Tendencia de desarrollo
En la actualidad, el desarrollo de la tecnología de accionamiento directo para motores lineales muestra las siguientes tendencias:
Los servomotores lineales utilizados en los sistemas de alimentación de máquinas herramienta estarán dominados por los de imán permanente.
Integra el motor, el codificador, el riel guía, el cable, etc., reduce el tamaño del motor y facilita la instalación y el uso.
Modularizar cada componente funcional (rieles guía, codificadores, rodamientos, conectores, etc.).
Prestar atención al desarrollo de tecnologías relacionadas, como los componentes de retroalimentación de posición y la tecnología de control, es la base para mejorar el rendimiento de los motores lineales.
Dirección de la investigación
El objetivo de la investigación en motores lineales es mejorar su rendimiento y satisfacer los requisitos de las aplicaciones. Las principales características de rendimiento de los motores lineales incluyen velocidad, aceleración, empuje y su fluctuación, precisión de posicionamiento, precisión de posicionamiento repetitivo, características mecánicas (características velocidad-empuje), rendimiento transitorio (respuesta de velocidad) y características térmicas, entre otras.
Como sistema electromecánico, para mejorar su rendimiento se pueden realizar esfuerzos tanto desde el punto de vista estructural como de control.
Diseño estructural
Los motores lineales constan de estructuras de circuitos magnéticos primarios y secundarios, así como de estructuras mecánicas como soporte, sensores y sistemas de medición, refrigeración, protección contra el polvo y otros elementos de protección.
Diseño de circuitos magnéticos
Una tarea importante en el diseño de circuitos magnéticos es garantizar que el empuje y la fluctuación del empuje del motor cumplan con los requisitos de diseño.
El cálculo de la distribución del campo magnético dentro de un motor eléctrico es fundamental para el diseño de circuitos magnéticos. Debido a la particularidad de su estructura, los motores lineales presentan efectos de borde que provocan distorsión del campo magnético. Además, para la composición del circuito magnético se utilizan materiales magnéticos blandos, como láminas de acero al silicio. Los límites del medio son tortuosos y entrecruzados, el circuito magnético es complejo y la no linealidad es elevada. Si se adopta el método tradicional de circuito magnético equivalente o el método gráfico para el cálculo, se producirán errores significativos, e incluso podría resultar imposible. Por lo tanto, actualmente se utilizan ampliamente soluciones numéricas, principalmente el método de elementos finitos (MEF), para calcular la distribución del campo magnético de los motores lineales, lo que permite calcular el empuje y sus fluctuaciones, así como la fuerza vertical y otras características. En la actualidad, existen numerosos programas de MEF de excelente calidad para el cálculo del campo electromagnético disponibles en el mercado. Por consiguiente, la clave para calcular el campo electromagnético de los motores lineales mediante MEF reside en establecer un modelo de elementos finitos preciso.
Reducir las fluctuaciones de empuje es un aspecto clave y complejo del diseño de circuitos magnéticos. Entre las causas de estas fluctuaciones se incluyen: armónicos de alto orden en la corriente primaria y la fuerza contraelectromotriz, formas de onda de densidad de flujo no sinusoidales en el entrehierro, efecto de reluctancia, efecto de borde, etc. La fluctuación de empuje puede reducirse optimizando la forma y la disposición de los imanes permanentes, disminuyendo la densidad de flujo magnético de la excitación de los imanes permanentes, adoptando estructuras sin núcleo y multipolares en la etapa primaria, aumentando el número de ranuras y ampliando el entrehierro. Sin embargo, algunas medidas pueden debilitar otras características de rendimiento. Por lo tanto, al diseñar, se deben considerar exhaustivamente los requisitos de diseño para lograr el mejor resultado.
El diseño de la estructura mecánica implica numerosos aspectos. Aquí, nos centramos en la investigación del sistema de refrigeración, dado que este aspecto suele pasarse por alto. De hecho, las características térmicas son un rasgo importante de los motores lineales. Para un mismo modelo de motor, el empuje máximo con refrigeración duplica el que se obtiene sin ella. Por lo tanto, la calidad del sistema de refrigeración del motor influye significativamente en su rendimiento. Optimizar el diseño a partir del sistema de refrigeración es una vía rápida para mejorar el rendimiento del motor. El análisis de las características térmicas de los motores eléctricos generalmente también emplea el método de elementos finitos, y el diseño de la refrigeración se optimiza en función de los resultados del cálculo.
Investigación sobre tecnología de control
La tecnología de control es otro punto clave y complejo en el diseño de motores lineales.
Cuando el sistema de servocontrol lineal está en funcionamiento, acciona directamente la carga. Por lo tanto, los cambios en la carga repercuten directamente en el motor. Las perturbaciones externas, como los cambios en la masa de la pieza o la herramienta, o la fuerza de corte, también actúan directamente sobre el motor sin atenuación. Los cambios en los parámetros del motor también afectan directamente a su funcionamiento normal. Existe fricción en la guía lineal. Los motores lineales también presentan efecto de retención y efecto de final de carrera. Todos estos factores dificultan el control de los motores lineales. En el algoritmo de control, estas perturbaciones deben suprimirse o compensarse; de lo contrario, es fácil que se produzca inestabilidad en el sistema de control.
En general, el diseño del controlador debe cumplir con los siguientes requisitos: alta precisión de seguimiento en estado estacionario, respuesta dinámica rápida, gran capacidad antiinterferencias y buena robustez. Los distintos motores lineales y escenarios de aplicación presentan diferentes requisitos para los algoritmos de control, por lo que se deben adoptar métodos de control adecuados según las circunstancias específicas. Actualmente, las estrategias de control empleadas por los servomotores lineales incluyen principalmente el control PID tradicional y el control desacoplado, métodos de control modernos como el control no lineal, el control adaptativo, el control de estructura variable por modo deslizante, el control H∞, el control inteligente como el control difuso y el control mediante inteligencia artificial (como los sistemas de redes neuronales artificiales), entre otros.
Se observa que el algoritmo de control de los motores lineales requiere una gran cantidad de cálculos y, en la práctica, en sistemas de avance de mecanizado de alta velocidad, exige un alto rendimiento en tiempo real. Por lo tanto, impone requisitos muy exigentes a todo el sistema de control numérico. Para cumplir con estos requisitos, además de optimizar el algoritmo de control, es necesario utilizar hardware de alto rendimiento. En los sistemas de avance de centros de mecanizado de alta velocidad, se suele emplear tecnología de accionamiento totalmente digital, con un PC como plataforma básica y un DSP para la interpolación y el control de servomecanismos.
Aunque el control de los motores lineales es mucho más complejo que el de los motores rotativos, sus características electromagnéticas y principios de funcionamiento son básicamente similares, y la tecnología de servocontrol de los motores rotativos está relativamente desarrollada. Por lo tanto, durante la fase de investigación experimental, para establecer el sistema experimental lo antes posible y verificar la viabilidad del diseño, podemos adaptar el servocontrolador del motor rotativo al del motor lineal. Esto reduce el coste y el ciclo de investigación y desarrollo, y además resulta fundamental para el desarrollo de servocontroladores específicos para motores lineales.
La investigación experimental y teórica son la base del diseño, pero para determinar el rendimiento de un motor eléctrico, en última instancia, se requieren pruebas específicas. La tecnología de pruebas de rendimiento para motores rotativos ya está bastante madura y estandarizada, pero aún no existe un método unificado para las pruebas de rendimiento de motores lineales. Por lo tanto, investigar métodos de prueba de rendimiento eficientes y precisos para motores lineales es un tema crucial que impulsa la investigación teórica. Los puntos clave de la investigación experimental radican en la medición precisa de diversos parámetros como la velocidad, la aceleración, la fuerza estática, la fuerza dinámica, el desplazamiento y la temperatura. Si es necesario, también se debe diseñar un banco de pruebas específico. Con base en los resultados de los cálculos teóricos, se optimiza el esquema de diseño. A partir de este, se fabrica un prototipo y, posteriormente, se verifica la corrección del diseño mediante pruebas de rendimiento en dicho prototipo. Un motor lineal de alto rendimiento suele requerir numerosos cálculos y pruebas repetidas antes de su fabricación.
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Fecha de publicación: 24 de diciembre de 2025