¿Alguna vez se ha preguntado cómo los trenes pueden flotar sobre las vías o cómo los robots consiguen movimientos precisos? Este artículo desvela el fascinante mundo de los motores lineales, explicando sus principios, tipos y ventajas únicas. Descubrirá cómo estos motores revolucionan las industrias con su velocidad, precisión y eficacia. Sumérjase y descubra cómo los motores lineales están dando forma al futuro.
Los motores lineales son dispositivos que convierten directamente la energía eléctrica en movimiento mecánico lineal sin ningún mecanismo de conversión intermedio. Pueden considerarse motores rotativos cortados radialmente y desplegados en un plano.
También conocidos como motores lineales o actuadores lineales, los tipos más comunes son los planos, los de canal en U y los tubulares. La configuración típica de la bobina es trifásica, con conmutación de fases sin escobillas conseguida mediante sensores de efecto Hall.
Los motores lineales suelen describirse simplemente como motores rotativos desenrollados que funcionan según el mismo principio. El forzador (rotor) se fabrica comprimiendo bobinas entre sí con material epoxi; la pista magnética consiste en imanes (normalmente imanes de tierras raras de alta energía) fijados al acero.
El forzador del motor incluye devanados de bobinas, placas de circuitos de sensores de efecto Hall, reguladores térmicos (sensores de temperatura que controlan la temperatura) e interfaces electrónicas. En los motores rotativos, el forzador y el estator necesitan cojinetes rotativos para soportar el forzador y mantener el entrehierro de las piezas móviles. Del mismo modo, los motores lineales necesitan guías lineales para mantener la posición del forzador en el campo magnético producido por la pista magnética.
Al igual que los encóderes montados en los ejes de los servomotores rotativos para retroalimentar la posición, los motores lineales necesitan encóderes lineales para medir directamente la posición de la carga, mejorando así la precisión de posicionamiento de la carga.
El control de los motores lineales es similar al de los motores rotativos. Al igual que los motores rotativos sin escobillas, el forzador y el estator no están conectados mecánicamente (sin escobillas).
A diferencia de los motores rotativos, en los que el forzador gira y el estator permanece fijo, en los sistemas de motores lineales, la pista magnética o la bobina de empuje pueden moverse (la mayoría de los sistemas de posicionamiento tienen una pista magnética fija y una bobina de empuje móvil). En los motores con bobinas de empuje móviles, el peso de la bobina de empuje y de la carga es muy pequeño.
Sin embargo, esto requiere cables muy flexibles y sus sistemas de gestión. En los motores con pistas magnéticas móviles, no solo hay que soportar la carga, sino también el peso de la pista magnética, lo que elimina la necesidad de un sistema de gestión de cables.
Tanto en los motores lineales como en los rotativos se utilizan principios electromecánicos similares. Las mismas fuerzas electromagnéticas que producen par en los motores rotativos generan empuje lineal en los motores lineales.
Por lo tanto, los motores lineales utilizan las mismas configuraciones de control y programación que los motores rotativos. La forma de los motores lineales puede ser plana, en U o tubular, en función de los requisitos específicos y el entorno de trabajo de la aplicación.
Los principios de funcionamiento de los motores lineales pueden clasificarse en dos tipos principales: uno en el que el motor (parte móvil) se desplaza dentro de un campo magnético, conocido como motor lineal maglev, y otro en el que el motor permanece inmóvil dentro del campo magnético y es propulsado por una fuerza electromagnética, conocido como motor lineal de empuje electromagnético.
(1) Motor lineal de levitación magnética
El principio en el que se basa el motor lineal de maglev consiste en utilizar campos magnéticos para suspender el motor en el aire y conseguir así un movimiento sin contacto ni fricción. Este tipo de motor lineal incluye principalmente los motores lineales síncronos de imanes permanentes (PMSLM) y los 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 sencilla, su bajo coste y su funcionamiento estable.
Sin embargo, la intensidad del campo magnético es limitada debido a la presencia de imanes permanentes, lo que se traduce en un empuje y una velocidad relativamente menores.
Los EMSLM utilizan la fuerza de levitación magnética generada por los campos electromagnéticos para suspender el motor. Su principal ventaja es la mayor intensidad del campo magnético, lo que se traduce en un empuje y una velocidad relativamente mayores. Sin embargo, los EMSLM tienen una estructura más compleja y unos costes más elevados.
(2) Motor lineal de empuje electromagnético
El motor lineal de empuje electromagnético funciona utilizando la fuerza electromagnética para mover el motor dentro de un campo magnético. Esta categoría incluye principalmente los motores lineales de corriente alterna (ACLM) y los motores lineales de corriente continua (DCLM).
Los ACLM se alimentan de la fuerza electromagnética generada por la corriente alterna para mover el motor. Las principales ventajas de los ACLM son su sencillez, bajo coste y funcionamiento estable. Sin embargo, las características de la corriente alterna limitan su empuje 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 son más costosos de implementar.
Antes de que existieran motores lineales prácticos y asequibles, todo movimiento lineal tenía que convertirse a partir de maquinaria rotativa utilizando husillos de bolas, husillos de rodillos, correas o poleas. Para muchas aplicaciones, especialmente las que implican 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 de contacto), alta precisión y ausencia de holgura.
Completar el movimiento lineal con sólo un motor, sin engranajes, acoplamientos ni poleas, tiene sentido para muchas aplicaciones, ya que elimina esas piezas innecesarias que reducen el rendimiento y acortan la vida mecánica.
1) Estructura sencilla.
Los motores lineales tubulares producen directamente movimiento lineal 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 de posicionamiento. Esto también aumenta la fiabilidad, ahorra costes y simplifica la fabricación y el mantenimiento. Su primario y secundario pueden formar parte directamente del mecanismo, una combinación única que pone aún más de manifiesto estas ventajas.
2) Adecuado para movimiento lineal de alta velocidad.
Al no existir las limitaciones de la fuerza centrífuga, los materiales ordinarios pueden alcanzar mayores velocidades. Además, si se utilizan cojines de aire o magnéticos para mantener la separación entre el primario y el secundario, no hay contacto mecánico durante el movimiento, por lo que no hay fricción ni ruido. Esto significa que las piezas de la transmisión no se desgastan, lo que reduce en gran medida las pérdidas mecánicas y evita el ruido de cables, cables de acero, engranajes y poleas, aumentando así la eficacia general.
3) Alto aprovechamiento de los devanados primarios.
En los motores de inducción lineal tubular, los devanados primarios tienen forma de tortita sin devanados finales, lo que se traduce en un elevado aprovechamiento 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 de forma circunferencial.
5) Supera fácilmente la atracción magnética unilateral.
Las fuerzas de atracción radiales se anulan entre sí, eliminando prácticamente el problema de la atracción magnética unilateral.
6) Fácil de ajustar y controlar.
Ajustando la tensión o la frecuencia, o cambiando el material secundario, se pueden conseguir diferentes velocidades y empujes electromagnéticos, adecuados para operaciones de vaivén a baja velocidad.
7) Gran capacidad de adaptación.
El núcleo primario del motor lineal puede encapsularse con resina epoxi, lo que proporciona una buena resistencia a la corrosión y a la humedad, haciéndolo adecuado para su uso en entornos húmedos, polvorientos y con gases nocivos. Además, puede diseñarse en varias estructuras para satisfacer diferentes necesidades.
8) Alta aceleración.
Esta es una ventaja significativa de los accionamientos con motor lineal en comparación con otros husillos, correa síncronay engranajes de cremallera.
Los motores lineales, conocidos por su eficacia, precisión y alta velocidad, se utilizan ampliamente en diversos campos.
En el sector del transporte, los motores lineales se emplean principalmente en trenes de alta velocidad, metros y ascensores. Por ejemplo, los trenes de levitación magnética alemanes utilizan motores lineales de levitación magnética, lo que se traduce en mayores velocidades y menores niveles de ruido.
Además, los motores lineales pueden integrarse en los sistemas de propulsión de los vehículos eléctricos para mejorar sus prestaciones.
En la fabricación industrial, los motores lineales se utilizan principalmente en Máquina CNC herramientas y robots. Por ejemplo, los sistemas de alimentación de herramientas en Máquinas herramienta CNC se accionan mediante motores lineales, lo que ofrece una mayor precisión de mecanizado y tiempos de respuesta rápidos.
Además, los motores lineales pueden aplicarse a cintas transportadoras y robots de manipulación en líneas de producción automatizadas, aumentando así la productividad.
En el campo de la medicina, los motores lineales se aplican principalmente a dispositivos de diagnóstico médico por imagen, como escáneres de TC y máquinas de IRM. Estos dispositivos requieren un control preciso del alcance y la velocidad de exploración de los rayos X o los campos magnéticos, y los motores lineales proporcionan una gran precisión y control de la velocidad, lo que mejora la precisión y la eficacia de los diagnósticos.
En la investigación científica, los motores lineales ocupan un lugar destacado en los aceleradores de partículas y los telescopios astronómicos. Por ejemplo, los anillos aceleradores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) emplean motores lineales, que permiten una mayor capacidad de aceleración y un funcionamiento más estable.
Además, los motores lineales pueden utilizarse en los sistemas de enfoque automático de los telescopios astronómicos, mejorando la precisión y eficacia de las observaciones.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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