Линейный двигатель можно представить как вращающийся серводвигатель, развернутый и расположенный горизонтально для создания принципиально линейного движения. Традиционный линейный актуатор — это механический элемент, преобразующий вращательное движение вращающегося серводвигателя в прямолинейное перемещение. Оба устройства обеспечивают линейное движение, но с очень разными характеристиками и компромиссами. Нет лучшей или худшей технологии — выбор зависит от области применения. Давайте рассмотрим их подробнее.

Общее правило для линейных двигателей заключается в том, что они наиболее эффективны в приложениях, требующих высокого ускорения, высоких скоростей или высокой точности. Например, в метрологии полупроводников, где разрешение и производительность имеют решающее значение, а даже час простоя может стоить десятки тысяч долларов, линейные двигатели являются идеальным решением. Но как быть в менее требовательных ситуациях?

Одной из ранних проблем линейных двигателей была конкурентоспособность по цене. Линейные двигатели требуют использования редкоземельных магнитов, которые являются одним из ограничивающих факторов длины хода. Конечно, теоретически магниты можно располагать практически бесконечно, но на практике, помимо проблемы обеспечения достаточной жесткости на большой длине хода, затраты возрастают, особенно для конструкций с U-образным профилем.

Двигатели с железным сердечником могут создавать ту же силу, используя магниты меньшего размера, чем эквивалентная конструкция без железного сердечника. Поэтому, если основным требованием является «мышечная сила», а технические характеристики достаточно мягкие, чтобы допускать некоторое возмущение в виде пульсаций, приводящее к ошибкам динамического положения или скорости, то железный сердечник может быть наилучшим решением. Если требования к производительности еще менее строгие, порядка микрон, а не нанометров, то, возможно, комбинация с линейным актуатором обеспечит наиболее подходящий компромисс — например, выбрать линейный актуатор для упаковки лекарств, но линейный двигатель для секвенирования ДНК в процессе разработки лекарств.

Продолжительность поездки
Хотя существует множество исключений, оптимальная длина хода для линейных двигателей варьируется от нескольких миллиметров до нескольких метров. При меньшей длине хода более эффективным может быть альтернативный вариант, например, гибкий привод; при большей длине хода, вероятно, лучше подойдут ременные приводы, а затем реечные.

Длина хода линейных двигателей ограничена не только стоимостью и устойчивостью крепления, но и проблемой организации кабелей. Для создания движения необходимо подать питание на привод, а это значит, что силовые кабели должны проходить вместе с ним по всей длине хода. Высокогибкие кабели и соответствующие кабельные каналы стоят дорого, а тот факт, что кабельная разводка является наиболее распространенной причиной отказов в системах управления движением в целом, еще больше усложняет ситуацию.

Конечно, сама природа линейных двигателей может подсказать остроумное решение этой проблемы. Там, где у нас есть такие опасения, мы будем устанавливать привод на неподвижное основание и перемещать магнитную дорожку. Таким образом, все кабели будут подведены к неподвижному приводу. Вы получите немного меньшее ускорение от данного двигателя, потому что вы ускоряете не катушку, а магнитную дорожку, которая тяжелее. Если бы это было необходимо для высоких перегрузок, это было бы не очень хорошо. Но если вам действительно не нужно применение в условиях высоких перегрузок, это может быть очень удачным решением.

Компания Profeta приводит в пример линейные сервомоторы Aerotech с пиковыми усилиями от 28 до 900 фунтов, но и здесь фундаментальная конструкция линейных двигателей позволяет создавать уникальные решения, предлагающие гораздо больше. У нас есть клиенты, которые берут наши самые большие линейные двигатели, соединяют шесть таких двигателей вместе и создают усилие почти в 6000 фунтов. Можно разместить несколько силовых устройств на нескольких направляющих, механически закрепить их вместе, а затем коммутировать их таким образом, чтобы они работали как один двигатель; или можно разместить несколько силовых устройств на одной магнитной направляющей и закрепить их на каретке с грузом, рассматривая их как один двигатель.

Поскольку мы живем в реальном мире, и точное совпадение коммутации невозможно, такой подход приводит к снижению эффективности на несколько процентов, но тем не менее он может обеспечить наилучшее универсальное решение для конкретного приложения.

Личные встречи
С точки зрения силы, как линейные двигатели соотносятся с комбинациями роторных двигателей и линейных актуаторов? Существует существенный компромисс в отношении силы. Мы сравниваем 4-дюймовый восьмиполюсный линейный двигатель без пазов с 4-дюймовым винтовым приводом. Наш восьмиполюсный линейный двигатель имеет пиковую силу 40 фунтов (180 Н) и постоянную силу 11 фунтов (50 Н). В той же конфигурации с серводвигателем NEMA 23 и нашим винтовым приводом максимальная осевая нагрузка составляет 200 фунтов, поэтому, если рассматривать это таким образом, мы видим, что постоянная сила уменьшается примерно в 20 раз.

Фактические результаты будут варьироваться в зависимости от шага винта, диаметра винта, обмоток двигателя и его конструкции, — быстро отмечает он, — и будут ограничены осевыми подшипниками, поддерживающими винт. Линейный двигатель компании с железным сердечником шириной 13 дюймов может создавать пиковое осевое усилие в 1600 фунтов по сравнению с 440 фунтами, которые, например, обеспечивает винтовой привод шириной 6 дюймов, но при этом значительно уменьшается занимаемое пространство.

Перефразируя политический лозунг, всё дело в применении, глупый. Если плотность силы является первостепенной задачей, то актуатор, вероятно, лучший выбор. Если же применение требует быстродействия, например, в высокоточных и высокоскоростных процессах, таких как проверка ЖК-дисплеев, то компромисс между габаритами и силой для достижения необходимой производительности оправдан.

Поддержание чистоты
Загрязнение является серьезной проблемой для систем управления движением в производственных условиях, и линейные двигатели не являются исключением. Одной из главных проблем стандартных конструкций линейных двигателей является воздействие загрязнений, таких как твердые частицы или влага. Это справедливо для конструкций с плоскими платформами и в меньшей степени для конструкций с U-образными профилями.

Полностью герметизировать раствор очень сложно. Нежелательно работать в условиях высокой влажности. Если вы собираетесь использовать линейный двигатель в системе гидроабразивной резки, необходимо создать на него избыточное давление и обеспечить надежную защиту, поскольку электроника линейного двигателя находится непосредственно рядом с приводом.

В случае U-образных конструкций переворачивание U-образной формы может минимизировать вероятность попадания частиц в канал, но это создает проблемы с тепловым режимом, которые могут снизить производительность из-за перемещения массы магнитной направляющей по сравнению с перемещением массы силового элемента. Опять же, это компромисс, и опять же, область применения определяет использование.

На работу линейного двигателя может влиять не только окружающая среда — он сам может создавать проблемы из-за воздействия окружающей среды. В отличие от вращающихся конструкций, большие магниты в линейных двигателях могут нанести серьезный ущерб чувствительным к магнитному полю, например, в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ). Это может стать проблемой даже в более прозаических областях применения, таких как резка металла. Мощные магниты стремятся притянуть каждый металлический кусочек к магнитной дорожке, поэтому линейные двигатели не будут эффективно работать в таких условиях без надлежащей защиты.

Относительно этих приложений…
Итак, где находится оптимальная область применения линейных двигателей? Начнем с метрологии, в таких областях, как производство полупроводников, светодиодов и ЖК-дисплеев. Цифровая печать крупногабаритных вывесок также является растущим рынком, как и биомедицинский сектор, и даже в производстве мелких деталей наши клиенты размещают пары линейных двигателей в портальных конфигурациях для выполнения сборочных задач. Необходимо обеспечить максимально возможную производительность, поэтому высокое ускорение и скорость, которые могут обеспечить эти двигатели, являются преимуществом. В последнее время мы занимаемся производством топливных элементов; трафаретная резка — еще один пример.