Unha ollada aos diferentes motores lineais dispoñibles e como seleccionar o tipo óptimo para a súa aplicación.
O seguinte artigo é unha visión xeral dos diferentes tipos de motores lineais dispoñibles, incluíndo os seus principios de funcionamento, a historia do desenvolvemento dos imáns permanentes, os métodos de deseño de motores lineais e os sectores industriais que utilizan cada tipo de motor lineal.
A tecnoloxía do motor lineal pode ser: motores lineais de indución (LIM) ou motores síncronos lineais de imán permanente (PMLSM).PMLSM pode ser núcleo de ferro ou sen ferro.Todos os motores están dispoñibles en configuración plana ou tubular.Hiwin estivo á vangarda no deseño e fabricación de motores lineais durante 20 anos.
Vantaxes dos motores lineais
Un motor lineal úsase para proporcionar movemento lineal, é dicir, movendo unha carga útil determinada cunha aceleración, velocidade, distancia de viaxe e precisión ditadas.Todas as tecnoloxías de movemento que non sexan impulsadas por motor lineal son algún tipo de accionamento mecánico para converter o movemento rotatorio en movemento lineal.Estes sistemas de movemento son accionados por parafusos de esfera, correas ou cremalleira.A vida útil de todas estas unidades depende moito do desgaste dos compoñentes mecánicos utilizados para converter o movemento rotatorio en movemento lineal e é relativamente curta.
A principal vantaxe dos motores lineais é proporcionar movemento lineal sen ningún sistema mecánico porque o aire é o medio de transmisión, polo que os motores lineais son esencialmente accionamentos sen fricción, proporcionando teoricamente unha vida útil ilimitada.Debido a que non se usan pezas mecánicas para producir movemento lineal, as aceleracións moi altas son posibles velocidades onde outras unidades como parafusos de esferas, correas ou piñóns e cremalleras atoparán serias limitacións.
Motores de indución lineais
Figura 1
O motor de indución lineal (LIM) foi o primeiro inventado (patente estadounidense 782312 – Alfred Zehden en 1905).Consta dun "primario" composto por unha pila de laminacións de aceiro eléctrico e unha pluralidade de bobinas de cobre subministradas por unha tensión trifásica e un "secundario" composto xeralmente por unha placa de aceiro e unha placa de cobre ou aluminio.
Cando se energizan as bobinas primarias, o secundario queda magnetizado e fórmase un campo de correntes de Foucault no condutor secundario.Este campo secundario interactuará entón co EMF traseiro primario para xerar forza.A dirección do movemento seguirá a regra da man esquerda de Fleming, é dicir;a dirección do movemento será perpendicular á dirección da corrente e á dirección do campo/fluxo.
Figura 2
Os motores de indución lineais ofrecen a vantaxe dun custo moi baixo porque o secundario non utiliza ningún imán permanente.Os imáns permanentes NdFeB e SmCo son moi caros.Os motores lineais de indución empregan materiais moi comúns, (aceiro, aluminio, cobre), para o seu secundario e eliminan este risco de subministración.
Non obstante, a desvantaxe do uso de motores de indución lineais é a dispoñibilidade de unidades para tales motores.Aínda que é moi sinxelo atopar unidades para motores lineais de imáns permanentes, é moi difícil atopar unidades para motores lineais de indución.
Fig 3
Motores síncronos lineais de imán permanente
Os motores síncronos lineais de imán permanente (PMLSM) teñen esencialmente o mesmo primario que os motores de indución lineal (é dicir, un conxunto de bobinas montadas nunha pila de laminacións de aceiro eléctrico e accionadas por unha tensión trifásica).O secundario difire.
En lugar dunha placa de aluminio ou cobre montada sobre unha placa de aceiro, o secundario está composto por imáns permanentes montados sobre unha placa de aceiro.A dirección de magnetización de cada imán alternarase con respecto ao anterior, como se mostra na figura 3.
A vantaxe obvia de usar imáns permanentes é crear un campo permanente no secundario.Vimos que a forza se xera nun motor de indución pola interacción do campo primario e do campo secundario, que só está dispoñible despois de que se crease un campo de correntes de Foucault no secundario a través do espazo de aire do motor.Isto producirá un atraso chamado "deslizamento" e un movemento do secundario non sincronizado coa tensión primaria subministrada ao primario.
Por este motivo, os motores lineais de indución chámanse "asíncronos".Nun motor lineal de imán permanente, o movemento secundario sempre estará sincronizado coa tensión primaria porque o campo secundario sempre está dispoñible e sen ningún atraso.Por este motivo, os motores lineais permanentes chámanse "síncronos".
Nun PMLSM pódense usar diferentes tipos de imáns permanentes.Durante os últimos 120 anos, a proporción de cada material cambiou.A día de hoxe, os PMLSM están a usar imáns de NdFeB ou imáns SmCo, pero a gran maioría están a usar imáns de NdFeB.A figura 4 mostra a historia do desenvolvemento do imán permanente.
Figura 4
A forza do imán caracterízase polo seu produto enerxético en Megagauss-Oersteds, (MGOe).Ata mediados dos anos oitenta só estaban dispoñibles Steel, Ferrite e Alnico e entregaban produtos de moi baixa enerxía.Os imáns SmCo foron desenvolvidos a principios da década de 1960 en base ao traballo de Karl Strnat e Alden Ray e posteriormente comercializados a finais dos anos sesenta.
Figura 5
O produto enerxético dos imáns SmCo foi inicialmente máis do dobre do produto enerxético dos imáns de Alnico.En 1984 General Motors e Sumitomo desenvolveron independentemente imáns de NdFeB, un composto de neodinio, ferro e boro.Na figura 5 móstrase unha comparación dos imáns SmCo e NdFeB.
Os imáns de NdFeB desenvolven unha forza moito maior que os imáns SmCo pero son moito máis sensibles ás altas temperaturas.Os imáns SmCo tamén son moito máis resistentes á corrosión e ás baixas temperaturas, pero son máis caros.Cando a temperatura de funcionamento alcanza a temperatura máxima do imán, o imán comeza a desmagnetizarse, e esta desmagnetización é irreversible.O imán que perde magnetización fará que o motor perda forza e non poida cumprir as especificacións.Se o imán funciona por debaixo da temperatura máxima o 100% do tempo, a súa forza conservarase case indefinidamente.
Debido ao maior custo dos imáns SmCo, os imáns NdFeB son a opción correcta para a maioría dos motores, especialmente dada a maior forza dispoñible.Non obstante, para algunhas aplicacións onde a temperatura de funcionamento pode ser moi alta, é preferible utilizar imáns SmCo para manterse lonxe da temperatura máxima de funcionamento.
Deseño de motores lineais
Un motor lineal xeralmente deséñase mediante simulación electromagnética de elementos finitos.Crearase un modelo 3D para representar a pila de laminación, as bobinas, os imáns e a placa de aceiro que soporta os imáns.O aire modelarase ao redor do motor así como no entrehierro.Despois introduciranse as propiedades dos materiais para todos os compoñentes: imáns, aceiro eléctrico, aceiro, bobinas e aire.Despois crearase unha malla utilizando elementos H ou P e resolverase o modelo.Despois aplícase a corrente a cada bobina do modelo.
A figura 6 mostra a saída dunha simulación onde se mostra o fluxo en tesla.O principal valor de saída de interese para a simulación é, por suposto, a forza do motor e estará dispoñible.Dado que as voltas finais das bobinas non producen ningunha forza, tamén é posible realizar unha simulación 2D utilizando un modelo 2D (DXF ou outro formato) do motor, incluíndo laminacións, imáns e placas de aceiro que soportan os imáns.A saída desta simulación 2D será moi próxima á simulación 3D e o suficientemente precisa como para avaliar a forza do motor.
Figura 6
Un motor de indución lineal modelarase do mesmo xeito, xa sexa mediante un modelo 3D ou 2D, pero a resolución será máis complicada que para un PMLSM.Isto débese a que o fluxo magnético do secundario PMLSM modelarase instantaneamente despois de ingresar as propiedades dos imáns, polo que só será necesaria unha solución para obter todos os valores de saída incluída a forza do motor.
Non obstante, o fluxo secundario do motor de indución requirirá unha análise transitoria (é dicir, varias solucións nun intervalo de tempo determinado) para que se poida construír o fluxo magnético do secundario LIM e só así se poida obter a forza.O software utilizado para a simulación de elementos finitos electromagnéticos terá que ter a capacidade de realizar unha análise transitoria.
Etapa do motor lineal
Figura 7
Hiwin Corporation ofrece motores lineais a nivel de compoñentes.Neste caso, só se entregará o motor lineal e os módulos secundarios.Para un motor PMLSM, os módulos secundarios consistirán en placas de aceiro de diferentes lonxitudes sobre as cales se montarán imáns permanentes.Hiwin Corporation tamén ofrece etapas completas como se mostra na figura 7.
Tal etapa inclúe un cadro, rodamentos lineais, o motor primario, os imáns secundarios, un carro para que o cliente poida conectar a súa carga útil, o codificador e unha pista de cable.Unha etapa de motor lineal estará lista para comezar na entrega e facilitará a vida porque o cliente non terá que deseñar e fabricar unha etapa, o que require coñecementos expertos.
Vida útil da etapa do motor lineal
A vida útil dunha etapa de motor lineal é considerablemente máis longa que unha etapa accionada por correa, parafuso de bolas ou cremallera.Os compoñentes mecánicos das etapas accionadas indirectamente son normalmente os primeiros compoñentes que fallan debido á fricción e ao desgaste aos que están continuamente expostos.Unha etapa de motor lineal é unha transmisión directa sen contacto mecánico nin desgaste porque o medio de transmisión é o aire.Polo tanto, os únicos compoñentes que poden fallar nunha etapa do motor lineal son os rodamentos lineais ou o propio motor.
Os rodamentos lineais adoitan ter unha vida útil moi longa porque a carga radial é moi baixa.A vida útil do motor dependerá da temperatura media de funcionamento.A figura 8 mostra a vida útil do illamento do motor en función da temperatura.A regra é que a vida útil reducirase á metade por cada 10 graos centígrados que a temperatura de funcionamento sexa superior á temperatura nominal.Por exemplo, un motor de clase de illamento F funcionará 325.000 horas a unha temperatura media de 120 °C.
Polo tanto, prevese que unha etapa de motor lineal terá unha vida útil de máis de 50 anos se o motor se selecciona de forma conservadora, unha vida útil que nunca se pode acadar por correa, parafuso de bolas ou etapas accionadas por cremallera e piñón.
Figura 8
Aplicacións para motores lineais
Os motores de indución lineal (LIM) utilízanse principalmente en aplicacións con longo percorrido e onde se require unha forza moi elevada combinada con velocidades moi altas.O motivo para seleccionar un motor de indución lineal é porque o custo do secundario será considerablemente menor que se se usa un PMLSM e a velocidade moi alta a eficiencia do motor de indución lineal é moi alta, polo que se perderá pouca potencia.
Por exemplo, os EMALS (Electromagnetic Launch Systems), que se usan nos portaavións para lanzar avións, utilizan motores de indución lineal.O primeiro sistema de motor lineal deste tipo instalouse no portaavións USS Gerald R. Ford.O motor pode acelerar un avión de 45.000 kg a 240 km/h nunha pista de 91 metros.
Outro exemplo de paseos en parques de atraccións.Os motores de indución lineais instalados nalgúns destes sistemas poden acelerar cargas útiles moi elevadas de 0 a 100 km/h en 3 segundos.As etapas de motor de indución lineal tamén se poden usar en RTU (Unidades de transporte de robots).A maioría das RTU están a usar unidades de piñón e cremalleira, pero un motor de indución lineal pode ofrecer un maior rendemento, un menor custo e unha vida útil moito máis longa.
Motores síncronos de imán permanente
Os PMLSM adoitan usarse en aplicacións con carreiras moito máis pequenas, velocidades máis baixas pero de alta a moi alta precisión e ciclos de traballo intensivos.A maioría destas aplicacións atópanse nas industrias AOI (Inspección óptica automatizada), semicondutores e máquinas láser.
A selección de etapas accionadas por motores lineais, (accionamento directo), ofrece importantes vantaxes de rendemento fronte ás unidades indirectas (etapas nas que se obtén o movemento lineal mediante a conversión do movemento rotatorio), para deseños de longa duración e son axeitados para moitas industrias.
Hora de publicación: 06-feb-2023