I. Princípio dos motores lineares
Motores lineares são dispositivos que convertem diretamente energia elétrica em movimento mecânico linear sem quaisquer mecanismos de conversão intermediários. Eles podem ser considerados motores rotativos que foram cortados radialmente e desdobrados em um plano plano.
Também conhecidos como motores lineares ou atuadores lineares, os tipos mais comuns são planos, canal em U e tubulares. A configuração típica da bobina é trifásica, com comutação de fase sem escova obtida através de sensores de efeito Hall.
Os motores lineares são frequentemente descritos simplesmente como motores rotativos que foram desenrolados, operando segundo o mesmo princípio. O forçador (rotor) é feito comprimindo bobinas junto com material epóxi; a trilha magnética consiste em ímãs (geralmente ímãs de terras raras de alta energia) fixados em aço.
O forçador do motor inclui enrolamentos de bobina, placas de circuito de sensor de efeito Hall, reguladores térmicos (sensores de temperatura que monitoram a temperatura) e interfaces eletrônicas. Em motores rotativos, o forçador e o estator requerem rolamentos rotativos para apoiar o forçador e manter o entreferro das peças móveis. Da mesma forma, os motores lineares precisam de guias lineares para manter a posição da força no campo magnético produzido pela trilha magnética.
Assim como os codificadores montados nos eixos dos servomotores rotativos para realimentar a posição, os motores lineares precisam de codificadores lineares para medir diretamente a posição da carga, melhorando assim a precisão do posicionamento da carga.
O controle dos motores lineares é semelhante ao dos motores rotativos. Assim como os motores rotativos sem escovas, o forçador e o estator não estão mecanicamente conectados (sem escovas).
Ao contrário dos motores rotativos onde o forçador gira e o estator permanece fixo, em sistemas de motores lineares, tanto a trilha magnética quanto a bobina de impulso podem se mover (a maioria dos sistemas de posicionamento tem uma trilha magnética fixa e uma bobina de impulso móvel). Em motores com bobinas de impulso móveis, o peso da bobina de impulso e a carga são muito pequenos.
No entanto, isto requer cabos altamente flexíveis e os seus sistemas de gestão. Em motores com trilhas magnéticas móveis, não apenas a carga, mas também o peso da trilha magnética deve ser suportado, eliminando a necessidade de um sistema de gerenciamento de cabos.
Princípios eletromecânicos semelhantes são usados em motores lineares e rotativos. As mesmas forças eletromagnéticas que produzem torque em motores rotativos geram empuxo linear em motores lineares.
Portanto, os motores lineares utilizam o mesmo controle e configurações programáveis que os motores rotativos. O formato dos motores lineares pode ser plano, canal em U ou tubular, dependendo dos requisitos específicos e do ambiente de trabalho da aplicação.
Os princípios operacionais dos motores lineares podem ser categorizados em dois tipos principais: um onde o motor (parte móvel) viaja dentro de um campo magnético, conhecido como motor linear maglev, e outro onde o motor permanece estacionário dentro do campo magnético e é impulsionado pela força eletromagnética, conhecida como motor linear de impulso eletromagnético.
(1) Motor Linear Maglev
O princípio por trás do motor linear maglev envolve o uso de campos magnéticos para suspender o motor no ar, conseguindo assim um movimento sem contato e sem atrito. Este tipo de motor linear inclui principalmente motores lineares síncronos de ímã permanente (PMSLMs) e motores lineares de suspensão eletromagnética (EMSLMs).
Os PMSLMs exploram a interação entre o campo magnético produzido por ímãs permanentes e o campo magnético do estator para suspender o motor. As principais vantagens dos PMSLMs são sua estrutura simples, baixo custo e operação estável.
No entanto, a intensidade do campo magnético é limitada devido à presença de ímãs permanentes, resultando em empuxo e velocidade relativamente mais baixos.
Os EMSLMs utilizam a força de levitação magnética gerada por campos eletromagnéticos para suspender o motor. Sua principal vantagem é a maior intensidade do campo magnético, levando a impulso e velocidade relativamente maiores. No entanto, os EMSLMs têm uma estrutura mais complexa e custos mais elevados.
(2) Motor Linear de Impulso Eletromagnético
O motor linear de impulso eletromagnético opera usando força eletromagnética para mover o motor dentro de um campo magnético. Esta categoria inclui principalmente motores lineares de corrente alternada (ACLMs) e motores lineares de corrente contínua (DCLMs).
ACLMs são alimentados pela força eletromagnética gerada pela corrente alternada para mover o motor. As principais vantagens dos ACLMs são a simplicidade, o baixo custo e a operação estável. No entanto, as características da corrente alternada limitam o seu impulso e velocidade.
Os DCLMs usam a força eletromagnética gerada pela corrente contínua para mover o motor. A principal vantagem dos DCLMs é o seu maior impulso e velocidade, mas eles têm uma estrutura mais complexa e são mais caros de implementar.
II. Características dos motores lineares
Antes que motores lineares práticos e acessíveis estivessem disponíveis, todo o movimento linear tinha que ser convertido de máquinas rotativas usando parafusos de esferas, parafusos de rolos, correias ou polias. Para muitas aplicações, especialmente aquelas que envolvem cargas pesadas e eixos de transmissão verticais, estes métodos ainda são os melhores.
No entanto, os motores lineares têm muitas vantagens exclusivas sobre os sistemas mecânicos, como velocidades muito altas e muito baixas, alta aceleração, manutenção praticamente zero (sem peças de contato), alta precisão e sem folga.
Completar o movimento linear apenas com um motor, sem engrenagens, acoplamentos ou polias, faz sentido para muitas aplicações, eliminando peças desnecessárias que reduzem o desempenho e encurtam a vida mecânica.
1) Estrutura simples.
Os motores lineares tubulares produzem diretamente movimento linear sem mecanismos de conversão intermediários, simplificando bastante a estrutura, reduzindo a inércia do movimento e melhorando significativamente a resposta dinâmica e a precisão do posicionamento. Isso também aumenta a confiabilidade, economiza custos e simplifica a fabricação e a manutenção. Seu primário e secundário podem se tornar diretamente parte do mecanismo, uma combinação única que mostra ainda mais essas vantagens.
2) Adequado para movimento linear de alta velocidade.
Como não há restrições da força centrífuga, os materiais comuns podem atingir velocidades mais altas. Além disso, se forem usadas almofadas de ar ou magnéticas para manter a distância entre o primário e o secundário, não há contato mecânico durante o movimento e, portanto, não há atrito ou ruído. Isso significa que as peças da transmissão não apresentam desgaste, reduzindo bastante as perdas mecânicas e evitando ruídos de cabos, cabos de aço, engrenagens e polias, aumentando assim a eficiência geral.
3) Alta utilização de enrolamentos primários.
Em motores de indução lineares tubulares, os enrolamentos primários têm formato de panqueca, sem enrolamentos nas extremidades, resultando em alta utilização do enrolamento.
4) Sem efeitos de borda transversal.
Os efeitos transversais referem-se ao enfraquecimento do campo magnético nas fronteiras devido a quebras transversais. Os motores lineares cilíndricos não possuem quebras transversais, portanto o campo magnético é distribuído uniformemente circunferencialmente.
5) Superar facilmente a atração magnética unilateral.
As forças de tração radial se anulam, praticamente eliminando o problema da tração magnética unilateral.
6) Fácil de ajustar e controlar.
Ajustando a tensão ou frequência, ou alterando o material secundário, diferentes velocidades e impulsos eletromagnéticos podem ser alcançados, adequados para operações alternativas de baixa velocidade.
7) Forte adaptabilidade.
O núcleo primário do motor linear pode ser encapsulado com resina epóxi, proporcionando boa resistência à corrosão e à umidade, tornando-o adequado para uso em ambientes úmidos, empoeirados e com gases nocivos. Além disso, pode ser projetado em diversas estruturas para atender diferentes necessidades.
8) Alta aceleração.
Esta é uma vantagem significativa dos acionamentos de motores lineares em comparação com outros acionamentos de parafuso, correia síncrona e cremalheira.
III. Aplicações de motores lineares
Os motores lineares, conhecidos por sua eficiência, precisão e alta velocidade, são amplamente utilizados em vários campos.
- Transporte
No setor de transportes, os motores lineares são empregados principalmente em trens de alta velocidade, metrôs e elevadores. Por exemplo, os trens maglev alemães utilizam motores lineares de levitação magnética, resultando em velocidades mais altas e níveis de ruído reduzidos.
Além disso, motores lineares podem ser integrados nos sistemas de acionamento de veículos elétricos para melhorar o seu desempenho.
- Manufaturação industrial
Na fabricação industrial, os motores lineares são usados principalmente em máquinas-ferramentas CNC e robôs. Por exemplo, os sistemas de alimentação de ferramentas em máquinas-ferramenta CNC são acionados por motores lineares, oferecendo maior precisão de usinagem e tempos de resposta rápidos.
Além disso, motores lineares podem ser aplicados em correias transportadoras e robôs de manuseio em linhas de produção automatizadas, aumentando assim a produtividade.
- Campo médico
Na área médica, os motores lineares são aplicados principalmente em dispositivos de imagem médica, como tomógrafos e aparelhos de ressonância magnética. Esses dispositivos exigem controle preciso do alcance e da velocidade de varredura de raios X ou campos magnéticos, e os motores lineares fornecem alta precisão e controle de velocidade, aumentando a precisão e a eficiência dos diagnósticos.
- Pesquisa científica
Na pesquisa científica, os motores lineares são usados com destaque em aceleradores de partículas e telescópios astronômicos. Por exemplo, os anéis aceleradores do Grande Colisor de Hádrons (LHC) empregam motores lineares, que permitem maiores capacidades de aceleração e desempenho operacional mais estável.
Além disso, motores lineares podem ser utilizados nos sistemas de focagem automática de telescópios astronômicos, melhorando a precisão e a eficiência das observações.
