Uma olhada nos diferentes motores lineares disponíveis e como selecionar o tipo ideal para sua aplicação.
O artigo a seguir é uma visão geral dos diferentes tipos de motores lineares disponíveis, incluindo seus princípios de operação, histórico de desenvolvimento de ímãs permanentes, métodos de projeto para motores lineares e setores industriais que usam cada tipo de motor linear.
A Tecnologia de Motor Linear pode ser: Motores de Indução Linear (LIM) ou Motores Síncronos Lineares de Imã Permanente (PMLSM).PMLSM pode ser de núcleo de ferro ou sem ferro.Todos os motores estão disponíveis em configuração plana ou tubular.A Hiwin está na vanguarda do projeto e fabricação de motores lineares há 20 anos.
Vantagens dos Motores Lineares
Um motor linear é usado para fornecer movimento linear, ou seja, mover uma determinada carga útil em uma aceleração, velocidade, distância percorrida e precisão ditadas.Todas as tecnologias de movimento que não sejam acionadas por motor linear são algum tipo de acionamento mecânico para converter movimento rotativo em movimento linear.Esses sistemas de movimento são acionados por fusos de esferas, correias ou cremalheira e pinhão.A vida útil de todas essas unidades é altamente dependente do desgaste dos componentes mecânicos usados para converter o movimento rotativo em movimento linear e é relativamente curta.
A principal vantagem dos motores lineares é fornecer movimento linear sem nenhum sistema mecânico porque o ar é o meio de transmissão, portanto, os motores lineares são acionamentos essencialmente sem atrito, proporcionando vida útil teoricamente ilimitada.Como nenhuma peça mecânica é usada para produzir movimento linear, acelerações muito altas são possíveis onde outras unidades, como fusos de esferas, correias ou pinhão e cremalheira, encontrarão sérias limitações.
Motores de Indução Linear
Figura 1
O motor de indução linear (LIM) foi o primeiro inventado (patente dos EUA 782312 – Alfred Zehden em 1905).Consiste em um “primário” composto por uma pilha de lâminas de aço elétrico e uma pluralidade de bobinas de cobre alimentadas por uma tensão trifásica e um “secundário” geralmente composto por uma chapa de aço e uma chapa de cobre ou alumínio.
Quando as bobinas primárias são energizadas, o secundário torna-se magnetizado e um campo de correntes parasitas é formado no condutor secundário.Este campo secundário irá então interagir com o EMF traseiro primário para gerar força.A direção do movimento seguirá a regra da mão esquerda de Fleming, ou seja;a direção do movimento será perpendicular à direção da corrente e à direção do campo/fluxo.
Figura 2
Os motores de indução linear oferecem a vantagem de custo muito baixo porque o secundário não usa ímãs permanentes.Os ímãs permanentes de NdFeB e SmCo são muito caros.Os motores de indução linear utilizam materiais muito comuns, (aço, alumínio, cobre), para o seu secundário e eliminam este risco de alimentação.
No entanto, a desvantagem de usar motores de indução linear é a disponibilidade de acionamentos para esses motores.Embora seja muito fácil encontrar acionamentos para motores lineares de ímã permanente, é muito difícil encontrar acionamentos para motores de indução linear.
Figura 3
Motores síncronos lineares de ímã permanente
Os motores síncronos lineares de ímã permanente (PMLSM) têm essencialmente o mesmo primário dos motores de indução linear (ou seja, um conjunto de bobinas montadas em uma pilha de lâminas de aço elétrico e acionadas por uma tensão trifásica).O secundário é diferente.
Em vez de uma placa de alumínio ou cobre montada sobre uma placa de aço, o secundário é composto por imãs permanentes montados sobre uma placa de aço.A direção de magnetização de cada ímã alternará em relação à anterior, conforme mostrado na Fig. 3.
A vantagem óbvia de usar ímãs permanentes é criar um campo permanente no secundário.Vimos que a força é gerada em um motor de indução pela interação do campo primário e do campo secundário, que só está disponível depois que um campo de correntes parasitas foi criado no secundário através do entreferro do motor.Isso resultará em um atraso chamado “deslizamento” e um movimento do secundário não sincronizado com a tensão primária fornecida ao primário.
Por esta razão, os motores lineares de indução são chamados de “assíncronos”.Em um motor linear de imã permanente, o movimento secundário estará sempre em sincronia com a tensão primária porque o campo secundário está sempre disponível e sem nenhum atraso.Por esta razão, os motores lineares permanentes são chamados de “síncronos”.
Diferentes tipos de ímãs permanentes podem ser usados em um PMLSM.Nos últimos 120 anos, a proporção de cada material mudou.A partir de hoje, os PMLSMs estão usando ímãs NdFeB ou ímãs SmCo, mas a grande maioria está usando ímãs NdFeB.A Fig. 4 mostra a história do desenvolvimento do ímã permanente.
Figura 4
A força magnética é caracterizada por seu produto energético em Megagauss-Oersteds, (MGOe).Até meados dos anos 80, apenas aço, ferrite e alnico estavam disponíveis e forneciam produtos de energia muito baixa.Os ímãs SmCo foram desenvolvidos no início dos anos 1960 com base no trabalho de Karl Strnat e Alden Ray e posteriormente comercializados no final dos anos sessenta.
Figura 5
O produto energético dos ímãs SmCo foi inicialmente mais que o dobro do produto energético dos ímãs Alnico.Em 1984, a General Motors e a Sumitomo desenvolveram independentemente ímãs NdFeB, um composto de neodímio, ferro e boro.Uma comparação dos ímãs SmCo e NdFeB é mostrada na Fig. 5.
Os ímãs NdFeB desenvolvem força muito maior do que os ímãs SmCo, mas são muito mais sensíveis a altas temperaturas.Os ímãs SmCo também são muito mais resistentes à corrosão e a baixas temperaturas, mas são mais caros.Quando a temperatura de operação atinge a temperatura máxima do ímã, o ímã começa a se desmagnetizar, e essa desmagnetização é irreversível.A perda de magnetização do ímã fará com que o motor perca força e seja incapaz de atender às especificações.Se o ímã operar abaixo da temperatura máxima 100% do tempo, sua força será preservada quase indefinidamente.
Devido ao custo mais alto dos ímãs SmCo, os ímãs NdFeB são a escolha certa para a maioria dos motores, principalmente devido à maior força disponível.No entanto, para algumas aplicações em que a temperatura operacional pode ser muito alta, é preferível usar ímãs SmCo para ficar longe da temperatura operacional máxima.
Projeto de motores lineares
Um motor linear geralmente é projetado por meio da Simulação Eletromagnética de Elementos Finitos.Um modelo 3D será criado para representar a pilha de laminação, bobinas, ímãs e chapa de aço que suporta os ímãs.O ar será modelado em torno do motor, bem como no entreferro.Em seguida, as propriedades dos materiais serão inseridas para todos os componentes: ímãs, aço elétrico, aço, bobinas e ar.Uma malha será então criada usando elementos H ou P e o modelo resolvido.Em seguida, a corrente é aplicada a cada bobina no modelo.
A Fig. 6 mostra a saída de uma simulação onde o fluxo em tesla é exibido.O principal valor de saída de interesse para a simulação é obviamente a força do motor e estará disponível.Como as voltas finais das bobinas não produzem nenhuma força, também é possível executar uma simulação 2D usando um modelo 2D (DXF ou outro formato) do motor incluindo laminações, ímãs e chapa de aço que suporta os ímãs.A saída de tal simulação 2D será muito próxima da simulação 3D e precisa o suficiente para avaliar a força do motor.
Figura 6
Um motor de indução linear será modelado da mesma forma, seja por meio de um modelo 3D ou 2D, mas a solução será mais complicada do que para um PMLSM.Isso ocorre porque o fluxo magnético do secundário PMLSM será modelado instantaneamente após inserir as propriedades dos ímãs, portanto, apenas uma solução será necessária para obter todos os valores de saída, incluindo a força do motor.
No entanto, o fluxo secundário do motor de indução exigirá uma análise transiente (ou seja, várias soluções em um determinado intervalo de tempo) para que o fluxo magnético do secundário do LIM possa ser construído e só então a força possa ser obtida.O software usado para a simulação de elementos finitos eletromagnéticos precisará ter a capacidade de executar uma análise transitória.
Estágio do Motor Linear
Figura 7
A Hiwin Corporation fornece motores lineares no nível do componente.Neste caso, somente o motor linear e os módulos secundários serão fornecidos.Para um motor PMLSM, os módulos secundários serão constituídos por placas de aço de diferentes comprimentos sobre as quais serão montados imãs permanentes.A Hiwin Corporation também fornece estágios completos, conforme mostrado na Fig. 7.
Tal estágio inclui uma estrutura, mancais lineares, o motor primário, os ímãs secundários, um carro para o cliente prender sua carga útil, o codificador e uma esteira de cabos.Um estágio de motor linear estará pronto para iniciar na entrega e facilitará a vida porque o cliente não precisará projetar e fabricar um estágio, o que requer conhecimento especializado.
Vida útil do estágio do motor linear
A vida útil de um estágio de motor linear é consideravelmente maior do que um estágio acionado por correia, fuso de esferas ou cremalheira e pinhão.Os componentes mecânicos dos estágios acionados indiretamente são tipicamente os primeiros componentes a falhar devido ao atrito e ao desgaste a que estão continuamente expostos.Um estágio de motor linear é um acionamento direto sem contato mecânico ou desgaste porque o meio de transmissão é o ar.Portanto, os únicos componentes que podem falhar em um estágio de motor linear são os rolamentos lineares ou o próprio motor.
Os rolamentos lineares normalmente têm uma vida útil muito longa porque a carga radial é muito baixa.A vida útil do motor dependerá da temperatura média de operação.A Figura 8 mostra a vida útil do isolamento do motor em função da temperatura.A regra é que a vida útil será reduzida pela metade para cada 10 graus Celsius em que a temperatura de operação estiver acima da temperatura nominal.Por exemplo, um motor Classe F de isolamento funcionará 325.000 horas a uma temperatura média de 120°C.
Portanto, prevê-se que um estágio de motor linear terá uma vida útil de mais de 50 anos se o motor for selecionado de forma conservadora, uma vida útil que nunca pode ser alcançada por correia, fuso de esferas ou estágios acionados por pinhão e cremalheira.
Figura 8
Aplicações para Motores Lineares
Os motores de indução linear (LIM) são usados principalmente em aplicações com curso longo e onde força muito alta é necessária combinada com velocidades muito altas.A razão para selecionar um motor de indução linear é porque o custo do secundário será consideravelmente menor do que se usar um PMLSM e em velocidade muito alta a eficiência do motor de indução linear é muito alta, então pouca energia será perdida.
Por exemplo, EMALS (Sistemas de Lançamento Eletromagnético), usados em porta-aviões para lançar aeronaves, estão usando motores de indução linear.O primeiro sistema de motor linear foi instalado no porta-aviões USS Gerald R. Ford.O motor pode acelerar uma aeronave de 45.000 kg a 240 km/h em uma pista de 91 metros.
Outro exemplo de passeios em parques de diversões.Os motores de indução linear instalados em alguns desses sistemas podem acelerar cargas muito altas de 0 a 100 km/h em 3 segundos.Os estágios do motor de indução linear também podem ser usados em RTUs, (Robot Transport Units).A maioria das RTUs usa acionamentos de pinhão e cremalheira, mas um motor de indução linear pode oferecer maior desempenho, menor custo e vida útil muito mais longa.
Motores síncronos de ímã permanente
Os PMLSMs normalmente serão usados em aplicações com cursos muito menores, velocidades mais baixas, mas com precisão de alta a muito alta e ciclos de trabalho intensivos.A maioria dessas aplicações é encontrada nas indústrias de AOI (Automated Optical Inspection), semicondutores e máquinas a laser.
A seleção de estágios acionados por motor linear (acionamento direto) oferece benefícios significativos de desempenho em relação a acionamentos indiretos (estágios em que o movimento linear é obtido pela conversão do movimento rotativo), para designs duradouros e adequados para muitas indústrias.
Horário de postagem: 06 de fevereiro de 2023