Stadi completi per motori lineari, inclusi piastra di base, motore lineare, guide lineari, encoder e controlli.

I servomotori lineari a trasmissione diretta hanno registrato un aumento significativo nell'adozione negli ultimi anni, grazie anche alle richieste degli utenti finali di maggiore produttività e precisione. Sebbene i motori lineari siano spesso riconosciuti per la loro capacità di fornire una combinazione di alte velocità, corse lunghe ed eccellente precisione di posizionamento, non ottenibile con altri meccanismi di azionamento, possono anche ottenere un movimento estremamente lento, fluido e preciso. Infatti, la tecnologia dei motori lineari offre una gamma così ampia di capacità – forza di spinta, velocità, accelerazione, precisione di posizionamento e ripetibilità – che sono poche le applicazioni per le quali i motori lineari non rappresentano una soluzione adatta.

Le varianti di motori lineari includono servomotori lineari, motori passo-passo lineari, motori lineari a induzione e motori lineari a tubo di spinta. Quando un servomotore lineare è la soluzione migliore per un'applicazione, ecco tre aspetti da considerare durante la selezione iniziale del motore.

La considerazione “primaria”: nucleo di ferro o senza ferro?
I servomotori lineari a trasmissione diretta sono disponibili in due tipologie principali, con nucleo in ferro o senza nucleo in ferro, a seconda che gli avvolgimenti nella parte primaria (analogamente allo statore di un motore rotativo) siano montati in un pacco lamellare in ferro o in resina epossidica. Decidere se l'applicazione richiede un motore lineare con nucleo in ferro o senza nucleo in ferro è in genere il primo passo nella progettazione e nella selezione.

I motori lineari con nucleo in ferro sono particolarmente adatti per applicazioni che richiedono forze di spinta estremamente elevate. Questo perché la laminazione della parte primaria contiene denti (sporgenze) che concentrano il flusso elettromagnetico verso i magneti della parte secondaria (analogamente al rotore di un motore rotativo). Questa attrazione magnetica tra il ferro della parte primaria e i magneti permanenti della parte secondaria consente al motore di generare forze elevate.

I motori lineari ironless hanno generalmente una forza di spinta inferiore, quindi non sono adatti ai requisiti di spinta estremamente elevati richiesti in applicazioni come pressatura, lavorazione meccanica o stampaggio. Tuttavia, eccellono nell'assemblaggio e nel trasporto ad alta velocità.

Lo svantaggio del design con nucleo in ferro è il cogging, che compromette la fluidità del movimento. Il cogging si verifica perché il design scanalato della parte primaria le fa assumere posizioni "preferite" durante il movimento lungo i magneti della parte secondaria. Per superare la tendenza della parte primaria ad allinearsi con i magneti della parte secondaria, il motore deve produrre più forza, il che provoca un'ondulazione di velocità, nota come cogging. Questa variazione di forza e ondulazione di velocità compromette la fluidità del movimento, il che può rappresentare un problema significativo nelle applicazioni in cui la qualità del movimento durante il movimento (non solo la precisione del posizionamento finale) è importante.

Esistono numerosi metodi utilizzati dai produttori per ridurre il cogging. Un approccio comune consiste nell'inclinare la posizione dei magneti (o dei denti), creando transizioni più fluide mentre i denti primari si muovono lungo i magneti secondari. Un effetto simile può essere ottenuto modificando la forma dei magneti in un ottagono allungato.

Un altro metodo per ridurre il cogging è l'avvolgimento frazionario. In questo progetto, il primario contiene più denti di laminazione rispetto ai magneti del secondario e la pila di laminazione ha una forma speciale. Insieme, queste due modifiche contribuiscono ad annullare le forze di cogging. E naturalmente, il software offre sempre una soluzione. Gli algoritmi anti-cogging consentono ai servoazionamenti e ai controllori di regolare la corrente fornita al primario in modo da ridurre al minimo le variazioni di forza e velocità.

I motori lineari ironless non presentano fenomeni di cogging, poiché le bobine primarie sono incapsulate in resina epossidica anziché essere avvolte attorno a una laminazione in acciaio. Inoltre, i servomotori lineari ironless hanno una massa inferiore (la resina epossidica è più leggera, sebbene meno rigida, dell'acciaio), consentendo loro di raggiungere alcuni dei valori di accelerazione, decelerazione e velocità massima più elevati riscontrabili nei sistemi elettromeccanici. Anche i tempi di assestamento sono in genere migliori (inferiori) per i motori ironless rispetto alle versioni con nucleo in ferro. L'assenza di acciaio nel nucleo primario e la conseguente assenza di cogging o ondulazione di velocità consentono inoltre ai motori lineari ironless di fornire un movimento molto lento e costante, in genere con una variazione di velocità inferiore allo 0,01%.

Quale livello di integrazione?
Come i motori rotativi, i servomotori lineari sono solo uno dei componenti di un sistema di movimento. Un sistema completo di motori lineari richiede anche cuscinetti per supportare e guidare il carico, gestione dei cavi, feedback (tipicamente un encoder lineare) e un servoazionamento e un controller. OEM e costruttori di macchine altamente esperti, o coloro che hanno requisiti di progettazione o prestazioni molto specifici, possono realizzare un sistema completo con capacità interne e componenti standard di vari produttori.

La progettazione di sistemi con motori lineari è probabilmente più semplice rispetto a quella di sistemi basati su cinghie, cremagliere e pignoni o viti. Il numero di componenti e le fasi di assemblaggio laboriose sono ridotte (nessun allineamento dei supporti delle viti a ricircolo di sfere o tensionamento delle cinghie). Inoltre, i motori lineari sono senza contatto, quindi i progettisti non devono preoccuparsi di prevedere la lubrificazione, le regolazioni o altri interventi di manutenzione dell'unità di azionamento. Tuttavia, per gli OEM e i costruttori di macchine che cercano una soluzione chiavi in mano, sono disponibili innumerevoli opzioni per attuatori completi con motore lineare, tavole ad alta precisione e persino sistemi cartesiani e a portale.

L'ambiente è adatto per un motore lineare?
I motori lineari sono spesso la soluzione preferita in ambienti difficili, come camere bianche e ambienti sotto vuoto, poiché presentano un minor numero di parti mobili e possono essere abbinati a quasi tutti i tipi di guida lineare o di gestione dei cavi per soddisfare i requisiti di generazione di particelle, degasaggio e temperatura dell'applicazione. In casi estremi, il secondario (pista magnetica) può essere utilizzato come parte mobile, mentre il primario (avvolgimenti, cavi e gestione dei cavi inclusi) rimane fermo.

Tuttavia, se l'ambiente è costituito da trucioli metallici, polvere metallica o particelle metalliche, un servomotore lineare potrebbe non essere la soluzione migliore. Questo è particolarmente vero per i motori lineari con nucleo in ferro, poiché il loro design è intrinsecamente aperto, lasciando la pista magnetica esposta alla contaminazione. Il design semi-chiuso dei motori lineari ironless offre una migliore protezione, ma è necessario prestare attenzione a garantire che la fessura nella parte secondaria non sia direttamente esposta a fonti di contaminazione. Esistono opzioni di design per racchiudere sia i motori lineari con nucleo in ferro che quelli ironless, ma queste possono ridurre la capacità del motore di dissipare il calore, potenzialmente trasformando un problema in un altro.