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

Os motores lineares são muito rápidos e precisos para posicionamento, mas também são capazes de velocidade de deslocamento lenta e constante para cabeçotes e corrediças de máquinas, bem como para sistemas de manuseio de ferramentas e peças. Uma variedade de aplicações – cirurgia a laser, inspeção visual e manuseio de garrafas e bagagens – usam motores lineares porque são extremamente confiáveis, exigem pouca manutenção e melhoram os ciclos de produção.

Maior velocidade e força

Os motores lineares são diretamente acoplados à sua carga, o que elimina uma série de componentes de acoplamento – acoplamentos mecânicos, polias, correias dentadas, parafusos esféricos, transmissões por corrente e cremalheira e pinhões, para citar alguns. Isso, por sua vez, reduz custos e até mesmo reações adversas. Os 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 pegar e colocar (que fazem muitos movimentos curtos) e uso de equipamentos de inspeçãosteppers linearescom velocidades de até 60 pol./seg; aplicações de tesoura voadora e máquinas pick and place que fazem movimentos mais longos usamsem escova sem engrenagensmotores lineares para velocidades de até 200 pol./seg; montanhas-russas, lançadores de veículos e transportadores de pessoas usamindução 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, em última análise, essa força.

Cada aplicação apresenta desafios diferentes; entretanto, em geral, os sistemas de transferência parcial usam motores de passo lineares com forças de 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; os sistemas de transporte utilizam motores de indução CA lineares de até 2.200 N; e linhas de transferência e máquinas-ferramentas usam motores sem escova com núcleo de ferro de até 14.000 N. Lembre-se de 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, os sistemas de transporte usam motores de indução CA lineares devido ao seu longo percurso e às vantagens de ter um secundário passivo sem ímãs permanentes. Aplicações como cirurgia ocular a laser e fabricação de semicondutores usam engrenagens sem escova para precisão e suavidade de deslocamento.

Operação básica

Os motores lineares operam através da interação de duas forças eletroímãs – 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 giratório para obter torque, a carga é conectada a um carro plano em movimento para movimento linear e força. Resumindo, o torque é a expressão do trabalho que um motor rotativo fornece, enquanto a força é a expressão do trabalho do motor linear.

Precisão

Consideremos primeiro um sistema de passo rotativo tradicional: conectado a um parafuso esférico 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 alimentado 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 o acoplamento e a folga do parafuso esférico não estão incluídos nessas figuras e degradam ainda mais a precisão dos sistemas rotativos.

A precisão relativa varia: o stepper rotativo típico que detalhamos aqui ainda pode ser posicionado com precisão dentro do diâmetro de um fio de cabelo humano. Dito isto, os servos melhoram isso em até 80 vezes, enquanto um motor linear pode melhorar ainda mais – até 500 vezes menor que o diâmetro do 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 aqui: 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 maior fluxo operacional. Menos manutenção e menos pessoal envolvido melhoram os resultados financeiros — lucro — e reduzem o custo de propriedade ao longo da vida útil do equipamento.

Benefícios comparados

As aplicações requerem movimento linear. Se estiver usando um motor rotativo, será necessário um mecanismo de conversão mecânica para converter o movimento rotativo em linear. Aqui, os designers selecionam o mecanismo de conversão mais adequado para a aplicação, minimizando as limitações.

• Motor linear versus correia e polia:Para obter movimento linear de um motor rotativo, uma abordagem comum é usar uma correia e uma polia. Normalmente, a força de impulso 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 acomodação. A corda mecânica, a folga e o alongamento da correia também reduzem a repetibilidade, a precisão e o rendimento da máquina. Como velocidade e repetibilidade são o nome do jogo no movimento servo, esta não é a melhor escolha. Enquanto um projeto de correia-polia pode atingir 3 m/s, o linear pode atingir 10 m/s. Sem qualquer folga ou enrolamento, os motores lineares de acionamento direto aumentam ainda mais a repetibilidade e a precisão.
• Motor linear versus cremalheira e pinhão:Os pinhões e cremalheira proporcionam mais impulso e rigidez mecânica do que os designs de correia e polia. No entanto, o desgaste bidirecional ao longo do tempo leva a repetições questionáveis ​​e imprecisões – as principais desvantagens deste mecanismo. A folga impede que o feedback do motor detecte a posição real da carga, levando à instabilidade — e forçando ganhos mais baixos e um desempenho geral mais lento. Em contraste, as máquinas alimentadas por motores lineares são mais rápidas e se posicionam com mais precisão.
• Motor linear versus parafuso esférico:A abordagem mais comum para converter movimento rotativo em linear é usar um fuso ou fuso esférico. Eles são baratos, mas menos eficientes: parafusos de avanço normalmente 50% ou menos, e parafusos esféricos, cerca de 90%. O alto atrito produz calor e o desgaste prolongado reduz a precisão. A distância de viagem é limitada mecanicamente. Além disso, os limites de velocidade linear só podem ser estendidos aumentando o tom, mas isso degrada a resolução posicional; velocidade de rotação excessivamente alta também pode fazer com que os parafusos chicoteiem, resultando em vibração. Os motores lineares proporcionam deslocamentos longos e ilimitados. Com um codificador 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 linear CA, entre outros. Observe que a tecnologia linear utiliza drives (amplificadores) mais posicionadores (controladores de movimento) e dispositivos de feedback (como sensores Hall e codificadores) comumente disponíveis na indústria.

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

Motores lineares com núcleo de ferro sem escovassão caracterizados pela laminação de aço na força móvel para canalizar o fluxo magnético. Este tipo de motor tem classificações de força mais altas 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 ligados a uma placa de aço laminada a frio de níquel. As laminações de aço na força móvel, entretanto, reagem com os ímãs na placa estacionária, que desenvolvem uma força “atrativa” e exibem uma pequena quantidade de denteamento ou ondulação 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 longa constante de tempo térmico - 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 viagens ilimitadas e podem incluir múltiplas placas móveis com trajetórias sobrepostas.

Motores sem escova e sem engrenagenspossuem conjunto de bobina na força móvel sem laminações de aço. A bobina consiste em fio, epóxi e estrutura de suporte não magnética. Esta unidade é muito mais leve. O design básico produz uma quantidade menor de força, então ímãs adicionais são inseridos na pista estacionária (ajuda a aumentar a força) e a pista tem formato de U com ímãs em cada lado deste U. O forçador é inserido 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 na seleção e colocação de semicondutores, classificação de chips e distribuição de solda e adesivo. Esses motores são projetados para viagens ilimitadas.

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 fotoquimicamente gravados em uma barra de aço, retificados e niquelados. Isso pode ser empilhado de ponta a ponta para comprimento ilimitado. O motor vem completo com forçador, rolamentos e placa. A força atrativa do ímã é usada como pré-carga para os rolamentos; também permite que a unidade seja operada em uma posição invertida para uma variedade de aplicações.

Motores de indução CAconsistem em um forçador que é um conjunto de bobina composto por laminações de aço e enrolamentos de fase. Os enrolamentos podem ser monofásicos ou trifásicos. Isso permite controle on-line direto ou controle 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 em aço laminado a frio.

Uma vez energizada, a bobina de força interage com a placa de reação e se move. Velocidades mais altas e percursos ilimitados são os pontos fortes deste design; eles são usados ​​para manuseio de materiais, movimentação 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) são agora reprojetados para fornecer movimento em dois planos – para movimento XY. Aqui, a força móvel consiste em dois motores de passo lineares montados ortogonalmente a 90°, de modo que um fornece movimento no eixo X e o outro fornece movimento no eixo Y. Múltiplos forcers 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 melhorada, pelo que a deflexão é reduzida entre 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. Finalmente: Como os steppers possuem uma força atrativa natural, este conceito permite que o platen seja montado virado para cima ou invertido, proporcionando versatilidade e flexibilidade para aplicações.

Outra inovação de engenharia – o resfriamento a água – amplia a capacidade de força dos motores lineares de indução CA em 25%. Com essa extensão de capacidade, bem como o benefício do comprimento de percurso ilimitado, os motores de indução CA oferecem o mais alto desempenho para muitas aplicações: atrações de diversão, manuseio de bagagens e movimentação de pessoas. A velocidade é variável (de 6 a 2.000 pol./s) através de acionamentos de velocidade ajustável atualmente disponíveis na indústria.

Ainda outro motor inclui um alojamento cilíndrico estacionário com uma parte móvel linear para proporcionar movimento. A parte móvel pode ser uma haste feita de aço revestido de cobre, uma bobina móvel ou um ímã móvel, como um pistão dentro de um cilindro.

Esses projetos oferecem os benefícios do motor linear, além de desempenho semelhante ao de um atuador linear. As aplicações incluem colonoscopias biomédicas, câmeras com atuadores de obturador longo, telescópios que exigem amortecimento de vibração, motores de foco de litografia, mecanismos de comutação de geradores que acionam disjuntores para colocar geradores on-line e prensagem de alimentos – como ao estampar tortilhas.

Pacotes ou estágios completos de motores lineares são adequados para posicionar cargas úteis. Eles consistem em motor, codificador de feedback, chaves fim de curso e suporte de cabo. É possível empilhar estágios para movimento multieixos.

Uma vantagem dos estágios lineares é o seu perfil mais baixo, que permite que caibam em espaços menores em comparação com os posicionadores convencionais. Menos componentes aumentam a confiabilidade. Aqui, o motor está conectado a drives regulares. Em uma operação em malha fechada, a malha de posição é fechada com um controlador de movimento.

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