Полные линейные двигатели, включая опорную плиту, линейный двигатель, линейные направляющие, энкодер и элементы управления.

Линейные серводвигатели с прямым приводом за последние несколько лет стали заметно более популярными, отчасти благодаря требованиям конечных пользователей к более высокой производительности и лучшей точности. И хотя линейные двигатели чаще всего признаются за их способность обеспечивать сочетание высоких скоростей, длинных ходов и превосходной точности позиционирования, что невозможно с другими приводными механизмами, они также могут достигать чрезвычайно медленного, плавного и точного движения. Фактически, технология линейных двигателей обеспечивает такой широкий спектр возможностей — тяговое усилие, скорость, ускорение, точность позиционирования и повторяемость — что существует мало приложений, для которых линейные двигатели не являются подходящим решением.

Линейные двигатели включают линейные серводвигатели, линейные шаговые двигатели, линейные асинхронные двигатели и линейные двигатели с тяговой трубкой. Когда линейный серводвигатель является наилучшим вариантом для приложения, вот три вещи, которые следует учитывать при первоначальном выборе двигателя.

«Основной» фактор: железный сердечник или без него?
Линейные серводвигатели с прямым приводом бывают двух основных типов: с железным сердечником или без сердечника, в зависимости от того, установлены ли обмотки в первичной части (аналогично статору в роторном двигателе) в пакете пластин из железа или в эпоксидной смоле. Решение о том, требуется ли для приложения линейный двигатель с железным сердечником или без сердечника, обычно является первым шагом в проектировании и выборе.

Линейные двигатели с железным сердечником лучше всего подходят для приложений, требующих чрезвычайно высоких тяговых усилий. Это связано с тем, что пластины первичной части содержат зубцы (выступы), которые фокусируют электромагнитный поток в направлении магнитов вторичной части (аналогично ротору в роторном двигателе). Это магнитное притяжение между железом в первичной части и постоянными магнитами во вторичной части позволяет двигателю выдавать высокие силы.

Линейные двигатели без железа обычно имеют меньшие возможности тяги, поэтому они не подходят для чрезвычайно высоких требований тяги, которые встречаются в таких приложениях, как прессование, обработка или формование. Но они отлично подходят для высокоскоростной сборки и транспортировки.

Недостатком конструкции с железным сердечником является зубчатое зацепление, которое ухудшает плавность движения. Зубчатое зацепление происходит из-за того, что щелевая конструкция первичной части заставляет ее иметь «предпочтительные» положения при движении вдоль магнитов вторичной части. Чтобы преодолеть тенденцию первичной части выравниваться с магнитами вторичной части, двигатель должен вырабатывать больше силы, что вызывает пульсацию скорости — называемую зубчатым зацеплением. Это изменение силы и пульсации скорости ухудшает плавность движения, что может быть существенной проблемой в приложениях, где важно качество движения во время движения (а не только точность конечного позиционирования).

Существует множество методов, которые производители используют для уменьшения зубчатого зацепления. Один из распространенных подходов — наклонить положение магнитов (или зубцов), создавая более плавные переходы при перемещении первичных зубцов по вторичным магнитам. Похожий эффект может быть достигнут путем изменения формы магнитов на удлиненный восьмиугольник.

Другой метод уменьшения зубчатости называется дробной обмоткой. В этой конструкции первичная обмотка содержит больше зубцов пластин, чем магнитов во вторичной обмотке, а пакет пластин имеет особую форму. Вместе эти две модификации работают над устранением сил зубчатости. И, конечно, программное обеспечение всегда предлагает решение. Алгоритмы антизубчатости позволяют сервоприводам и контроллерам регулировать ток, подаваемый на первичную обмотку, так что изменения силы и скорости сводятся к минимуму.

Линейные двигатели без железа не испытывают зубчатого зацепления, поскольку их первичные катушки заключены в эпоксидную смолу, а не намотаны вокруг стальной пластины. И линейные серводвигатели без железа имеют меньшую массу (эпоксидная смола легче, хотя и менее жесткая, чем сталь), что позволяет им достигать самых высоких значений ускорения, замедления и максимальной скорости, найденных в электромеханических системах. Время установления обычно лучше (меньше) для двигателей без железа, чем для версий с железным сердечником. Отсутствие стали в первичной обмотке и связанное с этим отсутствие зубчатого зацепления или пульсации скорости также означает, что линейные двигатели без железа могут обеспечивать очень медленное, устойчивое движение, как правило, с изменением скорости менее 0,01 процента.

Какой уровень интеграции?
Как и роторные двигатели, линейные серводвигатели являются лишь одним компонентом в системе движения. Полная система линейного двигателя также требует подшипников для поддержки и направления нагрузки, управления кабелями, обратной связи (обычно линейный энкодер), а также сервопривода и контроллера. Высокоопытные OEM-производители и машиностроители или те, у кого есть очень уникальные требования к конструкции или производительности, могут построить полную систему с внутренними возможностями и готовыми компонентами от различных производителей.

Конструкция системы линейного двигателя, возможно, проще, чем конструкция систем на основе ремней, реек и шестерен или винтов. Меньше компонентов и меньше трудоемких этапов сборки (нет выравнивания опор шарико-винтовых передач или натяжения ремней). И линейные двигатели бесконтактные, поэтому проектировщикам не нужно беспокоиться о смазке, регулировке или другом обслуживании приводного устройства. Но для тех OEM-производителей и машиностроителей, которые ищут готовое решение, существует множество вариантов для полных приводов с линейным двигателем, высокоточных ступеней и даже декартовых и портальных систем.

Подходит ли окружающая среда для линейного двигателя?
Линейные двигатели часто являются предпочтительным решением в сложных условиях, таких как чистые помещения и вакуумные среды, поскольку они имеют меньше движущихся частей и могут быть сопряжены практически с любым типом линейной направляющей или кабельной проводки для удовлетворения требований к образованию частиц, дегазации и температуре в приложении. А в крайних случаях вторичная часть (магнитная дорожка) может использоваться как движущаяся часть, при этом первичная часть (обмотки, включая кабели и кабельную проводку) остается неподвижной.

Но если окружающая среда будет состоять из металлической стружки, металлической пыли или металлических частиц, линейный серводвигатель может быть не лучшим вариантом. Это особенно верно для линейных двигателей с железным сердечником, поскольку их конструкция изначально открыта, оставляя магнитную дорожку открытой для загрязнения. Полузакрытая конструкция линейных двигателей без железа обеспечивает лучшую защиту, но следует позаботиться о том, чтобы паз во вторичной части не подвергался непосредственному воздействию источников загрязнения. Существуют варианты конструкции для закрытия как линейных двигателей с железным сердечником, так и без железа, но они могут снизить способность двигателя рассеивать тепло, потенциально обменивая одну проблему на другую.