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Vantaggi e svantaggi dei motori lineari per applicazioni dinamiche

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Ampiamente adottato in una gamma di applicazioni di imballaggio e di assemblaggio.

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I motori lineari possono raggiungere alti tassi di accelerazione e lunghe corse con buone forze di spinta e precisioni di posizionamento estremamente elevate, mentre altri meccanismi di azionamento, come cinghie, viti o pignoni e cremagliere, devono sacrificare almeno uno di questi requisiti per raggiungere gli altri. Ecco perché i motori lineari sono la scelta preferita per applicazioni altamente dinamiche come la metrologia e la produzione di semiconduttori.

In effetti, sulla base delle loro specifiche di prestazione, i motori lineari sembrano essere la soluzione perfetta per affrontare i requisiti concorrenti che spesso si trovano nelle applicazioni di movimento lineare. Ma questo porta alla domanda: "Perché i motori lineari non sono più adottati?

Per capire perché il tasso di adozione dei motori lineari è ancora in ritardo rispetto ad altre tecnologie di azionamento, come le cinghie, le viti o gli azionamenti a pignone e cremagliera, esaminiamo alcuni dei vantaggi e degli svantaggi dei design dei motori lineari.

Generazione e dissipazione del calore

Quando si dimensiona e si seleziona un motore - sia rotativo che lineare - una delle considerazioni principali è il calore. Infatti, le curve della coppia (o della forza) rispetto alla velocità, che descrivono le gamme operative continue e intermittenti per una data combinazione motore-azionamento, si basano sulla capacità del motore di dissipare il calore in determinate condizioni operative.

La generazione di calore può essere ancora più problematica per i motori lineari rispetto ai motori rotativi, poiché il carico è montato sulla forcella, che contiene gli avvolgimenti del motore. (In alcuni progetti di motori lineari, il carico può essere montato sulla traccia del magnete, anche se questo può essere fattibile solo per corse brevi) E nei motori lineari senza ferro, gli avvolgimenti sono incapsulati in resina epossidica, che non dissipa il calore così facilmente come i metalli come il ferro o l'alluminio.

Questo significa che il calore viene facilmente trasferito al carico e ai componenti circostanti, causando espansione termica, degrado o, in casi estremi, danni o guasti. Anche se il carico non è influenzato, l'accumulo di calore può ridurre la forza di uscita continua del motore. Per combattere questo, alcune applicazioni richiedono un raffreddamento forzato ad aria o a liquido, che aumenta il costo, l'ingombro e la complessità.

Protezione dalla contaminazione

A causa del loro design aperto e dei magneti esposti, i motori lineari piatti con nucleo in ferro e i design senza ferro a U possono essere difficili da proteggere dalla contaminazione. Mentre le guide lineari di supporto possono essere protette con varie guarnizioni e raschiatori disponibili sul mercato, i magneti esposti di un motore lineare possono attirare particelle ferrose dalle operazioni di lavorazione o semplicemente dalla contaminazione dell'aria che si trova spesso negli ambienti di produzione e di fabbrica. E la contaminazione dei liquidi può danneggiare l'elettronica sensibile o interferire con i sistemi di feedback.

Naturalmente, le coperture e le strutture esterne possono essere progettate per proteggere dalla contaminazione, ma possono rendere più difficile per il motore dissipare il calore, esacerbando i problemi legati al calore descritti sopra.

Compensare le vibrazioni e le oscillazioni

Uno dei punti chiave di vendita di una soluzione con motore lineare è che elimina la necessità di componenti di trasmissione meccanica della potenza - come viti, cinghie, riduttori e giunti - tra il motore e il carico. Questo significa che i motori lineari non soffrono degli effetti del gioco, del windup e della cedevolezza, che è un fattore importante nella loro capacità di raggiungere precisioni di posizionamento molto elevate e di eseguire movimenti altamente dinamici, con tassi di accelerazione e decelerazione rapidi.

Ma i componenti di trasmissione meccanica possono essere utili in un sistema di movimento fornendo un meccanismo di smorzamento delle oscillazioni e attenuando i disturbi, come le reazioni delle forze di lavorazione o le vibrazioni indotte dal movimento del carico. E senza questo effetto di smorzamento "incorporato", le oscillazioni e le vibrazioni possono impedire ai motori lineari di raggiungere la precisione di posizionamento o il tempo di assestamento desiderato.

Per garantire che il sistema possa reagire e correggere gli effetti di queste vibrazioni e oscillazioni non smorzate, i sistemi di motori lineari spesso richiedono anelli di controllo di velocità, posizione e corrente (forza) a frequenza più elevata e una maggiore larghezza di banda dell'anello di corrente. Il sistema di feedback di posizione - tipicamente un encoder lineare ottico o magnetico - deve anche avere una risoluzione più alta in modo che il controllore possa seguire più accuratamente la posizione del motore e del carico. Anche il telaio della macchina o la struttura di supporto devono essere abbastanza rigidi (con un'alta frequenza naturale) per rimanere relativamente insensibili agli urti e alle vibrazioni e sopportare le forze generate dal motore lineare.

In altre parole, poiché ci sono meno componenti che aiutano a compensare le vibrazioni e i disturbi, gli anelli di feedback e di controllo devono essere in grado di comunicare più velocemente e più accuratamente affinché il sistema raggiunga prestazioni dinamiche e di alta precisione.

Costo iniziale rispetto al costo totale di proprietà

Infine, uno dei fattori chiave che limitano l'adozione diffusa dei motori lineari continua ad essere il costo iniziale. Anche se abbondano i confronti che dimostrano il costo totale di proprietà (TCO) inferiore delle soluzioni con motori lineari rispetto alle soluzioni tradizionali a cinghia, a vite o a pignone e cremagliera in alcune applicazioni, il costo iniziale di un sistema di motori lineari è ancora una barriera all'adozione per gli ingegneri e i progettisti che hanno il compito di soddisfare le specifiche di prestazione con un budget limitato. Un esempio calzante: Per le applicazioni con corse molto lunghe - una delle aree in cui le soluzioni con motori lineari eccellono - il costo dei magneti e degli encoder lineari ad alta risoluzione per soddisfare i requisiti di corsa può escludere una soluzione con motore lineare.

Le applicazioni non tradizionali guidano la crescita dei tassi di adozione dei motori lineari

Nonostante le potenziali difficoltà poste dalla generazione di calore, dalla protezione dalla contaminazione, dai controlli ad alta larghezza di banda e dai costi, il tasso di adozione dei motori lineari è in crescita. Una volta visti come soluzioni di nicchia per semiconduttori, metrologia e applicazioni di lavorazione pesante, i motori lineari iron core, ironless e tubolari sono ora utilizzati nel settore automobilistico, alimentare, dell'imballaggio e della stampa, dove i movimenti possono non essere così impegnativi o i requisiti di precisione così esigenti, ma dove i vantaggi di un minor numero di componenti, meno tempi di fermo e una maggiore produttività giustificano i costi aggiuntivi e le considerazioni di progettazione.