Линейный двигатель можно представить как поворотный серводвигатель, развёрнутый и разложенный на плоскости для обеспечения принципиально линейного движения. Традиционный линейный актуатор — это механический элемент, преобразующий вращательное движение поворотного серводвигателя в прямолинейное. Оба типа обеспечивают линейное движение, но с существенно разными эксплуатационными характеристиками и компромиссами. Не существует лучшей или худшей технологии — выбор зависит от области применения. Давайте рассмотрим их подробнее.
Практика показывает, что линейные двигатели идеально подходят для приложений, требующих высокого ускорения, высокой скорости или высокой точности. Например, в полупроводниковой метрологии, где разрешение и производительность критически важны, а даже час простоя может стоить десятки тысяч долларов, линейные двигатели являются идеальным решением. Но как быть в менее сложных ситуациях?
Первой проблемой линейных двигателей была ценовая конкурентоспособность. Для линейных двигателей требуются редкоземельные магниты, которые являются одним из факторов, ограничивающих длину хода. Конечно, теоретически магниты можно располагать практически бесконечно, но на практике, помимо проблемы обеспечения достаточной жёсткости при большой длине хода, стоимость возрастает, особенно для конструкций с U-образным каналом.
Двигатели с железным сердечником могут генерировать ту же силу, используя меньшие магниты, чем эквивалентная конструкция без сердечника. Поэтому, если основным требованием является мышечная сила, а эксплуатационные характеристики достаточно мягки, чтобы выдерживать некоторые возмущения зубцовой силы, приводящие к динамическим ошибкам положения или скорости, двигатели с железным сердечником могут быть оптимальным решением. Если же требования к производительности ещё ниже, порядка микрометров, а не нанометров, возможно, комбинация с линейным актуатором станет наиболее подходящим компромиссом — например, выберите линейный актуатор для упаковки лекарств, а линейный актуатор для секвенирования ДНК при разработке новых лекарств.
Длина путешествия
Несмотря на множество исключений, оптимальная длина хода для линейных двигателей составляет от нескольких миллиметров до нескольких метров. При меньшей длине хода может быть более эффективна альтернатива, например, изгибающая пружина; при большей длине хода, вероятно, предпочтительнее ременные передачи и реечные передачи.
Длина хода линейных двигателей ограничена не только стоимостью и устойчивостью крепления, но и проблемой управления кабелями. Для создания движения необходимо подать питание на силовой привод, а это означает, что силовые кабели должны проходить вместе с ним всю длину хода. Высокогибкие кабели и сопутствующие им дорожки качения стоят дорого, а тот факт, что кабели являются основной точкой отказа в системе управления движением, ещё больше усложняет проблему.
Конечно, сама природа линейных двигателей может предложить разумное решение этой проблемы. Если у нас есть подобные опасения, мы устанавливаем форсунку на неподвижное основание и перемещаем магнитную дорожку. Таким образом, все кабели будут подведены к неподвижной форсунке. Вы получаете немного меньшее ускорение от данного двигателя, поскольку вы разгоняете не катушку, а магнитную дорожку, которая тяжелее. Если это делается для высоких перегрузок, это нехорошо. Если же у вас нет приложения с высокими перегрузками, это может быть очень хорошей конструкцией.
Компания Profeta использует линейные серводвигатели Aerotech с пиковым усилием от 28 до 900 фунтов (12,7 до 400 кг), но и здесь фундаментальная конструкция линейных двигателей позволяет создавать уникальные решения, которые предлагают гораздо больше. У нас есть клиенты, которые берут наши самые большие линейные двигатели, соединяют их шесть и создают усилие почти 6000 фунтов (2760 кг). Можно разместить несколько серводвигателей на нескольких дорожках, механически скрепить их вместе, а затем коммутировать их все вместе, чтобы они работали как один двигатель; или можно разместить несколько серводвигателей на одной магнитной дорожке и установить их на каретке, удерживающей груз, и использовать их как один двигатель.
Поскольку мы живем в реальном мире и точно сопоставить коммутацию невозможно, за такой подход приходится платить потерей эффективности в несколько процентов, но он все равно может дать наилучшее комплексное решение для конкретного приложения.
Лицом к лицу
С точки зрения силы, как линейные двигатели соотносятся с комбинациями поворотного двигателя и линейного актуатора? Существует значительный компромисс в силе: мы сравниваем восьмиполюсный беспазовый линейный двигатель шириной 4 дюйма с изделием шириной 4 дюйма с винтовым приводом. Наш восьмиполюсный линейный двигатель развивает пиковое усилие 40 фунтов (180 Н) и постоянное усилие 11 фунтов (50 Н). В этом же профиле с серводвигателем NEMA 23 и нашим изделием с винтовым приводом максимальная осевая нагрузка составляет 200 фунтов, так что, если рассматривать с этой точки зрения, мы наблюдаем снижение постоянного усилия практически в 20 раз.
Фактические результаты будут варьироваться в зависимости от шага и диаметра винта, катушек двигателя и конструкции двигателя, как он быстро отмечает, и ограничены осевыми подшипниками, поддерживающими винт. Линейный двигатель компании с железным сердечником шириной 13 дюймов может развивать пиковое осевое усилие 1600 фунтов (740 кг) по сравнению, например, с 440 фунтами (200 кг), которые обеспечивает, например, 6-дюймовый винтовой двигатель, но при этом теряется значительное пространство.
Перефразируя политический лозунг, всё дело в применении, глупый. Если главное — плотность силы, то актуатор, вероятно, лучший выбор. Если приложение требует быстрого отклика, например, в высокоточных и быстродействующих приложениях, таких как инспекция ЖК-дисплеев, то компромисс между площадью основания и силой ради достижения необходимой производительности оправдан.
Поддержание чистоты
Загрязнение — серьёзная проблема управления движением в производственных условиях, и линейные двигатели не являются исключением. Одной из серьёзных проблем стандартных линейных двигателей является подверженность загрязнениям, таким как твёрдые частицы или влага. Это актуально для «плоских» конструкций и менее актуально для конструкций с U-образным каналом.
Полностью герметизировать решение очень сложно. Нежелательно использовать его в условиях повышенной влажности. Если вы собираетесь использовать линейный двигатель в системе гидроабразивной резки, необходимо обеспечить его надёжную защиту и создать избыточное давление, поскольку электроника линейного двигателя находится рядом с приводом.
В случае U-образных каналов инвертирование U-образной формы может минимизировать вероятность попадания частиц в канал, но это создаёт проблемы с терморегулированием, которые могут снизить производительность из-за смещения массы магнитной рейки в сторону смещения массы силового привода. Опять же, это компромисс, и, опять же, применение определяет его применение.
На линейный двигатель может влиять не только окружающая среда — сам линейный двигатель может создавать проблемы. В отличие от роторных конструкций, большие магниты в линейных двигателях могут создавать серьёзные помехи в магниточувствительной среде, например, в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ). Это может стать проблемой даже в более прозаических приложениях, таких как резка металла. Эти мощные магниты пытаются притянуть каждую металлическую стружку к магнитной дорожке, поэтому линейные двигатели не будут эффективно работать в таких условиях без надлежащей защиты.
О данных приложениях…
Итак, где же находится оптимальная область применения линейных двигателей? Начнём с метрологии, например, в таких областях, как производство полупроводников, светодиодов и ЖК-дисплеев. Цифровая печать больших вывесок также является растущим рынком, как и биомедицинский сектор, и даже производство мелких деталей. Наши клиенты используют пары линейных двигателей в портальных конфигурациях для сборки. Если вам нужна максимальная производительность, высокое ускорение и скорость, которые обеспечивают эти двигатели, являются преимуществом. В последнее время мы занимаемся производством топливных элементов, а также трафаретной резкой.
Это отвечает на вопрос «где?», но как насчёт вопроса «сколько?». Технология линейных двигателей разрабатывается уже несколько десятилетий, но какова её рыночная позиция? Мы нечасто сталкиваемся с ними из-за высокой стоимости, но в некоторых случаях они весьма полезны.
Мы связываем это с жизненным циклом потребителя. Есть новаторы, ранние последователи, раннее большинство, позднее большинство и отстающие. Сейчас мы находимся на этапе, когда линейные двигатели становятся всё более распространённым явлением. Мы переходим к этому раннему большинству.
Цена линейных двигателей снижается по мере оптимизации производственного процесса и роста объёмов, поэтому мы видим их всё в большем количестве применений. [Aerotech] также производит ступени с шарико-винтовыми приводами. Я бы сказал, что на данный момент мы продаём столько же ступеней с линейными двигателями, сколько и ступеней с шарико-винтовыми приводами, если не больше. Мы внедряем их во всё большее количество применений. Десять лет назад большинство применений были лабораторными, в чистых условиях. Сейчас мы применяем их в гораздо большем количестве промышленных применений. Один из сегментов, которым я занимаюсь, — это автомобилестроение, и мы всё чаще применяем линейные двигатели в автомобильной промышленности.
В зависимости от конфигурации, вы можете получить решение с линейным двигателем практически дешевле, чем ременной привод. Вы получаете преимущество линейного двигателя с прямым приводом, быстрым временем отклика и отсутствием жёсткости пружины, как у ременного привода, при очень схожей цене. Недостаток же заключается в отсутствии механического преимущества ремня и шкива/редуктора, обеспечивающего дополнительную силу.
Преимущества и недостатки — вот, собственно, и всё. Тщательно продумайте свою сферу применения, определите свои требования, определите, где находится ваша гибкость. Научившись продумывать компромиссы, вы сможете принять взвешенное решение о том, что лучше всего подойдёт: линейный двигатель или какой-либо другой линейный привод.
Время публикации: 12 июня 2023 г.