Lineaarimoottorit yleistyvät. Ne antavat koneille ehdottoman korkeimman tarkkuuden ja dynaamisen suorituskyvyn.

Lineaarimoottorit ovat erittäin nopeita ja tarkkoja paikannukseen, mutta ne pystyvät myös hitaaseen, vakioliikkeeseen koneen päissä ja luisteissa sekä työkalujen ja kappaleiden käsittelyjärjestelmissä. Lineaarimoottoreita käytetään useissa eri sovelluksissa – laserkirurgiassa, konenäkötarkastuksessa sekä pullojen ja matkatavaroiden käsittelyssä – koska ne ovat erittäin luotettavia, vaativat vähän huoltoa ja parantavat tuotantosyklejä.

Suurempi nopeus ja voima

Lineaarimoottorit on kytketty suoraan kuormaansa, mikä eliminoi useita kytkentäkomponentteja – mekaanisia kytkimiä, hihnapyöriä, jakohihnoja, kuularuuveja, ketjukäyttöjä sekä hammastankoja ja hammasrattaita, muutamia mainitakseni. Tämä puolestaan ​​vähentää kustannuksia ja jopa välystä. Lineaarimoottorit mahdollistavat myös tasaisen liikkeen, tarkan paikannuksen satojen miljoonien syklien ajan ja suuremmat nopeudet.

Lineaarimoottoreilla saavutettavat tyypilliset nopeudet vaihtelevat: Poiminta- ja sijoituskoneet (jotka tekevät paljon lyhyitä liikkeitä) ja tarkastuslaitteet käyttävätlineaariset askelkoneetjopa 60 tuuman/sekunnin nopeuksilla; lentävät leikkaussovellukset ja pidempiä liikkeitä tekevät poiminta- ja sijoituskoneet käyttäväthammaspyörätön harjatonlineaarimoottorit jopa 200 tuuman/sekunnin nopeuksiin; vuoristoradat, ajoneuvojen laukaisimet ja henkilökuljetukset käyttävät lineaarimoottoreitaAC-induktiomoottoreita saavuttamaan nopeudet 2 000 tuumaa sekunnissa.

Toinen tekijä, joka ratkaisee, mikä lineaarimoottoriteknologia on paras, on sovelluskuorman siirtämiseen tarvittava voima. Kuorma tai massa yhdessä sovelluksen kiihtyvyysprofiilin kanssa määräävät lopulta tämän voiman.

Jokainen sovellus asettaa erilaisia ​​haasteita; yleisesti ottaen osien siirtojärjestelmissä käytetään lineaarisia askelmoottoreita, joiden voimat ovat jopa 220 N tai 50 lb; puolijohde-, laserleikkaus-, vesileikkaus- ja robotiikkajärjestelmissä käytetään harjattomia ja hammasrattaitamattomia moottoreita 2 500 N:iin asti; kuljetinjärjestelmissä käytetään lineaarisia vaihtovirtainduktiomoottoreita 2 200 N:iin asti; ja siirtolinjoissa ja työstökoneissa käytetään rautaytimisiä harjattomia moottoreita 14 000 N:iin asti. Muista, että jokainen sovellus on erilainen ja valmistajien sovellusinsinöörit tarjoavat yleensä apua tässä spesifikaatiovaiheessa.

Nopeuden ja voiman lisäksi on olemassa muitakin tekijöitä. Esimerkiksi kuljetinjärjestelmissä käytetään lineaarisia vaihtovirtainduktiomoottoreita niiden pitkän liikematkan ja passiivisen toisiopiirin etujen vuoksi ilman kestomagneetteja. Sovelluksissa, kuten laserleikkauksissa ja puolijohteiden valmistuksessa, käytetään harjatonta ja hammaspyörätöntä tekniikkaa tarkkuuden ja tasaisen liikeradan saavuttamiseksi.

Peruskäyttö

Lineaarimoottorit toimivat kahden sähkömagneettisen voiman vuorovaikutuksen kautta – sama perusvuorovaikutus, joka tuottaa vääntömomentin pyörivässä moottorissa.

Kuvittele pyörivän moottorin leikkaaminen ja litistäminen: Tämä antaa karkean kuvan lineaarimoottorin geometriasta. Sen sijaan, että kuorma kytkettäisiin pyörivään akseliin vääntömomentin aikaansaamiseksi, kuorma kytketään tasaisesti liikkuvaan vaunuun lineaarista liikettä ja voimaa varten. Lyhyesti sanottuna vääntömomentti ilmaisee pyörivän moottorin tekemää työtä, kun taas voima ilmaisee lineaarimoottorin työtä.

Tarkkuus

Tarkastellaan ensin perinteistä pyörivää askelmoottorijärjestelmää: Kun se on kytketty kuularuuviin, jonka nousu on 5 kierrosta tuumalla, tarkkuus on noin 0,004–0,008 tuumaa eli 0,1–0,2 mm. Servomoottorilla toimivan pyörivän järjestelmän tarkkuus on 0,001–0,0001 tuumaa.

Sitä vastoin suoraan kuormaan kytketty lineaarimoottori antaa tarkkuuden välillä 0,0007–0,000008 tuumaa. Huomaa, että kytkentä ja kuularuuvien välys eivät sisälly näihin lukuihin, ja ne heikentävät entisestään pyörivien järjestelmien tarkkuutta.

Suhteellinen tarkkuus vaihtelee: Tyypillinen tässä yksityiskohtaisesti esitelty askelmoottori pystyy edelleen asemoitumaan tarkasti ihmisen hiuksen halkaisijan sisällä. Servomoottorit parantavat tätä jopa 80-kertaisesti, kun taas lineaarimoottori voi parantaa tätä entisestään – jopa 500 kertaa pienemmäksi kuin ihmisen hiuksen halkaisija.

Joskus huolto ja kustannukset (laitteen käyttöiän aikana) ovat tärkeämpiä kuin tarkkuus. Lineaarimoottorit ovat tässäkin erinomaisia: Huoltokustannukset yleensä pienenevät lineaarimoottoreita käytettäessä, koska kosketuksettomat osat parantavat koneen toimintaa ja pidentävät keskimääräistä vikaantumisaikaa. Lisäksi lineaarimoottoreiden välyksetön vastavirta poistaa iskut, mikä pidentää koneen käyttöikää entisestään. Muita etuja: Huoltojaksojen välistä aikaa voidaan pidentää, mikä mahdollistaa paremman toiminnan sujuvuuden. Vähemmän huoltoa ja henkilöstön osallistumista parantavat tulosta – voittoa – ja alentavat omistamiskustannuksia laitteen käyttöiän aikana.

Edut vertailussa

Sovellukset vaativat lineaarista liikettä. Jos käytetään pyörivää moottoria, tarvitaan mekaaninen muunnosmekanismi pyörivän liikkeen muuttamiseksi lineaariseksi liikkeeksi. Tässä suunnittelijat valitsevat sovellukseen sopivimman muunnosmekanismin ja minimoivat rajoitukset.

• Lineaarimoottori vs. hihna ja hihnapyörä:Yleinen lähestymistapa lineaarisen liikkeen aikaansaamiseksi pyörivästä moottorista on käyttää hihnaa ja hihnapyörää. Tyypillisesti työntövoimaa rajoittaa hihnan vetolujuus; nopeat käynnistykset ja pysäytykset voivat aiheuttaa hihnan venymistä ja siten resonanssia, mikä johtaa pidempään asettumisaikaan. Mekaaninen kelaus, välys ja hihnan venyminen heikentävät myös toistettavuutta, tarkkuutta ja koneen suorituskykyä. Koska nopeus ja toistettavuus ovat servoliikkeessä avainasemassa, tämä ei ole paras valinta. Kun hihna-hihnapyörärakenne voi saavuttaa 3 m/s, lineaarimoottori voi saavuttaa 10 m/s. Ilman välystä tai kelausnopeutta suoravetoiset lineaarimoottorit parantavat toistettavuutta ja tarkkuutta entisestään.
• Lineaarimoottori vs. hammastanko ja hammaspyörä:Hammastanko- ja vetopyörämallit tarjoavat enemmän työntövoimaa ja mekaanista jäykkyyttä kuin hihna- ja vetopyörämallit. Kaksisuuntainen kuluminen ajan myötä johtaa kuitenkin kyseenalaisiin toistettaviin ja epätarkkuuksiin – tämän mekanismin suurimpiin haittoihin. Välys estää moottorin takaisinkytkentää havaitsemasta todellista kuorman sijaintia, mikä johtaa epävakauteen – ja pakottaa pienemmät vahvistukset ja hitaamman kokonaissuorituskyvyn. Sitä vastoin lineaarimoottoreilla varustetut koneet ovat nopeampia ja asemoituvat tarkemmin.
• Lineaarimoottori vs. kuularuuvi:Yleisin tapa muuntaa pyörivä liike lineaariliikkeeksi on käyttää johto- tai kuularuuvia. Nämä ovat edullisia, mutta vähemmän tehokkaita: johtoruuvit tyypillisesti 50 % tai vähemmän ja kuularuuvit noin 90 %. Suuri kitka tuottaa lämpöä, ja pitkäaikainen kuluminen heikentää tarkkuutta. Liikematka on mekaanisesti rajoitettu. Lisäksi lineaarisia nopeusrajoituksia voidaan pidentää vain lisäämällä nousua, mutta tämä heikentää paikkatarkkuutta; liian suuri pyörimisnopeus voi myös aiheuttaa ruuvien tärinää, mikä johtaa tärinään. Lineaarimoottorit tarjoavat pitkän ja rajoittamattoman liikeradan. Kun anturi on kuormitettu, pitkän aikavälin tarkkuus on tyypillisesti ±5 µm/300 mm.

Lineaarimoottorien perustyypit

Koska on olemassa erilaisia ​​pyöriviä moottoriteknologioita, on myös useita lineaarimoottoreita: askelmoottoreita, harjattomia moottoreita ja lineaarisia vaihtovirtainduktiomoottoreita. Huomaa, että lineaariteknologia hyödyntää teollisuudessa yleisesti saatavilla olevia taajuusmuuttajia (vahvistimia) sekä asennoittimia (liikkeenohjaimia) ja takaisinkytkentälaitteita (kuten Hall-antureita ja pulsseja).

Monet mallit hyötyvät räätälöidyistä lineaarimoottoreista, mutta vakiomallit ovat yleensä sopivia.

Harjattomat rautaytimiset lineaarimoottoritjoille on ominaista liikkuvan voiman teräslaminaatio magneettivuon kanavoimiseksi. Tällä moottorityypillä on suuremmat voima-arvot ja se on tehokkaampi, mutta painaa kolmesta viiteen kertaa enemmän kuin vastaavan kokoiset hammaspyörättömät moottorit. Kiinteä laatta koostuu moninapaisista vuorottelevan napaisuuden omaavista kestomagneeteista, jotka on kiinnitetty kylmävalssatulle nikkeliteräslevylle. Liikkuvan voiman teräslaminaatit kuitenkin reagoivat kiinteän laatan magneettien kanssa, jotka kehittävät "vetovoiman" ja osoittavat pientä hammastusta tai aaltoilua moottorin liikkuessa magneettikentästä toiseen, mikä johtaa nopeuden vaihteluihin.

Nämä moottorit kehittävät suuren huippuvoiman, niillä on suurempi terminen massa ja pitkä terminen aikavakio – joten ne soveltuvat suuritehoisiin, jaksottaisiin käyttöjaksoihin, joissa liikutetaan erittäin raskaita kuormia, kuten siirtolinjoissa ja työstökoneissa; ne on suunniteltu rajoittamattomalle liikeradalle ja niihin voi kuulua useita liikkuvia laattoja, joilla on päällekkäiset radat.

Harjattomat moottorit ilman hammasrattaitaliikkuvassa voimanlähteessä on kelakokoonpano ilman teräslaminointeja. Käämi koostuu langasta, epoksista ja ei-magneettisesta tukirakenteesta. Tämä yksikkö on paljon kevyempi. Perusrakenne tuottaa pienemmän voiman, joten kiinteälle kiskolle asetetaan lisämagneetteja (voiman lisäämiseksi) ja kisko on U-muotoinen, ja magneetit ovat tämän U-kirjaimen molemmilla puolilla. Voimanlähde asetetaan U-kirjaimen keskelle.

Nämä moottorit sopivat sovelluksiin, jotka vaativat tasaista toimintaa ilman magneettista tärinää, kuten skannaus- tai tarkastuslaitteille. Niiden suuremmat kiihtyvyydet ovat hyödyllisiä puolijohteiden poiminnassa ja sijoittelussa, sirujen lajittelussa sekä juotos- ja liima-aineiden annostelussa. Nämä moottorit on suunniteltu rajoittamattomalle liikeradalle.

Lineaariset askelluslaitteetovat olleet saatavilla jo pitkään; liikuttava voimanlähde koostuu laminoiduista teräsytimistä, joissa on tarkasti hampaat, yhdestä kestomagneetista ja laminoituun ytimeen asetetuista keloista. (Huomaa, että kaksi kelaa muodostaa kaksivaiheisen askelmoottorin.) Tämä kokoonpano on kapseloitu alumiinikoteloon.

Kiinteä laatta koostuu terästangossa olevista fotokemiallisesti syövytetyistä, hiotuista ja nikkelöidyistä hampaista. Laakeria voidaan pinota päästä päähän rajoittamattoman pituuden saavuttamiseksi. Moottori toimitetaan täydellisenä voimanlähteen, laakereiden ja laatan kanssa. Magneetin vetovoimaa käytetään laakereiden esijännityksenä; se mahdollistaa myös laitteen käytön käänteisessä asennossa useissa eri sovelluksissa.

AC-induktiomoottoritkoostuvat teräslamellien ja vaihekäämien muodostamasta pakottimesta. Käämit voivat olla joko yksi- tai kolmivaiheisia. Tämä mahdollistaa suoran online-ohjauksen tai ohjauksen invertterin tai vektorikäytön kautta. Kiinteä laatta (jota kutsutaan reaktiolevyksi) koostuu yleensä ohuesta alumiini- tai kuparikerroksesta, joka on kiinnitetty kylmävalssatun teräksen päälle.

Kun voimansiirtokela saa virtaa, se on vuorovaikutuksessa reaktiolevyn kanssa ja liikkuu. Suuremmat nopeudet ja rajoittamattomat liikepituudet ovat tämän rakenteen vahvuuksia; niitä käytetään materiaalinkäsittelyssä, ihmisten kuljetuksessa, kuljettimissa ja liukuporteissa.

Uudet suunnittelukonseptit

Joitakin uusimmista suunnitteluparannuksista on toteutettu uudelleensuunnittelun avulla. Esimerkiksi jotkin lineaariset askelmoottorit (alun perin suunniteltu tuottamaan liikettä yhdessä tasossa) on nyt suunniteltu uudelleen tuottamaan liikettä kahdessa tasossa – XY-liikettä varten. Tässä liikkuva voimanlähde koostuu kahdesta lineaarisesta askelmoottorista, jotka on asennettu kohtisuoraan 90° kulmaan siten, että toinen tarjoaa X-akselin liikkeen ja toinen Y-akselin liikkeen. Useiden voimanlähteiden käyttö päällekkäisillä radoilla on myös mahdollista.

Näissä kaksitasomoottoreissa kiinteä alusta (tai laatta) hyödyntää uutta komposiittirakennetta lujuuden parantamiseksi. Myös jäykkyyttä on parannettu, joten taipuma on pienentynyt 60–80 % aiempiin tuotantomalleihin verrattuna. Laatan tasaisuus ylittää 14 mikronia 300 mm:ä kohden tarkan liikkeen takaamiseksi. Lopuksi: Koska askelluslaitteilla on luonnollinen vetovoima, tämä konsepti mahdollistaa laatan asentamisen joko kuvapuoli ylöspäin tai ylösalaisin, mikä tarjoaa monipuolisuutta ja joustavuutta sovelluksiin.

Toinen tekninen innovaatio – vesijäähdytys – laajentaa lineaaristen AC-oikosulkumoottoreiden voimakapasiteettia 25 %. Tämän ominaisuuslaajennuksen ja rajoittamattoman liikepituuden ansiosta AC-oikosulkumoottorit tarjoavat parhaan suorituskyvyn monissa sovelluksissa: huvipuistolaitteissa, matkatavaroiden käsittelyssä ja henkilökuljetuksissa. Nopeutta voidaan säätää (6–2 000 tuumaa/s) teollisuudessa tällä hetkellä saatavilla olevien säädettävien nopeuskäyttöjen avulla.

Vielä yksi moottori sisältää kiinteän sylinterimäisen kotelon, jossa on lineaarisesti liikkuva osa liikkeen aikaansaamiseksi. Liikkuva osa voi olla kuparipäällysteisestä teräksestä valmistettu tanko, liikkuva kela tai liikkuva magneetti, kuten sylinterin sisällä oleva mäntä.

Nämä mallit tarjoavat lineaarimoottorin edut ja toimivat samalla tavalla kuin lineaariaktuaattori. Sovelluksia ovat biolääketieteelliset kolonoskopiot, pitkällä sulkimella varustetut kamerat, tärinänvaimennusta vaativat teleskoopit, litografian tarkennusmoottorit, generaattorien kytkentävaihteet, jotka käynnistävät generaattorit katkaisijoilla, ja ruoan puristaminen – esimerkiksi tortilloja leivottaessa.

Täydelliset lineaarimoottoripaketit tai -vaiheet soveltuvat hyötykuormien asemointiin. Nämä koostuvat moottorista, takaisinkytkentäanturista, rajakytkimistä ja kaapelikuljettimesta. Vaiheita voidaan pinota päällekkäin moniakselista liikettä varten.

Yksi lineaarivaiheiden eduista on niiden matalampi profiili, jonka ansiosta ne sopivat pienempiin tiloihin verrattuna perinteisiin asennoittimiin. Vähemmän komponentteja lisää luotettavuutta. Tässä moottori on kytketty tavallisiin käyttöihin. Suljetun silmukan toiminnassa asentosilmukka suljetaan liikkeenohjaimella.

Varastotuotteiden lisäksi on jälleen runsaasti räätälöityjä ja erikoismalleja. Loppujen lopuksi on parasta tarkistaa laitteiden tarpeet sovellusinsinöörin kanssa, jotta voidaan määrittää optimaalinen lineaarinen tuote sovelluksen tarpeisiin.