I. Principio de los motores lineales.
Los motores lineales son dispositivos que convierten directamente la energía eléctrica en movimiento mecánico lineal sin ningún mecanismo de conversión intermedio. Se pueden considerar motores rotativos que han sido cortados radialmente y desplegados en un plano.
También conocidos como motores lineales o actuadores lineales, los tipos más comunes son los planos, de canal en U y tubulares. La configuración típica de la bobina es trifásica, con conmutación de fase sin escobillas lograda mediante sensores de efecto Hall.
Los motores lineales a menudo se describen simplemente como motores rotativos que han sido desenrollados y funcionan según el mismo principio. El forzador (rotor) se fabrica comprimiendo bobinas junto con material epoxi; La pista magnética consta de imanes (normalmente imanes de tierras raras de alta energía) fijados a acero.
El motor forzador incluye devanados de bobina, placas de circuitos de sensores de efecto Hall, reguladores térmicos (sensores de temperatura que monitorean la temperatura) e interfaces electrónicas. En los motores rotativos, el impulsor y el estator requieren cojinetes giratorios para soportar el impulsor y mantener el entrehierro de las piezas móviles. De manera similar, los motores lineales necesitan guías lineales para mantener la posición de la fuerza en el campo magnético producido por la pista magnética.
Al igual que los codificadores montados en los ejes de los servomotores rotativos para retroalimentación de posición, los motores lineales necesitan codificadores lineales para medir directamente la posición de la carga, mejorando así la precisión del posicionamiento de la carga.
El control de los motores lineales es similar al de los motores rotativos. Al igual que en los motores rotativos sin escobillas, el forzador y el estator no están conectados mecánicamente (sin escobillas).
A diferencia de los motores rotativos donde el forzador gira y el estator permanece fijo, en los sistemas de motores lineales tanto la pista magnética como la bobina de impulso pueden moverse (la mayoría de sistemas de posicionamiento tienen una pista magnética fija y una bobina de impulso móvil). En motores con bobinas de impulso móviles, el peso de la bobina de impulso y la carga son muy pequeños.
Sin embargo, esto requiere cables y sistemas de gestión muy flexibles. En motores con pistas magnéticas móviles, no solo se debe soportar la carga sino también el peso de la pista magnética, eliminando la necesidad de un sistema de gestión de cables.
Se utilizan principios electromecánicos similares en motores lineales y rotativos. Las mismas fuerzas electromagnéticas que producen torque en los motores rotativos generan empuje lineal en los motores lineales.
Por lo tanto, los motores lineales utilizan el mismo control y ajustes programables que los motores rotativos. La forma de los motores lineales puede ser plana, de canal en U o tubular, según los requisitos específicos y el entorno de trabajo de la aplicación.
Los principios de funcionamiento de los motores lineales se pueden clasificar en dos tipos principales: uno en el que el motor (parte móvil) viaja dentro de un campo magnético, conocido como motor lineal maglev, y otro en el que el motor permanece estacionario dentro del campo magnético y es impulsado por la fuerza electromagnética, conocida como motor lineal de impulso electromagnético.
(1) Motor lineal Maglev
El principio detrás del motor lineal Maglev implica el uso de campos magnéticos para suspender el motor en el aire, logrando así un movimiento sin contacto y sin fricción. Este tipo de motor lineal incluye principalmente motores lineales síncronos de imanes permanentes (PMSLM) y motores lineales de suspensión electromagnética (EMSLM).
Los PMSLM aprovechan la interacción entre el campo magnético producido por los imanes permanentes y el campo magnético del estator para suspender el motor. Las principales ventajas de los PMSLM son su estructura simple, bajo costo y funcionamiento estable.
Sin embargo, la intensidad del campo magnético es limitada debido a la presencia de imanes permanentes, lo que da como resultado un empuje y una velocidad relativamente menores.
Los EMSLM utilizan la fuerza de levitación magnética generada por campos electromagnéticos para suspender el motor. Su principal ventaja es la mayor intensidad del campo magnético, lo que conduce a un empuje y una velocidad relativamente mayores. Sin embargo, los EMSLM tienen una estructura más compleja y costos más elevados.
(2) Motor lineal de impulso electromagnético
El motor lineal de impulso electromagnético funciona utilizando fuerza electromagnética para mover el motor dentro de un campo magnético. Esta categoría incluye principalmente motores lineales de corriente alterna (ACLM) y motores lineales de corriente continua (DCLM).
Los ACLM funcionan con la fuerza electromagnética generada por la corriente alterna para mover el motor. Las principales ventajas de los ACLM son la simplicidad, el bajo costo y el funcionamiento estable. Sin embargo, las características de la corriente alterna limitan su impulso y velocidad.
Los DCLM utilizan la fuerza electromagnética generada por la corriente continua para mover el motor. La principal ventaja de los DCLM es su mayor empuje y velocidad, pero tienen una estructura más compleja y su implementación es más cara.
II. Características de los motores lineales.
Antes de que estuvieran disponibles motores lineales prácticos y asequibles, todo el movimiento lineal tenía que convertirse en máquinas rotativas mediante husillos de bolas, husillos de rodillos, correas o poleas. Para muchas aplicaciones, especialmente aquellas que involucran cargas pesadas y ejes de transmisión verticales, estos métodos siguen siendo los mejores.
Sin embargo, los motores lineales tienen muchas ventajas únicas sobre los sistemas mecánicos, como velocidades muy altas y muy bajas, alta aceleración, mantenimiento prácticamente nulo (sin piezas en contacto), alta precisión y sin juego.
Completar el movimiento lineal con solo un motor, sin engranajes, acoplamientos ni poleas, tiene sentido para muchas aplicaciones, ya que elimina piezas innecesarias que reducen el rendimiento y acortan la vida mecánica.
1) Estructura sencilla.
Los motores lineales tubulares producen movimiento lineal directamente sin mecanismos de conversión intermedios, lo que simplifica enormemente la estructura, reduce la inercia del movimiento y mejora significativamente la respuesta dinámica y la precisión del posicionamiento. Esto también aumenta la confiabilidad, ahorra costos y simplifica la fabricación y el mantenimiento. Su primario y secundario pueden convertirse directamente en parte del motor, una combinación única que muestra aún más estas ventajas.
2) Adecuado para movimientos lineales de alta velocidad.
Como no existen restricciones a la fuerza centrífuga, los materiales comunes pueden alcanzar velocidades más altas. Además, si se utilizan cojines de aire o magnéticos para mantener la distancia entre el primario y el secundario, no hay contacto mecánico durante el movimiento y, por tanto, no hay fricción ni ruido. Esto significa que las piezas de la transmisión no presentan desgaste, reduciendo en gran medida las pérdidas mecánicas y evitando el ruido de cables, cables, engranajes y poleas, aumentando así la eficiencia general.
3) Alta utilización de los devanados primarios.
En los motores de inducción lineales tubulares, los devanados primarios tienen forma de panqueque, sin devanados finales, lo que resulta en una alta utilización de los devanados.
4) Sin efectos de borde transversal.
Los efectos transversales se refieren al debilitamiento del campo magnético en los límites debido a roturas transversales. Los motores lineales cilíndricos no tienen roturas transversales, por lo que el campo magnético se distribuye uniformemente circunferencialmente.
5) Supere fácilmente la atracción magnética unilateral.
Las fuerzas de tracción radial se anulan entre sí, eliminando prácticamente el problema de la tracción magnética unilateral.
6) Fácil de ajustar y controlar.
Ajustando el voltaje o la frecuencia, o cambiando el material secundario, se pueden lograr diferentes velocidades y pulsos electromagnéticos, adecuados para operaciones alternativas de baja velocidad.
7) Fuerte adaptabilidad.
El núcleo principal del motor lineal se puede encapsular con resina epoxi, lo que proporciona buena resistencia a la corrosión y la humedad, lo que lo hace adecuado para su uso en ambientes húmedos, polvorientos y con gases nocivos. Además, se puede diseñar en diferentes estructuras para satisfacer diferentes necesidades.
8) Alta aceleración.
Esta es una ventaja significativa de los accionamientos de motor lineal en comparación con otros accionamientos de tornillo, correa síncrona y cremallera.
III. Aplicaciones de motores lineales
Los motores lineales, conocidos por su eficiencia, precisión y alta velocidad, se utilizan ampliamente en diversos campos.
- Transporte
En el sector del transporte, los motores lineales se utilizan principalmente en trenes de alta velocidad, metros y ascensores. Por ejemplo, los trenes maglev alemanes utilizan motores lineales de levitación magnética, lo que da como resultado velocidades más altas y niveles de ruido reducidos.
Además, los motores lineales se pueden integrar en los sistemas de propulsión de los vehículos eléctricos para mejorar su rendimiento.
- Manufactura industrial
En la fabricación industrial, los motores lineales se utilizan principalmente en máquinas herramienta CNC y robots. Por ejemplo, los sistemas de alimentación de herramientas en las máquinas herramienta CNC son impulsados por motores lineales, lo que ofrece una mayor precisión de mecanizado y tiempos de respuesta rápidos.
Además, los motores lineales se pueden aplicar a cintas transportadoras y robots de manipulación en líneas de producción automatizadas, aumentando así la productividad.
- Campo médico
En el campo médico, los motores lineales se aplican principalmente en dispositivos de imágenes médicas, como escáneres CT y máquinas de resonancia magnética. Estos dispositivos requieren un control preciso del rango de escaneo y la velocidad de los rayos X o los campos magnéticos, y los motores lineales brindan alta precisión y control de velocidad, lo que aumenta la precisión y la eficiencia del diagnóstico.
- Investigación científica
En la investigación científica, los motores lineales se utilizan de forma destacada en aceleradores de partículas y telescopios astronómicos. Por ejemplo, los anillos aceleradores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) emplean motores lineales, que permiten mayores capacidades de aceleración y un rendimiento operativo más estable.
Además, los motores lineales se pueden utilizar en los sistemas de enfoque automático de los telescopios astronómicos, mejorando la precisión y eficiencia de las observaciones.
