Линейные двигатели обеспечивают превосходную производительность, поэтому они отлично подходят для медицинского оборудования, промышленной автоматизации, упаковки и производства полупроводников. Более того, новые линейные двигатели решают проблемы стоимости, тепловыделения и сложности интеграции ранних версий. Напомним, что линейные двигатели состоят из катушки (первичной части или привода) и неподвижной платформы, иногда называемой опорной плитой или вторичной частью. Существует множество подтипов, но два наиболее распространенных для автоматизации — это бесщеточные линейные двигатели с железным сердечником и безжелезные линейные двигатели.

Линейные двигатели, как правило, превосходят механические приводы. Они имеют неограниченную длину. Благодаря отсутствию упругости и люфта, характерных для механических систем, точность и повторяемость измерений высоки и сохраняются на протяжении всего срока службы машины. Фактически, техническое обслуживание требуется только направляющим подшипникам линейного двигателя; все остальные компоненты не подвержены износу.

Где линейные двигатели с железным сердечником проявляют свои лучшие качества
Линейные двигатели с железным сердечником имеют первичную обмотку вокруг железного сердечника. Вторичная обмотка обычно представляет собой неподвижную магнитную дорожку. Линейные двигатели с железным сердечником хорошо работают в литье под давлением, станках и прессах, поскольку они обеспечивают высокую непрерывную силу. Однако следует учитывать, что линейные двигатели с железным сердечником могут заедать, поскольку магнитное притяжение вторичной обмотки к первичной изменяется по мере ее перемещения по магнитной дорожке. В этом виновато усилие фиксации. Производители решают проблему заедания несколькими способами, но это проблематично, когда основной целью является плавный ход.

Тем не менее, преимущества линейных двигателей с железным сердечником многочисленны. Более сильная магнитная связь (между железным сердечником и магнитами статора) обеспечивает высокую плотность силы. Таким образом, линейные двигатели с железным сердечником обладают большей выходной силой, чем сопоставимые линейные двигатели без сердечника. Кроме того, эти двигатели рассеивают много тепла, поскольку железный сердечник отводит тепло, выделяемое обмоткой во время работы, — снижая тепловое сопротивление между обмоткой и окружающей средой лучше, чем двигатели без сердечника. Наконец, эти двигатели легко интегрируются, поскольку сердечник и статор расположены непосредственно друг напротив друга.

Безжелезные линейные двигатели для быстрых ходов
В безжелезных линейных двигателях отсутствует железо в первичной обмотке, поэтому они легче и обеспечивают более динамичное движение. Обмотки встроены в эпоксидную пластину. Большинство безжелезных линейных двигателей имеют U-образные направляющие, на внутренних поверхностях которых расположены магниты. Накопление тепла может ограничивать тяговые усилия до уровня ниже, чем у сопоставимых двигателей с железным сердечником, но некоторые производители решают эту проблему с помощью инновационной геометрии каналов и первичной обмотки.

Короткое время стабилизации дополнительно повышает динамику безжелезных линейных двигателей, обеспечивая быстрые и точные перемещения. Отсутствие внутренних сил притяжения между первичной и вторичной обмотками означает, что безжелезные линейные двигатели также проще в сборке, чем двигатели с железным сердечником. Кроме того, их опорные подшипники не подвержены воздействию магнитных сил, поэтому обычно служат дольше.

Следует отметить, что линейные двигатели испытывают трудности при работе на вертикальных осях и в суровых условиях. Это связано с тем, что без торможения или противовеса линейные двигатели (которые по своей природе являются бесконтактными) позволяют грузам падать при отключении питания.

Кроме того, в некоторых суровых условиях может образовываться пыль и стружка, которые прилипают к линейным двигателям, особенно при обработке металлических деталей. В таких условиях наиболее уязвимы линейные двигатели с железным сердечником (и их направляющие, заполненные магнитами). Некоторые приводы используют линейные двигатели с железным сердечником или без него, а также пылезащитную конструкцию для работы в таких условиях. Последнее устраняет проблемы, связанные с сильфонами, которые традиционно защищают линейные оси.

Когда следует выбирать интегрированные линейные мотор-актуаторы?
Прямой привод линейных двигателей повышает производительность и динамику системы для множества промышленных применений. Некоторые линейные двигатели также включают энкодеры для обратной связи по положению… что упрощает использование линейных двигателей даже по сравнению с системами на основе ремней и шариковинтовых передач. В некоторых из этих приводов линейный двигатель, направляющая и оптический (или магнитный) энкодер тесно интегрированы для дальнейшего повышения удельной мощности.

В некоторых приводах энкодер устанавливается горизонтально, поэтому его положение не зависит от внешних воздействий. Некоторые такие конструкции могут работать со скоростью до 6 м/с и ускорением до 60 м/с² при напряжении питания 230 В переменного тока. Возможны модули с перемещением более двух метров. В стандартную комплектацию обычно входит магнитный энкодер для обратной связи по положению, хотя для повышения точности доступны и оптические энкодеры. Другие опции включают многопозиционные системы, а также полные XY- и портальные системы.

По сравнению с традиционными шариковинтовыми приводами, актуаторы на основе линейных двигателей обеспечивают более высокую точность и скорость — даже при различных условиях тяги — благодаря прямому приводу. Более тесная интеграция также повышает производительность и надежность. Некоторые из таких актуаторов включают в себя сам линейный двигатель, основание и широкую линейную направляющую, поддерживающую алюминиевый ползунок и оптическую шкалу для обратной связи по положению. Там, где линейный двигатель не имеет железного корпуса, он может быть соединен с алюминиевым ползунком, образуя легкую конструкцию, которая быстро разгоняется.

Некоторые компактные линейные электроприводы также включают в себя направляющие со встроенными смазочными подушками для экологически безопасной смазки. В таких приводах концы направляющих блоков оснащены герметичными инжекторами смазки, обеспечивающими подачу смазки по дорожкам качения через циркуляцию стальных шариков. В некоторых случаях дополнительные смазочные подушки обеспечивают дополнительную смазку для длительной работы с меньшими затратами на техническое обслуживание, особенно на осях с коротким ходом.

В некоторых актуаторах также отсутствуют зубчатые колеса, благодаря чему ось может совершать стабильные движения как при медленном, так и при быстром перемещении. В некоторых конструкциях повторяемость с оптическим линейным энкодером составляет 2 мм. Некоторые актуаторы даже доступны с ходом от 152 до 1490 мм и прямолинейностью от 6 до 30 мм.

Особый пример: Применение в чистых помещениях.
Ещё один вариант, особенно подходящий для применений с коротким ходом и высокой частотой циклов, — это линейные мотор-актуаторы, в которых движущимися частями являются магниты и направляющая. Здесь нет проблем с обрывами кабелей, вызванными движением. Также отсутствуют проблемы, связанные с пылью. Фактически, актуаторы хорошо работают в вакуумных средах и чистых помещениях. Это связано с тем, что катушки неподвижны, поэтому тепло легко рассеивается на монтажные конструкции. Некоторые такие линейные мотор-актуаторы обеспечивают постоянное усилие до 94,2 или 188,3 Н и пиковое усилие до 242,1 или 484,2 Н — при постоянном токе 3,5, 7 или 14 А в зависимости от версии. Ход достигает 430 мм.

Параметры для задания ступеней линейного двигателя
При выборе исполнительных механизмов или платформ на основе линейных двигателей следует учитывать следующие критерии для каждой части профиля движения конструкции:

• Каково известное условие движения?
• Каковы масса груза, масса системы, эффективный ход, время перемещения и время задержки?
• Каковы условия работы привода, максимальное выходное напряжение, непрерывный и пиковый ток?
• Какое разрешение энкодера необходимо для данной установки? Должен ли это быть аналоговый или цифровой энкодер?
• В каких условиях будет работать привод или платформа? Какова будет температура в помещении? Будет ли машина работать в вакууме или в условиях чистого помещения?
• Каковы требования приложения к точности перемещения и позиционирования?
• Будет ли линейный мотор-привод или платформа перемещать грузы горизонтально, вертикально или под углом? Будет ли установка крепиться к стене? Ограничено ли пространство для размещения?

Ответы на эти вопросы помогут инженерам-конструкторам определить наиболее подходящую модификацию линейного двигателя для конкретного оборудования.