Motores lineares: Princípio, características e aplicações

Já se perguntou como é que os comboios podem flutuar sobre os carris ou como é que os robôs conseguem movimentos precisos? Este artigo revela o fascinante mundo dos motores lineares, explicando os seus princípios, tipos e vantagens únicas. Irá descobrir como estes motores revolucionam as indústrias com a sua velocidade, precisão e eficiência. Mergulhe para saber como os motores lineares estão a moldar o futuro!

Explicação do princípio e das características dos motores lineares

Índice

I. Princípio dos motores lineares

Os motores lineares são dispositivos que convertem diretamente a energia eléctrica em movimento mecânico linear sem quaisquer mecanismos de conversão intermédios. Podem ser considerados como motores rotativos que foram cortados radialmente e desdobrados num plano plano.

Também conhecidos como motores lineares ou actuadores lineares, os tipos mais comuns são os de base plana, os de canal em U e os tubulares. A configuração típica da bobina é trifásica, com comutação de fase sem escovas conseguida através de sensores de efeito Hall.

Explicação do princípio e das características dos motores lineares

Os motores lineares são muitas vezes descritos simplesmente como motores rotativos que foram desenrolados, funcionando segundo o mesmo princípio. O forçador (rotor) é fabricado através da compressão de bobinas com material epóxi; a pista magnética é constituída por ímanes (normalmente ímanes de terras raras de alta energia) fixados em aço.

O forçador do motor inclui enrolamentos de bobinas, placas de circuito de sensores de efeito Hall, reguladores térmicos (sensores de temperatura que monitorizam a temperatura) e interfaces electrónicas. Nos motores rotativos, o forçador e o estator necessitam de rolamentos rotativos para suportar o forçador e manter a folga de ar das peças móveis. Do mesmo modo, os motores lineares necessitam de guias lineares para manter a posição do forçador no campo magnético produzido pela pista magnética.

Tal como os codificadores montados nos veios dos servomotores rotativos para realimentar a posição, os motores lineares necessitam de codificadores lineares para medir diretamente a posição da carga, melhorando assim a precisão do posicionamento da carga.

O controlo dos motores lineares é semelhante ao dos motores rotativos. Tal como os motores rotativos sem escovas, o forçador e o estator não estão ligados mecanicamente (sem escovas).

Ao contrário dos motores rotativos, em que o forçador roda e o estator permanece fixo, nos sistemas de motores lineares, tanto a pista magnética como a bobina de impulso podem mover-se (a maioria dos sistemas de posicionamento tem uma pista magnética fixa e uma bobina de impulso móvel). Nos motores com bobinas de impulso móveis, o peso da bobina de impulso e da carga é muito pequeno.

No entanto, isto requer cabos altamente flexíveis e os seus sistemas de gestão. Nos motores com calhas magnéticas móveis, não só a carga mas também o peso da calha magnética têm de ser suportados, eliminando a necessidade de um sistema de gestão de cabos.

São utilizados princípios electromecânicos semelhantes nos motores lineares e rotativos. As mesmas forças electromagnéticas que produzem o binário nos motores rotativos geram o impulso linear nos motores lineares.

Por conseguinte, os motores lineares utilizam o mesmo controlo e as mesmas configurações programáveis que os motores rotativos. A forma dos motores lineares pode ser plana, em U ou tubular, consoante os requisitos específicos e o ambiente de trabalho da aplicação.

Os princípios de funcionamento dos motores lineares podem ser classificados em dois tipos principais: um em que o motor (parte móvel) se desloca dentro de um campo magnético, conhecido como motor linear maglev, e outro em que o motor permanece estacionário dentro do campo magnético e é impulsionado pela força electromagnética, conhecido como motor linear de impulso eletromagnético.

(1) Motor linear Maglev

O princípio subjacente ao motor linear maglev envolve a utilização de campos magnéticos para suspender o motor no ar, conseguindo assim um movimento sem contacto e sem fricção. Este tipo de motor linear inclui principalmente motores lineares síncronos de ímanes permanentes (PMSLMs) e motores lineares de suspensão electromagnética (EMSLMs).

Os PMSLMs exploram a interação entre o campo magnético produzido pelos ímanes permanentes e o campo magnético do estator para suspender o motor. As principais vantagens dos PMSLMs são a sua estrutura simples, o baixo custo e o funcionamento estável.

No entanto, a intensidade do campo magnético é limitada devido à presença de ímanes permanentes, o que resulta num impulso e numa velocidade relativamente menores.

Os EMSLM utilizam a força de levitação magnética gerada por campos electromagnéticos para suspender o motor. A sua principal vantagem é a maior intensidade do campo magnético, o que leva a um impulso e velocidade relativamente maiores. No entanto, os EMSLM têm uma estrutura mais complexa e custos mais elevados.

(2) Motor linear de impulso eletromagnético

O motor linear de impulso eletromagnético funciona utilizando a força electromagnética para mover o motor dentro de um campo magnético. Esta categoria inclui principalmente os motores lineares de corrente alternada (ACLM) e os motores lineares de corrente contínua (DCLM).

Os ACLMs são alimentados pela força electromagnética gerada pela corrente alternada para mover o motor. As principais vantagens dos ACLMs são a simplicidade, o baixo custo e o funcionamento estável. No entanto, as características da corrente alternada limitam o seu impulso e velocidade.

Os DCLMs utilizam a força electromagnética gerada pela corrente contínua para mover o motor. A principal vantagem dos DCLMs é o seu maior impulso e velocidade, mas têm uma estrutura mais complexa e são mais caros de implementar.

II. Características dos motores lineares

Antes de existirem motores lineares práticos e económicos, todos os movimentos lineares tinham de ser convertidos a partir de máquinas rotativas utilizando fusos de esferas, fusos de rolos, correias ou polias. Para muitas aplicações, especialmente as que envolvem cargas pesadas e veios de transmissão verticais, estes métodos ainda são os melhores.

No entanto, os motores lineares têm muitas vantagens únicas em relação aos sistemas mecânicos, tais como velocidades muito altas e muito baixas, elevada aceleração, manutenção praticamente nula (sem peças de contacto), elevada precisão e ausência de folga.

Completar o movimento linear apenas com um motor, sem engrenagens, acoplamentos ou polias, faz sentido para muitas aplicações, eliminando as peças desnecessárias que reduzem o desempenho e encurtam a vida mecânica.

1) Estrutura simples.

Os motores lineares tubulares produzem diretamente movimento linear sem mecanismos de conversão intermédios, simplificando consideravelmente a estrutura, reduzindo a inércia do movimento e melhorando significativamente a resposta dinâmica e a precisão do posicionamento. Isto também aumenta a fiabilidade, poupa custos e simplifica o fabrico e a manutenção. O primário e o secundário podem tornar-se diretamente parte do mecanismo, uma combinação única que demonstra ainda mais estas vantagens.

2) Adequado para movimentos lineares de alta velocidade.

Uma vez que não existem restrições devido à força centrífuga, os materiais comuns podem atingir velocidades mais elevadas. Além disso, se forem utilizadas almofadas de ar ou magnéticas para manter a distância entre o primário e o secundário, não há contacto mecânico durante o movimento, pelo que não há fricção nem ruído. Isto significa que as peças da transmissão não sofrem desgaste, reduzindo consideravelmente as perdas mecânicas e evitando o ruído dos cabos, cordas de aço, engrenagens e polias, aumentando assim a eficiência global.

3) Elevada utilização dos enrolamentos primários.

Nos motores de indução lineares tubulares, os enrolamentos primários são em forma de panqueca, sem enrolamentos terminais, o que resulta numa elevada utilização do enrolamento.

4) Sem efeitos de borda transversal.

Os efeitos transversais referem-se ao enfraquecimento do campo magnético nas fronteiras devido a rupturas transversais. Os motores lineares cilíndricos não têm rupturas transversais, pelo que o campo magnético é distribuído uniformemente de forma circunferencial.

5) Superar facilmente a atração magnética unilateral.

As forças de tração radial anulam-se mutuamente, eliminando praticamente o problema da tração magnética unilateral.

6) Fácil de ajustar e controlar.

Ajustando a tensão ou a frequência, ou mudando o material secundário, podem ser obtidas diferentes velocidades e impulsos electromagnéticos, adequados para operações recíprocas de baixa velocidade.

7) Forte capacidade de adaptação.

O núcleo primário do motor linear pode ser encapsulado com resina epóxi, proporcionando uma boa resistência à corrosão e à humidade, tornando-o adequado para utilização em ambientes húmidos, poeirentos e com gases nocivos. Além disso, pode ser concebido em várias estruturas para satisfazer diferentes necessidades.

8) Aceleração elevada.

Esta é uma vantagem significativa dos accionamentos por motor linear em comparação com outros parafusos, correia sincronizadae accionamentos de cremalheira.

III. Aplicações de Motores Lineares

Os motores lineares, conhecidos pela sua eficiência, precisão e alta velocidade, são amplamente utilizados em vários domínios.

  1. Transporte

No sector dos transportes, os motores lineares são utilizados principalmente em comboios de alta velocidade, metropolitanos e elevadores. Por exemplo, os comboios maglev alemães utilizam motores lineares de levitação magnética, o que resulta em velocidades mais elevadas e níveis de ruído reduzidos.

Além disso, os motores lineares podem ser integrados nos sistemas de acionamento dos veículos eléctricos para melhorar o seu desempenho.

  1. Fabrico industrial

Na indústria transformadora, os motores lineares são principalmente utilizados em Máquina CNC ferramentas e robots. Por exemplo, os sistemas de alimentação de ferramentas em Máquinas-ferramentas CNC são accionados por motores lineares, oferecendo uma maior precisão de maquinação e tempos de resposta rápidos.

Além disso, os motores lineares podem ser aplicados a correias transportadoras e robôs de manuseamento em linhas de produção automatizadas, aumentando assim a produtividade.

  1. Área médica

No domínio da medicina, os motores lineares são principalmente aplicados em dispositivos de imagiologia médica, tais como tomógrafos computorizados e máquinas de ressonância magnética. Estes dispositivos requerem um controlo preciso do alcance e da velocidade de varrimento dos raios X ou dos campos magnéticos, e os motores lineares proporcionam uma elevada precisão e controlo da velocidade, aumentando a precisão e a eficiência dos diagnósticos.

  1. Investigação científica

Na investigação científica, os motores lineares são utilizados de forma proeminente em aceleradores de partículas e telescópios astronómicos. Por exemplo, os anéis do acelerador no Grande Colisor de Hádrons (LHC) utilizam motores lineares, que permitem capacidades de aceleração mais elevadas e um desempenho operacional mais estável.

Além disso, os motores lineares podem ser utilizados nos sistemas de focagem automática dos telescópios astronómicos, melhorando a precisão e a eficiência das observações.

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Shane
Autor

Shane

Fundador do MachineMFG

Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.

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