Quanti chili occorrono per muovere un carico utile di un chilogrammo? In altre parole, quanto deve pesare un mezzo di trasporto ogni kg trasportato? Nella mia automobile, che ha una massa a vuoto di 1.200 kg, quando siamo in 5 a bordo, occorrono circa tre kg di “ferro” per spostare 1 kg di carico; le cose vanno meglio su un aereo, dove bastano 7 hg di aereo per portare 1 kg di passeggeri. Ma nelle macchine di montaggio e di imballaggio le cose vanno decisamente peggio: per spostare un astuccio del peso di 100 g ho bisogno di una serie di leve, motori riduttori che pesano spesso ben più di 10 kg! È come se io usassi un TIR per andare a spasso! Inoltre mentre nella mia macchina devo “lavorare” contro resistenze e salite, nelle macchine di imballaggio devo in pratica solo lavorare contro inerzie, per passare da fermo alla massima velocità, e poi frenare entro una frazione del mio tempo di ciclo! Proseguendo quindi con i confronti, è come se io usassi un TIR per avanzare a balzelloni: accelerazione massima, frenata, stop, ripartenza... tutto per agitare una bottiglietta!
È chiaro quindi che le macchine da imballaggio rappresentano un grande spreco di energie e che sarebbe bello poter realizzare dei cinematismi che pesassero quasi quanto il pezzo che devo muovere. Purtroppo, però, oggi la mia fonte di energia è data da un motore rotante, utilizzato in combinazione con una serie complessa di elementi, pesante, rumorosa e costosa che, con i suoi cinematismi, riduttori, camme, leve assorbe quasi tutta l’energia generata dal motore. È anche vero, tuttavia, che sul mercato sono disponibili nuovi componenti che rispondono all’esigenza di generare direttamente un moto lineare senza ausilio di meccanismi intermedi: questi componenti sono i motori lineari, ovvero motori elettrici, che anziché avere una parte mobile rotante hanno una parte mobile traslante e al posto dei cuscinetti sui quali ruota l’albero hanno delle guide lungo le quali scorre il motore stesso. Questo articolo illustra cosa sono i motori lineari, i principali tipi disponibili e i vantaggi ottenibili dal loro utilizzo.
Una classificazione
Diciamo subito che i motori lineari possono essere classificati sulla base di due criteri, che è utile approfondire:
• il principio di funzionamento (come funzionano);
• le modalità costruttive (come sono fatti).
In teoria i motori lineari si ottengono “srotolando” su un piano i motori rotativi (figura 1); con questa “operazione” si ottiene quindi un motore formato da una parte fissa, sulla quale scorre una parte mobile: il campo magnetico, che prima generava un coppia adesso genera una spinta, che è la prima caratteristica di un motore.
Così come nel caso dei motori rotativi, avremo diversi tipi di motori lineari.
• Motori a riluttanza variabile
- motori passo (LSTM = linear stepper motors).
• Motori a riluttanza fissa
- motori asincroni (LIM = linear induction motor);
- motori sincroni (LSM = linear synchronous motor).
Vediamo ora i principi funzionali, i punti di forza e debolezza dei diversi tipi.
Motori passo
Principio
In termini intuitivi assomigliano a una cremagliera lungo la quale si “arrampica” il motore; la cremagliera è priva di magneti e il motore avanza saltando da un dente all’altro, appunto a “passi” (figura 2).
Vantaggi
I vantaggi principali di questa tecnologia sono essenzialmente legati alla semplicità del controllo che, laddove non sia necessario raggiungere livelli di precisione notevoli, può essere a loop aperto.
Si possono anche ridurre le dimensioni del “passo” realizzando delle tecniche di microstepping per ottenere, con alcune limitazioni, precisioni di qualche centesimo di mm.
Svantaggi
Nonostante questi indubbi pregi, i motori a riluttanza variabile hanno gli stessi svantaggi riscontrabili nella versione rotativa: in primo luogo il loro moto è somma di tanti moti incrementali, e questo fa sì che il funzionamento possa risultare rumoroso e non esente da vibrazioni. Inoltre essi ricoprono dei range di velocità e di spinta inferiori a quelli necessari nella maggioranza delle applicazioni industriali. Per questo sono impiegati con molto successo quasi esclusivamente in attrezzature da laboratorio e nell’industria medicale.
Motori asincroni
Principio
Come gli asincroni rotanti si basano sulle interazioni tra bobine eccitate e le correnti indotte su una gabbia, qui le bobine “fisse” inducono delle correnti su una una scala a pioli di materiale conduttivo. La gabbia di scoiattolo diventa quindi scala a pioli che forma lo statore, mentre la parte mobile è formata da tre circuiti magnetici che inducono delle correnti nella scala a pioli.
Vantaggi
Questi motori sono i più semplici, economici e robusti e vengono impiegati dove la lunghezza della corsa impone di avere parti fisse poco costose (figura 3). La spinta è ottenuta da un motore lineare che scorre su una parte fissa, dalla struttura essenziale. Per le loro caratteristiche (possibilità di raggiungere elevate velocità e forti spinte) vengono impiegati di frequente sui mezzi di trasporto, come nel caso della nuova linea ferroviaria superveloce Berlino-Amburgo.
Svantaggi
Come nei motori asincroni rotativi pilotati da inverter anche i motori lineari asincroni hanno una forte limitazione: danno coppie ridotte allo spunto, cioè da fermi, a meno che non si utilizzi un controllo di tipo vettoriale.
Motori sincroni
Principio
Corrispondono ai motori brushless: hanno la parte fissa composta da magneti permanenti, mentre la parte mobile comprende tre bobine e il relativo circuito magnetico.
Vantaggi
I motori sincroni rappresentano la tipologia più affermata nel campo delle macchine automatiche, per una serie di ragioni, prima tra tutte la semplicità del sistema di controllo e di alimentazione: del tutto simile, se non esattamente uguale, a quello dei brushless rotativi (ormai considerato uno standard industriale) costituisce un punto di continuità con i sistemi tradizionali, sia nell’impiantistica che nell’approccio progettuale (figura 4).
Inoltre i livelli di spinta, di corsa e l’accuratezza di posizionamento tipici di questa classe di motori rispondono spesso alle necessità tipiche delle macchine automatiche, anche in termini di ingombri e installazione all’interno delle macchine stesse.
Svantaggi
Le principali limitazioni di questi dispositivi derivano in massima parte dalla presenza dei magneti permanenti che incidono molto sul costo, soprattutto quando si devono realizzare lunghe corse. In alcune morfologie costruttive, essi sono anche causa di un’elevata forza d’attrazione tra il movente e lo statore.
Va inoltre evidenziata la necessità di proteggere (tramite gusci e soffietti) la pista di magneti permanenti da polveri ferromagnetiche, come accade per esempio con i trucioli nelle applicazioni sulle macchine utensili.
L’elevata forza di attrazione tra le due parti impone di tenerle distanziate con guide, oppure devono essere messe a punto configurazioni simmetriche, nelle quali le spinte si annullino: vedremo meglio in seguito le soluzioni disponibili (motori bilateri e cilindrici).
Forme costruttive e caratteristiche degli LSM
I tre principi funzionali descritti trovano applicazione in diversi campi dell’industria. Tuttavia, nel settore delle macchine automatiche, in pratica, vengono impiegati solo i motori sincroni a magneti permanenti: ci limiteremo quindi a descrivere le forme costruttive dei soli motori sincroni che corrispondono, come si è detto, ai motori rotativi brushless.
Le morfologie costruttive dei motori di tipo sincrono sono essenzialmente tre:
• a struttura monolatera (Forcer - platen);
• a struttura bilatera (U - shaped);
• a struttura cilindrica (Tubular).
Motori monolateri
La struttura monolatera è quella che si ottiene immaginando di “srotolare” un motore rotativo su un piano (figura 5). Lo statore è costituito da una pista di magneti permanenti, mentre il movente ha gli avvolgimenti ed è quindi collegato con i cavi di alimentazione della corrente.
Questa struttura è la più semplice, ma sconta tale pregio con una grande asimmetria del campo magnetico, che genera una forza di attrazione che può raggiungere entità anche 10 volte superiori a quelle della spinta erogabile dall’azionamento.
Questa forma impone quindi di tenere distanziate le due parti con guide lineari robuste. Consente comunque di ottenere il massimo delle prestazioni in termini di spinta, oltre alla presenza del nucleo ferromagnetico (figura 6).
Ciò è favorito dalla particolare forma costruttiva, che permette una buona evacuazione del calore prodotto negli avvolgimenti.
Motori bilateri
Per eliminare le forze di attrazione sono stati realizzati alcuni motori formati da due motori montati in posizione speculare, così da ottenere una guida “a U” dentro la quale scorre la parte mobile. Si ottiene così un sistema equilibrato e un miglior “utilizzo dei campi magnetici”. Infatti l’avvolgimento è affiancato da due piste di magneti e le linee di flusso tagliano in pieno le tre bobine del movente. Questo, per questioni di instabilità delle eventuali forze d’attrazione, è privo del nucleo ferromagnetico (figura 7).
A causa del ridotto peso del movente il motore che impiega questa linea costruttiva è estremamente adatto ad applicazioni in cui sono richieste forti accelerazioni. Per contro, la struttura molto chiusa non favorisce lo smaltimento del calore, per cui non si possono raggiungere alti valori della spinta.
Motori cilindrici
La struttura cilindrica è sicuramente la più favorevole. Infatti, oltre a godere della simmetria del campo magnetico, permette anche un processo di costruzione delle bobine dell’avvolgimento molto semplice ed economico (figura 8). La configurazione del particolare al centro generalmente prevede che il movente sia l’albero (in cui sono presenti i magneti permanenti) mentre l’avvolgimento costituisca lo statore. Si osservi come la particolare morfologia dell’avvolgimento renda più facile il raffreddamento. Una limitazione invece è data dalle dimensioni dei magneti permanenti, che limitano la forza esplicabile dal motore. I motori possono essere realizzati anche con la parte esterna mobile (particolare a destra), nella quale il movente è rappresentato dall’avvolgimento mentre l’albero con i magneti permanenti è fisso. In questa soluzione è da sottolineare come l’avvolgimento traslante ad alta velocità consente di trasmettere calore per convezione forzata.
Come scegliere e dimensionare i motori lineari?
È la domanda alla quale deve rispondere il progettista, che voglia utilizzare questi nuovi componenti. L’identificazione dei parametri caratteristici e la valutazione del loro impatto sulle prestazioni sono, in generale, i primi passi da intraprendere.
Più in particolare, per gli impieghi sulle macchine automatiche, i parametri da esaminare sono la spinta massima ottenibile e la massa della parte mobile. Oltre ai due valori indipendenti, interessa anche il rapporto tra queste due grandezze (spinta/massa), che rappresenta l’accelerazione massima ottenibile dal motore “nudo”.
Ovviamente esistono moltissimi altri parametri che devono essere tenuti in considerazione nell’utilizzo di questi motori quali, per non citare che i principali: il rapporto tra valori di picco e valori continui, dissipazione termica, limitazioni termiche, esigenze di raffreddamento, ingombri e cablaggi, forza utile di spinta, failure mode, eccetera.
Ma in questa sede ci limitiamo a prendere in esame solo quei parametri che caratterizzano il comportamento dinamico che, in genere, rappresenta il punto critico nelle macchine per il packaging.
Calcolo dei valori di spinta
Vediamo quindi i valori di spinta disponibili per le diverse tipologie di motori. A ogni tipologia corrisponde un segmento, i cui valori estremi corrispondono rispettivamente al valore minimo e massimo riscontrati nei cataloghi della forza continua. I valori coprono un’amplissima gamma da 9 N fino a oltre 12.000 N e, quindi, oggi questi motori hanno un enorme campo potenziale di applicazione (figura 9).
In questa indagine sono stati esaminati circa 200 motori, prodotti da più di 10 diverse ditte produttrici.
Prestazioni in termini di accelerazione
L’altro parametro fondamentale è l’accelerazione ottenibile a vuoto, cioè da motore privo di carico. I valori ottenibili sono spesso molto alti; infatti, molti motori sono capaci di accelerazioni dell’ordine di 100 m/sec2.
La figura 10 illustra questa caratteristica: la linea blu, e i relativi punti, rappresentano motori monolateri raffreddati ad acqua che, a vuoto, sono capaci di raggiungere accelerazioni di 160 m/sec2; la linea rossa, e i relativi punti, indicano invece i motori monolateri non raffreddati ad acqua che arrivano ad accelerazioni dell’ordine di 100 m/sec2, infine la linea nera indica le accelerazioni, di quasi 190 m/sec2, ottenibili con motori bilateri.
Sebbene i motori bilateri abbiano livelli di spinta massima nettamente inferiori rispetto alla configurazione monolatera, si può notare come l’assenza del nucleo ferromagnetico all’interno del movente consenta all’azionamento di raggiungere valori di accelerazione più elevati.
Ricavando i coefficienti angolari delle rette che meglio approssimano le nuvole di punti delle tre tipologie di motori si ottiene la tabella 1, in cui sono riportati i valori delle accelerazioni medie teoriche delle tre tipologie.
I dati riportai nel diagramma sono il risultato di un’indagine nella quale sono stati esaminati circa 230 motori monolateri e bilateri di otto case costruttrici.
Comportamento con “carichi utili”
Fino a qua abbiamo esaminato il comportamento dei motori “a vuoto” ottenendo parametri molto significativi, corrispondenti alla cosiddetta costante di tempo meccanica dei motori rotativi, ma che forse non danno l’idea dei potenziali applicativi dei motori.
La risposta alla domanda è riportata nella figura 11 (la tabella 2 riporta i dati relativi ai motori scelti per ricavare il grafico) dove sono riportate le accelerazioni massime istantanee ottenibili con motori di tipologie differenti ma, con valore della spinta continua molto simili, in funzione della massa trasportata in un moto orizzontale. Si può ottenere in questo modo una valutazione di come le tre tipologie analizzate risultino sensibili all’aumentare del carico utile in modo del tutto differente.
Dal caso in cui il motore si muove “a vuoto” al caso in cui su di esso ci sia, per esempio, una massa di 3 kg, la configurazione bilatera accusa un decremento dell’accelerazione massima del 70%, mentre la classe dei motori monolateri non raffreddata ha solo un calo del 25%. In definitiva si può concludere che, in questo caso specifico, i motori monolateri siano meno sensibili alla variazione del carico utile rispetto a quelli bilateri.
Sempre correlando l’accelerazione raggiungibile da vari motori al variare del carico utile, si ricava un’importante considerazione: la scelta del motore non deve essere fatta solo in base alla forza massima che esso riesce a erogare, bensì va tenuto in conto anche quanto il motore sia più o meno sensibile al variare dell’entità della massa da movimentare.
Per maggiore chiarezza, facciamo l’esempio in cui, si debba movimentare un astuccio che abbia massa di mezzo chilo in un moto orizzontale. Nella figura 12 la linea di colore nero rappresenta il motore che riesce a conferire l’accelerazione maggiore.
Tale motore, tuttavia, non risulta essere il migliore in assoluto. Infatti se la massa da movimentare fosse più piccola (supponiamo minore di 100 g) il motore più efficace in termini di accelerazione sarebbe quello rappresentato dalla linea rossa, mentre quello scelto in precedenza risulterebbe addirittura il peggiore.
I dati che hanno permesso la costruzione della figura 12 sono riportati in tabella 3 e si riferiscono a motori di tipologia bilatera.
In conclusione
Lo scopo di questa nota era di fornire una prima idea delle possibilità di applicazione di questi motori. I dati riportati indicano che, oggi, è possibile sostituire gruppi formati da motori rotativi e sistemi meccanici con semplici motori lineari, ottenendo valori di accelerazioni e velocità impensabili con tecnologie, diciamo così, tradizionali.
Ma allora perché le applicazioni sono ancora rare? Secondo chi scrive, i motivi sono molteplici.
Innanzi tutto, solo in pochi casi vi è una reale necessità di raggiungere valori così esasperati. Il costo ancora elevato dei motori lineari e la criticità nel montaggio e raffreddamento di certi tipi di motori rappresentano un ulteriore deterrente.
Infine, a margine, sussiste la limitata propensione del settore, nel suo complesso, all’innovazione: perfino i motori brushless cominciano a essere impiegati in modo diffuso solo ora, a distanza di oltre 15 anni dalla loro piena disponibilità commerciale e dalle prime applicazioni industriali.
Ingegner Fabrizio Lotti
Dottorando all’Università di Bologna
Ingegner Mario Salmon
Consulente, M.S. Automation |  | Linear motors and packaging machines
How many kilograms are needed to move a useful load of one kilogram? In other words, how much must a means of transport weigh for every kg transported? In the case of my car, which has an unladen weight of 1,200 kg, with five people on board it takes 3 kg of “steel” to move 1 kg of load: things are better in the case of aeroplanes, where 7 hg are sufficient to carry 1 kg of passenger weight.
But with machines for assembly and packaging, things are markedly worse: moving a 100-gram box requires a series of levers and reduction motors which often weigh more than 10 kg! It is as if I were to use a heavy truck to go to for a pleasure jaunt!
Moreover, while my car has to “work” against wind resistance and gradients, packaging machines only have to work against inertia to go from rest to maximum speed, and to stop in a fraction of the time it takes in a car! Taking the analogy further, it is like using a heavy truck to move in great leaps: maximum acceleration, brake, stop, repeat... all just to move a little bottle!
It is clear, therefore, that packaging machines represent a huge waste of energy and that it would be wonderful to create packaging lines which only weigh about the same as the items they are required to move. Unfortunately, however, at the moment my energy source is a rotating motor which uses a complex series of, heavy, noisy and expensive components which absorb energy through the line, reducers, cams and levers.
Nevertheless, it is also true that new components are available on the market which meet the need to directly create a packaging line without the aid of intermediate mechanisms: these components are linear motors, that is, electric motors which, instead of having a rotating moving element have a lateral moving element and, instead of the bearings on which a shaft rotates, has guides along which the motor itself moves.
This article describes what linear motors are, the main types available and the advantages to be gained from using them.
A classification
It should be stated right away that linear motors can be classified on the basis of two criteria, which it will be useful to go into in more detail:
• the functioning principle (how they work),
• construction methods (how they are made).
In theory, linear motors work by “unrolling” rotating motors on a plane surface (figure 1); therefore through this “operation” a motor is obtained which consists of a fixed element on which runs a moving element; the magnetic field, which previously generated an attraction now generates a thrust, which is the first characteristic of such a motor.
Thus, as in the case of rotating motors, there are different types of linear motor.
• Variable resistance motors
- step motors (LSTM = linear stepper motors).
• Fixed resistance motors
- asynchronous motors (LIM = linear induction motor);
- synchronous motors (LSM = linear synchronous motor).
Let us first look at the functioning principles and the strengths and weaknesses of the various types.
Step motors
Principle
Basically, they resemble a rack railway, along which the motor “climbs”: the rack railway has no magnets and the motor progresses by moving from one tooth to the next, just like “steps” (figure 2).
Advantages
The main advantages of this technology are essentially linked to the simplicity of control which, where it is not necessary to achieve high levels of precision, can be of the open loop type. It is also possible to reduce the size of the “step” to obtain, with some limitations, accuracy to a few hundredths of a millimetre.
Disadvantages
Despite the undoubted value, variable resistance motors have the same disadvantages encountered in the rotating type: in the first place, their motion is the sum of many incremental motions, and this means that in use they may be noisy and subject to vibration. Moreover, the ranges of speed and thrust are inferior to those necessary for most industrial applications. For this reason, they are used with great success almost exclusively in equipment for laboratories and the medical industry.
Asynchronous motors
Principle
In the way that rotating asynchronous motors are based on the interaction between excited reels and current created on a cage-like structure, here the “set” reels create current on a ladder made out of conductive material.
Hence the squirrel cage becomes a ladder that constitutes the stator, while the mobile part is made out of three magnetic circuits that create currents in the ladder.
Advantages
These motors are the simplest, the most economical and robust, and are used where the length of the track means having less costly fixed elements (figure 3). The thrust is obtained from a linear motor which runs on a fixed track, the basic structure. Because of their characteristics (their ability to achieve high speed and powerful thrust) they are frequently used in transport applications, as in the case of the new super-fast Berlin-Hamburg railway.
Disadvantages
As with asynchronous rotating motors driven by inverters, asynchronous linear motors have a serious limitation: they provide reduced torque during start-up, that is from rest, unless some type of vector control is used.
Synchronous motors
Principle
They are similar to brushless motors: the fixed element consists of a fixed magnet, while the moving part consists of three coils and a related magnetic circuit.
Advantages
Synchronous motors are the most established type in the automatic machine sector for a number of reasons, first and foremost the simplicity of the control and power supply system: basically similar to, if not exactly the same as, those of the brushless rotating type (now looked upon as an industrial standard) they form a continuity with traditional systems, both in terms of plant design and installation and in design approach (figure 4). In addition, the levels of thrust, line run and accuracy of positioning inherent in this type of motor often correspond to the typical needs of automatic machines, also in terms of the overall dimensions and installation of the machines themselves.
Disadvantages
The main limitations of this type of device stem mostly from the use of fixed magnets which add greatly to the cost, especially when they are to be used on long tracks. In some real-world situations, they are also subject to high forces of attraction between the moving element and the stator. In addition, the need has been identified to protect the track (by means of shells and bellows) from magnetic ferrous dust, as occurs for example with the swarf in machine tool applications.
The high force of attraction between the two parts demands that they be kept apart with guides, or else symmetrical configurations must be set up so that the thrusts cancel each other out: the available solutions will be seen more clearly later in the article (bilateral and cylindrical motors).
Types of construction and features of LSMs
The three main functional principles described above find applications in several sectors of industry. Nevertheless, in the automatic machine sector, in practice only synchronous machines with fixed magnets are used: therefore we will limit ourselves to the types of construction of the synchronous motors which correspond to brushless rotating motors. There are essentially three types of construction of synchronous motors: • monolateral construction (Forcer - platen);
• bilateral construction (U - shaped);
• cylindrical construction (Tubular).
Monolateral motors
An idea of monolateral construction is obtained by imagining a rotating motor rolling on a plane surface (figure 5). The stator consists of a track of fixed magnets, while the moving element has electrical windings and is therefore connected by cables to a power source.
This is the simplest construction, but it loses a lot of its value through considerable variation in the magnetic field. This generates a force of attraction which can be ten times greater than that of the thrust which can be supplied by the activation.
This type of construction therefore requires the two elements to be kept apart by sturdy linear guides. However, it does mean that maximum performance can be obtained in terms of thrust, as well as having a ferrous magnetic nucleus (figure 6). This is an advantage of this type of construction, as it allows good dispersion of the heat generated by the power supply.
Bilateral motors
To eliminate forces of attraction, several types of motor are designed with two motors mounted opposite each other, forming a U-shaped track on which the moving element runs. This results in a balanced system and a better use of the magnetic fields. In effect, the power supply is flanked by two lines of magnets and the flux lines completely cut across the three coils of the moving element which, because of possible instability of forces of attraction, has no ferromagnetic nucleus (figure 7). Because of the reduced weight of the moving element, motors using this type of construction are well adapted to applications requiring strong acceleration.
On the other hand, the enclosed structure is not good at dispersing heat, so cannot achieve high levels of thrust.
Cylindrical motors
The cylindrical construction certainly offers the greatest advantages. In fact, as well as enjoying a symmetrical magnetic field, it allows the simplest and most economical construction process for the power supply coils (figure 8).
This configuration usually means that the moving element is the shaft, while the coils constitute the stator. It will be seen that the special design of the coils greatly aids cooling.
However, one limitation is imposed by the size of the fixed magnets, which limits the force which the motor can generate.
These motors can also be constructed so that it is the external part which moves (detail on the right), in which the moving element contains the coils while the shaft with the magnets is fixed. With this type of construction, it should be emphasised that the coils moving at high speed allow the heat to be transmitted by forced convection.
How can we decide on the type and size of linear motors?
This is the question which must be answered by the planner who wishes to use these new components. The first steps to be taken are identification of the parameters of the features and an evaluation of their impact on performance in general.
More specifically, for use with automatic machines, the parameters to be examined are the maximum thrust which can be obtained and the mass of the moving element. As well as these two independent values, the relationship between them (thrust/mass) is also of importance, as it represents the maximum acceleration which can be achieved by the “naked” machine.
Obviously there are many other parameters which must be taken into consideration when contemplating the use of these motors such as, to mention only the most important: the relationship between peak values and continuous values, thermal dissipation, thermal limitations, the need for cooling, overall dimensions and wiring, usable thrust, failure mode, etc.
However, in this article we shall limit ourselves to an examination of only those parameters which characterise the dynamic performance which, in general, is the critical point in packaging machines.
Calculation of thrust values
Let us examine the thrust values provided by the various types of motor. Each type covers a section where the extreme values correspond respectively to the maximum and minimum values found in the lists of continuous power. These values cover a very wide range, from 9 N to more than 12,000 N and therefore nowadays these motors have a huge potential range of applications (figure 9).
In this survey, about 200 motors were examined, produced by 10 different companies.
Performance in terms of acceleration
The other basic parameter is the acceleration which can be obtained “empty”, that is, with the motor not subject to any load. The values which can be obtained are often very high: in fact, many motors are capable of acceleration in the order of 100 m/sec2.
Figure 10 illustrates these features: the blue line, and the relative points, represent monolateral water-cooled motors that, on their own, are capable of attaining accelerations of 160 m/sec2, the red line, and the related points, in turn indicates monolateral motors that are not water-cooled that attain accelerations of some 100 m/sec2.
Finally, the black line indicates the accelerations, around 190 m/sec2, obtainable with bilateral motors.
Although bilateral motors produce maximum levels of thrust slightly lower than the monolateral configuration, it should be noted that the absence of a ferromagnetic nucleus within the moving element permits the machine to reach higher levels of acceleration, and therefore greater promptness in movement.
Extracting the angular coefficients of the lines which best approximate the mass of points of the three types of motor, we arrive at table 1, which shows the theoretical acceleration values of the three types.
The data in the diagram are the result of a survey which examined around 230 monolateral and bilateral motors produced by 8 constructors.
Performance with “usable load”
Up to now, we have examined the performance of “empty” motors, obtaining very significant parameters corresponding to the so-called mechanical time constant of rotating motors but which perhaps do not give an idea of the potential applications of the motors.
The answer to this question is provided in figure 11 (table 2 shows data relating to the motors selected to produce the graph). Figure 11 shows the maximum instantaneous acceleration which can be obtained from different types of motor but, with very similar continuous thrust values, in relation to the horizontally-transported mass.
In this way, it is possible to make an evaluation showing that the three types analysed allow a significant increase in the usable load, though in very different ways.
Going from the situation of a motor moving “empty” to a situation where it carries, for example, a mass of 3 kg, the bilateral configuration recorded a decrease in maximum acceleration of 70%, whereas the monolateral system without cooling showed a decrease of only 25%. It may thus be concluded that monolateral motors are less sensitive to the variation in usable load than the bilateral type.
Again correlating the achievable acceleration of the different types of motor with the variation of usable load, an important consideration occurs: the choice of motor must not be made solely on the basis of the maximum power it can provide. The question of whether the motor is more or less sensitive to variations in the mass of the load to be moved must also be taken into account.
For greater clarity, let us take an example in which a box with a mass of half a kilogram must be moved in a horizontal direction. The black line in figure 12 represents the motor which is able to produce the greatest acceleration. Such a motor, however, is not the best overall. In fact, if the mass to be moved were smaller (say, less than 100 grams) the most efficient motor in terms of acceleration would be the one represented by the red line, so the first choice would in fact be the worst.
The data used for figure 12 are listed in table 3 and refer to motors of the bilateral type.
In conclusion
The purpose of this article was to provide some initial ideas for the possible applications of these rotatory motors. The data show that nowadays it is possible to replace equipment using rotary motors and mechanical systems with simple linear motors, and achieve values of acceleration and speed unimaginable with what might be described as “traditional” technology.
So why are the applications still relatively rare? Depending on who you listen to, there are many reasons.
In the first place, only in a few cases is it necessary to achieve such high performance.
The cost of linear motors, which is still high, and the need for precise installation and cooling are a further deterrent. Finally, there is the limited enthusiasm of the sector as a whole for innovation: even brushless motors are only now coming into widespread use, more than 15 years after their commercial availability and the first industrial applications.
Engineer Fabrizio Lotti
Graduating from Bologna University
Engineer Mario Salmon
Consultant, M.S. Automation
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