A forgó szervomotor csak akkor hoz létre lineáris mozgást, ha egy mechanikus fokozat a forgását mozgássá alakítja át.
A lineáris motor ezzel szemben közvetlenül hozza létre az elmozdulást, közbenső átalakítás nélkül. Ez az egyetlen szerkezeti különbség alapozza meg az erő, a sebesség, a pontosság és a költségek tekintetében az összes későbbi kompromisszumot.
Ha a lineáris motort úgy képzeljük el, mint egy kiterített, kefe nélküli forgómotort, akkor megértjük annak alapvető elektromágneses működési elvét. Ahelyett, hogy egy rotor forogna a stator belsejében, egy mozgó szán halad végig egy váltakozó állandó mágnesekből álló pályán.
Mivel az alapelvek megegyeznek, a szervohajtások pontosan ugyanúgy végzik el a kommutációt és a vezérlést.
A mechanikus hajtás – például a golyósorsó, az ékszíj vagy a fogasléc-fogaskerék – az a terület, ahol a forgórendszer egyedülálló előnyeit kiaknázza, és ahol hátrányai is megmutatkoznak.
Mi a legfőbb technológiai különbség a lineáris motor és a forgó szervomotor között?
A lineáris motor egy kinyújtott forgó szervomotor. Ahelyett, hogy a rotor a sztátor belsejében forogna, egy háromfázisú tekercseket hordozó mozgó szán halad végig a polaritásukban váltakozó állandó mágnesekből álló pályán. A tekercseken átfolyó áram az egyes fázisokat északra vagy délre mágnesezi, és az ebből eredő vonzás és taszítás tolja a szánt a pályán.
A hajtás ugyanúgy kommutálja és vezérli, mintha egy kefe nélküli forgómotorról lenne szó — az elektromágneses elv megegyezik, csupán a geometria eltér.
A forgó változatban a motor továbbra is forog, és ehhez egy hajtásrendszer csatlakozik: golyósorsó, szíj és tárcsa, vagy fogasléc és fogaskerék.
Mindegyik a forgómozgást transzlációs mozgássá alakítja, különböző kompromisszumok mellett — az ékszíjak a pontosság helyett a sebességet és az alacsony költségeket részesítik előnyben, a fogasléc- és fogaskerék-meghajtás pedig a nagyon nagy lökethosszt.
Ez a cikk a golyósorsót veszi példaként, mivel ez az az átalakító mechanizmus, amelynek pontossága leggyakrabban közvetlenül versenyez a lineáris motoréval. Az erőátvitel az a terület, ahol a forgórendszer előnyeit kiaknázza és hátrányait is megörökli, ezért ez a legmegfelelőbb kiindulási pont.
Lineáris motor kontra rotációs szervomotor: Gyors összehasonlító áttekintés
Az alábbi hat paraméter a közzétett jellemző tartományokat tükrözi; a tényleges értékek az adott motortól, a csavar lépésközétől, a visszacsatoló eszköztől és a fokozat felépítésétől függenek.
| Kritérium | Rotációs szervo + golyósorsó | Lineáris (közvetlen hajtású) motor |
| Mozgáspálya | Gömbcsavarral megvalósított forgás | Közvetlen lineáris elmozdulás, átalakítás nélkül |
| Csúcsgyorsulás | ~2 g – jellemző a szervomotorra és a golyósorsóra | Legfeljebb ~10 g |
| Végsebesség | ~0,5–1 m/s (20–40 in/s) | ~5–10 m/s (akár ~400 in/s) |
| Helymeghatározási pontosság | ~3–5 µm gyakorlati alsó határ | Szubmikron; akár µm-töredékekig |
| Backlash | Egy előre behelyezett anya miatt kiesett; az eltérés továbbra is fennáll | Nincs — nincs akadály a hatásvonalban |
| Erő | A csavarral szorozva; nagy tolóerő | A tekercsáram és a mágneses tulajdonságok által meghatározott |
Erő: A mechanikai előny
A golyósorsó legfőbb előnye a mechanikai erőszorzás. A kis menetlépésű csavar a sebességet az erőre cseréli, és a motor nyomatékát nagy lineáris tolóerővé szorozza. Éppen ezért a forgó-csavaros rendszerek dominálnak a présekben és szorítókban, ahol egy hasonló méretű lineáris motor nem tudna versenyezni velük.
A lineáris motorban nincs hajtómű, amely az erőt felerősítené. Tolóereje közvetlenül a tekercs áramából származik, amely kölcsönhatásba lép a mágneses sínnel, így folyamatos erejét szigorúan az határozza meg, hogy a tekercsek túlmelegedés nélkül mennyi áramot képesek vezetni.
Sebesség, gyorsulás és leállás
A közvetlen hajtás terén a lineáris motorok valóban kiemelkednek a mezőnyből. Mivel nincs forgó csavar és nincs rugalmas tengelykapcsoló, amely feltekeredne, a lineáris motor közel 10 g-s gyorsulásra és 5–10 m/s körüli sebességre képes. A tipikus szervo- és golyósorsós asztalok maximális gyorsulása körülbelül 2 g, sebességük pedig 1 m/s alatt marad.
Ezenkívül a hosszú, vékony golyósorsók egy sajátos korlátot jelentenek. Egy kritikus fordulatszám felett a hosszú sorsó elkezd csapkodni, ami korlátozza a használható mozgási sebességet, és arra kényszeríti a tervezőket, hogy nagyobb átmérőjű sorsókat alkalmazzanak. A lineáris motoroknak nincs forgó tengelyük, és nincsenek csapkodási korlátaik.
A tehetetlenség és a hőmérsékleti határértékek megértése
A hajtómű az áttételi arány négyzetével arányosan jelentősen csökkenti a motorra ható terhelés tehetetlenségét. Golyósmenetes hajtás esetén a motor tengelyére visszaható terhelés tömege a következő:
Hol Jref a motor tengelyén fellépő tehertehetetlenség, m a mozgó terhelés tömege, és p ez a csavar menete.
Mivel az előfeszítés négyzetes függvénye, egy mérsékelt előfeszítésnek köszönhetően még a nagy terhelések is kicsinek tűnnek a motor számára, így a motor nem reagál a terhelésváltozásokra. A lineáris motoroknál nincs ilyen csökkentő hatás, mivel a teljes terhelés közvetlenül hat a hajtóműre, ami megnehezíti a változó terhelésekhez való beállítást.
A hőviselkedésük is jelentősen eltér. A forgómotorok a hajtómű oldalán helyezkednek el, így a hőt a munkaterülettől távolabb vezetik el. A lineáris motor tekercsei a terheléssel együtt mozognak, ami miatt a hő a hőmérsékletre érzékeny folyamatokba juthat.
A lineáris motorok esetében a folyamatos erő hőmérsékleti korlátokba ütközik, és a tekercs hőmérséklet-emelkedése a következőképpen alakul:
Mivel az erő Fc Úgy tűnik, hogy a négyzetes függvény szerint a magas környezeti hőmérséklet vagy a tekercs maximális hőmérséklet-korlátja jelentősen csökkenti a motor folyamatos nyomatékát.
Összefoglalás: Mikor melyiket válasszuk?
A forgó-csavaros megoldás általában olcsóbb a beszerzéskor, és dolláronként sokkal nagyobb erőt biztosít. Ez a megfelelő választás, ha az erősűrűség és a költség fontosabb, mint a csúcsminőségű dinamika, például nagy tolóerővel járó préselés, függőleges tengelyek vagy erősen változó hasznos terhelésű alkalmazások esetén.
Ezzel szemben akkor érdemes lineáris motort választani, ha az alkalmazás olyan sebességet, gyorsulást vagy pontosságot igényel, amelyet egy csavaros hajtás nem képes biztosítani.
Szubmikronos pozicionálást tesznek lehetővé, és ideálisak nagy áteresztőképességű pick-and-place vagy szkennelési folyamatokhoz, ahol a mechanikai meghúzódás vagy kopás rontaná a végeredményt.
Végül is, mivel a lineáris motor elektromos szempontból tulajdonképpen egy tekercselés nélküli forgómotor, az ADVANCED Motion Controls által gyártott FlexPro és DigiFlex Performance típusú szabványos szervohajtások mindkettőt zökkenőmentesen képesek működtetni.
