Silnik liniowy to w uproszczeniu klasyczny silnik elektryczny, w którym stojan i rotor „rozwinięto” do postaci liniowej – zamiast momentu wywołującego obrót uzyskuje się bezpośrednio siłę powodującą ruch postępowy, bez pośrednictwa śruby kulowej, przekładni czy pasa zębatego.

Jak działa silnik liniowy?

Podstawę konstrukcji stanowią dwa współpracujące ze sobą elementy: część pierwotna zawierająca uzwojenia oraz część wtórna, której budowa zależy od rodzaju napędu, może zawierać m.in. magnesy trwałe albo element przewodzący, w którym indukowane są prądy. W często stosowanej konfiguracji część z uzwojeniami przemieszcza się wzdłuż nieruchomego toru, przy zachowaniu szczeliny powietrznej między elementami silnika. Możliwy jest jednak również układ odwrotny – wtedy to tor z magnesami się porusza, a uzwojenia pozostają nieruchome. Siła napędowa powstaje bezpośrednio wskutek oddziaływań elektromagnetycznych, bez mechanicznej transmisji między silnikiem a przemieszczanym zespołem. Ogranicza to zużycie elementów przeniesienia napędu i eliminuje jedno z istotnych źródeł luzu w osi.

Pod względem budowy silniki liniowe mogą mieć m.in. konstrukcję płaską lub rurową, a także konstrukcję w kształcie litery U (nazywaną też kanałową). Inny podział wynika z zasady wytwarzania siły. W liniowych silnikach indukcyjnych pole magnetyczne wytwarzane przez uzwojenia części pierwotnej indukuje prądy w części wtórnej, a ich wzajemne oddziaływanie generuje siłę napędową. W synchronicznych silnikach liniowych z magnesami trwałymi pole uzwojeń współdziała natomiast z polem magnesów części wtórnej. Rozwiązania te są szeroko stosowane w aplikacjach wymagających dużej dynamiki i wysokiej precyzji pozycjonowania.

Najważniejsze zalety silników liniowych

Podstawową zaletą silnika liniowego jest wyeliminowanie mechanicznego układu przeniesienia napędu między silnikiem a przemieszczanym elementem. Przekłada się to na kilka istotnych korzyści konstrukcyjnych i eksploatacyjnych:

• Wysoka precyzja i powtarzalność pozycjonowania – brak luzów charakterystycznych dla przekładni, śrub kulowych czy pasów zębatych eliminuje jedno z istotnych źródeł błędów pozycjonowania. W połączeniu z odpowiednim układem pomiarowym i sterowaniem umożliwia uzyskanie dokładności wymaganej m.in. w obrabiarkach precyzyjnych i systemach montażu komponentów elektronicznych.
• Duża dynamika ruchu – bezpośrednie wytwarzanie siły eliminuje ograniczenia wynikające z bezwładności i właściwości mechanicznej transmisji, umożliwiając uzyskanie dużych przyspieszeń i prędkości.
• Mniejsze zużycie elementów mechanicznych – brak śruby kulowej, nakrętki, przekładni czy pasa zębatego ogranicza liczbę elementów podlegających zużyciu i wymagających okresowej obsługi. Kontroli i konserwacji nadal wymagają jednak m.in. prowadnice.
• Cicha i płynna praca – brak mechanicznej transmisji ogranicza hałas i drgania związane z pracą przekładni, śruby czy pasa. Ma to znaczenie m.in. w aparaturze pomiarowej i laboratoryjnej oraz innych aplikacjach wymagających płynnego ruchu.
• Duże pasmo układu regulacji – brak podatnych elementów mechanicznej transmisji i związanych z nimi luzów ułatwia uzyskanie szybkiej odpowiedzi układu sterowania. Ma to znaczenie w aplikacjach wymagających dynamicznej synchronizacji ruchu, np. podczas cięcia w locie.
• Elastyczna integracja z maszyną – brak przekładni i śruby napędowej pozwala bezpośrednio włączyć elementy silnika w konstrukcję osi, co daje projektantowi większą swobodę jej zabudowy.

Ograniczenia napędu bezpośredniego

Przy doborze napędu bezpośredniego trzeba jednak uwzględnić jego koszt oraz wymagania cieplne, konstrukcyjne i związane ze sterowaniem. Koszt inwestycyjny może być wyższy niż w przypadku klasycznej osi, ponieważ oprócz silnika potrzebny jest liniowy układ pomiarowy o odpowiedniej rozdzielczości i dokładności oraz właściwie dobrany serwonapęd. W konstrukcjach z magnesami trwałymi koszt rośnie również wraz z długością toru magnetycznego.

Istotnym ograniczeniem jest również odprowadzanie ciepła. Ponieważ siła napędowa jest wytwarzana bezpośrednio elektromagnetycznie, utrzymywanie dużej siły ciągłej wymaga odpowiedniego prądu, a straty w uzwojeniach powodują ich nagrzewanie. W aplikacjach o dużym obciążeniu ciągłym konieczne może być aktywne chłodzenie. Silnik liniowy nie zapewnia też mechanicznego utrzymania pozycji po zaniku zasilania. Ma to szczególne znaczenie w osiach pionowych, w których działanie grawitacji może spowodować niekontrolowane przemieszczenie obciążenia. W takich zastosowaniach konieczne jest odpowiednie zabezpieczenie, np. hamulec lub mechanizm blokujący.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Kontrola ruchu i efektywność energetyczna

Technologie są ważne, ale liczy się też kolejność ich wdrażania

Rynek technologii wspierających efektywność energetyczną nigdy nie był tak dojrzały jak dziś. Czujniki IoT, systemy zarządzania energią klasy EMS, napędy o zmiennej prędkości, odnawialne źródła energii czy cyfrowe bliźniaki procesów produkcyjnych są powszechnie dostępne na rynku i nie stanowią już żadnej bariery technologicznej.

Ludzie i komentarze

Jak znaleźć ukryte straty energii w zakładzie produkcyjnym

W kolejnej odsłonie działu „Przy tablicy” zapytaliśmy ekspertów, gdzie w zakładach produkcyjnych najczęściej kryją się niewykorzystane rezerwy energetyczne i od czego zacząć, żeby realnie poprawić efektywność energetyczną firmy.

Nie można też pominąć dodatkowych wymagań po stronie konstrukcji i sterowania. Wióry i pyły ferromagnetyczne mogą być przyciągane przez tor magnetyczny, dlatego w środowisku obróbczym potrzebne są odpowiednie osłony lub inne rozwiązania zabezpieczające tor i szczelinę roboczą. Pełne wykorzystanie możliwości napędu wymaga ponadto odpowiednio dokładnego i szybkiego układu pomiaru położenia oraz właściwie dostrojonego układu regulacji. W silnikach rdzeniowych (z rdzeniem ferromagnetycznym) pomiędzy częścią z uzwojeniami a torem magnetycznym występuje dodatkowo znaczna siła przyciągania. Nie uczestniczy ona w wytwarzaniu użytecznej siły w kierunku ruchu, natomiast obciąża prowadnice, co trzeba uwzględnić już na etapie projektowania osi.

Gdzie sprawdzają się silniki liniowe?

Silniki liniowe znajdują zastosowanie przede wszystkim tam, gdzie wymagania dotyczące dynamiki, dokładności i powtarzalności ruchu uzasadniają wyższy koszt napędu bezpośredniego. Typowymi przykładami są obrabiarki CNC i szlifierki precyzyjne, w których znaczenie mają dokładność pozycjonowania oraz szybki posuw, jak również systemy montażu elektroniki i urządzenia pick-and-place wykonujące dużą liczbę krótkich, powtarzalnych ruchów. Napędy te stosuje się również w szybkich maszynach pakujących, urządzeniach do cięcia w locie, precyzyjnej aparaturze laboratoryjnej i pomiarowej oraz systemach pozycjonowania wykorzystywanych w produkcji półprzewodników, a także w napędach pomocniczych.

Innym, choć znacznie mniej typowym dla automatyki przemysłowej, przykładem zastosowania napędu liniowego są systemy kolei magnetycznej. Napęd liniowy wytwarza w takim rozwiązaniu siłę pociągową bez klasycznego kontaktu koła z szyną, dlatego przenoszenie tej siły nie zależy od przyczepności charakterystycznej dla tradycyjnej kolei.

Kiedy silnik liniowy nie ma uzasadnienia?

Nie każda aplikacja wymagająca ruchu liniowego uzasadnia inwestycję w napęd bezpośredni. Tam, gdzie prędkości i przyspieszenia są umiarkowane, wymagania dotyczące pozycjonowania nie są wysokie, a koszt inwestycji ma kluczowe znaczenie, oś z silnikiem obrotowym i śrubą kulową lub pasem zębatym może być rozwiązaniem prostszym i bardziej ekonomicznym. Śruba kulowa sprawdza się szczególnie tam, gdzie potrzebna jest duża siła osiowa przy umiarkowanej dynamice ruchu. W prostych aplikacjach realizujących ruch między określonymi położeniami alternatywą pozostają również siłowniki pneumatyczne.

Porównanie nie powinno jednak kończyć się na cenie zakupu. Napęd z mechanicznym układem przeniesienia ruchu zawiera więcej elementów podlegających zużyciu, takich jak śruba z nakrętką, sprzęgło czy pas zębaty, co może zwiększać zakres okresowej obsługi i koszty serwisowe. Napęd liniowy wymaga zazwyczaj większych nakładów początkowych, ale ograniczenie liczby elementów mechanicznej transmisji może zmniejszyć zakres późniejszej obsługi. Dlatego właściwym kryterium porównania powinien być całkowity koszt posiadania (TCO), obejmujący nie tylko zakup komponentów, lecz także przewidywany czas eksploatacji, intensywność pracy, konserwację oraz koszty ewentualnych przestojów.

Wybór między silnikiem liniowym a klasycznym układem napędowym powinien więc wynikać z wymagań konkretnej aplikacji, a nie z samej dostępności bardziej zaawansowanej technologii. Napęd bezpośredni warto rozważyć przede wszystkim wtedy, gdy o wydajności maszyny decydują wysoka dynamika, dokładne i powtarzalne pozycjonowanie oraz ograniczenie mechanicznego układu przeniesienia ruchu. Jeżeli natomiast wymagania dotyczące dynamiki i pozycjonowania są umiarkowane, a priorytetem pozostają prostota konstrukcji i niski koszt inwestycji, dobrze dobrany napęd klasyczny nadal będzie w pełni racjonalnym wyborem inżynierskim.