Комплектные линейные моторные блоки, включающие опорную плиту, линейный двигатель, линейные направляющие, энкодер и элементы управления.

За последние несколько лет наблюдается заметный рост использования линейных серводвигателей с прямым приводом, отчасти благодаря требованиям конечных пользователей к большей производительности и точности. И хотя линейные двигатели чаще всего известны своей способностью обеспечивать сочетание высоких скоростей, большого хода и превосходной точности позиционирования, недостижимое с другими приводными механизмами, они также могут обеспечивать чрезвычайно медленное, плавное и точное движение. Фактически, технология линейных двигателей обеспечивает такой широкий спектр возможностей — тяговое усилие, скорость, ускорение, точность позиционирования и повторяемость — что существует немного областей применения, для которых линейные двигатели не являются подходящим решением.

К разновидностям линейных двигателей относятся линейные серводвигатели, линейные шаговые двигатели, линейные асинхронные двигатели и линейные двигатели с упорной трубкой. Если линейный серводвигатель является наилучшим вариантом для конкретного применения, вот три момента, которые следует учитывать при первоначальном выборе двигателя.

«Главный» вопрос: железный сердечник или безжелезный?
Линейные серводвигатели с прямым приводом бывают двух основных типов: с железным сердечником и без него, что определяется тем, установлены ли обмотки первичной обмотки (аналогично статору в роторном двигателе) в пакет железных пластин или в эпоксидную смолу. Определение того, требуется ли для конкретного применения линейный двигатель с железным сердечником или без него, обычно является первым шагом в проектировании и выборе.

Линейные двигатели с железным сердечником лучше всего подходят для применений, требующих чрезвычайно больших осевых усилий. Это связано с тем, что пластины первичной части содержат зубцы (выступы), которые фокусируют электромагнитный поток на магниты вторичной части (аналогично ротору в роторном двигателе). Это магнитное притяжение между железом в первичной части и постоянными магнитами во вторичной части позволяет двигателю развивать большие усилия.

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

Недостатком конструкции с железным сердечником является эффект «застревания», который ухудшает плавность движения. Застревание происходит из-за того, что щелевая конструкция первичной части приводит к тому, что она занимает «предпочтительные» положения при перемещении вдоль магнитов вторичной части. Чтобы преодолеть тенденцию первичной части выравниваться с магнитами вторичной части, двигателю приходится создавать большую силу, что вызывает пульсации скорости — так называемое застревание. Это изменение силы и пульсации скорости ухудшает плавность движения, что может стать серьезной проблемой в приложениях, где качество движения во время перемещения (а не только точность конечного позиционирования) имеет важное значение.

Производители используют множество методов для уменьшения заедания магнитов. Один из распространенных подходов заключается в изменении положения магнитов (или зубцов), что обеспечивает более плавные переходы при перемещении основных зубцов относительно вторичных магнитов. Аналогичного эффекта можно добиться, изменив форму магнитов на вытянутый восьмиугольник.

Еще один метод уменьшения заедания — это так называемая дробная обмотка. В этой конструкции первичная обмотка содержит больше зубцов ламелей, чем магнитов во вторичной обмотке, а пакет ламелей имеет особую форму. Вместе эти две модификации позволяют компенсировать силы заедания. И, конечно же, программное обеспечение всегда предлагает решение. Алгоритмы предотвращения заедания позволяют сервоприводам и контроллерам регулировать ток, подаваемый на первичную обмотку, таким образом, чтобы минимизировать колебания силы и скорости.

В безжелезных линейных двигателях отсутствует пульсация скорости, поскольку их первичные обмотки заключены в эпоксидную смолу, а не намотаны на стальную пластину. Кроме того, безжелезные линейные серводвигатели имеют меньшую массу (эпоксидная смола легче, хотя и менее жесткая, чем сталь), что позволяет им достигать одних из самых высоких значений ускорения, замедления и максимальной скорости, встречающихся в электромеханических системах. Время установления обычно лучше (ниже) для безжелезных двигателей, чем для версий с железным сердечником. Отсутствие стали в первичной обмотке и, как следствие, отсутствие пульсации скорости также означает, что безжелезные линейные двигатели могут обеспечивать очень медленное, стабильное движение, как правило, с изменением скорости менее чем на 0,01 процента.

Какой уровень интеграции?
Подобно роторным двигателям, линейные серводвигатели — это лишь один компонент в системе перемещения. Полная система линейного двигателя также включает подшипники для поддержки и направления нагрузки, прокладку кабелей, обратную связь (обычно линейный энкодер), а также сервопривод и контроллер. Опытные производители оригинального оборудования и машиностроители, или те, кто предъявляет очень специфические требования к конструкции или производительности, могут создать полную систему, используя собственные возможности и стандартные компоненты от различных производителей.

Конструкция линейных моторных систем, пожалуй, проще, чем конструкция систем на основе ремней, реек и шестерен или винтов. В них меньше компонентов и меньше трудоемких этапов сборки (нет необходимости выравнивать опоры шариковых винтов или натягивать ремни). Кроме того, линейные двигатели являются бесконтактными, поэтому конструкторам не нужно беспокоиться о смазке, регулировках или другом техническом обслуживании приводного механизма. Но для тех производителей оборудования и машиностроителей, которые ищут готовое решение, существует множество вариантов комплектных линейных моторных приводов, высокоточных платформ и даже декартовых и портальных систем.

Подходит ли данная 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 использоваться практически с любым типом линейных направляющих или кабельных систем для удовлетворения требований к образованию частиц, газовыделению и температуре в зависимости от области применения. В крайних случаях в качестве подвижной части может использоваться вторичная обмотка (магнитная дорожка), а первичная часть (обмотки, включая кабели и кабельные системы) остается неподвижной.

Однако, если в рабочей среде будут присутствовать металлические стружки, металлическая пыль или металлические частицы, линейный серводвигатель может оказаться не лучшим вариантом. Это особенно актуально для линейных двигателей с железным сердечником, поскольку их конструкция по своей природе открыта, оставляя магнитную дорожку открытой для загрязнения. Полузакрытая конструкция безжелезных линейных двигателей обеспечивает лучшую защиту, но следует позаботиться о том, чтобы паз во вторичной обмотке не был непосредственно подвержен воздействию источников загрязнения. Существуют варианты конструкции для корпусирования как железных, так и безжелезных линейных двигателей, но они могут снизить способность двигателя рассеивать тепло, потенциально заменяя одну проблему другой.