Линейные двигатели могут достигать высоких скоростей ускорения и больших длин хода с хорошими тяговыми силами и чрезвычайно высокой точностью позиционирования, в то время как другие приводные механизмы, такие как ремни, винты или реечные шестерни, должны пожертвовать по крайней мере одним из этих требований, чтобы достичь других. Вот почему линейные двигатели являются предпочтительным выбором для высокодинамичных приложений, таких как метрология и производство полупроводников.

Фактически, исходя из своих эксплуатационных характеристик, линейные двигатели кажутся идеальным решением для удовлетворения конкурирующих требований, часто встречающихся в приложениях линейного движения. Но это поднимает вопрос: «Почему линейные двигатели не получили более широкого распространения?»

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

Генерация и рассеивание тепла

При выборе и определении размера двигателя — будь то роторный или линейный — одним из основных соображений является тепло. Фактически, кривые крутящего момента (или силы) в зависимости от скорости, которые отображают непрерывные и прерывистые рабочие диапазоны для данной комбинации двигателя и привода, основаны на способности двигателя рассеивать тепло при определенных рабочих условиях.

Выделение тепла может быть даже более проблематичным для линейных двигателей, чем для роторных двигателей, поскольку нагрузка крепится к силовому агрегату, содержащему обмотки двигателя. (В некоторых конструкциях линейных двигателей нагрузка может крепиться к магнитной дорожке, хотя это может быть осуществимо только для коротких ходов.) А в линейных двигателях без сердечника обмотки залиты эпоксидной смолой, которая не рассеивает тепло так же легко, 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 отказ. Даже если нагрузка не затронута, накопление тепла может снизить непрерывную выходную силу двигателя. Чтобы бороться с этим, некоторые приложения требуют принудительного воздушного или жидкостного охлаждения, что увеличивает стоимость, занимаемую площадь и сложность.

Защита от загрязнения

Из-за их открытой конструкции и открытых магнитов, плоские линейные двигатели с железным сердечником и U-образные безжелезные конструкции могут быть трудно защищены от загрязнения. В то время как поддерживающие линейные направляющие могут быть защищены различными готовыми уплотнениями и скребками, открытые магниты линейного двигателя могут притягивать ферромагнитные частицы от операций обработки или просто от загрязнений в воздухе, часто встречающихся в производственных и заводских условиях. А жидкое загрязнение может повредить чувствительную электронику или помешать работе систем обратной связи.

Конечно, крышки и внешние конструкции могут быть спроектированы для защиты от загрязнения, но они могут затруднить рассеивание тепла двигателем, усугубляя описанные выше проблемы, связанные с нагревом.

Компенсация вибрации и колебаний

Одним из ключевых преимуществ решения с линейным двигателем является то, что оно устраняет необходимость в механических компонентах передачи мощности — таких как винты, ремни, редукторы и муфты — между двигателем и нагрузкой. Это означает, что линейные двигатели не страдают от эффектов люфта, намотки и податливости, что является основным фактором их способности достигать очень высокой точности позиционирования и выполнять высокодинамичные движения с быстрыми темпами ускорения и замедления.

Но механические компоненты трансмиссии могут быть полезны в системе движения, обеспечивая механизм гашения колебаний и смягчения возмущений, таких как реакции от сил обработки или вибрации, вызванные движением груза. И без этого «встроенного» эффекта гашения колебания и вибрации могут помешать линейным двигателям достичь желаемой точности позиционирования или времени стабилизации.

Чтобы гарантировать, что система может реагировать на эти незатухающие вибрации и колебания и вносить поправки на них, линейные системы двигателей часто требуют более высоких частотных контуров управления скоростью, положением и током (силой), а также более высокой полосы пропускания контура тока. Система обратной связи по положению — обычно оптический или магнитный линейный энкодер — также должна иметь более высокое разрешение, чтобы контроллер мог точнее отслеживать положение двигателя и нагрузки. Даже рама машины или опорная конструкция должны быть достаточно жесткими (с высокой собственной частотой), чтобы оставаться относительно нечувствительными к ударам и вибрациям и выдерживать силы, создаваемые линейным двигателем.

Другими словами, поскольку имеется меньше компонентов, помогающих компенсировать вибрации и возмущения, контуры обратной связи и управления должны иметь возможность взаимодействовать быстрее и точнее, чтобы система достигла динамичной, высокоточной производительности.

Первоначальная стоимость по сравнению с общей стоимостью владения

И, наконец, одним из ключевых ограничивающих факторов для широкого внедрения линейных двигателей по-прежнему остается первоначальная стоимость. Хотя имеется множество сравнений, демонстрирующих более низкую совокупную стоимость владения (TCO) линейных двигателей по сравнению с традиционными ременными, винтовыми или реечными решениями в некоторых приложениях, первоначальная стоимость системы линейного двигателя по-прежнему является препятствием для внедрения для инженеров и проектировщиков, которым поручено соответствовать эксплуатационным характеристикам в рамках ограниченного бюджета. Показательный пример: для приложений с очень большой длиной хода — одной из областей, где линейные двигатели превосходны — стоимость магнитов и линейных энкодеров высокого разрешения для удовлетворения требований к ходу может сделать решение линейного двигателя неуместным.

Нетрадиционные области применения стимулируют рост темпов внедрения линейных двигателей

Несмотря на потенциальные трудности, связанные с выделением тепла, защитой от загрязнения, управлением высокой пропускной способностью и стоимостью, скорость внедрения линейных двигателей растет. Когда-то считавшиеся нишевыми решениями для полупроводников, метрологии и тяжелой обработки, линейные двигатели с железным сердечником, безжелезные и трубчатые теперь используются в автомобильной, пищевой и упаковочной промышленности, а также в печати, где перемещения могут быть не такими сложными, а требования к точности — такими высокими, но где преимущества меньшего количества компонентов, меньшего времени простоя и более высокой производительности оправдывают дополнительные затраты и конструктивные соображения.