Лінійні двигуни можуть досягати високих швидкостей прискорення та великих довжин переміщення з хорошими силами тяги та надзвичайно високою точністю позиціонування, тоді як інші приводні механізми, такі як ремені, гвинти або рейки та шестерні, повинні пожертвувати принаймні однією з цих вимог, щоб досягти інших. Саме тому лінійні двигуни є кращим вибором для високодинамічних застосувань, таких як метрологія та виробництво напівпровідників.

Фактично, виходячи з їхніх технічних характеристик, лінійні двигуни здаються ідеальним рішенням для задоволення конкуруючих вимог, які часто зустрічаються в застосуваннях лінійного руху. Але це викликає питання: «Чому лінійні двигуни не отримують більшого поширення?»

Щоб зрозуміти, чому темпи впровадження лінійних двигунів все ще відстають від інших технологій приводів, таких як ремінні, гвинтові або рейкові приводи, давайте розглянемо деякі переваги та недоліки конструкцій лінійних двигунів.

Виділення та розсіювання тепла

Під час визначення розміру та вибору двигуна — обертового чи лінійного — одним із основних міркувань є тепло. Фактично, криві залежності крутного моменту (або сили) від швидкості, які зображують безперервні та переривчасті робочі діапазони для заданої комбінації двигун-привід, базуються на здатності двигуна розсіювати тепло за певних робочих умов.

Виділення тепла може бути ще більш проблематичним для лінійних двигунів, ніж для роторних, оскільки навантаження кріпиться до силового механізму, який містить обмотки двигуна. (У деяких конструкціях лінійних двигунів навантаження може бути встановлене на магнітній доріжці, хоча це може бути можливо лише для коротких ходів.) А в лінійних двигунах без заліза обмотки інкапсульовані епоксидною смолою, яка не розсіює тепло так легко, як метали, такі як залізо або алюміній.

Це означає, що тепло легко передається навантаженню та навколишнім компонентам, що призводить до теплового розширення, деградації або, в крайніх випадках, пошкодження чи виходу з ладу. Навіть якщо навантаження не змінюється, накопичення тепла може зменшити безперервну вихідну потужність двигуна. Щоб боротися з цим, деякі застосування потребують примусового повітряного або рідинного охолодження, що збільшує вартість, займану площу та складність.

Захист від забруднення

Через відкриту конструкцію та відкриті магніти, плоскі лінійні двигуни із залізним сердечником та U-подібні конструкції без заліза може бути важко захистити від забруднення. Хоча опорні лінійні напрямні можна захистити різними стандартними ущільненнями та скребками, відкриті магніти лінійного двигуна можуть притягувати частинки заліза під час механічної обробки або просто від забруднення повітря, яке часто зустрічається у виробничому та заводському середовищі. А рідке забруднення може пошкодити чутливу електроніку або перешкодити роботі систем зворотного зв'язку.

Звичайно, кришки та зовнішні конструкції можуть бути розроблені для захисту від забруднення, але вони можуть ускладнити відведення тепла двигуном, що посилить проблеми, пов'язані з нагріванням, описані вище.

Компенсація вібрації та коливань

Однією з ключових переваг лінійних двигунів є те, що вони усувають необхідність використання механічних компонентів передачі енергії, таких як гвинти, ремені, редуктори та муфти, між двигуном і навантаженням. Це означає, що лінійні двигуни не страждають від люфту, намотування та податливості, що є основним фактором їхньої здатності досягати дуже високої точності позиціонування та виконувати високодинамічні рухи з швидким розгоном і уповільненням.

Але компоненти механічної передачі можуть бути корисними в системі руху, забезпечуючи механізм демпфування коливань та послаблюючи збурення, такі як реакції від сил обробки або вібрації, викликані рухом вантажу. А без цього «вбудованого» ефекту демпфування коливання та вібрації можуть перешкоджати лінійним двигунам досягати бажаної точності позиціонування або часу стабілізації.

Щоб система могла реагувати на вплив цих незатухаючих коливань та вібрацій, а також вносити корективи, системи лінійних двигунів часто потребують контурів керування швидкістю, положенням та струмом (силою) з вищою частотою, а також ширшої смуги пропускання петлі струму. Система зворотного зв'язку за положенням — зазвичай оптичний або магнітний лінійний енкодер — також повинна мати вищу роздільну здатність, щоб контролер міг точніше відстежувати положення двигуна та навантаження. Навіть рама машини або опорна конструкція повинні бути достатньо жорсткими (з високою власною частотою), щоб залишатися відносно стійкими до ударів та вібрацій і витримувати сили, що генеруються лінійним двигуном.

Іншими словами, оскільки компонентів, які допомагають компенсувати вібрації та збурення, менше, контури зворотного зв'язку та керування повинні мати можливість швидше та точніше взаємодіяти, щоб система досягла динамічної та високоточної роботи.

Початкові витрати порівняно з загальною вартістю володіння

І нарешті, одним із ключових обмежувальних факторів широкого впровадження лінійних двигунів залишається початкова вартість. Хоча існує безліч порівнянь, які демонструють нижчу загальну вартість володіння (TCO) лінійних двигунів порівняно з традиційними ремінними, гвинтовими або рейковими рішеннями в деяких застосуваннях, початкова вартість системи лінійного двигуна все ще є перешкодою для впровадження інженерами та конструкторами, які мають завдання дотримуватися специфікацій продуктивності в рамках обмеженого бюджету. Приклад: для застосувань з дуже великими довжинами ходу – однієї з областей, де лінійні двигуни переважають – вартість магнітів та лінійних енкодерів високої роздільної здатності для задоволення вимог до ходу може зробити рішення з лінійним двигуном непридатним для розгляду.

Нетрадиційні застосування стимулюють зростання темпів впровадження лінійних двигунів

Незважаючи на потенційні труднощі, пов'язані з виділенням тепла, захистом від забруднення, керуванням з високою пропускною здатністю та вартістю, темпи впровадження лінійних двигунів зростають. Лінійні двигуни із залізним сердечником, без заліза та трубчасті, які колись вважалися нішевими рішеннями для напівпровідників, метрології та важкої обробки, тепер використовуються в автомобільній, харчовій, пакувальній та поліграфічній промисловості, де переміщення можуть бути не такими складними, а вимоги до точності – такими високими, але де переваги меншої кількості компонентів, меншого часу простою та вищої пропускної здатності виправдовують додаткові витрати та конструктивні особливості.