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Ventajas e inconvenientes de los motores lineales para aplicaciones dinámicas

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Ampliamente adoptado en una gama de aplicaciones de embalaje y montaje.

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Los motores lineales pueden alcanzar altas velocidades de aceleración y largos recorridos con buenas fuerzas de empuje y precisiones de posicionamiento extremadamente altas, mientras que otros mecanismos de accionamiento, como las correas, los tornillos o las cremalleras, deben sacrificar al menos uno de estos requisitos para alcanzar los otros. Por ello, los motores lineales son la opción preferida para aplicaciones altamente dinámicas como la metrología y la fabricación de semiconductores.

De hecho, basándose en sus especificaciones de rendimiento, los motores lineales parecen ser la solución perfecta para hacer frente a los requisitos contrapuestos que suelen encontrarse en las aplicaciones de movimiento lineal. Pero eso nos lleva a preguntarnos: "¿Por qué no se adoptan más los motores lineales?"

Para entender por qué la tasa de adopción de los motores lineales sigue estando por detrás de otras tecnologías de accionamiento -como las correas, los tornillos o los accionamientos de cremallera-, veamos algunas de las ventajas e inconvenientes de los diseños de motores lineales.

Generación y disipación de calor

A la hora de dimensionar y seleccionar un motor, ya sea rotativo o lineal, una de las principales consideraciones es el calor. De hecho, las curvas de par (o fuerza) frente a la velocidad, que describen los rangos de funcionamiento continuo e intermitente de una determinada combinación de motor y accionamiento, se basan en la capacidad del motor para disipar el calor en condiciones de funcionamiento específicas.

La generación de calor puede ser aún más problemática para los motores lineales que para los motores rotativos, ya que la carga está montada en la horquilla, que contiene los bobinados del motor. (En algunos diseños de motores lineales, la carga puede montarse en la pista del imán, aunque esto sólo puede ser factible para carreras cortas) Y en los motores lineales sin hierro, los devanados están encapsulados en epoxi, que no disipa el calor tan fácilmente como los metales como el hierro o el aluminio.

Esto significa que el calor se transfiere fácilmente a la carga y a los componentes circundantes, causando expansión térmica, degradación o, en casos extremos, daños o fallos. Incluso si la carga no se ve afectada, la acumulación de calor puede reducir la fuerza continua del motor. Para combatirlo, algunas aplicaciones requieren una refrigeración forzada por aire o líquido, lo que aumenta el coste, el espacio y la complejidad.

Protección contra la contaminación

Debido a su diseño abierto y a los imanes expuestos, los motores lineales planos con núcleo de hierro y los diseños sin hierro con canal en U pueden ser difíciles de proteger de la contaminación. Mientras que las guías lineales de soporte pueden protegerse con diversos sellos y rascadores disponibles en el mercado, los imanes expuestos de un motor lineal pueden atraer partículas ferrosas procedentes de las operaciones de mecanizado o simplemente de la contaminación del aire que se encuentra a menudo en los entornos de fabricación y de las fábricas. Y la contaminación por líquidos puede dañar los componentes electrónicos sensibles o interferir con los sistemas de retroalimentación.

Por supuesto, las cubiertas y las estructuras externas pueden diseñarse para proteger contra la contaminación, pero pueden dificultar la disipación del calor del motor, agravando los problemas relacionados con el calor descritos anteriormente.

Compensación de vibraciones y oscilaciones

Uno de los principales argumentos de venta de una solución de motor lineal es que elimina la necesidad de componentes mecánicos de transmisión de potencia -como tornillos, correas, cajas de cambio y acoplamientos- entre el motor y la carga. Esto significa que los motores lineales no sufren los efectos de la holgura, el enrollamiento y la conformidad, lo cual es un factor importante en su capacidad para lograr precisiones de posicionamiento muy altas y ejecutar movimientos muy dinámicos, con rápidas tasas de aceleración y desaceleración.

Pero los componentes de transmisión mecánica pueden ser beneficiosos en un sistema de movimiento al proporcionar un mecanismo de amortiguación de las oscilaciones y atenuar las perturbaciones, como las reacciones de las fuerzas de mecanizado o las vibraciones inducidas por el movimiento de la carga. Y sin este efecto de amortiguación "incorporado", las oscilaciones y vibraciones pueden impedir que los motores lineales alcancen la precisión de posicionamiento o el tiempo de estabilización deseados.

Para garantizar que el sistema pueda reaccionar y corregir los efectos de estas vibraciones y oscilaciones no amortiguadas, los sistemas de motores lineales suelen requerir bucles de control de velocidad, posición y corriente (fuerza) de mayor frecuencia, así como un mayor ancho de banda del bucle de corriente. El sistema de retroalimentación de posición -normalmente un codificador lineal óptico o magnético- también debe tener una mayor resolución para que el controlador pueda seguir con mayor precisión la posición del motor y la carga. Incluso el bastidor de la máquina o la estructura de soporte deben ser lo suficientemente rígidos (con una alta frecuencia natural) para permanecer relativamente insensibles a los golpes y vibraciones y soportar las fuerzas generadas por el motor lineal.

En otras palabras, al haber menos componentes que ayuden a compensar las vibraciones y las perturbaciones, los bucles de retroalimentación y control deben ser capaces de comunicarse con mayor rapidez y precisión para que el sistema alcance un rendimiento dinámico y de alta precisión.

Coste inicial frente a coste total de propiedad

Por último, uno de los factores clave que limitan la adopción generalizada de los motores lineales sigue siendo el coste inicial. Aunque abundan las comparaciones que demuestran que el coste total de propiedad (TCO) de las soluciones de motor lineal es menor que el de las soluciones tradicionales de correa, tornillo o cremallera en algunas aplicaciones, el coste inicial de un sistema de motor lineal sigue siendo un obstáculo para la adopción por parte de los ingenieros y diseñadores que tienen que cumplir las especificaciones de rendimiento con un presupuesto limitado. Un ejemplo: Para aplicaciones con recorridos muy largos - una de las áreas en las que destacan las soluciones de motor lineal - el coste de los imanes y los codificadores lineales de alta resolución para cumplir los requisitos de recorrido puede hacer que no se considere una solución de motor lineal.

Las aplicaciones no tradicionales impulsan el crecimiento de las tasas de adopción de los motores lineales

A pesar de las posibles dificultades que plantean la generación de calor, la protección contra la contaminación, los controles de gran ancho de banda y el coste, la tasa de adopción de los motores lineales está creciendo. Los motores lineales con núcleo de hierro, sin hierro y tubulares, que antes se consideraban soluciones de nicho para aplicaciones de semiconductores, metrología y mecanizado pesado, se utilizan ahora en aplicaciones de automoción, alimentación y envasado, y de impresión, donde los movimientos pueden no ser tan desafiantes o los requisitos de precisión tan exigentes, pero donde las ventajas de un menor número de componentes, un menor tiempo de inactividad y un mayor rendimiento justifican el coste adicional y las consideraciones de diseño.