Una ullada als diferents motors lineals disponibles i com seleccionar el tipus òptim per a la vostra aplicació.
El següent article és una visió general dels diferents tipus de motors lineals disponibles, incloent els seus principis de funcionament, la història del desenvolupament dels imants permanents, els mètodes de disseny de motors lineals i els sectors industrials que utilitzen cada tipus de motor lineal.
La tecnologia del motor lineal pot ser: Motors lineals d'inducció (LIM) o motors síncrons lineals d'imant permanent (PMLSM).PMLSM pot ser nucli de ferro o sense ferro.Tots els motors estan disponibles en configuració plana o tubular.Hiwin ha estat al capdavant del disseny i la fabricació de motors lineals durant 20 anys.
Avantatges dels motors lineals
Un motor lineal s'utilitza per proporcionar moviment lineal, és a dir, moure una càrrega útil determinada amb una acceleració, velocitat, distància de viatge i precisió dictades.Totes les tecnologies de moviment que no siguin motors lineals són una mena d'accionament mecànic per convertir el moviment rotatiu en moviment lineal.Aquests sistemes de moviment s'accionen mitjançant cargols de boles, corretges o cremallera i pinyó.La vida útil de tots aquests accionaments depèn molt del desgast dels components mecànics utilitzats per convertir el moviment rotatiu en moviment lineal i és relativament curta.
El principal avantatge dels motors lineals és proporcionar moviment lineal sense cap sistema mecànic perquè l'aire és el mitjà de transmissió, per tant, els motors lineals són essencialment accionaments sense fricció, proporcionant teòricament una vida útil il·limitada.Com que no s'utilitzen peces mecàniques per produir moviment lineal, les acceleracions molt altes són possibles velocitats on altres accionaments, com ara cargols de boles, corretges o cremallera i pinyó trobaran serioses limitacions.
Motors lineals d'inducció
Fig 1
El motor d'inducció lineal (LIM) va ser el primer inventat (patent dels EUA 782312 - Alfred Zehden el 1905).Consisteix en un "primari" compost per una pila de laminats d'acer elèctric i una pluralitat de bobines de coure subministrades per una tensió trifàsica i una "secundària" composta generalment per una placa d'acer i una placa de coure o alumini.
Quan les bobines primàries s'engeguen, el secundari es magnetitza i es forma un camp de corrents de Foucault al conductor secundari.Aquest camp secundari interactuarà amb l'EMF posterior primari per generar força.La direcció del moviment seguirà la regla de la mà esquerra de Fleming, és a dir;la direcció del moviment serà perpendicular a la direcció del corrent i la direcció del camp/flux.
Fig 2
Els motors d'inducció lineals ofereixen l'avantatge d'un cost molt baix perquè el secundari no utilitza cap imant permanent.Els imants permanents NdFeB i SmCo són molt cars.Els motors lineals d'inducció utilitzen materials molt comuns, (acer, alumini, coure), per al seu secundari i eliminen aquest risc de subministrament.
Tanmateix, l'inconvenient d'utilitzar motors d'inducció lineals és la disponibilitat d'accionaments per a aquests motors.Tot i que és molt fàcil trobar accionaments per a motors lineals d'imants permanents, és molt difícil trobar accionaments per a motors lineals d'inducció.
Fig 3
Motors síncrons lineals d'imant permanent
Els motors síncrons lineals d'imant permanent (PMLSM) tenen essencialment el mateix primari que els motors d'inducció lineal (és a dir, un conjunt de bobines muntades en una pila de laminats d'acer elèctric i impulsades per una tensió trifàsica).El secundari és diferent.
En lloc d'una placa d'alumini o coure muntada sobre una placa d'acer, el secundari està compost per imants permanents muntats sobre una placa d'acer.La direcció de magnetització de cada imant s'alternarà respecte a l'anterior, tal com es mostra a la figura 3.
L'avantatge evident d'utilitzar imants permanents és crear un camp permanent al secundari.Hem vist que la força es genera en un motor d'inducció per la interacció del camp primari i el camp secundari, que només està disponible després que s'ha creat un camp de corrents de Foucault al secundari a través de l'entrefer del motor.Això provocarà un retard anomenat "lliscament" i un moviment del secundari no sincronitzat amb la tensió primària subministrada al primari.
Per aquest motiu, els motors lineals d'inducció s'anomenen "asíncrons".En un motor lineal d'imant permanent, el moviment secundari sempre estarà sincronitzat amb la tensió primària perquè el camp secundari sempre està disponible i sense cap retard.Per aquest motiu, els motors lineals permanents s'anomenen "síncrons".
En un PMLSM es poden utilitzar diferents tipus d'imants permanents.Durant els últims 120 anys, la proporció de cada material ha canviat.A partir d'avui, els PMLSM utilitzen imants NdFeB o imants SmCo, però la gran majoria fan servir imants NdFeB.La figura 4 mostra la història del desenvolupament d'imants permanents.
Fig 4
La força de l'imant es caracteritza pel seu producte energètic a Megagauss-Oersteds (MGOe).Fins a mitjans dels anys vuitanta només estaven disponibles Steel, Ferrite i Alnico i oferien productes de molt baix consum energètic.Els imants SmCo es van desenvolupar a principis de la dècada de 1960 a partir del treball de Karl Strnat i Alden Ray i posteriorment es van comercialitzar a finals dels seixanta.
Fig 5
El producte energètic dels imants SmCo era inicialment més del doble del producte energètic dels imants d'Alnico.El 1984 General Motors i Sumitomo van desenvolupar de manera independent imants NdFeB, un compost de neodini, ferro i bor.A la figura 5 es mostra una comparació dels imants SmCo i NdFeB.
Els imants NdFeB desenvolupen una força molt més gran que els imants SmCo, però són molt més sensibles a les altes temperatures.Els imants SmCo també són molt més resistents a la corrosió i a les baixes temperatures, però són més cars.Quan la temperatura de funcionament arriba a la temperatura màxima de l'imant, l'imant comença a desmagnetitzar-se, i aquesta desmagnetització és irreversible.L'imant que perd la magnetització farà que el motor perdi força i no pugui complir les especificacions.Si l'imant funciona per sota de la temperatura màxima el 100% del temps, la seva força es conservarà gairebé indefinidament.
A causa del cost més elevat dels imants SmCo, els imants NdFeB són l'opció correcta per a la majoria de motors, sobretot tenint en compte la força més gran disponible.Tanmateix, per a algunes aplicacions on la temperatura de funcionament pot ser molt alta, és preferible utilitzar imants SmCo per mantenir-se allunyat de la temperatura màxima de funcionament.
Disseny de motors lineals
Un motor lineal es dissenya generalment mitjançant simulació electromagnètica d'elements finits.Es crearà un model 3D per representar la pila de laminació, les bobines, els imants i la placa d'acer que suporta els imants.L'aire es modelarà al voltant del motor així com a l'entrefer.A continuació, s'introduiran les propietats dels materials per a tots els components: imants, acer elèctric, acer, bobines i aire.Aleshores es crearà una malla utilitzant elements H o P i el model es resoldrà.A continuació, el corrent s'aplica a cada bobina del model.
La figura 6 mostra la sortida d'una simulació on es mostra el flux en tesla.El valor de sortida principal d'interès per a la simulació és, per descomptat, la força del motor i estarà disponible.Com que les voltes finals de les bobines no produeixen cap força, també és possible executar una simulació 2D utilitzant un model 2D (DXF o un altre format) del motor que inclou laminacions, imants i plaques d'acer que suporten els imants.La sortida d'aquesta simulació 2D serà molt propera a la simulació 3D i prou precisa per avaluar la força del motor.
Fig 6
Un motor d'inducció lineal es modelarà de la mateixa manera, ja sigui mitjançant un model 3D o 2D, però la resolució serà més complicada que per a un PMLSM.Això es deu al fet que el flux magnètic del secundari PMLSM es modelarà a l'instant després d'introduir les propietats dels imants, per tant, només caldrà una solució per obtenir tots els valors de sortida, inclosa la força del motor.
Tanmateix, el flux secundari del motor d'inducció requerirà una anàlisi transitòria (és a dir, diverses solucions en un interval de temps determinat) de manera que es pugui construir el flux magnètic del secundari LIM i només llavors es pugui obtenir la força.El programari utilitzat per a la simulació d'elements finits electromagnètics haurà de tenir la capacitat d'executar una anàlisi transitòria.
Etapa de motor lineal
Fig 7
Hiwin Corporation subministra motors lineals a nivell de components.En aquest cas, només es lliurarà el motor lineal i els mòduls secundaris.Per a un motor PMLSM, els mòduls secundaris estaran formats per plaques d'acer de diferents longituds sobre les quals es muntaran imants permanents.Hiwin Corporation també subministra etapes completes tal com es mostra a la figura 7.
Aquesta etapa inclou un bastidor, coixinets lineals, el motor primari, els imants secundaris, un carro perquè el client connecti la seva càrrega útil, el codificador i una pista de cable.Una etapa de motor lineal estarà a punt per arrencar en el moment del lliurament i facilitarà la vida perquè el client no necessitarà dissenyar i fabricar una etapa, que requereix un coneixement expert.
Vida útil de l'etapa del motor lineal
La vida útil d'una etapa de motor lineal és considerablement més llarga que una etapa impulsada per corretja, cargol de boles o cremallera i pinyó.Els components mecànics de les etapes accionades indirectament solen ser els primers components que fallen a causa de la fricció i el desgast als quals estan exposats contínuament.Una etapa de motor lineal és un accionament directe sense contacte mecànic ni desgast perquè el mitjà de transmissió és l'aire.Per tant, els únics components que poden fallar en una etapa de motor lineal són els coixinets lineals o el propi motor.
Els coixinets lineals solen tenir una vida útil molt llarga perquè la càrrega radial és molt baixa.La vida útil del motor dependrà de la temperatura mitjana de funcionament.La figura 8 mostra la vida útil de l'aïllament del motor en funció de la temperatura.La regla és que la vida útil es reduirà a la meitat per cada 10 graus centígrads que la temperatura de funcionament sigui superior a la temperatura nominal.Per exemple, un motor de classe d'aïllament F funcionarà 325.000 hores a una temperatura mitjana de 120 °C.
Per tant, es preveu que una etapa de motor lineal tindrà una vida útil de més de 50 anys si el motor es selecciona de manera conservadora, una vida útil que mai no es pot aconseguir amb les etapes accionades per corretja, cargol de boles o cremallera.
Fig 8
Aplicacions per a motors lineals
Els motors d'inducció lineals (LIM) s'utilitzen principalment en aplicacions amb llargs recorreguts i on es requereix força molt alta combinada amb velocitats molt elevades.El motiu de la selecció d'un motor d'inducció lineal és perquè el cost del secundari serà considerablement més baix que si s'utilitza un PMLSM i a una velocitat molt alta l'eficiència del motor d'inducció lineal és molt alta, de manera que es perdrà poca potència.
Per exemple, els EMALS (Electromagnetic Launch Systems), utilitzats en portaavions per llançar avions, utilitzen motors d'inducció lineals.El primer sistema de motor lineal d'aquest tipus es va instal·lar al portaavions USS Gerald R. Ford.El motor pot accelerar un avió de 45.000 kg a 240 km/h en una pista de 91 metres.
Un altre exemple d'atraccions al parc d'atraccions.Els motors lineals d'inducció instal·lats en alguns d'aquests sistemes poden accelerar càrregues útils molt elevades de 0 a 100 km/h en 3 segons.Les etapes de motor d'inducció lineal també es poden utilitzar en RTU (Unitats de transport de robot).La majoria de les RTU utilitzen accionaments de cremallera i pinyó, però un motor d'inducció lineal pot oferir un rendiment més alt, un cost més baix i una vida útil molt més llarga.
Motors síncrons d'imant permanent
Els PMLSM s'utilitzaran normalment en aplicacions amb traços molt més petits, velocitats més baixes però precisió alta o molt alta i cicles de treball intensius.La majoria d'aquestes aplicacions es troben a les indústries AOI (Inspecció òptica automatitzada), semiconductors i màquines làser.
La selecció d'etapes accionades per motor lineal, (accionament directe), ofereix avantatges de rendiment significatius respecte a accionaments indirectes, (etapes on s'obté moviment lineal mitjançant la conversió del moviment rotatiu), per a dissenys de llarga durada i són adequades per a moltes indústries.
Hora de publicació: 06-feb-2023