Линейный двигатель можно рассматривать как вращающийся серводвигатель, развернутый и положенный на плоскость для создания принципиально линейного движения. Традиционный линейный привод — это механический элемент, который преобразует вращательное движение вращающегося серводвигателя в прямолинейное движение. Оба они предлагают линейное движение, но с очень разными характеристиками производительности и компромиссами. Не существует лучшей или худшей технологии — выбор того, что использовать, зависит от области применения. Давайте рассмотрим подробнее.

Правило большого пальца для линейных двигателей заключается в том, что они сияют в приложениях, требующих высокого ускорения, высоких скоростей или высокой точности. Например, в полупроводниковой метрологии, где разрешение и пропускная способность имеют решающее значение, а даже час простоя может стоить десятки тысяч долларов, линейные двигатели являются идеальным решением. Но как насчет менее требовательной ситуации?

Первой проблемой линейных двигателей была конкурентоспособность по стоимости. Линейным двигателям требуются редкоземельные магниты, которые представляют собой один из ограничивающих факторов длины хода. Конечно, в теории магниты можно выстраивать практически бесконечно, но в реальности, помимо проблемы обеспечения достаточной жесткости на большой длине хода, расходы растут, особенно для конструкций с U-образным каналом.

Двигатели с железным сердечником могут генерировать ту же силу, используя меньшие магниты, чем эквивалентная конструкция без железа, поэтому, если мускул является основным требованием, а технические характеристики производительности достаточно ослаблены, чтобы выдерживать некоторое возмущение зубчатой ​​силы, приводящее к динамическим ошибкам положения или скорости, лучшим подходом может быть железный сердечник. Если требования к производительности еще слабее, порядка микрон, а не нанометров, возможно, комбинация линейного привода обеспечивает наиболее подходящий компромисс — выберите линейный привод для упаковки лекарств, скажем, но линейный двигатель для секвенирования ДНК при открытии лекарств.

Длина пути
Хотя существует множество исключений, оптимальная длина хода для линейных двигателей колеблется от пары миллиметров до нескольких метров. Ниже этого значения альтернатива, такая как изгиб, может быть более эффективной; выше, ременные передачи, а затем конструкции с реечной передачей, вероятно, являются лучшими ставками.

Длина хода линейных двигателей ограничивается не только стоимостью и устойчивостью монтажа, но и проблемой управления кабелями. Для создания движения, усилитель должен быть запитан, что означает, что силовые кабели должны проходить с ним всю длину хода. Высокогибкий кабель и сопутствующие дорожки качения стоят дорого, а тот факт, что кабели являются единственной самой большой точкой отказа в управлении движением в целом, еще больше усложняет проблему.

Конечно, сама природа линейных двигателей может дать умное решение этой проблемы. Там, где у нас есть эти опасения, мы монтируем усилитель на неподвижное основание и перемещаем магнитную дорожку. Таким образом, все кабели приходят к неподвижному усилителю. Вы получаете немного меньшее ускорение от данного двигателя, потому что вы не ускоряете катушку, вы ускоряете магнитную дорожку, которая тяжелее. Если бы вы делали это для высоких G, это было бы нехорошо. Если у вас действительно нет приложения с высокими G, это может быть очень хорошей конструкцией.

Profeta ссылается на линейные серводвигатели Aerotech с пиковыми силами от 28 до 900 фунтов, но и здесь фундаментальная конструкция линейных двигателей позволяет создавать уникальные решения, которые предлагают гораздо больше. У нас есть клиенты, которые возьмут наши самые большие линейные двигатели, соединят шесть из них вместе и создадут почти 6000 фунтов силы. Вы можете поместить несколько силовых приводов на несколько дорожек, механически закрепить их вместе, а затем коммутировать их все вместе, чтобы они работали как один двигатель; или вы можете поместить несколько силовых приводов на одну магнитную дорожку и установить их на каретку, удерживающую груз, и рассматривать их как один двигатель.

Поскольку мы живем в реальном мире и точно сопоставить коммутацию невозможно, за такой подход приходится платить потерей эффективности в несколько процентов, но он все равно может дать наилучшее комплексное решение для конкретного приложения.

Голова к голове
С точки зрения силы, как линейные двигатели сочетаются с комбинациями роторного двигателя/линейного привода? Существует значительный компромисс силы, мы сравниваем восьмиполюсный линейный двигатель без пазов шириной 4 дюйма с продуктом с винтовым приводом шириной 4 дюйма. Наш восьмиполюсный линейный двигатель имеет пиковую силу 40 фунтов (180 Н) и постоянную силу 11 фунтов (50 Н). В этом же профиле с серводвигателем NEMA 23 и нашим продуктом с винтовым приводом максимальная осевая нагрузка составляет 200 фунтов, так что если вы посмотрите на это таким образом, вы увидите, по сути, 20-кратное снижение постоянной силы.

Фактические результаты будут различаться в зависимости от шага винта, диаметра винта, катушек двигателя и конструкции двигателя, быстро замечает он, и ограничены осевыми подшипниками, поддерживающими винт. Линейный двигатель компании с железным сердечником шириной 13 дюймов может генерировать 1600 фунтов пиковой осевой силы по сравнению с 440 фунтами, обеспечиваемыми, например, продуктом с приводом от винта шириной 6 дюймов, но при этом освобождается значительное пространство.

Перефразируя политический лозунг, это приложение, глупый. Если плотность силы является основной проблемой, то актуатор, вероятно, является лучшим выбором. Если приложение требует отзывчивости, например, в высокоточном, высокоускоряющемся приложении, таком как проверка ЖК-дисплеев, то компромисс между площадью и силой для получения необходимой производительности оправдан.

Поддержание чистоты
Загрязнение является серьезной проблемой для управления движением в производственных условиях, и линейные двигатели не являются исключением. Одной из больших проблем стандартной конструкции линейного двигателя является подверженность загрязнению, например, твердым частицам или влаге. Это справедливо для конструкций «планшетного типа» и в меньшей степени для конструкций [U-образного канала].

Очень сложно полностью загерметизировать решение. Вы не хотите находиться в среде с высокой влажностью. Если вы собираетесь использовать линейный двигатель в гидроабразивной резке, вам нужно приложить к нему положительное давление и убедиться, что он хорошо защищен, поскольку электроника линейного двигателя находится прямо там, где происходит приведение в действие.

В случае конструкций с U-образным каналом инвертирование U может минимизировать вероятность попадания частиц в канал, но это создает проблемы с тепловым управлением, которые могут поставить под угрозу производительность в результате перемещения массы магнитной направляющей по сравнению с перемещением массы форсера. Опять же, это компромисс, и снова, применение определяет использование.

Не только окружающая среда может влиять на линейный двигатель — линейный двигатель может создавать проблемы с окружающей средой. В отличие от роторных конструкций, большие магниты в линейных блоках могут нанести ущерб магнитно-чувствительной среде, например, в машинах магнитно-резонансной томографии (МРТ). Это может быть проблемой даже в более прозаическом применении, таком как резка металла. Вы получаете эти мощные магниты, которые пытаются притянуть каждую из этих металлических стружек на магнитную дорожку, поэтому линейные двигатели не будут хорошо работать в таких типах применений без надлежащей защиты.

О приложениях…
Так где же находится золотая середина применения линейных двигателей? Для начала, метрология, в таких областях, как производство полупроводников, светодиодов и ЖК-дисплеев. Цифровая печать больших знаков также является растущим рынком, как и биомедицинский сектор, и даже производство мелких деталей, наши клиенты размещают пары линейных двигателей в портальных конфигурациях для задач сборки. Вы хотите получить как можно большую производительность, поэтому высокое ускорение и скорость, которые вы можете получить от этих двигателей, являются преимуществом. Одно из того, чем мы занимались в последнее время, — это производство топливных элементов; трафаретная резка — другое.