresenta desafios diferentes; no entanto, em geral, os sistemas de transferência de peças usam motores de passo lineares com forças de até 220 N ou 50 lb; semicondutores, corte a laser, corte a jato de água e robótica usam motores sem escovas e sem engrenagens de até 2.500 N; sistemas transportadores usam motores de indução CA lineares de até 2.200 N; e linhas de transferência e máquinas-ferramentas usam motores sem escovas de núcleo de ferro de até 14.000 N. Tenha em mente que cada aplicação é diferente e os engenheiros de aplicação do fabricante geralmente fornecem assistência nesta etapa de especificação.

Existem outros fatores além da velocidade e da força. Por exemplo, sistemas transportadores utilizam motores de indução CA lineares devido ao seu longo percurso e às vantagens de possuir um secundário passivo sem ímãs permanentes. Aplicações como cirurgia ocular a laser e fabricação de semicondutores utilizam motores sem escovas e sem engrenagens para precisão e suavidade de percurso.

Operação básica

Motores lineares operam por meio da interação de duas forças eletromagnéticas — a mesma interação básica que produz torque em um motor rotativo.

Imagine cortar um motor rotativo e depois achatá-lo: isso dá uma ideia aproximada da geometria de um motor linear. Em vez de acoplar a carga a um eixo rotativo para gerar torque, a carga é conectada a um carro plano em movimento para gerar movimento e força lineares. Em resumo, o torque é a expressão do trabalho que um motor rotativo fornece, enquanto a força é a expressão do trabalho linear do motor.

Precisão

Consideremos primeiro um sistema rotativo de passo tradicional: conectado a um fuso de esferas com passo de 5 rotações por polegada, a precisão é de aproximadamente 0,004 a 0,008 pol., ou 0,1 a 0,2 mm. Um sistema rotativo acionado por um servomotor tem precisão de 0,001 a 0,0001 pol.

Em contraste, um motor linear acoplado diretamente à sua carga fornece uma precisão que varia de 0,0007 a 0,000008 pol. Observe que a folga do acoplamento e do fuso de esferas não estão incluídas nesses números, o que degrada ainda mais a precisão dos sistemas rotativos.

A precisão relativa varia: o típico motor de passo rotativo que detalhamos aqui ainda consegue posicionar com precisão até o diâmetro de um fio de cabelo humano. Dito isso, os servos melhoram isso em um fator de até 80 vezes, enquanto um motor linear pode melhorar ainda mais — até 500 vezes menor que o diâmetro de um fio de cabelo humano.

Às vezes, a manutenção e o custo (ao longo da vida útil do equipamento) são considerações mais importantes do que a precisão. Os motores lineares também se destacam nesse aspecto: os custos de manutenção geralmente diminuem com o uso de motores lineares, pois as peças sem contato melhoram a operação da máquina e aumentam o tempo médio entre falhas. Além disso, a folga zero dos motores lineares elimina o choque, o que prolonga ainda mais a vida útil da máquina. Outros benefícios: o tempo entre os ciclos de manutenção pode ser aumentado, permitindo um maior fluxo operacional. Menos manutenção e pessoal envolvido melhoram o resultado final — lucro — e reduzem o custo de propriedade ao longo da vida útil do equipamento.

Benefícios comparados

As aplicações exigem movimento linear. Se for utilizado um motor rotativo, será necessário um mecanismo de conversão mecânica para converter o movimento rotativo em linear. Nesse caso, os projetistas selecionam o mecanismo de conversão mais adequado à aplicação, minimizando as limitações.

• Motor linear versus correia e polia:Para obter movimento linear a partir de um motor rotativo, uma abordagem comum é usar uma correia e uma polia. Normalmente, a força de empuxo é limitada pela resistência à tração da correia; partidas e paradas rápidas podem causar estiramento da correia e, portanto, ressonância, resultando em maior tempo de estabilização. Acionamento mecânico, folga e estiramento da correia também reduzem a repetibilidade, a precisão e o rendimento da máquina. Como velocidade e repetibilidade são essenciais no movimento servo, esta não é a melhor escolha. Enquanto um projeto de correia e polia pode atingir 3 m/s, o linear pode atingir 10 m/s. Sem folga ou enrolamento, os motores lineares de acionamento direto aumentam ainda mais a repetibilidade e a precisão.
• Motor linear versus cremalheira e pinhão:Cremalheira e pinhões proporcionam maior empuxo e rigidez mecânica do que os projetos com correia e polia. No entanto, o desgaste bidirecional ao longo do tempo leva a repetibilidade questionável e imprecisões — as principais desvantagens desse mecanismo. A folga impede que o feedback do motor detecte a posição real da carga, levando à instabilidade — e forçando ganhos menores e desempenho geral mais lento. Em contraste, máquinas alimentadas por motores lineares são mais rápidas e posicionam-se com mais precisão.
• Motor linear versus fuso de esferas:A abordagem mais comum para converter movimento rotativo em linear é usar um fuso de esferas ou um fuso de avanço. Estes são baratos, mas menos eficientes: fusos de avanço geralmente têm 50% ou menos de avanço, e fusos de esferas, cerca de 90%. O alto atrito produz calor e o desgaste a longo prazo reduz a precisão. A distância de deslocamento é mecanicamente limitada. Além disso, os limites de velocidade linear só podem ser estendidos aumentando o passo, mas isso degrada a resolução posicional; velocidades de rotação excessivamente altas também podem fazer com que os fusos chicoteiem, resultando em vibração. Motores lineares proporcionam deslocamento longo e ilimitado. Com um encoder na carga, a precisão a longo prazo é normalmente de ±5 µm/300 mm.

Tipos básicos de motores lineares

Assim como existem diferentes tecnologias de motores rotativos, também existem vários tipos de motores lineares: de passo, sem escovas e de indução CA linear, entre outros. Observe que a tecnologia linear utiliza acionamentos (amplificadores), além de posicionadores (controladores de movimento) e dispositivos de feedback (como sensores Hall e encoders) comumente disponíveis na indústria.

Muitos projetos se beneficiam de motores lineares personalizados, mas os projetos de estoque geralmente são adequados.

Motores lineares de núcleo de ferro sem escovasCaracterizam-se por laminação de aço na força motriz móvel para canalizar o fluxo magnético. Este tipo de motor possui potências nominais mais elevadas e é mais eficiente, mas pesa de três a cinco vezes mais do que motores sem engrenagens de tamanho comparável. A placa estacionária consiste em ímãs permanentes multipolares de polaridade alternada, colados em uma placa de aço laminada a frio com níquel. As laminações de aço na força motriz móvel, no entanto, reagem com os ímãs na placa estacionária, que desenvolvem uma força de "atração" e exibem uma pequena quantidade de engrenagens ou ondulações à medida que o motor se move de um campo magnético para outro, resultando em variações de velocidade.

Esses motores desenvolvem uma grande quantidade de força de pico, têm uma massa térmica maior e uma constante de tempo térmica longa — portanto, são adequados para aplicações de ciclo de trabalho intermitente de alta força que movimentam cargas muito pesadas, como em linhas de transferência e máquinas-ferramentas; eles são projetados para deslocamento ilimitado e podem incluir vários pratos móveis com trajetórias sobrepostas.

Motores sem escovas e sem engrenagensPossui um conjunto de bobinas na força móvel sem laminações de aço. A bobina consiste em fio, epóxi e uma estrutura de suporte não magnética. Esta unidade é muito mais leve. O projeto básico produz uma quantidade menor de força, então ímãs adicionais são inseridos na pista estacionária (para aumentar a força) e a pista tem formato de U com ímãs em cada lado deste U. A força é inserida no meio do U.

Esses motores são adequados para aplicações que exigem operação suave sem engrenagens magnéticas, como equipamentos de digitalização ou inspeção. Suas acelerações mais altas são úteis em operações de coleta e posicionamento de semicondutores, classificação de chips e distribuição de solda e adesivo. Esses motores são projetados para deslocamento ilimitado.

Steppers linearesestão disponíveis há muito tempo; a força móvel consiste em núcleos de aço laminado precisamente ranhurados com dentes, um único ímã permanente e bobinas inseridas no núcleo laminado. (Observe que duas bobinas resultam em um motor de passo bifásico.) Este conjunto é encapsulado em uma caixa de alumínio.

A placa estacionária consiste em dentes gravados fotoquimicamente em uma barra de aço, retificada e niquelada. Ela pode ser empilhada de ponta a ponta para comprimento ilimitado. O motor vem completo com forçador, rolamentos e placa. A força de atração do ímã é usada como pré-carga para os rolamentos; também permite que a unidade seja operada em posição invertida para uma variedade de aplicações.

Motores de indução CAConsistem em um forçador, que é um conjunto de bobinas composto por lâminas de aço e enrolamentos de fase. Os enrolamentos podem ser monofásicos ou trifásicos. Isso permite o controle on-line direto ou por meio de um inversor ou acionamento vetorial. A placa estacionária (chamada placa de reação) geralmente consiste em uma fina camada de alumínio ou cobre colada sobre aço laminado a frio.

Uma vez energizada, a bobina do forçador interage com a placa de reação e se move. Velocidades mais altas e distâncias de deslocamento ilimitadas são os pontos fortes deste projeto; ele é usado para movimentação de materiais, transporte de pessoas, transportadores e portões deslizantes.

Novos conceitos de design

Algumas das melhorias de design mais recentes foram implementadas por meio de reengenharia. Por exemplo, alguns motores de passo lineares (originalmente projetados para fornecer movimento em um plano) agora foram reprojetados para fornecer movimento em dois planos — para movimento XY. Aqui, o forçador móvel consiste em dois motores de passo lineares montados ortogonalmente a 90°, de modo que um fornece movimento no eixo X e o outro, no eixo Y. Múltiplos forçadores com trajetórias sobrepostas também são possíveis.

Nestes motores de dois planos, a plataforma estacionária (ou placa) utiliza uma nova construção composta para maior resistência. A rigidez também foi aprimorada, reduzindo a deflexão em 60 a 80% em comparação com os modelos de produção anteriores. A planicidade da placa excede 14 mícrons por 300 mm para um movimento preciso. Por fim: como os motores de passo possuem uma força de atração natural, este conceito permite que a placa seja montada com a face para cima ou invertida, proporcionando versatilidade e flexibilidade para as aplicações.

Outra inovação de engenharia — o resfriamento a água — amplia a capacidade de potência dos motores de indução CA lineares em 25%. Com essa capacidade estendida, além do benefício de curso ilimitado, os motores de indução CA oferecem o mais alto desempenho para diversas aplicações: brinquedos, manuseio de bagagens e veículos de transporte de pessoas. A velocidade é variável (de 6 a 2.000 pol./seg) por meio de inversores de frequência ajustáveis ​​atualmente disponíveis na indústria.

Outro motor inclui uma carcaça cilíndrica estacionária com uma parte móvel linear para fornecer movimento. A parte móvel pode ser uma haste de aço revestida de cobre, uma bobina móvel ou um ímã móvel, como um pistão dentro de um cilindro.

Esses projetos oferecem os benefícios de um motor linear, além de desempenho semelhante ao de um atuador linear. As aplicações incluem colonoscopias biomédicas, câmeras com atuadores de obturador longo, telescópios que requerem amortecimento de vibração, motores de foco para litografia, engrenagens de comutação de geradores que acionam disjuntores para colocar geradores em operação e prensagem de alimentos — como ao prensar tortilhas.

Pacotes completos de motores lineares ou estágios são adequados para o posicionamento de cargas úteis. São compostos por motor, encoder de feedback, chaves fim de curso e esteira porta-cabos. É possível empilhar estágios para movimentação multieixo.

Uma vantagem dos estágios lineares é seu perfil mais baixo, que permite que se encaixem em espaços menores em comparação com posicionadores convencionais. Menos componentes proporcionam maior confiabilidade. Aqui, o motor é conectado a acionamentos convencionais. Em uma operação em malha fechada, a malha de posição é fechada com um controlador de movimento.

Novamente, além dos produtos em estoque, há uma abundância de projetos personalizados e especiais. No final, é melhor analisar as necessidades do equipamento com um engenheiro de aplicação para determinar o produto linear ideal para as necessidades da aplicação.