W świecie silników liniowych

Pomysłodawcą idei silników liniowych w postaci, w jakiej są one obecnie dostępne, był brytyjski naukowiec, profesor Eric Laithwaite. Od czasu opracowania wczesnych prototypów silnika płaskiego, powstały liczne inne konstrukcje, które w nieco odmienny sposób wykorzystują ten sam pomysł. Silnik liniowy jest urządzeniem o stosunkowo prostej budowie – składa się on z dwóch podstawowych zespołów – elektrycznie wzbudzanego siłownika i stojana ze stałymi magnesami.

Z tego powodu określany jest także jako rozłożony rotacyjny silnik elektryczny. Rolę wirnika pełni wspomniany wzbudzany siłownik, a stojan ma postać płaską o niemal dowolnej długości. Zamiast łożysk do prowadzenia siłownika w płaskim stojanie stosuje się szyny kierujące, które nie pozwalają poruszającemu się elementowi znaleźć się poza obszarem ruchu. Ze względu na pole magnetyczne siłownik praktycznie nie styka się ze stojanem. Dzięki temu nie występuje również zjawisko tarcia, które powodowałoby degradację urządzenia w trakcie jego pracy. W najbardziej precyzyjnych rozwiązaniach stosuje się łożyska powietrzne.

Budowa silnika liniowego

Rys. 1. Duża szerokość pasma silników liniowych jest zaletą w przypadku napędzania noża do cięcia w locie

W klasycznej konfiguracji ruchomy siłownik zasilany prądem przesuwa się względem statycznego stojana. Ma on małą masę i dzięki temu niewielką bezwładność. Pozwala to na wykonywanie precyzyjnych ruchów o dużych przyspieszeniach ale wymaga zastosowania odpowiednio elastycznego i złożonego systemu okablowania, za pomocą którego przesyłana jest energia zasilająca siłownik.

Może to być szczególnie problematyczne przy bardzo długich konstrukcjach. Rozciągliwy, sprężynujący kabel może w niektórych sytuacjach zmniejszać dynamikę ruchu, a zwykły długi przewód powodować niebezpieczeństwo zaczepienia o któryś z elementów maszyny. Dlatego też w specyficznych sytuacjach stosuje się inną konfigurację, w której zasilany prądem siłownik jest solidnie przymocowany do podłoża, a elementem ruchomym jest z natury cięższy stojan.

Ma on zawsze większą bezwładność niż siłownik, choćby dlatego, że jego zasięg ruchu jest proporcjonalny do jego długości. Jednakże wykorzystanie magnesów trwałych niweluje konieczność użycia długich kabli i elastycznych systemów okablowania.

Zasięg ruchu silnika liniowego jest ograniczony długością bieżni (toru) z magnesami trwałymi. W celu zwiększenia zakresu ruchu bieżnia ta musi zostać przedłużona o dodatkowe magnesy. Silniki liniowe mogą konkurować cenowo z pozycjonerami wykorzystującymi śrubę toczną lub napęd paskowy. Nowe, znacznie tańsze i silniejsze magnesy trwałe umożliwiają powstawanie nowocześniejszych konstrukcji tych napędów. Dodatkowo wykorzystanie koderów optycznych pozwala tworzyć urządzenia o stopniu ochrony IP67, które mogą być stosowane np. w zakładach spożywczych.

Parametry silników liniowych

Ze względu na analogie w budowie elektrycznych silników wirujących i silników liniowych, do określania ich cech stosuje się także podobne parametry. Prędkość ruchu wyrażana jest w metrach na sekundę, zamiast w obrotach na minutę. Przyspieszenie podawane jest w m/s2, zamiast w obr./s2 lub stopniach/s2. Zdolność do przemieszczania dużych mas wyrażana jest po prostu jako siła w niutonach, zamiast jako moment obrotowy w niutonometrach. Naturalnie podawana jest także moc prądu elektrycznego pobieranego ze źródła zasilania.

W praktyce, dzięki bezpośredniemu przeniesieniu generowanej siły napędowej na ruch liniowy, bez pośrednictwa jakichkolwiek dodatkowych elementów mechanicznych, uzyskuje się bardzo wysokie przyspieszenia i prędkości. Teoretycznie mogą one wynieść odpowiednio do 20m/s2 i 40m/s, choć jak na razie w dostępnych na rynku produktach są one nieco mniejsze. Jednakże brak wszelkiego rodzaju pasków przenoszących napęd, które zawsze charakteryzują się pewną rozciągliwością, a z czasem mogą na nich wystąpić niewielkie luzy, znacząco zwiększa tzw. pasmo oraz powtarzalność, a więc i precyzję wykonywanych ruchów.

Maksymalne osiągane parametry silników liniowych różnią się w zależności od typu zastosowanej konstrukcji. Obecnie na rynku istnieją trzy główne rodzaje silników: płaskie, u-kanałowe i rurowe.

Silnik liniowy w pakowaniu produktów spożywczych Fot. 1. Urządzenie do montażu suwaków Reseal 460X firmy Supreme Plastics Przykładem systemu wykorzystującego silnik liniowy jest opracowana w 2005 roku maszyna Reseal 460X firmy Supreme Plastics. Służy ona do montażu suwaków na opakowaniach do produktów spożywczych. Dzięki zastosowaniu silników firmy Baldor, pozwala ona na wykonywanie do 120 opakowań na minutę, co było dotąd nieosiągalne w przypadku wszelkich innych maszyn tej klasy, gdzie wykorzystywane były napędy innego rodzaju. Duża precyzja ruchów siłownika pozwala na jednakowy montaż obu części suwaków bez uwzględniania dużych marginesów błędów, które ograniczały uzysk poprawnie wytworzonych produktów. Ze względu na niewielkie rozmiary nowej wersji napędu producent umożliwia także unowocześnienie dotychczas stosowanych maszyn tej firmy poprzez wyposażenie ich w napędy oparte o silniki liniowe. Dzięki temu możliwe jest zwiększenie wydajności produkcji ponosząc jedynie niewielkie koszty. Działanie omawianej maszyny polega na przesuwaniu dwóch siłowników, z których każdy wyposażony został w podajnik suwaka i zgrzewacz. W spoczynku siłowniki pozostają w jednej pozycji do momentu w którym odpowiedni czujnik wykryje znak wskazujący miejsce rozpoczęcia instalacji suwaka. W tej chwili natychmiastowo przyspieszają one tak, aby zrównać swoją prędkość z przesuwem materiału. Gdy poruszają się z taką samą szybkością, uruchamiane są zgrzewacze, które przyczepiają suwaki do materiału. Po odpowiednim czasie suwak zostaje odcięty, a siłowniki bardzo szybko wracają do pozycji wyjściowej. Całość sterowana jest poprzez napęd liniowy firmy Baldor z wykorzystaniem interfejsu HMI tej samej firmy. Aplikacje pisane są w języku Mint, który przeznaczony jest specjalnie do tego typu zastosowań.