Módulo de motor lineal: lo bueno, lo malo y lo feo

Aplicaciones de módulo de eje Z de motor lineal de eje, en forma de U y sin hierro.

Se puede pensar en un motor lineal como un servomotor giratorio desenrollado y plano para producir un movimiento fundamentalmente lineal. Un actuador lineal tradicional es un elemento mecánico que convierte el movimiento de giro de un servomotor giratorio en un movimiento en línea recta. Los dos ofrecen movimiento lineal pero con características de rendimiento y compensaciones muy diferentes. No existe una tecnología superior o inferior; la elección de cuál usar depende de la aplicación. Miremos más de cerca.

La regla general para los motores lineales es que brillan en aplicaciones que requieren alta aceleración, altas velocidades o alta precisión. En metrología de semiconductores, por ejemplo, donde la resolución y el rendimiento son críticos e incluso una hora de inactividad puede costar decenas de miles de dólares, los motores lineales brindan la solución ideal. Pero, ¿qué pasa con una situación menos exigente?

Uno de los primeros problemas con los motores lineales fue la competitividad de costos. Los motores lineales requieren imanes de tierras raras, que presentan uno de los factores limitantes de la longitud de carrera. Claro, en teoría, los imanes se pueden alinear prácticamente sin fin, pero en realidad, aparte del desafío de garantizar la rigidez suficiente en una carrera larga, los costos aumentan, particularmente para los diseños de canal en U.

Los motores con núcleo de hierro pueden generar la misma fuerza usando imanes más pequeños que el diseño sin hierro equivalente, por lo que si el músculo es el requisito principal y las especificaciones de rendimiento son lo suficientemente relajadas como para tolerar alguna perturbación de la fuerza de arranque que resulte en errores de velocidad o posición dinámica, el motor con núcleo de hierro podría ser el mejor enfoque. Si los requisitos de rendimiento son aún más flexibles, del orden de micras en lugar de nanómetros, quizás la combinación de actuadores lineales proporcione el compromiso más apropiado: elija un actuador lineal para el envasado de medicamentos, por ejemplo, pero un motor lineal para la secuenciación de ADN del descubrimiento de fármacos. .

Duración del viaje

Aunque existen muchas excepciones, la longitud de carrera óptima para los motores lineales oscila entre un par de milímetros y varios metros. Más bajo que eso, una alternativa como una flexión podría ser más efectiva; arriba, las transmisiones por correa y luego los diseños de piñón y cremallera son probablemente mejores apuestas.

La longitud de carrera de los motores lineales está limitada no solo por el costo y la estabilidad del montaje, sino también por el problema de la gestión de cables. Para generar movimiento, el forzador debe estar energizado, lo que significa que los cables de alimentación deben viajar con él en toda su longitud. El cable de alta flexibilidad y las canalizaciones que lo acompañan son costosos, y el hecho de que el cableado sea el principal punto de falla en el control de movimiento en general complica aún más el problema.

Por supuesto, la naturaleza misma de los motores lineales puede brindar una solución inteligente a ese problema. Cuando tengamos esas preocupaciones, montaremos el forzador en la base estacionaria y moveremos la pista del imán. De esa forma, todos los cables llegan al forzador estacionario. Obtiene un poco menos de aceleración de un motor dado porque no está acelerando una bobina, está acelerando una pista magnética, que es más pesada. Si estuvieras haciendo esto por G altos, eso no sería bueno. Si realmente no tiene una aplicación de alto G, este podría ser un muy buen diseño.

Profeta cita los servomotores lineales de Aerotech con fuerzas máximas que oscilan entre 28 y 900 libras, pero nuevamente aquí, el diseño fundamental de los motores lineales se presta a soluciones únicas que ofrecen mucho más. Tenemos clientes que tomarán nuestros motores lineales más grandes, unirán seis de ellos y generarán casi 6000 libras de fuerza. Puede poner múltiples forzadores en múltiples pistas, unirlos mecánicamente y luego conmutarlos todos juntos para que actúen como un motor; o puede colocar varios forzadores en la misma pista magnética y montarlos en el carro que sostiene la carga y tratarlos como un solo motor.

Dado que vivimos en el mundo real y es imposible hacer coincidir exactamente la conmutación, hay una penalización de eficiencia de un pequeño porcentaje para pagar este enfoque, pero aún puede generar la mejor solución general para una aplicación determinada.

Cabeza a cabeza

Desde el punto de vista de la fuerza, ¿cómo se comparan los motores lineales con las combinaciones de motor rotativo/actuador lineal? Hay una compensación de fuerza significativa, comparamos un motor lineal sin ranura de ocho polos y 4 pulgadas de ancho con un producto atornillado de 4 pulgadas de ancho. Nuestro motor lineal de ocho polos tiene una fuerza máxima de 40 lbs (180 N) y una fuerza continua de 11 lbs (50 N). En este mismo perfil con un servomotor NEMA 23 y nuestro producto atornillado, la carga axial máxima es de 200 libras, por lo que si lo mira de esa manera, básicamente está viendo una reducción de 20 veces en la fuerza continua.

Los resultados reales variarán según el paso del tornillo, el diámetro del tornillo, las bobinas del motor y el diseño del motor, se apresura a señalar, y están limitados por los cojinetes axiales que soportan el tornillo. El motor lineal con núcleo de hierro de 13 pulgadas de ancho de la compañía puede generar 1600 libras de fuerza axial máxima en comparación con las 440 libras proporcionadas por un producto accionado por tornillo de 6 pulgadas de ancho, por ejemplo, pero la cantidad de espacio que se entrega es considerable.

Parafraseando un eslogan político, es la aplicación, estúpido. Si la densidad de fuerza es la principal preocupación, entonces un actuador es probablemente la mejor opción. Si la aplicación requiere capacidad de respuesta, por ejemplo, en una aplicación de alta precisión y alta aceleración como la inspección de LCD, vale la pena sacrificar espacio por fuerza para obtener el rendimiento necesario.

mantenerlo limpio

La contaminación es un problema importante para el control de movimiento en entornos de fabricación y los motores lineales no son una excepción. Un gran problema con el diseño de motor lineal estándar es la exposición a la contaminación, como partículas sólidas o humedad. Esto es cierto para los diseños de "cama plana" y es un problema menor para los diseños [de canal en U].

Es muy difícil sellar completamente la solución. No querrás estar en un ambiente con mucha humedad. Si va a poner un motor lineal en una aplicación de corte por chorro de agua, debe aplicarle presión positiva y asegurarse de que esté bien protegido porque los componentes electrónicos del motor lineal están ahí con la actuación.

En el caso de los diseños de canal en U, invertir la U puede minimizar la posibilidad de que entren partículas en el canal, pero eso crea problemas de gestión térmica que pueden comprometer el rendimiento como resultado de mover la masa del riel magnético en lugar de mover la masa del forzador. . Nuevamente, es una compensación y nuevamente, la aplicación impulsa el uso.

No es solo el entorno lo que puede afectar al motor lineal: el motor lineal puede crear problemas con el medio ambiente. A diferencia de los diseños rotatorios, los imanes grandes en unidades lineales pueden causar estragos en entornos magnéticamente sensibles, por ejemplo, en máquinas de imágenes por resonancia magnética (IRM). Incluso puede ser un problema en una aplicación más prosaica como el corte de metales. Obtiene estos imanes de alta fuerza que intentan atraer cada uno de estos chips de metal a la pista del imán, por lo que los motores lineales no funcionarán bien en ese tipo de aplicaciones sin la protección adecuada.

Acerca de las aplicaciones de la industria

Entonces, ¿dónde está el punto óptimo de la aplicación para los motores lineales? Metrología, para empezar, en áreas como la fabricación de semiconductores, LED y LCD. La impresión digital de carteles grandes también es un mercado en crecimiento, al igual que el sector biomédico e incluso la fabricación de piezas pequeñas, nuestros clientes disponen pares de motores lineales en configuraciones de pórtico para tareas de montaje. Usted quiere obtener el mayor rendimiento posible del producto, por lo que la alta aceleración y velocidad que puede obtener de estos motores es ventajosa. Una cosa que hemos estado haciendo últimamente es la fabricación de celdas de combustible; el corte de plantillas es otro.

Eso responde a la pregunta de dónde, pero ¿qué pasa con la pregunta de cuánto? La tecnología de motores lineales ha estado en desarrollo durante décadas, entonces, ¿dónde está en términos de aceptación en el mercado? No nos topamos mucho con ellos debido al costo, pero en ciertas aplicaciones tienen mucho sentido.

Lo atribuimos al ciclo de vida del consumidor. Tiene a los innovadores, los primeros en adoptar, la mayoría temprana, la mayoría tardía y los rezagados. Estamos en la etapa ahora que se está volviendo más común usar un motor lineal. Estamos pasando a esa etapa de mayoría temprana.

El precio de los motores lineales está bajando a medida que optimizamos el proceso de fabricación y los volúmenes aumentan, por lo que los estamos viendo en más y más aplicaciones, [Aerotech] también fabrica etapas con husillos de bolas. Diría que en este momento estamos vendiendo tantas etapas de motor lineal, si no más, como etapas de husillo de bolas. Los estamos introduciendo en más y más aplicaciones. Hace diez años, la mayoría de las aplicaciones eran de tipo laboratorio, en ambientes limpios. Los estamos poniendo en operaciones mucho más industriales ahora. Uno de los segmentos que cuido es el automotriz, y hemos estado poniendo motores lineales en muchas más aplicaciones automotrices.

Dependiendo de su configuración, casi puede obtener una solución de motor lineal por menos de lo que costaría una transmisión por correa. Tiene la ventaja de un motor lineal con transmisión directa, el tiempo de respuesta rápido y sin tasa de resorte como la que tiene la correa por un precio muy similar. La desventaja es que no tiene esa ventaja mecánica de la correa y la polea/caja de cambios para darle esa fuerza extra.

Pros y contras: eso realmente lo resume todo. Considere su aplicación cuidadosamente, comprenda sus requisitos, determine dónde reside su flexibilidad. Una vez que sepa cómo pensar en sus compensaciones, estará en condiciones de tomar una decisión informada sobre si un motor lineal o algún tipo de actuador lineal se adaptará mejor a sus necesidades.