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¿Dónde tienen sentido los motores lineales?

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Los actuadores que utilizan motores lineales tienen un movimiento dinámico elevado.

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Los motores lineales ofrecen un rendimiento superior, por lo que destacan en equipos médicos, automatización industrial, envasado y fabricación de semiconductores. Además, los nuevos motores lineales reducen el coste, el calor y la complejidad de integración de las primeras versiones. Los motores lineales constan de una bobina (parte primaria o forzador) y una plataforma fija, a veces denominada platina o secundario. Existen muchos subtipos, pero los dos más comunes en automatización son los motores lineales con núcleo de hierro sin escobillas y los motores lineales sin hierro.

En general, los motores lineales superan a los accionamientos mecánicos. Tienen longitudes ilimitadas. Sin la elasticidad ni la holgura de las configuraciones mecánicas, la precisión y la repetibilidad son altas y se mantienen así durante toda la vida útil de la máquina. De hecho, sólo los cojinetes guía de un motor lineal necesitan mantenimiento; todos los demás subcomponentes no sufren desgaste.

Puntos fuertes de los motores lineales con núcleo de hierro

Los motores lineales con núcleo de hierro tienen bobinas primarias alrededor de un núcleo de hierro. El secundario suele ser una pista magnética fija. Los motores lineales con núcleo de hierro funcionan bien en máquinas de moldeo por inyección, máquinas herramienta y prensas, ya que generan una gran fuerza continua. Una advertencia es que los motores lineales con núcleo de hierro pueden engranarse, porque la atracción magnética del secundario sobre el primario varía a medida que atraviesa la pista magnética. La fuerza de detención es la culpable. Los fabricantes abordan el problema del engrane de varias maneras, pero es problemático cuando el objetivo principal es conseguir carreras suaves.

Aun así, los motores lineales con núcleo de hierro presentan numerosas ventajas. Un acoplamiento magnético más fuerte (entre el núcleo de hierro y los imanes del estator) permite una mayor densidad de fuerza. Así, los motores lineales con núcleo de hierro tienen una mayor fuerza de salida que los motores lineales sin hierro comparables. Además, estos motores disipan mucho calor porque el núcleo de hierro desprende el calor generado por la bobina durante el funcionamiento, lo que reduce la resistencia térmica de la bobina al ambiente mejor que los motores sin hierro. Por último, estos motores son fáciles de integrar porque el forzador y el estator se enfrentan directamente.

Motores lineales sin hierro para carreras rápidas

Los motores lineales sin hierro no tienen hierro en el primario, por lo que son más ligeros y producen movimientos más dinámicos. Las bobinas están incrustadas en una placa de epoxi. La mayoría de los motores lineales sin hierro tienen pistas en forma de U revestidas en las superficies interiores con imanes. La acumulación de calor puede limitar las fuerzas de empuje a menos que las de motores comparables con núcleo de hierro, pero algunos fabricantes solucionan este problema con una geometría innovadora del canal y del primario.

Los cortos tiempos de asentamiento potencian aún más la dinámica de los motores lineales sin núcleo de hierro para realizar movimientos rápidos y precisos. La ausencia de fuerzas de atracción inherentes entre el primario y el secundario significa que los motores lineales sin núcleo de hierro también son más fáciles de montar que los motores con núcleo de hierro. Además, sus cojinetes de apoyo no están sometidos a fuerzas magnéticas, por lo que suelen durar más.

Tenga en cuenta que los motores lineales tienen problemas en ejes verticales y en entornos difíciles. Esto se debe a que, sin algún tipo de freno o contrapeso, los motores lineales (que son intrínsecamente sin contacto) dejan caer las cargas en situaciones de desconexión.

Además, algunos entornos difíciles pueden generar polvo y virutas que se adhieren a los motores lineales, especialmente en operaciones de mecanizado de piezas metálicas. En este caso, los motores lineales con núcleo de hierro (y su pista llena de imanes) son los más vulnerables. Algunos actuadores incorporan motores lineales con núcleo de hierro o sin hierro y un diseño a prueba de polvo para trabajar en este tipo de entornos. Este último elimina los problemas asociados a los fuelles que tradicionalmente protegen los ejes lineales.

Cuándo elegir actuadores lineales integrados

La naturaleza de accionamiento directo de los actuadores con motor lineal aumenta la productividad y la dinámica de los sistemas en multitud de aplicaciones industriales. Algunos actuadores basados en motores lineales también incluyen encóderes para realimentación de posición... para facilitar el uso de motores lineales, incluso en comparación con los sistemas basados en correas y husillos a bolas. Algunos de estos actuadores integran estrechamente el motor lineal, la guía y el encóder óptico (o magnético) para aumentar aún más la densidad de potencia.

El codificador de algunos actuadores se instala horizontalmente para que su posición no se vea afectada por impactos externos. Algunos de estos dispositivos pueden funcionar a 6 m/seg con una aceleración de hasta 60 m/seg2 utilizando una entrada de 230 Vac. Son posibles módulos con recorridos superiores a dos metros. Las ofertas estándar suelen incluir un codificador magnético para la realimentación de posición, aunque hay codificadores ópticos disponibles para una mayor precisión. Otras opciones incluyen configuraciones multideslizantes, así como sistemas X-Y y de pórtico completos.

En comparación con los módulos de husillo a bolas tradicionales, los actuadores basados en motores lineales ofrecen mayor precisión y velocidad, incluso en muchas condiciones de empuje, gracias al accionamiento directo. Una integración más estrecha también aumenta la productividad y la fiabilidad. Algunos de estos actuadores incluyen el propio motor lineal, una base y una guía lineal ancha que soporta un deslizador de aluminio y una escala óptica para la retroalimentación de posición. Cuando el motor lineal no es de hierro, puede combinarse con una guía deslizante de aluminio para formar un diseño ligero que acelera rápidamente.

Algunos actuadores compactos con motor lineal también incluyen deslizadores con almohadillas de lubricación incorporadas para una lubricación respetuosa con el medio ambiente. En este caso, los extremos del bloque de rodadura incorporan inyectores de grasa herméticamente sellados para lubricar las pistas de rodadura mediante la circulación de bolas de acero. En algunos casos, las almohadillas de lubricación opcionales añaden lubricación para un funcionamiento a largo plazo con menos mantenimiento, especialmente en ejes que realizan carreras cortas.

Los motores lineales sin hierro de algunos actuadores tampoco presentan engranajes, por lo que el eje puede realizar movimientos estables tanto si se desplaza lenta como rápidamente. En algunos diseños, la repetibilidad con un encóder lineal óptico es de 2 mm. Algunos actuadores están disponibles incluso en carreras de 152 a 1.490 mm con una rectitud de 6 a 30 mm.

Ejemplo especial: Aplicaciones en salas limpias

Una última opción especialmente adecuada para aplicaciones con carreras cortas y ciclos elevados son los actuadores de motor lineal en los que las piezas móviles son los imanes y el carril. En este caso, no hay problemas con cables en movimiento que provoquen desconexiones. Tampoco hay problemas con los entornos polvorientos. De hecho, los actuadores funcionan bien en entornos de vacío y salas limpias. Esto se debe a que las bobinas son fijas, por lo que el calor se disipa fácilmente a las estructuras de montaje. Algunos de estos actuadores de motor lineal producen una fuerza continua de 94,2 ó 188,3 N y una fuerza de pico de 242,1 ó 484,2 N, y aceptan una corriente continua de 3,5, 7 ó 14 A, según la versión. Las carreras alcanzan los 430 mm.

Parámetros para especificar etapas con motor lineal

Al especificar actuadores o etapas basados en motores lineales, tenga en cuenta los siguientes criterios para cada parte del perfil de movimiento del diseño:

- ¿Cuál es la condición de movimiento conocida?

- ¿Cuál es la masa de la carga, la masa del sistema, la carrera efectiva, el tiempo de movimiento y el tiempo de permanencia?

- ¿Cuál es la condición del accionamiento, tensión de salida máxima, corriente continua y de pico?

- ¿Qué tipo de resolución de encóder necesita la configuración? ¿Debe ser analógica o digital?

- ¿En qué tipo de entorno de trabajo funcionará el actuador o la etapa? ¿Cuál será la temperatura ambiente? ¿Estará sometido a condiciones de vacío o de sala blanca?

- ¿Cuáles son los requisitos de la aplicación en cuanto a precisión de movimiento y exactitud de posicionamiento?

- ¿El actuador de motor lineal o la platina moverán cargas en horizontal, vertical o en ángulo? ¿La instalación se montará en una pared? ¿Tiene limitaciones de espacio?

Responder a estas preguntas ayudará a los ingenieros de diseño a identificar la iteración de motor lineal más adecuada para una determinada pieza de maquinaria.