Una mirada a los diferentes motores lineales disponibles y cómo seleccionar el tipo óptimo para su aplicación.
El siguiente artículo es una descripción general de los diferentes tipos de motores lineales disponibles, incluidos sus principios de funcionamiento, la historia del desarrollo de imanes permanentes, los métodos de diseño de motores lineales y los sectores industriales que utilizan cada tipo de motor lineal.
La tecnología de motores lineales puede ser: motores de inducción lineal (LIM) o motores síncronos lineales de imanes permanentes (PMLSM).PMLSM puede ser con núcleo de hierro o sin hierro.Todos los motores están disponibles en configuración plana o tubular.Hiwin ha estado a la vanguardia del diseño y la fabricación de motores lineales durante 20 años.
Ventajas de los motores lineales
Un motor lineal se utiliza para proporcionar movimiento lineal, es decir, mover una carga útil dada a una aceleración, velocidad, distancia de viaje y precisión dictadas.Todas las tecnologías de movimiento que no sean impulsadas por motores lineales son algún tipo de accionamiento mecánico para convertir el movimiento rotatorio en movimiento lineal.Dichos sistemas de movimiento son accionados por husillos de bolas, correas o cremallera y piñón.La vida útil de todos estos accionamientos depende en gran medida del desgaste de los componentes mecánicos utilizados para convertir el movimiento giratorio en movimiento lineal y es relativamente corta.
La principal ventaja de los motores lineales es proporcionar movimiento lineal sin ningún sistema mecánico porque el aire es el medio de transmisión, por lo tanto, los motores lineales son esencialmente impulsores sin fricción, lo que proporciona una vida útil teóricamente ilimitada.Debido a que no se utilizan piezas mecánicas para producir el movimiento lineal, son posibles aceleraciones y velocidades muy altas en las que otros accionamientos, como husillos de bolas, correas o cremallera y piñón, encontrarán serias limitaciones.
Motores de inducción lineal
Figura 1
El motor de inducción lineal (LIM) fue el primero inventado (patente de EE. UU. 782312 - Alfred Zehden en 1905).Consta de un “primario” compuesto por un apilamiento de laminaciones de acero eléctrico y una pluralidad de bobinas de cobre alimentadas por tensión trifásica y un “secundario” compuesto generalmente por una placa de acero y una placa de cobre o aluminio.
Cuando se activan las bobinas primarias, la secundaria se magnetiza y se forma un campo de corrientes parásitas en el conductor secundario.Este campo secundario luego interactuará con el EMF primario para generar fuerza.La dirección del movimiento seguirá la regla de la mano izquierda de Fleming, es decir;la dirección del movimiento será perpendicular a la dirección de la corriente y la dirección del campo/flujo.
Figura 2
Los motores de inducción lineal ofrecen la ventaja de un costo muy bajo porque el secundario no usa imanes permanentes.Los imanes permanentes NdFeB y SmCo son muy caros.Los motores de inducción lineal utilizan materiales muy comunes (acero, aluminio, cobre) para su secundario y eliminan este riesgo de suministro.
Sin embargo, la desventaja de usar motores de inducción lineales es la disponibilidad de unidades para dichos motores.Si bien es muy fácil encontrar unidades para motores lineales de imanes permanentes, es muy difícil encontrar unidades para motores de inducción lineales.
Fig. 3
Motores síncronos lineales de imanes permanentes
Los motores síncronos lineales de imanes permanentes (PMLSM) tienen esencialmente el mismo primario que los motores de inducción lineales (es decir, un conjunto de bobinas montadas en una pila de láminas de acero eléctrico y accionadas por un voltaje trifásico).El secundario difiere.
En lugar de una placa de aluminio o cobre montada sobre una placa de acero, el secundario está compuesto por imanes permanentes montados sobre una placa de acero.La dirección de magnetización de cada imán se alternará con respecto al anterior como se muestra en la Fig. 3.
La ventaja obvia de usar imanes permanentes es crear un campo permanente en el secundario.Hemos visto que la fuerza se genera en un motor de inducción por la interacción del campo primario y el campo secundario, que solo está disponible después de que se haya creado un campo de corrientes parásitas en el secundario a través del entrehierro del motor.Esto dará como resultado un retraso llamado "deslizamiento" y un movimiento del secundario que no está sincronizado con el voltaje primario suministrado al primario.
Por esta razón, los motores lineales de inducción se denominan “asíncronos”.En un motor lineal de imanes permanentes, el movimiento secundario siempre estará sincronizado con el voltaje primario porque el campo secundario siempre está disponible y sin demora.Por esta razón, los motores lineales permanentes se denominan “síncronos”.
Se pueden usar diferentes tipos de imanes permanentes en un PMLSM.Durante los últimos 120 años, la proporción de cada material ha cambiado.Actualmente, los PMLSM utilizan imanes de NdFeB o imanes de SmCo, pero la gran mayoría utiliza imanes de NdFeB.La Fig. 4 muestra la historia del desarrollo de imanes permanentes.
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La fuerza del imán se caracteriza por su producto energético en Megagauss-Oersteds, (MGOe).Hasta mediados de los años ochenta, solo estaban disponibles el acero, la ferrita y el alnico y ofrecían productos de muy bajo consumo energético.Los imanes SmCo se desarrollaron a principios de la década de 1960 en base al trabajo de Karl Strnat y Alden Ray y luego se comercializaron a fines de la década de 1960.
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El producto energético de los imanes SmCo fue inicialmente más del doble del producto energético de los imanes Alnico.En 1984, General Motors y Sumitomo desarrollaron de forma independiente los imanes NdFeB, un compuesto de neodinio, hierro y boro.En la Fig. 5 se muestra una comparación de los imanes SmCo y NdFeB.
Los imanes NdFeB desarrollan una fuerza mucho mayor que los imanes SmCo pero son mucho más sensibles a las altas temperaturas.Los imanes SmCo también son mucho más resistentes a la corrosión y las bajas temperaturas, pero son más caros.Cuando la temperatura de funcionamiento alcanza la temperatura máxima del imán, el imán comienza a desmagnetizarse y esta desmagnetización es irreversible.La pérdida de magnetización del imán hará que el motor pierda fuerza y no pueda cumplir con las especificaciones.Si el imán funciona por debajo de la temperatura máxima el 100 % del tiempo, su fuerza se conservará casi indefinidamente.
Debido al costo más alto de los imanes de SmCo, los imanes de NdFeB son la elección correcta para la mayoría de los motores, particularmente dada la mayor fuerza disponible.Sin embargo, para algunas aplicaciones en las que la temperatura de funcionamiento puede ser muy alta, es preferible utilizar imanes SmCo para mantenerse alejado de la temperatura máxima de funcionamiento.
Diseño de motores lineales
Un motor lineal generalmente se diseña a través de una simulación electromagnética de elementos finitos.Se creará un modelo 3D para representar la pila de laminación, las bobinas, los imanes y la placa de acero que sostiene los imanes.El aire se modelará alrededor del motor, así como en el espacio de aire.Luego se ingresarán las propiedades de los materiales para todos los componentes: imanes, acero eléctrico, acero, bobinas y aire.Luego se creará una malla utilizando elementos H o P y se resolverá el modelo.Luego, la corriente se aplica a cada bobina en el modelo.
La Fig. 6 muestra el resultado de una simulación donde se muestra el flujo en tesla.El principal valor de salida de interés para la simulación es, por supuesto, la fuerza del motor y estará disponible.Debido a que las vueltas finales de las bobinas no producen ninguna fuerza, también es posible ejecutar una simulación 2D mediante el uso de un modelo 2D (DXF u otro formato) del motor, incluidas las láminas, los imanes y la placa de acero que soporta los imanes.El resultado de una simulación 2D de este tipo será muy parecido al de la simulación 3D y lo suficientemente preciso como para evaluar la fuerza del motor.
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Un motor de inducción lineal se modelará de la misma manera, ya sea a través de un modelo 3D o 2D, pero la resolución será más complicada que para un PMLSM.Esto se debe a que el flujo magnético del PMLSM secundario se modelará instantáneamente después de ingresar las propiedades de los imanes, por lo tanto, solo se requerirá una solución para obtener todos los valores de salida, incluida la fuerza del motor.
Sin embargo, el flujo secundario del motor de inducción requerirá un análisis transitorio (es decir, varias soluciones en un intervalo de tiempo dado) para que se pueda construir el flujo magnético del secundario LIM y solo entonces se pueda obtener la fuerza.El software utilizado para la simulación de elementos finitos electromagnéticos deberá tener la capacidad de ejecutar un análisis transitorio.
Etapa de motor lineal
figura 7
Hiwin Corporation suministra motores lineales a nivel de componentes.En este caso, solo se entregará el motor lineal y los módulos secundarios.Para un motor PMLSM, los módulos secundarios consistirán en placas de acero de diferentes longitudes sobre las cuales se ensamblarán imanes permanentes.Hiwin Corporation también suministra etapas completas como se muestra en la Fig. 7.
Dicha etapa incluye un marco, cojinetes lineales, el motor primario, los imanes secundarios, un carro para que el cliente acople su carga útil, el codificador y una pista de cable.Una etapa de motor lineal estará lista para arrancar en el momento de la entrega y facilitará la vida porque el cliente no necesitará diseñar y fabricar una etapa, lo que requiere conocimientos expertos.
Vida útil de la etapa del motor lineal
La vida útil de una etapa de motor lineal es considerablemente más larga que una etapa accionada por correa, husillo de bolas o cremallera y piñón.Los componentes mecánicos de las etapas accionadas indirectamente suelen ser los primeros componentes en fallar debido a la fricción y el desgaste al que están continuamente expuestos.Una etapa de motor lineal es un accionamiento directo sin contacto mecánico ni desgaste porque el medio de transmisión es el aire.Por lo tanto, los únicos componentes que pueden fallar en una etapa de motor lineal son los rodamientos lineales o el propio motor.
Los rodamientos lineales suelen tener una vida útil muy larga porque la carga radial es muy baja.La vida útil del motor dependerá de la temperatura media de funcionamiento.La figura 8 muestra la vida útil del aislamiento del motor en función de la temperatura.La regla es que la vida útil se reducirá a la mitad por cada 10 grados centígrados que la temperatura de funcionamiento esté por encima de la temperatura nominal.Por ejemplo, un motor Clase de aislamiento F funcionará 325.000 horas a una temperatura media de 120 °C.
Por lo tanto, se prevé que una etapa de motor lineal tendrá una vida útil de más de 50 años si el motor se selecciona de manera conservadora, una vida útil que nunca se puede lograr con etapas accionadas por correa, husillo de bolas o cremallera y piñón.
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Aplicaciones para motores lineales
Los motores de inducción lineal (LIM) se utilizan principalmente en aplicaciones con recorridos largos y donde se requiere una fuerza muy alta combinada con velocidades muy altas.La razón para seleccionar un motor de inducción lineal es que el costo del secundario será considerablemente más bajo que si se usa un PMLSM y, a muy alta velocidad, la eficiencia del motor de inducción lineal es muy alta, por lo que se perderá poca potencia.
Por ejemplo, EMALS (Sistemas de lanzamiento electromagnético), utilizados en portaaviones para lanzar aviones, utilizan motores de inducción lineal.El primer sistema de motor lineal de este tipo se instaló en el portaaviones USS Gerald R. Ford.El motor puede acelerar un avión de 45 000 kg a 240 km/h en una pista de 91 metros.
Otro ejemplo de paseos en parques de diversiones.Los motores de inducción lineal instalados en algunos de estos sistemas pueden acelerar cargas útiles muy altas de 0 a 100 km/h en 3 segundos.Las etapas de motor de inducción lineal también se pueden usar en RTU (Unidades de transporte de robots).La mayoría de las RTU utilizan unidades de piñón y cremallera, pero un motor de inducción lineal puede ofrecer un mayor rendimiento, un menor costo y una vida útil mucho más prolongada.
Motores síncronos de imanes permanentes
Por lo general, los PMLSM se utilizarán en aplicaciones con carreras mucho más pequeñas, velocidades más bajas pero una precisión alta a muy alta y ciclos de trabajo intensivos.La mayoría de estas aplicaciones se encuentran en las industrias de AOI (inspección óptica automatizada), semiconductores y máquinas láser.
La selección de etapas impulsadas por motores lineales (accionamiento directo) ofrece beneficios de rendimiento significativos sobre los accionamientos indirectos (etapas donde el movimiento lineal se obtiene al convertir el movimiento rotatorio), para diseños de larga duración y son adecuados para muchas industrias.
Hora de publicación: 06-feb-2023