Линейные двигатели могут достигать высоких скоростей ускорения и большой длины хода с хорошими тяговыми усилиями и чрезвычайно высокой точностью позиционирования, в то время как другие приводные механизмы, такие как ремни, винты или реечные передачи, должны жертвовать хотя бы одним из этих требований, чтобы достичь другие. Вот почему линейные двигатели являются предпочтительным выбором для высокодинамичных приложений, таких как метрология и производство полупроводников.

Фактически, исходя из своих характеристик, линейные двигатели кажутся идеальным решением для удовлетворения конкурирующих требований, часто встречающихся в приложениях с линейным движением. Но возникает вопрос: «Почему линейные двигатели не получили более широкого распространения?»

Чтобы понять, почему темпы внедрения линейных двигателей по-прежнему отстают от других технологий привода, таких как ремни, винты или реечные передачи, давайте рассмотрим некоторые преимущества и недостатки конструкций линейных двигателей.

Выделение и рассеивание тепла

При определении размеров и выборе двигателя — роторного или линейного — одним из основных факторов является тепло. Фактически, кривые зависимости крутящего момента (или силы) от скорости, которые отображают непрерывные и прерывистые рабочие диапазоны для данной комбинации двигатель-привод, основаны на способности двигателя рассеивать тепло в определенных условиях эксплуатации.

Выделение тепла может быть еще более проблематичным для линейных двигателей, чем для роторных, поскольку нагрузка крепится к силовому агрегату, который содержит обмотки двигателя. (В некоторых конструкциях линейных двигателей нагрузка может быть прикреплена к магнитной дорожке, хотя это может быть осуществимо только для коротких ходов.) А в линейных двигателях без железа обмотки герметизированы эпоксидной смолой, которая не так легко рассеивает тепло, как металлы, такие как железо или алюминий.

Это означает, что тепло легко передается нагрузке и окружающим компонентам, вызывая тепловое расширение, деградацию или, в крайних случаях, повреждение или выход из строя. Даже если нагрузка не подвергается воздействию, накопление тепла может снизить постоянную выходную мощность двигателя. Чтобы бороться с этим, в некоторых приложениях требуется принудительное воздушное или жидкостное охлаждение, что увеличивает стоимость, занимаемую площадь и сложность.

Защита от загрязнения

Из-за открытой конструкции и открытых магнитов линейные двигатели с плоским железным сердечником и U-образные безжелезные конструкции трудно защитить от загрязнения. В то время как поддерживающие линейные направляющие могут быть защищены различными имеющимися в продаже уплотнениями и скребками, открытые магниты линейного двигателя могут притягивать частицы железа в результате операций механической обработки или просто от переносимых по воздуху загрязнений, часто встречающихся на производстве и в заводских условиях. А жидкое загрязнение может повредить чувствительную электронику или помешать работе систем обратной связи.

Конечно, крышки и внешние конструкции могут быть спроектированы так, чтобы защищать от загрязнения, но они могут затруднить рассеивание тепла двигателем, усугубляя описанные выше проблемы, связанные с перегревом.

Компенсация вибрации и колебаний

Одним из ключевых преимуществ решения с линейным двигателем является то, что оно устраняет необходимость в компонентах механической передачи мощности, таких как винты, ремни, редукторы и муфты, между двигателем и нагрузкой. Это означает, что линейные двигатели не страдают от люфта, раскручивания и податливости, что является основным фактором их способности достигать очень высокой точности позиционирования и выполнять высокодинамичные движения с быстрым ускорением и замедлением.

Но компоненты механической передачи могут быть полезны в системе движения, обеспечивая механизм демпфирования колебаний и ослабляя возмущения, такие как реакции от сил обработки или вибрации, вызванные движением груза. А без этого «встроенного» эффекта демпфирования колебания и вибрации могут помешать линейным двигателям достичь желаемой точности позиционирования или времени стабилизации.

Чтобы гарантировать, что система может реагировать на эффекты этих незатухающих вибраций и колебаний и корректировать их, системам с линейными двигателями часто требуются контуры управления более высокой частотой, скоростью, положением и током (силой), а также более высокая полоса пропускания контура тока. Система обратной связи по положению — обычно оптический или магнитный линейный энкодер — также должна иметь более высокое разрешение, чтобы контроллер мог более точно отслеживать положение двигателя и нагрузки. Даже рама машины или опорная конструкция должны быть достаточно жесткими (с высокой собственной частотой), чтобы оставаться относительно невосприимчивыми к ударам и вибрациям и выдерживать силы, создаваемые линейным двигателем.

Другими словами, поскольку существует меньше компонентов, помогающих компенсировать вибрации и помехи, контуры обратной связи и управления должны иметь возможность взаимодействовать быстрее и точнее, чтобы система могла достичь динамичной и высокоточной работы.

Первоначальная стоимость по сравнению с общей стоимостью владения

И, наконец, одним из ключевых факторов, ограничивающих широкое внедрение линейных двигателей, по-прежнему остаются первоначальные затраты. Хотя существует множество сравнений, демонстрирующих более низкую совокупную стоимость владения (TCO) решений с линейными двигателями по сравнению с традиционными решениями с ремнем, винтом или реечной передачей в некоторых приложениях, первоначальная стоимость системы с линейным двигателем по-прежнему является препятствием для внедрение для инженеров и дизайнеров, которым поручено обеспечить соответствие техническим характеристикам в рамках ограниченного бюджета. Показательный пример: для приложений с очень большой длиной перемещения (одна из областей, где решения с линейными двигателями превосходны) стоимость магнитов и линейных энкодеров высокого разрешения для удовлетворения требований к перемещению может не учитывать стоимость решения с линейным двигателем.

Нетрадиционные применения способствуют росту темпов внедрения линейных двигателей

Несмотря на потенциальные трудности, связанные с выделением тепла, защитой от загрязнения, управлением с высокой пропускной способностью и стоимостью, темпы внедрения линейных двигателей растут. Когда-то линейные двигатели с железным сердечником, безжелезные и трубчатые линейные двигатели, которые когда-то считались нишевыми решениями для полупроводниковой, метрологической и тяжелой механической обработки, теперь используются в автомобильной, пищевой, упаковочной и полиграфической промышленности, где перемещения могут быть не такими сложными или требования к точности являются высокими, но преимущества меньшего количества компонентов, меньшего времени простоя и более высокой пропускной способности оправдывают дополнительные затраты и конструктивные соображения.