Линейные двигатели способны достигать высоких значений ускорения и больших перемещений, обеспечивая при этом высокую тягу и чрезвычайно высокую точность позиционирования, в то время как другие приводные механизмы, такие как ремни, винты или реечные передачи, должны пожертвовать хотя бы одним из этих требований ради достижения остальных. Именно поэтому линейные двигатели являются предпочтительным выбором для высокодинамичных приложений, таких как метрология и производство полупроводников.

Фактически, судя по их эксплуатационным характеристикам, линейные двигатели представляются идеальным решением для удовлетворения конкурирующих требований, часто встречающихся в системах линейного перемещения. Но возникает вопрос: «Почему линейные двигатели не получили более широкого распространения?»

Чтобы понять, почему темпы внедрения линейных двигателей по-прежнему отстают от других приводных технологий — таких как ременные, винтовые или реечные передачи — давайте рассмотрим некоторые преимущества и недостатки конструкций линейных двигателей.

Генерация и рассеивание тепла

При выборе двигателя — будь то роторный или линейный — одним из основных факторов является тепловыделение. Фактически, кривые зависимости крутящего момента (или силы) от скорости, которые отображают непрерывные и прерывистые режимы работы для данной комбинации двигателя и привода, основаны на способности двигателя рассеивать тепло в заданных рабочих условиях.

Выделение тепла может быть даже более проблематичным для линейных двигателей, чем для роторных, поскольку нагрузка крепится к силовому агрегату, содержащему обмотки двигателя. (В некоторых конструкциях линейных двигателей нагрузка может крепиться к магнитной дорожке, хотя это может быть осуществимо только для коротких ходов.) А в линейных двигателях без сердечника обмотки залиты эпоксидной смолой, которая не так хорошо рассеивает тепло, как металлы, такие как железо или алюминий.

Это означает, что тепло легко передается нагрузке и окружающим компонентам, вызывая тепловое расширение, ухудшение характеристик или, в крайних случаях, повреждение или отказ. Даже если нагрузка не изменяется, накопление тепла может снизить непрерывную выходную мощность двигателя. Для решения этой проблемы в некоторых системах требуется принудительное воздушное или жидкостное охлаждение, что увеличивает стоимость, занимаемую площадь и сложность конструкции.

Защита от загрязнения

Из-за открытой конструкции и открытых магнитов линейные двигатели с плоским железным сердечником и U-образные линейные двигатели без железного сердечника сложно защитить от загрязнений. Хотя опорные линейные направляющие можно защитить различными стандартными уплотнениями и скребками, открытые магниты линейного двигателя могут притягивать ферромагнитные частицы, образующиеся в процессе механической обработки, или просто загрязняющие частицы из воздуха, часто встречающиеся в производственных и заводских условиях. Жидкие загрязнения могут повредить чувствительную электронику или нарушить работу систем обратной связи.

Конечно, можно спроектировать крышки и внешние конструкции для защиты от загрязнения, но они могут затруднить рассеивание тепла двигателем, усугубляя описанные выше проблемы, связанные с нагревом.

Компенсация вибрации и колебаний

Одним из ключевых преимуществ решения с линейным двигателем является отсутствие необходимости в механических компонентах передачи мощности, таких как винты, ремни, редукторы и муфты, между двигателем и нагрузкой. Это означает, что линейные двигатели не подвержены влиянию люфта, скручивания и податливости, что является важным фактором, обеспечивающим их способность достигать очень высокой точности позиционирования и выполнять высокодинамичные перемещения с быстрыми ускорениями и замедлениями.

Однако компоненты механической трансмиссии могут быть полезны в системе движения, обеспечивая демпфирование колебаний и смягчение возмущений, таких как реакции от сил обработки или вибрации, вызванные движением груза. Без этого «встроенного» демпфирующего эффекта колебания и вибрации могут помешать линейным двигателям достичь желаемой точности позиционирования или времени установления.

Чтобы система могла реагировать на эти незатухающие вибрации и колебания и корректировать их, системам линейных двигателей часто требуются контуры управления скоростью, положением и током (силой) с более высокой частотой, а также более широкая полоса пропускания контура тока. Система обратной связи по положению — обычно оптический или магнитный линейный энкодер — также должна иметь более высокое разрешение, чтобы контроллер мог точнее отслеживать положение двигателя и нагрузки. Даже рама машины или опорная конструкция должны быть достаточно жёсткими (с высокой собственной частотой), чтобы оставаться относительно устойчивыми к ударам и вибрациям и выдерживать усилия, создаваемые линейным двигателем.

Другими словами, поскольку имеется меньше компонентов, помогающих компенсировать вибрации и возмущения, контуры обратной связи и управления должны иметь возможность взаимодействовать быстрее и точнее, чтобы система достигала динамичной, высокоточной производительности.

Первоначальные затраты в сравнении с общей стоимостью владения

И наконец, одним из ключевых сдерживающих факторов широкого внедрения линейных двигателей по-прежнему остаются первоначальные затраты. Несмотря на многочисленные сравнительные исследования, демонстрирующие более низкую совокупную стоимость владения (TCO) линейными двигателями по сравнению с традиционными решениями с ременным, винтовым или реечным приводом в некоторых приложениях, первоначальные затраты на систему с линейным двигателем по-прежнему являются препятствием для внедрения для инженеров и конструкторов, которым необходимо соответствовать заявленным характеристикам в рамках ограниченного бюджета. Например: в приложениях с очень большой длиной хода — одной из областей, где линейные двигатели превосходны — стоимость магнитов и линейных энкодеров высокого разрешения, необходимых для обеспечения требуемого перемещения, может существенно снизить стоимость решения с линейным двигателем.

Нетрадиционные применения стимулируют рост темпов внедрения линейных двигателей

Несмотря на потенциальные трудности, связанные с выделением тепла, защитой от загрязнений, управлением с высокой пропускной способностью и стоимостью, линейные двигатели всё чаще внедряются. Линейные двигатели с железным сердечником, безжелезные и трубчатые, ранее считавшиеся узкоспециализированными решениями для полупроводниковой промышленности, метрологии и тяжёлой машинной обработки, теперь используются в автомобильной промышленности, пищевой промышленности, упаковочной промышленности и полиграфии, где перемещение может быть не таким сложным, а требования к точности — не такими высокими, но где преимущества меньшего количества компонентов, меньшего времени простоя и более высокой производительности оправдывают дополнительные затраты и конструктивные особенности.