Doğrusal motorlar giderek yaygınlaşıyor. Makinelere mutlak en yüksek hassasiyeti ve dinamik performansı sağlıyorlar.

Lineer motorlar, konumlandırma için çok hızlı ve hassas olmalarının yanı sıra, makine kafaları ve kızakların yanı sıra takım ve parça taşıma sistemleri için de yavaş, sabit hareket hızına sahip olabilirler. Lazer cerrahisi, görüntü denetimi ve şişe ve bagaj taşıma gibi çeşitli uygulamalar, son derece güvenilir olmaları, az bakım gerektirmeleri ve üretim döngülerini iyileştirmeleri nedeniyle lineer motorları kullanır.

Daha yüksek hız ve kuvvet

Doğrusal motorlar, yüklerine doğrudan bağlanır; bu da mekanik kaplinler, kasnaklar, zamanlama kayışları, bilyalı vidalar, zincir tahrikleri ve kremayer dişliler gibi birçok bağlantı bileşenini ortadan kaldırır. Bu da maliyetleri ve hatta boşluğu azaltır. Doğrusal motorlar ayrıca tutarlı hareket, yüz milyonlarca döngü için hassas konumlandırma ve daha yüksek hızlar sağlar.

Lineer motorlarla elde edilebilen tipik hızlar değişiklik gösterir: Çok sayıda kısa hareket yapan alma ve yerleştirme makineleri ve denetim ekipmanları bu motorları kullanır.doğrusal kademeli motorlarSaniyede 60 inç'e varan hızlarda; uçan makas uygulamaları ve daha uzun hareketler yapan alma ve yerleştirme makinelerinde kullanılır.dişlisiz fırçasızSaniyede 200 inç'e kadar hızlar için doğrusal motorlar; hız trenlerinde, araç fırlatma sistemlerinde ve yolcu taşıma araçlarında doğrusal motorlar kullanılır.AC indüksiyonuMotorların saniyede 2.000 inç hıza ulaşması.

Doğrusal motor teknolojisinin hangisinin en iyi olduğunu belirleyen bir diğer faktör: Uygulama yükünü hareket ettirmek için gereken kuvvet. Yük veya kütle, uygulamanın ivme profiliyle birlikte bu kuvveti belirler.

Her uygulama farklı zorluklar sunar; ancak genel olarak, parça transfer sistemlerinde 220 N veya 50 lb'ye kadar kuvvet uygulayan doğrusal step motorlar kullanılır; yarı iletken, lazer kesim, su jeti kesim ve robotik uygulamalarında 2.500 N'ye kadar fırçasız dişlisiz motorlar kullanılır; konveyör sistemlerinde 2.200 N'ye kadar doğrusal AC indüksiyon motorları kullanılır; ve transfer hatları ve takım tezgahlarında 14.000 N'ye kadar demir çekirdekli fırçasız motorlar kullanılır. Her uygulamanın farklı olduğunu ve üretici uygulama mühendislerinin genellikle bu spesifikasyon aşamasında yardım sağladığını unutmayın.

Hız ve kuvvetin yanı sıra başka faktörler de mevcuttur. Örneğin, konveyör sistemlerinde uzun hareket mesafeleri ve kalıcı mıknatıslar olmadan pasif bir ikincil sargıya sahip olmanın avantajları nedeniyle doğrusal AC indüksiyon motorları kullanılır. Lazer göz ameliyatı ve yarı iletken üretimi gibi uygulamalarda ise hassasiyet ve hareketin düzgünlüğü için fırçasız, dişlisiz motorlar tercih edilir.

Temel çalışma

Doğrusal motorlar, iki elektromanyetik kuvvetin etkileşimi yoluyla çalışır; bu etkileşim, döner motorlarda tork üreten temel etkileşimle aynıdır.

Döner bir motoru kesip düzleştirdiğinizi hayal edin: Bu, doğrusal bir motorun geometrisi hakkında kabaca bir fikir verir. Tork için dönen bir şafta yük bağlamak yerine, doğrusal hareket ve kuvvet için yük düz, hareketli bir yüzeye bağlanır. Kısacası, tork, döner motorun sağladığı işin ifadesidir, oysa kuvvet, doğrusal motorun yaptığı işin ifadesidir.

Kesinlik

Öncelikle geleneksel bir döner kademeli motor sistemini ele alalım: İnç başına 5 devir adımına sahip bir bilyalı vidaya bağlı olduğunda, hassasiyet yaklaşık 0,004 ila 0,008 inç veya 0,1 ila 0,2 mm'dir. Servo motorla çalışan bir döner sistemin hassasiyeti ise 0,001 ila 0,0001 inç arasındadır.

Buna karşılık, doğrudan yüke bağlanan doğrusal bir motor, 0,0007 ila 0,000008 inç arasında bir doğruluk sağlar. Bu rakamlara kaplin ve bilyalı vida boşluğu dahil edilmemiştir ve bunlar döner sistemlerin doğruluğunu daha da düşürür.

Göreceli doğruluk değişir: Burada detaylandırdığımız tipik döner kademeli motor, insan saçının çapına kadar doğru konumlandırma yapabilir. Bununla birlikte, servo motorlar bunu 80 kata kadar iyileştirirken, doğrusal motorlar bunu daha da geliştirerek insan saçının çapından 500 kat daha küçük bir hassasiyete ulaşabilir.

Bazen bakım ve maliyet (ekipmanın ömrü boyunca) doğruluktan daha önemli hususlar olabilir. Doğrusal motorlar burada da üstünlük sağlar: Temassız parçalar makine çalışmasını iyileştirdiği ve arızalar arasındaki ortalama süreyi artırdığı için, doğrusal motorların kullanımıyla bakım maliyetleri genellikle azalır. Ek olarak, doğrusal motorların sıfır boşluk özelliği şoku ortadan kaldırarak makine ömrünü daha da uzatır. Diğer faydalar: Bakım döngüleri arasındaki süre artırılarak daha fazla operasyonel akış sağlanabilir. Daha az bakım ve personel ihtiyacı, kârı artırır ve ekipmanın ömrü boyunca sahip olma maliyetini düşürür.

Faydaların karşılaştırılması

Uygulamalar doğrusal hareket gerektirir. Döner motor kullanılıyorsa, döner hareketi doğrusal harekete dönüştürmek için mekanik bir dönüştürme mekanizması gereklidir. Burada tasarımcılar, sınırlamaları en aza indirirken uygulamaya en uygun dönüştürme mekanizmasını seçerler.

• Lineer motor ile kayış ve kasnak sisteminin karşılaştırması:Döner motorlardan doğrusal hareket elde etmek için yaygın bir yaklaşım, kayış ve kasnak kullanmaktır. Tipik olarak, itme kuvveti kayışın çekme dayanımı ile sınırlıdır; hızlı başlatmalar ve durdurmalar kayışın gerilmesine ve dolayısıyla rezonansa neden olarak yerleşme süresini artırabilir. Mekanik sarılma, boşluk ve kayış gerilmesi ayrıca tekrarlanabilirliği, doğruluğu ve makine verimliliğini düşürür. Servo hareketinde hız ve tekrarlanabilirlik en önemli unsur olduğundan, bu en iyi seçim değildir. Kayış-kasnak tasarımı 3 m/sn hıza ulaşabilirken, doğrusal motor 10 m/sn hıza ulaşabilir. Herhangi bir boşluk veya sarılma olmadan, doğrudan tahrikli doğrusal motorlar tekrarlanabilirliği ve doğruluğu daha da artırır.
• Lineer motor ile kremayer dişli mekanizmasının karşılaştırılması:Dişli çarklar, kayış ve kasnak tasarımlarına göre daha fazla itme kuvveti ve mekanik sağlamlık sağlar. Bununla birlikte, zamanla çift yönlü aşınma, tekrarlanabilirliği ve doğruluğu sorgulanabilir hale getirir; bu da bu mekanizmanın başlıca dezavantajlarıdır. Boşluk, motor geri beslemesinin gerçek yük konumunu algılamasını engeller, bu da kararsızlığa yol açar ve daha düşük kazançlara ve daha yavaş genel performansa neden olur. Buna karşılık, doğrusal motorlarla çalışan makineler daha hızlıdır ve daha doğru konumlandırma yapar.
• Lineer motor ile bilyalı vidalı sistem karşılaştırması:Döner hareketi doğrusal harekete dönüştürmenin en yaygın yolu, kurşun vida veya bilyalı vida kullanmaktır. Bunlar ucuzdur ancak daha az verimlidir: Kurşun vidalar genellikle %50 veya daha az, bilyalı vidalar ise yaklaşık %90 verimliliğe sahiptir. Yüksek sürtünme ısı üretir ve uzun süreli aşınma doğruluğu azaltır. Hareket mesafesi mekanik olarak sınırlıdır. Ek olarak, doğrusal hız sınırları yalnızca adım aralığını artırarak genişletilebilir, ancak bu konum çözünürlüğünü düşürür; aşırı yüksek dönüş hızı da vidaların titreşmesine ve sonuç olarak titreşime neden olabilir. Doğrusal motorlar uzun, sınırsız hareket mesafesi sağlar. Yükte bir enkoder ile uzun vadeli doğruluk genellikle ±5 µm/300 mm'dir.

Temel doğrusal motor tipleri

Döner motor teknolojilerinde olduğu gibi, doğrusal motor tiplerinde de çeşitli farklılıklar vardır: kademeli motor, fırçasız motor ve doğrusal AC indüksiyon motoru bunlardan bazılarıdır. Doğrusal teknolojinin, endüstride yaygın olarak bulunan sürücüler (amplifikatörler), konumlandırıcılar (hareket kontrolörleri) ve geri besleme cihazları (Hall sensörleri ve enkoderler gibi) kullandığını unutmayın.

Birçok tasarım özel lineer motorlardan fayda görür, ancak genellikle standart tasarımlar da yeterlidir.

Fırçasız demir çekirdekli lineer motorlarBu motorlar, manyetik akıyı yönlendirmek için hareketli kuvvetlendiricide çelik laminasyon ile karakterize edilir. Bu motor tipi daha yüksek kuvvet değerlerine sahiptir ve daha verimlidir, ancak karşılaştırılabilir büyüklükteki dişlisiz motorlardan üç ila beş kat daha ağırdır. Sabit plaka, nikel soğuk haddelenmiş çelik levha üzerine yapıştırılmış çok kutuplu alternatif polariteli kalıcı mıknatıslardan oluşur. Bununla birlikte, hareketli kuvvetlendiricideki çelik laminasyonlar, sabit plakadaki mıknatıslarla etkileşime girerek "çekici" bir kuvvet geliştirir ve motor bir manyetik alandan diğerine geçerken küçük bir miktar dişli hareketi veya dalgalanma göstererek hız değişimlerine neden olur.

Bu motorlar yüksek tepe kuvveti üretir, daha büyük termal kütleye ve uzun termal zaman sabitine sahiptir; bu nedenle, transfer hatlarında ve takım tezgahlarında olduğu gibi çok ağır yükleri hareket ettiren yüksek kuvvetli, aralıklı çalışma döngülü uygulamalar için uygundurlar; sınırsız hareket için tasarlanmışlardır ve örtüşen yörüngelere sahip birden fazla hareketli plaka içerebilirler.

Fırçasız dişsiz motorlarHareketli kuvvetlendiricide çelik laminasyonlar olmadan bir bobin düzeneği bulunur. Bobin, tel, epoksi ve manyetik olmayan destek yapısından oluşur. Bu ünite çok daha hafiftir. Temel tasarım daha az kuvvet ürettiği için, sabit ray üzerine ek mıknatıslar yerleştirilir (kuvveti artırmaya yardımcı olur) ve ray, U şeklinde olup bu U'nun her iki tarafında mıknatıslar bulunur. Kuvvetlendirici, U'nun ortasına yerleştirilir.

Bu motorlar, tarama veya inceleme ekipmanları gibi manyetik takılma olmadan sorunsuz çalışma gerektiren uygulamalar için uygundur. Daha yüksek ivmeleri, yarı iletken yerleştirme, çip ayırma ve lehim ve yapıştırıcı dağıtımında faydalıdır. Bu motorlar sınırsız hareket için tasarlanmıştır.

Doğrusal kademeli motorlarUzun zamandır piyasada bulunan bu hareketli kuvvet motoru, dişlerle hassas bir şekilde oyulmuş lamine çelik çekirdeklerden, tek bir kalıcı mıknatıstan ve lamine çekirdeğe yerleştirilmiş bobinlerden oluşur. (İki bobinin iki fazlı bir kademeli motor oluşturduğunu unutmayın.) Bu düzenek bir alüminyum muhafaza içine yerleştirilmiştir.

Sabit baskı tablası, çelik bir çubuk üzerine fotokimyasal olarak aşındırılmış dişlerden oluşur, taşlanır ve nikel kaplanır. Bu, sınırsız uzunluk için uç uca istiflenebilir. Motor, itici, rulmanlar ve baskı tablası ile birlikte gelir. Mıknatıstan gelen çekim kuvveti, rulmanlar için ön yükleme olarak kullanılır; ayrıca ünitenin çeşitli uygulamalar için ters konumda çalıştırılmasını da sağlar.

AC indüksiyon motorlarıÇelik laminasyonlardan ve faz sargılarından oluşan bir bobin düzeneği olan bir itici üniteden oluşur. Sargılar tek fazlı veya üç fazlı olabilir. Bu, doğrudan çevrimiçi kontrole veya bir invertör veya vektör sürücüsü aracılığıyla kontrole olanak tanır. Sabit plaka (reaksiyon plakası olarak adlandırılır) genellikle soğuk haddelenmiş çeliğe yapıştırılmış ince bir alüminyum veya bakır tabakasından oluşur.

İtici bobin enerjilendirildiğinde, tepki plakasıyla etkileşime girer ve hareket eder. Daha yüksek hızlar ve sınırsız hareket mesafeleri bu tasarımın güçlü yönleridir; malzeme taşıma, yolcu taşıma sistemleri, konveyörler ve sürgülü kapılar için kullanılırlar.

Yeni tasarım konseptleri

En son tasarım iyileştirmelerinin bazıları yeniden mühendislik yoluyla uygulanmıştır. Örneğin, (başlangıçta tek bir düzlemde hareket sağlamak üzere tasarlanmış) bazı doğrusal step motorlar artık iki düzlemde hareket sağlamak üzere yeniden tasarlanmıştır - XY hareketi için. Burada, hareketli kuvvetlendirici, biri X ekseni hareketini, diğeri Y ekseni hareketini sağlayacak şekilde 90° açıyla dik olarak monte edilmiş iki doğrusal step motordan oluşur. Çakışan yörüngelere sahip birden fazla kuvvetlendirici de mümkündür.

Bu iki düzlemli motorlarda, sabit platform (veya plaka), dayanıklılık için yeni bir kompozit yapı kullanır. Rijitlik de iyileştirilmiştir, bu nedenle sapma önceki üretim modellerine kıyasla %60 ila %80 oranında azaltılmıştır. Hassas hareket için plaka düzlüğü 300 mm'de 14 mikronu aşmaktadır. Son olarak: Step motorların doğal bir çekim kuvvetine sahip olması nedeniyle, bu konsept plakanın yüzü yukarı veya ters çevrilmiş olarak monte edilmesine olanak tanıyarak uygulamalar için çok yönlülük ve esneklik sağlar.

Bir diğer mühendislik yeniliği olan su soğutma, doğrusal AC indüksiyon motorlarının kuvvet kapasitesini %25 oranında artırıyor. Bu kapasite artışı ve sınırsız hareket mesafesi avantajıyla AC indüksiyon motorları, birçok uygulama için en yüksek performansı sunuyor: eğlence parkı araçları, bagaj taşıma ve yolcu taşıma sistemleri. Hız, endüstride mevcut olan ayarlanabilir hız sürücüleri sayesinde değişken (6 ila 2000 inç/saniye arasında) ayarlanabiliyor.

Bir başka motor türü ise, hareket sağlamak için doğrusal hareketli bir parçaya sahip sabit silindirik bir gövde içerir. Hareketli parça, bakır kaplı çelikten oluşan bir çubuk, hareketli bir bobin veya silindir içindeki bir piston gibi hareketli bir mıknatıs olabilir.

Bu tasarımlar, doğrusal motorun avantajlarını sunmanın yanı sıra doğrusal aktüatöre benzer bir performans sergiler. Uygulama alanları arasında biyomedikal kolonoskopiler, uzun deklanşörlü aktüatörlere sahip kameralar, titreşim sönümlemesi gerektiren teleskoplar, litografi odaklama motorları, jeneratörleri devreye almak için devre kesicileri çalıştıran jeneratör şalterleri ve tortilla kesimi gibi gıda presleme işlemleri yer almaktadır.

Komple lineer motor paketleri veya platformları, yüklerin konumlandırılması için uygundur. Bunlar motor, geri besleme kodlayıcı, limit anahtarları ve kablo taşıyıcıdan oluşur. Çok eksenli hareket için platformlar üst üste istiflenebilir.

Doğrusal hareket kademelerinin bir avantajı, geleneksel konumlandırıcılarla karşılaştırıldığında daha küçük alanlara sığmalarını sağlayan daha düşük profilleridir. Daha az bileşen, daha yüksek güvenilirlik anlamına gelir. Burada motor, normal tahrik sistemlerine bağlıdır. Kapalı döngü çalışmasında, konum döngüsü bir hareket kontrolörü ile kapatılır.

Yine de, stok ürünlerin yanı sıra, özel ve ısmarlama tasarımlar da bolca mevcuttur. Sonuç olarak, uygulama ihtiyaçlarına uygun en uygun doğrusal ürünü belirlemek için ekipman ihtiyaçlarını bir uygulama mühendisiyle birlikte gözden geçirmek en iyisidir.