Линейные двигатели позволяют достигать высоких скоростей разгона и большой длины перемещения с хорошими осевыми усилиями и чрезвычайно высокой точностью позиционирования, в то время как другие приводные механизмы, такие как ремни, винты или зубчатые передачи, должны жертвовать хотя бы одним из этих требований для достижения остальных. Именно поэтому линейные двигатели являются предпочтительным выбором для высокодинамичных применений, таких как метрология и производство полупроводников.

На самом деле, судя по их техническим характеристикам, линейные двигатели кажутся идеальным решением для удовлетворения противоречивых требований, часто встречающихся в приложениях линейного перемещения. Но это поднимает вопрос: «Почему линейные двигатели не получили более широкого распространения?»

Чтобы понять, почему темпы внедрения линейных двигателей все еще отстают от других технологий привода — таких как ремни, винты или реечные передачи, — давайте рассмотрим некоторые преимущества и недостатки конструкций линейных двигателей.

Выделение 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 непрерывный и прерывистый диапазоны работы для данной комбинации двигателя и привода, основаны на способности двигателя рассеивать тепло при заданных условиях эксплуатации.

Выделение тепла может быть еще большей проблемой для линейных двигателей, чем для роторных, поскольку нагрузка крепится к двигателю, в котором находятся обмотки двигателя. (В некоторых конструкциях линейных двигателей нагрузка может крепиться к магнитной дорожке, хотя это может быть осуществимо только для коротких ходов.) А в безжелезных линейных двигателях обмотки заключены в эпоксидную смолу, которая рассеивает тепло не так эффективно, как металлы, такие как железо или алюминий.

Это означает, что тепло легко передается на нагрузку и окружающие компоненты, вызывая термическое расширение, деградацию или, в крайних случаях, повреждение или выход из строя. Даже если нагрузка остается неизменной, накопление тепла может снизить непрерывную выходную мощность двигателя. Для борьбы с этим в некоторых областях применения требуется принудительное воздушное или жидкостное охлаждение, что увеличивает стоимость, габариты и сложность конструкции.

Защита от загрязнения

Из-за открытой конструкции и открытых магнитов плоские линейные двигатели с железным сердечником и U-образные двигатели без сердечника трудно защитить от загрязнения. Хотя поддерживающие линейные направляющие можно защитить с помощью различных стандартных уплотнений и скребков, открытые магниты линейного двигателя могут притягивать частицы железа, образующиеся в результате механической обработки или просто из-за загрязнений в воздухе, часто встречающихся в производственных и заводских условиях. А загрязнение жидкостью может повредить чувствительную электронику или нарушить работу систем обратной связи.

Конечно, можно разработать защитные кожухи и внешние конструкции, предотвращающие загрязнение, но они могут затруднить отвод тепла от двигателя, усугубляя описанные выше проблемы, связанные с перегревом.

Компенсация вибраций и колебаний

Одним из ключевых преимуществ линейных двигателей 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 страдают от люфта, скручивания и податливости, что является важным фактором, обеспечивающим очень высокую точность позиционирования и выполнение высокодинамичных движений с быстрыми темпами ускорения и замедления.

Однако механические компоненты трансмиссии могут быть полезны в системах перемещения, обеспечивая механизм демпфирования колебаний и ослабляя возмущения, такие как реакции от сил обработки или вибрации, вызванные движением груза. А без этого «встроенного» демпфирующего эффекта колебания и вибрации могут препятствовать достижению линейными двигателями желаемой точности позиционирования или времени установления.

Для обеспечения возможности системы реагировать на незатухающие вибрации и колебания и корректировать их воздействие, линейные двигатели часто требуют контуров управления скоростью, положением и током (силой) с более высокой частотой, а также более широкой полосой пропускания контура управления током. Система обратной связи по положению — как правило, оптический или магнитный линейный энкодер — также должна обладать более высоким разрешением, чтобы контроллер мог более точно отслеживать положение двигателя и нагрузки. Даже рама машины или опорная конструкция должны быть достаточно жесткими (с высокой собственной частотой), чтобы оставаться относительно невосприимчивыми к ударам и вибрациям и выдерживать силы, создаваемые линейным двигателем.

Иными словами, поскольку количество компонентов, помогающих компенсировать вибрации и возмущения, меньше, контуры обратной связи и управления должны обеспечивать более быструю и точную связь, чтобы система могла достичь динамических характеристик с высокой точностью.

Первоначальные затраты против общей стоимости владения

И наконец, одним из ключевых ограничивающих факторов широкого распространения линейных двигателей по-прежнему остается высокая первоначальная стоимость. Хотя существует множество сравнений, демонстрирующих более низкую общую стоимость владения (TCO) линейных двигателей по сравнению с традиционными ременными, винтовыми или реечными системами в некоторых областях применения, первоначальная стоимость системы линейного двигателя по-прежнему является препятствием для внедрения для инженеров и проектировщиков, которым необходимо обеспечить соответствие техническим характеристикам в рамках ограниченного бюджета. Например: для применений с очень большими длинами перемещения – одной из областей, где линейные двигатели демонстрируют свои преимущества – стоимость магнитов и высокоточных линейных энкодеров, необходимых для обеспечения требуемого перемещения, может сделать решение с линейным двигателем неприемлемым.

Рост внедрения линейных двигателей обусловлен нетрадиционными областями их применения.

Несмотря на потенциальные трудности, связанные с выделением тепла, защитой от загрязнения, высокоскоростным управлением и стоимостью, темпы внедрения линейных двигателей растут. Ранее считавшиеся нишевыми решениями для полупроводниковой промышленности, метрологии и тяжелой обработки, линейные двигатели с железным сердечником, безжелезные и трубчатые линейные двигатели теперь используются в автомобильной, пищевой, упаковочной и полиграфической отраслях, где перемещения могут быть не такими сложными, а требования к точности — не такими высокими, но где преимущества меньшего количества компонентов, меньшего времени простоя и большей производительности оправдывают дополнительные затраты и конструктивные соображения.