Полные комплекты линейных двигателей, включая базовую плиту, линейный двигатель, линейные направляющие, энкодер и органы управления.

Линейные серводвигатели с прямым приводом демонстрируют ощутимый рост популярности за последние несколько лет, отчасти благодаря требованиям конечных пользователей к более высокой производительности и точности. И хотя линейные двигатели чаще всего известны своей способностью обеспечивать сочетание высоких скоростей, больших ходов и превосходной точности позиционирования, недостижимое для других приводных механизмов, они также способны обеспечивать чрезвычайно медленное, плавное и точное перемещение. Фактически, технология линейных двигателей обеспечивает настолько широкий спектр возможностей — осевое усилие, скорость, ускорение, точность позиционирования и повторяемость, — что практически нет областей применения, для которых линейные двигатели не были бы подходящим решением.

Линейные двигатели подразделяются на линейные серводвигатели, линейные шаговые двигатели, линейные асинхронные двигатели и линейные двигатели с тяговой трубкой. Если линейный серводвигатель является оптимальным вариантом для конкретного применения, при первоначальном выборе двигателя следует учитывать три фактора.

«Основной» вопрос: железный сердечник или безжелезный?
Линейные серводвигатели с прямым приводом бывают двух основных типов: с железным сердечником и без сердечника, в зависимости от того, закреплены ли обмотки первичной части (аналогично статоре роторного двигателя) в пакете из железных пластин или залиты эпоксидной смолой. Первым шагом при проектировании и выборе обычно является определение того, требуется ли для конкретного применения линейный двигатель с железным сердечником или без сердечника.

Линейные двигатели с железным сердечником наилучшим образом подходят для применений, требующих чрезвычайно больших тяговых усилий. Это обусловлено тем, что пластины первичной части содержат зубцы (выступы), которые фокусируют электромагнитный поток к магнитам вторичной части (аналогично ротору роторного двигателя). Магнитное притяжение между железом первичной части и постоянными магнитами вторичной части позволяет двигателю развивать высокие тяговые усилия.

Линейные двигатели без сердечника, как правило, обладают меньшей тяговой силой, поэтому они не подходят для чрезвычайно высоких требований к тяге, возникающих в таких процессах, как прессование, механическая обработка или формование. Однако они отлично подходят для высокоскоростной сборки и транспортировки.

Недостатком конструкции с железным сердечником является зубцовое зацепление, которое ухудшает плавность движения. Зацепление возникает из-за того, что прорезная конструкция первичной части приводит к её «предпочтительному» положению при движении вдоль магнитов вторичной части. Чтобы преодолеть тенденцию первичной части выравниваться с магнитами вторичной, двигателю приходится развивать большее усилие, что вызывает пульсацию скорости, называемую зубцовым зацеплением. Эти колебания силы и пульсации скорости ухудшают плавность движения, что может представлять серьёзную проблему в приложениях, где важно качество движения во время перемещения (а не только точность конечного позиционирования).

Производители используют множество методов для уменьшения заеданий. Один из распространённых подходов — смещение магнитов (или зубцов) для создания более плавных переходов при движении первичных зубцов относительно вторичных магнитов. Аналогичного эффекта можно добиться, изменив форму магнитов на вытянутый восьмиугольник.

Другой метод уменьшения зубцового замыкания — дробная обмотка. В этой конструкции первичная обмотка содержит больше зубцов пластин, чем магнитов во вторичной, а пакет пластин имеет специальную форму. В совокупности эти два усовершенствования работают над устранением зубцового замыкания. И, конечно же, программное обеспечение всегда предлагает решение. Алгоритмы предотвращения зубцового замыкания позволяют сервоприводам и контроллерам регулировать ток, подаваемый на первичную обмотку, чтобы минимизировать колебания силы и скорости.

Линейные двигатели без сердечника не подвержены зубцовым колебаниям, поскольку их первичные обмотки залиты эпоксидной смолой, а не намотаны на стальной сердечник. Кроме того, линейные серводвигатели без сердечника имеют меньшую массу (эпоксидная смола легче стали, хотя и менее жёсткая), что позволяет им достигать одних из самых высоких значений ускорения, замедления и максимальной скорости, встречающихся в электромеханических системах. Время установления, как правило, лучше (меньше) у двигателей без сердечника, чем у двигателей с железным сердечником. Отсутствие стали в первичной обмотке и, как следствие, отсутствие зубцового колебания или пульсаций скорости также означает, что линейные двигатели без сердечника могут обеспечивать очень медленное, устойчивое движение, обычно с изменением скорости менее 0,01%.

Какой уровень интеграции?
Как и роторные двигатели, линейные серводвигатели — лишь один из компонентов системы движения. Полная система линейного двигателя также требует подшипников для поддержки и направления нагрузки, управления кабелями, обратной связи (обычно это линейный энкодер), а также сервопривода и контроллера. Опытные OEM-производители и машиностроители, а также те, у кого есть уникальные требования к конструкции или производительности, могут создать полноценную систему, используя собственные возможности и готовые компоненты от различных производителей.

Конструкция системы с линейным двигателем, пожалуй, проще, чем конструкция систем на основе ремней, реек и шестерен или винтов. Она требует меньше компонентов и меньше трудоёмких этапов сборки (не требуется выравнивание опор шарико-винтовых передач и натяжение ремней). Кроме того, линейные двигатели бесконтактные, поэтому разработчикам не нужно беспокоиться о смазке, регулировке и других операциях по обслуживанию приводного узла. Однако для производителей оригинального оборудования (OEM) и машиностроителей, ищущих готовое решение, существует множество вариантов полноценных актуаторов с линейным двигателем, высокоточных столов и даже декартовых и портальных систем.

Подходит ли окружающая среда для использования 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 использоваться практически с любым типом линейных направляющих или кабельных систем, что позволяет удовлетворить требования к образованию частиц, газовыделению и температуре в конкретной области применения. В крайних случаях вторичная обмотка (магнитная дорожка) может использоваться в качестве подвижной части, в то время как первичная часть (обмотки, включая кабели и кабельные системы) остается неподвижной.

Однако если окружающая среда содержит металлическую стружку, пыль или металлические частицы, линейный серводвигатель может оказаться не лучшим вариантом. Это особенно актуально для линейных двигателей с железным сердечником, поскольку их конструкция изначально открыта, что делает магнитную дорожку уязвимой для загрязнения. Полузакрытая конструкция линейных двигателей без сердечника обеспечивает лучшую защиту, но следует следить за тем, чтобы паз во вторичной части не подвергался прямому воздействию источников загрязнения. Существуют варианты конструкции, позволяющие закрывать как линейные двигатели с железным сердечником, так и линейные двигатели без сердечника, но это может ухудшить теплоотдачу двигателя, потенциально превращая одну проблему в другую.