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

Os motores lineares são muito rápidos e precisos para posicionamento, mas também são capazes de operar em velocidades de deslocamento lentas e constantes para cabeçotes e guias de máquinas, bem como para sistemas de manuseio de ferramentas e peças. Diversas aplicações — cirurgia a laser, inspeção visual e manuseio de garrafas e bagagens — utilizam motores lineares devido à sua extrema confiabilidade, baixa necessidade de manutenção e capacidade de otimizar os ciclos de produção.

Maior velocidade e força

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

As velocidades típicas alcançáveis ​​com motores lineares variam: Máquinas de pegar e colocar (que fazem muitos movimentos curtos) e equipamentos de inspeção utilizammotores de passo linearCom velocidades de até 60 polegadas/seg; aplicações de corte em movimento e máquinas de pegar e colocar que realizam movimentos mais longos utilizamsem escovasMotores lineares para velocidades de até 200 polegadas/seg; montanhas-russas, lançadores de veículos e sistemas de transporte de pessoas utilizam motores lineares.indução 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 movimentar 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, sistemas de transferência de peças utilizam motores de passo lineares com forças de até 220 N ou 50 lb; semicondutores, corte a laser, corte a jato de água e robótica utilizam motores sem escovas e sem engrenagens de até 2.500 N; sistemas de esteiras transportadoras utilizam motores de indução CA lineares de até 2.200 N; e linhas de transferência e máquinas-ferramenta utilizam motores sem escovas 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 oferecem assistência nesta etapa de especificação.

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

Operação básica

Os motores lineares funcionam através 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 linear e força. Resumindo, o torque é a expressão do trabalho que um motor rotativo realiza, enquanto a força é a expressão do trabalho de um motor linear.

Precisão

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

Em contraste, um motor linear acoplado diretamente à sua carga oferece uma precisão que varia de 0,0007 a 0,000008 polegadas. Observe que a folga de acoplamento e do fuso de esferas não estão incluídas nesses valores, e que esses fatores reduzem 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 dentro do diâmetro de um fio de cabelo humano. Dito isso, os servomotores melhoram essa precisão em até 80 vezes, enquanto um motor linear pode aprimorá-la ainda mais — para uma precisão 500 vezes menor que o diâmetro de um fio de cabelo humano.

Por 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 neste aspeto: os custos de manutenção geralmente diminuem com a sua utilização, uma vez que as peças sem contacto melhoram o funcionamento da máquina e aumentam o tempo médio entre falhas. Além disso, a ausência de folga dos motores lineares elimina o choque, o que prolonga ainda mais a vida útil da máquina. Outras vantagens: o intervalo entre os ciclos de manutenção pode ser aumentado, permitindo um maior fluxo operacional. Menos manutenção e menos pessoal envolvido melhoram o resultado final — o lucro — e reduzem o custo total de propriedade ao longo da vida útil do equipamento.

Comparação de benefícios

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 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 o estiramento da correia e, portanto, ressonância, resultando em um tempo de estabilização maior. A torção mecânica, a folga e o estiramento da correia também reduzem a repetibilidade, a precisão e a produtividade da máquina. Como velocidade e repetibilidade são fundamentais no movimento servo, essa não é a melhor opção. Enquanto um sistema de correia e polia pode atingir 3 m/s, o motor linear pode alcançar 10 m/s. Sem folga ou torção, os motores lineares de acionamento direto aumentam ainda mais a repetibilidade e a precisão.
• Motor linear versus sistema de cremalheira e pinhão:Os sistemas de cremalheira e pinhão oferecem maior empuxo e rigidez mecânica do que os sistemas de correia e polia. No entanto, o desgaste bidirecional ao longo do tempo leva a imprecisões e repetibilidade questionável — as principais desvantagens desse mecanismo. A folga impede que o feedback do motor detecte a posição real da carga, causando instabilidade — e resultando em ganhos menores e desempenho geral mais lento. Em contrapartida, as máquinas acionadas por motores lineares são mais rápidas e posicionam-se com maior 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 trapezoidal. Estes são baratos, mas menos eficientes: os fusos trapezoidais geralmente têm uma eficiência de 50% ou menos, e os fusos de esferas, cerca de 90%. O alto atrito gera calor e o desgaste a longo prazo reduz a precisão. A distância de deslocamento é limitada mecanicamente. Além disso, os limites de velocidade linear só podem ser estendidos aumentando o passo, mas isso degrada a resolução posicional; uma velocidade de rotação excessivamente alta também pode fazer com que os fusos vibrem, resultando em vibração. Os motores lineares oferecem um curso longo e ilimitado. Com um encoder na carga, a precisão a longo prazo é tipicamente de ±5 µm/300 mm.

Tipos básicos de motores lineares

Assim como existem diferentes tecnologias de motores rotativos, também existem diversos tipos de motores lineares: de passo, sem escovas e de indução CA linear, entre outros. Observe que a tecnologia linear utiliza drivers (amplificadores), 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 padrão geralmente são adequados.

Motores lineares sem escovas com núcleo de ferroCaracterizam-se por lâminas de aço no atuador móvel para canalizar o fluxo magnético. Este tipo de motor possui classificações de força 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, fixados em uma placa de aço laminado a frio com níquel. As lâminas de aço no atuador móvel, contudo, reagem com os ímãs na placa estacionária, desenvolvendo uma força de atração que exibe uma pequena quantidade de ondulação ou vibração 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 máxima, possuem maior massa térmica e longa constante de tempo térmica — sendo, portanto, adequados para aplicações de alta força e ciclo de trabalho intermitente, movimentando cargas muito pesadas, como em linhas de transferência e máquinas-ferramenta; eles são projetados para deslocamento ilimitado e podem incluir múltiplas placas móveis com trajetórias sobrepostas.

Motores sem escovas e sem engrenagensPossui um conjunto de bobina no atuador móvel sem lâminas 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 força menor, portanto, ímãs adicionais são inseridos na pista fixa (para aumentar a força), e a pista tem formato de U com ímãs em cada lado do U. O atuador é inserido no centro do U.

Esses motores são adequados para aplicações que exigem operação suave, sem oscilações magnéticas, como equipamentos de digitalização ou inspeção. Suas altas acelerações são úteis em processos de montagem e posicionamento de semicondutores, triagem de chips e dispensação de solda e adesivo. Esses motores são projetados para deslocamento ilimitado.

Motores de passo linearesEstão disponíveis há bastante tempo; o atuador móvel consiste em núcleos de aço laminado com ranhuras de precisão, um único ímã permanente e bobinas inseridas no núcleo laminado. (Observe que duas bobinas resultam em um motor de passo de duas fases.) Este conjunto é encapsulado em uma carcaça de alumínio.

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

Motores de indução CAConsiste em um atuador 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 direto online ou o controle por meio de um inversor ou acionador vetorial. A placa estacionária (chamada de 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. Altas velocidades e comprimentos de deslocamento ilimitados são os pontos fortes deste projeto; ele é usado para movimentação de materiais, transporte de pessoas, esteiras transportadoras 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 são reestruturados para fornecer movimento em dois planos — para movimento XY. Nesse caso, o atuador móvel consiste em dois motores de passo lineares montados ortogonalmente a 90°, de modo que um forneça movimento no eixo X e o outro, movimento no eixo Y. Também é possível utilizar múltiplos atuadores com trajetórias sobrepostas.

Nesses 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 ultrapassa 14 mícrons por 300 mm, garantindo movimentos precisos. Por fim: como os motores de passo possuem uma força de atração natural, esse conceito permite que a placa seja montada com a face voltada para cima ou invertida, proporcionando versatilidade e flexibilidade para diversas aplicações.

Outra inovação de engenharia — o resfriamento a água — aumenta a capacidade de força dos motores de indução CA lineares em 25%. Com esse aumento de capacidade, bem como o benefício de curso ilimitado, os motores de indução CA oferecem o máximo desempenho para diversas aplicações: brinquedos de parques de diversões, movimentação de bagagens e transporte de passageiros. A velocidade é variável (de 6 a 2.000 pol./s) por meio de inversores de frequência disponíveis atualmente no mercado.

Outro tipo de motor inclui uma carcaça cilíndrica fixa com uma parte móvel linear para gerar movimento. Essa 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 apresentarem desempenho semelhante ao de um atuador linear. As aplicações incluem colonoscopias biomédicas, câmeras com atuadores de obturador de longo alcance, telescópios que exigem amortecimento de vibrações, motores de foco para litografia, chaves de comutação de geradores que acionam disjuntores para ligar geradores e prensagem de alimentos — como na produção de tortillas.

Conjuntos ou estágios completos de motores lineares são adequados para o posicionamento de cargas. Eles consistem em motor, encoder de feedback, chaves fim de curso e porta-cabos. É possível empilhar estágios para movimento multieixos.

Uma das vantagens dos estágios lineares é o seu perfil mais baixo, o que permite a sua instalação em espaços menores em comparação com os posicionadores convencionais. Menos componentes resultam em maior confiabilidade. Aqui, o motor está conectado a inversores de frequência comuns. Em uma operação em malha fechada, o circuito de posicionamento é fechado com um controlador de movimento.

Novamente, além dos produtos de estoque, existem inúmeros projetos personalizados e especiais. No final, o ideal é analisar as necessidades do equipamento com um engenheiro de aplicações para determinar o produto linear mais adequado à aplicação.