Uno sguardo ai diversi motori lineari disponibili e a come selezionare il tipo ottimale per la tua applicazione.
Il seguente articolo è una panoramica dei diversi tipi di motori lineari disponibili, inclusi i loro principi di funzionamento, la storia dello sviluppo dei magneti permanenti, i metodi di progettazione dei motori lineari e i settori industriali che utilizzano ogni tipo di motore lineare.
La tecnologia dei motori lineari può essere: motori a induzione lineare (LIM) o motori sincroni lineari a magneti permanenti (PMLSM).PMLSM può essere iron core o ironless.Tutti i motori sono disponibili in configurazione piana o tubolare.Hiwin è all'avanguardia nella progettazione e produzione di motori lineari da 20 anni.
Vantaggi dei motori lineari
Un motore lineare viene utilizzato per fornire un movimento lineare, ovvero spostare un determinato carico utile a un'accelerazione, velocità, distanza percorsa e precisione dettate.Tutte le tecnologie di movimento diverse dal motore lineare sono una sorta di azionamento meccanico per convertire il movimento rotatorio in movimento lineare.Tali sistemi di movimento sono azionati da viti a ricircolo di sfere, cinghie o pignone e cremagliera.La vita utile di tutti questi azionamenti dipende fortemente dall'usura dei componenti meccanici utilizzati per convertire il moto rotatorio in moto lineare ed è relativamente breve.
Il vantaggio principale dei motori lineari è quello di fornire un movimento lineare senza alcun sistema meccanico perché l'aria è il mezzo di trasmissione, quindi i motori lineari sono essenzialmente azionamenti senza attrito, fornendo una durata teoricamente illimitata.Poiché non vengono utilizzate parti meccaniche per produrre il movimento lineare, sono possibili accelerazioni molto elevate e velocità in cui altri azionamenti come viti a ricircolo di sfere, cinghie o pignone e cremagliera incontreranno serie limitazioni.
Motori lineari a induzione
Fig. 1
Il motore a induzione lineare (LIM) è stato il primo ad essere inventato (brevetto USA 782312 – Alfred Zehden nel 1905).È costituito da un “primario” composto da un pacco di lamierini elettrici in acciaio e da una pluralità di bobine di rame alimentate da una tensione trifase e da un “secondario” generalmente composto da una lastra di acciaio e una lastra di rame o alluminio.
Quando le bobine primarie sono eccitate, il secondario si magnetizza e si forma un campo di correnti parassite nel conduttore secondario.Questo campo secondario interagirà quindi con il campo elettromagnetico primario per generare forza.La direzione del movimento seguirà la regola della mano sinistra di Fleming, cioè;la direzione del moto sarà perpendicolare alla direzione della corrente e alla direzione del campo/flusso.
Figura 2
I motori lineari ad induzione offrono il vantaggio di un costo molto contenuto perché il secondario non utilizza magneti permanenti.I magneti permanenti NdFeB e SmCo sono molto costosi.I motori lineari a induzione utilizzano materiali molto comuni, (acciaio, alluminio, rame), per il loro secondario ed eliminano questo rischio di alimentazione.
Tuttavia, lo svantaggio dell'utilizzo di motori a induzione lineare è la disponibilità di azionamenti per tali motori.Mentre è molto facile trovare azionamenti per motori lineari a magneti permanenti, è molto difficile trovare azionamenti per motori lineari a induzione.
Figura 3
Motori sincroni lineari a magneti permanenti
I motori sincroni lineari a magneti permanenti (PMLSM) hanno essenzialmente lo stesso primario dei motori a induzione lineare (ovvero un insieme di bobine montate su una pila di lamierini elettrici in acciaio e azionate da una tensione trifase).Il secondario è diverso.
Invece di una piastra di alluminio o rame montata su una piastra di acciaio, il secondario è composto da magneti permanenti montati su una piastra di acciaio.La direzione di magnetizzazione di ogni magnete si alternerà rispetto alla precedente come mostrato in Fig. 3.
L'ovvio vantaggio dell'utilizzo di magneti permanenti è quello di creare un campo permanente nel secondario.Abbiamo visto che la forza viene generata su un motore a induzione dall'interazione del campo primario e del campo secondario che è disponibile solo dopo che un campo di correnti parassite è stato creato nel secondario attraverso il traferro del motore.Ciò si tradurrà in un ritardo chiamato "scorrimento" e un movimento del secondario non sincronizzato con la tensione primaria fornita al primario.
Per questo motivo i motori lineari asincroni sono detti “asincroni”.Su un motore lineare a magneti permanenti, il movimento secondario sarà sempre sincronizzato con la tensione primaria perché il campo secondario è sempre disponibile e senza alcun ritardo.Per questo motivo i motori lineari permanenti sono detti “sincroni”.
Diversi tipi di magneti permanenti possono essere utilizzati su un PMLSM.Negli ultimi 120 anni, il rapporto tra ciascun materiale è cambiato.Ad oggi, i PMLSM utilizzano magneti NdFeB o magneti SmCo, ma la stragrande maggioranza utilizza magneti NdFeB.La Fig. 4 mostra la storia dello sviluppo dei magneti permanenti.
Figura 4
La forza del magnete è caratterizzata dal suo prodotto energetico in Megagauss-Oersteds, (MGOe).Fino alla metà degli anni ottanta erano disponibili solo acciaio, ferrite e alnico e fornivano prodotti a bassissimo consumo energetico.I magneti SmCo sono stati sviluppati nei primi anni '60 sulla base del lavoro di Karl Strnat e Alden Ray e successivamente commercializzati alla fine degli anni '60.
Figura 5
Il prodotto energetico dei magneti SmCo era inizialmente più del doppio del prodotto energetico dei magneti Alnico.Nel 1984 General Motors e Sumitomo svilupparono indipendentemente i magneti NdFeB, un composto di neodimio, ferro e boro.Un confronto tra magneti SmCo e NdFeB è mostrato in Fig. 5.
I magneti NdFeB sviluppano una forza molto maggiore rispetto ai magneti SmCo ma sono molto più sensibili alle alte temperature.I magneti SmCo sono anche molto più resistenti alla corrosione e alle basse temperature ma sono più costosi.Quando la temperatura di esercizio raggiunge la temperatura massima del magnete, il magnete inizia a smagnetizzarsi e questa smagnetizzazione è irreversibile.La perdita di magnetizzazione del magnete causerà la perdita di forza del motore e non sarà in grado di soddisfare le specifiche.Se il magnete opera al di sotto della temperatura massima per il 100% del tempo, la sua forza sarà preservata quasi indefinitamente.
A causa del costo più elevato dei magneti SmCo, i magneti NdFeB sono la scelta giusta per la maggior parte dei motori, in particolare data la maggiore forza disponibile.Tuttavia, per alcune applicazioni in cui la temperatura di esercizio può essere molto elevata, è preferibile utilizzare magneti SmCo per evitare la massima temperatura di esercizio.
Progettazione di motori lineari
Un motore lineare è generalmente progettato tramite simulazione elettromagnetica ad elementi finiti.Verrà creato un modello 3D per rappresentare la pila di laminazione, le bobine, i magneti e la piastra in acciaio che supporta i magneti.L'aria sarà modellata attorno al motore e nel traferro.Quindi verranno inserite le proprietà dei materiali per tutti i componenti: magneti, acciaio elettrico, acciaio, bobine e aria.Verrà quindi creata una mesh utilizzando elementi H o P e il modello risolto.Quindi la corrente viene applicata a ciascuna bobina nel modello.
La Fig. 6 mostra l'output di una simulazione in cui viene visualizzato il flusso in tesla.Il principale valore di output di interesse per la simulazione è ovviamente Motor force e sarà disponibile.Poiché le spire finali delle bobine non producono alcuna forza, è anche possibile eseguire una simulazione 2D utilizzando un modello 2D (DXF o altro formato) del motore, compresi i lamierini, i magneti e la piastra in acciaio che supporta i magneti.L'output di tale simulazione 2D sarà molto vicino alla simulazione 3D e sufficientemente accurato per valutare la forza motoria.
Figura 6
Un motore a induzione lineare sarà modellato allo stesso modo, tramite un modello 3D o 2D, ma la risoluzione sarà più complicata rispetto a un PMLSM.Questo perché il flusso magnetico del secondario PMLSM verrà modellato immediatamente dopo l'inserimento delle proprietà dei magneti, pertanto sarà necessaria una sola soluzione per ottenere tutti i valori di uscita inclusa la forza motrice.
Tuttavia, il flusso secondario del motore a induzione richiederà un'analisi transitoria (ovvero diverse soluzioni in un dato intervallo di tempo) in modo che il flusso magnetico del secondario LIM possa essere costruito e solo allora si possa ottenere la forza.Il software utilizzato per la simulazione degli elementi finiti elettromagnetici dovrà essere in grado di eseguire un'analisi transitoria.
Stadio motore lineare
Figura 7
Hiwin Corporation fornisce motori lineari a livello di componenti.In questo caso verranno consegnati solo il motore lineare ei moduli secondari.Per un motore PMLSM, i moduli secondari saranno costituiti da piastre in acciaio di diverse lunghezze sulle quali verranno assemblati magneti permanenti.Hiwin Corporation fornisce anche stadi completi come mostrato in Fig. 7.
Tale fase comprende un telaio, cuscinetti lineari, il motore primario, i magneti secondari, un carrello per il cliente per collegare il suo carico utile, l'encoder e una pista per cavi.Un palco con motore lineare sarà pronto per l'avvio alla consegna e semplificherà la vita perché il cliente non avrà bisogno di progettare e produrre un palco, che richiede conoscenze specialistiche.
Vita utile della fase del motore lineare
La vita utile di uno stadio a motore lineare è notevolmente più lunga di uno stadio azionato da cinghia, vite a ricircolo di sfere o pignone e cremagliera.I componenti meccanici degli stadi ad azionamento indiretto sono tipicamente i primi componenti a cedere a causa dell'attrito e dell'usura a cui sono continuamente esposti.Uno stadio del motore lineare è un azionamento diretto senza contatto meccanico o usura perché il mezzo di trasmissione è l'aria.Pertanto, gli unici componenti che possono guastarsi su uno stadio del motore lineare sono i cuscinetti lineari o il motore stesso.
I cuscinetti lineari hanno tipicamente una vita utile molto lunga perché il carico radiale è molto basso.La vita utile del motore dipenderà dalla temperatura media di esercizio.La Figura 8 mostra la durata dell'isolamento del motore in funzione della temperatura.La regola è che la vita utile sarà dimezzata per ogni 10 gradi Celsius che la temperatura di funzionamento è superiore alla temperatura nominale.Ad esempio, un motore con classe di isolamento F funzionerà per 325.000 ore a una temperatura media di 120°C.
Pertanto, si prevede che uno stadio del motore lineare avrà una vita utile di oltre 50 anni se il motore viene selezionato in modo conservativo, una vita utile che non potrà mai essere raggiunta da stadi azionati da cinghia, vite a ricircolo di sfere o pignone e cremagliera.
Figura 8
Applicazioni per motori lineari
I motori a induzione lineare (LIM) sono utilizzati principalmente in applicazioni con corsa lunga e dove è richiesta una forza molto elevata combinata con velocità molto elevate.Il motivo per selezionare un motore a induzione lineare è perché il costo del secondario sarà notevolmente inferiore rispetto all'utilizzo di un PMLSM e a velocità molto elevate l'efficienza del motore a induzione lineare è molto elevata, quindi si perderà poca potenza.
Ad esempio, gli EMALS (Electromagnetic Launch Systems), utilizzati sulle portaerei per lanciare gli aerei, utilizzano motori a induzione lineare.Il primo sistema di motori lineari di questo tipo è stato installato sulla portaerei USS Gerald R. Ford.Il motore può accelerare un aereo di 45.000 kg a 240 km/h su una pista di 91 metri.
Un altro esempio di giostre nei parchi di divertimento.I motori lineari a induzione installati su alcuni di questi sistemi possono accelerare carichi utili molto elevati da 0 a 100 km/h in 3 secondi.Gli stadi del motore a induzione lineare possono essere utilizzati anche su RTU, (Robot Transport Units).La maggior parte delle RTU utilizza azionamenti a pignone e cremagliera, ma un motore a induzione lineare può offrire prestazioni più elevate, costi inferiori e una durata molto più lunga.
Motori Sincroni a Magneti Permanenti
I PMLSM verranno generalmente utilizzati su applicazioni con corse molto più piccole, velocità inferiori ma precisione da elevata a molto elevata e cicli di lavoro intensivi.La maggior parte di queste applicazioni si trova nei settori AOI (Automated Optical Inspection), dei semiconduttori e delle macchine laser.
La selezione di stadi azionati da motore lineare (azionamento diretto) offre significativi vantaggi in termini di prestazioni rispetto agli azionamenti indiretti (stadi in cui il movimento lineare è ottenuto convertendo il movimento rotatorio), per progetti di lunga durata e sono adatti a molti settori.
Tempo di pubblicazione: Feb-06-2023