O desenvolvimento e a aplicação de motores lineares

O desenvolvimento de motores lineares no exterior

Histórico de desenvolvimento

O desenvolvimento dos motores lineares começou pouco depois do desenvolvimento dos motores rotativos. Logo após o surgimento dos motores rotativos, surgiu o protótipo dos motores lineares. No entanto, o processo de desenvolvimento dos motores lineares foi tortuoso.

Em 1845, o britânico Charles Wheastone inventou o primeiro motor linear do mundo. No entanto, esse motor linear apresentava baixíssima eficiência devido ao entreferro excessivo e não obteve sucesso. Em meados do século XX, o desenvolvimento de tecnologias de controle, eletrônica, materiais e outras forneceu suporte teórico e técnico para o desenvolvimento de motores lineares, e estes entraram em uma nova fase de desenvolvimento. O professor E.R. Laithwaite, do Reino Unido, foi um pioneiro no desenvolvimento de motores lineares modernos. Ele enfatizou a pesquisa fundamental de motores lineares, e a equipe de pesquisa liderada por ele alcançou muitos resultados significativos. Outra figura representativa é o professor Kazuo Yamada, do Japão, autor de diversos livros sobre motores lineares. Desde a década de 1970, os campos de aplicação dos motores lineares se expandiram consideravelmente, abrangendo plotters automáticas, bombas de metal líquido (MHD), martelos eletromagnéticos, máquinas industriais leves, eletrodomésticos, compressores de ar e equipamentos para fabricação de semicondutores, entre outros. Após a década de 1990, com a proposta do conceito de usinagem de alta velocidade, os motores lineares começaram a ser utilizados como sistemas de avanço em centros de usinagem. Devido às vantagens e ao potencial que os sistemas de avanço por acionamento direto possuem e que os sistemas tradicionais não conseguem igualar, eles voltaram a atrair a atenção de diversos países. Segundo relatórios da área, as vendas de motores lineares e unidades de acionamento nos EUA atingiram US$ 45,53 milhões em 1997 e a previsão é de que alcancem US$ 107,72 milhões em 2002.

Como um sistema eletromecânico, o motor linear simplifica a estrutura mecânica e complica o controle elétrico, o que está em conformidade com a tendência de desenvolvimento da tecnologia eletromecânica moderna.

A Anorad Corporation, dos EUA, é uma fabricante mundialmente reconhecida de motores lineares. A empresa lançou motores lineares CC sem escovas em 1988 e obteve uma patente nos EUA. A empresa produz principalmente motores lineares síncronos de ímã permanente, formando uma série de produtos com diferentes estruturas e potências, amplamente utilizados em diversos setores.

A empresa alemã Indramat produz motores lineares de indução e motores lineares de ímã permanente, com mais de 50 modelos no total. Os motores de ímã permanente apresentam alta eficiência (até 1,72 N/W) e alta densidade de empuxo. Relata-se que a velocidade de seus produtos pode atingir 600 m/min e o empuxo, 22 kN.

Para reduzir o preço dos motores lineares, a Trilogy Company lançou o Módulo de Codificação Linear (LEM). Ele utiliza o campo magnético do motor para fornecer feedback de posição, independente do curso. O módulo pode operar em ambientes hostis e fornecer sinais de comutação semelhantes aos de sensores de curso completo, com resolução e repetibilidade de 5 µm.

Os produtos de outros fabricantes de motores lineares possuem características próprias. Para mais detalhes, consulte “High-Frequency Response DC Linear Motor” de Liu Jinling et al. (publicado em “Micro and Special Motors”, Edição 4, 1993). A aplicação de motores lineares em sistemas de avanço de centros de usinagem de alta velocidade e outras máquinas-ferramenta CNC de grande curso é um desenvolvimento relativamente recente. Máquinas-ferramenta equipadas com motores lineares devem possuir sistemas de controle numérico avançados, alta rigidez e frequências naturais elevadas, e a massa das partes móveis deve ser a menor possível. Somente assim as capacidades dos motores lineares podem ser plenamente aproveitadas. Além disso, o projeto do sistema de avanço por acionamento direto em máquinas-ferramenta também precisa levar em consideração questões de refrigeração e dissipação de calor. Para evitar que cavacos e diversos pós sejam atraídos pelo campo magnético aberto do motor linear, medidas de isolamento magnético e antimagnéticas também devem ser adotadas. Ademais, os motores lineares não possuem travamento automático como os fusos de esferas. Se o motor for instalado na vertical, fatores como contrapeso para balanceamento e frenagem também precisam ser levados em consideração.

A colaboração entre a Ford, a Ingersoll e a Anorad em meados da década de 1980 possibilitou a aplicação de motores lineares em máquinas-ferramenta. A Ford almejava que suas máquinas-ferramenta fossem de alta velocidade, alta precisão e grande flexibilidade. Como resultado dessa cooperação, a Ingersoll lançou o "módulo de alta velocidade" HVM800, com motores lineares de ímã permanente da Anorad instalados nos três eixos, alcançando excelente desempenho.

Em 1993, a empresa alemã Ex-Cell-O apresentou o primeiro centro de usinagem de alta velocidade do mundo, o XHC240, acionado por um motor linear montado em uma mesa de trabalho, na Exposição Europeia de Máquinas-Ferramenta em Hannover, Alemanha. Ele era equipado com um motor linear de indução desenvolvido pela empresa alemã Indramat, com velocidade máxima de deslocamento do eixo de 80 m/min e aceleração de até 1 g. Posteriormente, muitos fabricantes lançaram sucessivamente centros de usinagem equipados com motores lineares. Segundo as estatísticas, o volume de vendas de máquinas-ferramenta com motores lineares foi de 300 unidades em 1997, e a expectativa era de que aumentasse para 3.000 unidades até 2005. Em dez anos, 20% das máquinas-ferramenta CNC seriam equipadas com motores lineares.

Além das máquinas-ferramenta de corte, outras máquinas-ferramenta, como as de corte a laser, corte a plasma e usinagem por eletroerosão, também começaram a aplicar motores lineares.

Situação atual da pesquisa sobre motores lineares nacionais

Embora existam muitas instituições nacionais pesquisando motores lineares, três universidades se destacam no estudo desses motores como sistemas de avanço para máquinas-ferramenta ou centros de usinagem. A Universidade de Tecnologia de Guangdong estabeleceu o “Laboratório de Pesquisa em Usinagem e Máquinas-Ferramenta de Ultra-Alta Velocidade”, dedicado principalmente à pesquisa e desenvolvimento de “fusos elétricos de ultra-alta velocidade” e “unidades de avanço de alta velocidade para motores lineares”. Eles pesquisam motores de indução linear e desenvolveram a unidade de avanço GD-3 com controle numérico de alta velocidade para motores lineares. A força de avanço nominal é de 2 kN, a velocidade máxima de avanço é de 100 m/min, a precisão de posicionamento é de 0,004 mm e o curso é de 800 mm. Desde o final da década de 1990, a Universidade de Tecnologia de Shenyang realiza pesquisas sobre motores síncronos lineares de ímã permanente e fabricou um protótipo com empuxo de 100 N. Outro foco importante de sua pesquisa são os métodos de controle de motores elétricos e servossistemas, tema sobre o qual já publicaram diversos artigos. O Instituto de Engenharia de Manufatura do Departamento de Instrumentos de Precisão e Engenharia Mecânica da Universidade de Tsinghua desenvolveu com sucesso um motor linear CC de alta frequência com curso de até 5 mm, frequência de corte superior a 250 Hz e força de empuxo de várias centenas de Newtons. Este motor é utilizado para acionar o porta-ferramentas transversal de um torno de pistão convexo médio e obteve bons resultados em aplicações práticas. Atualmente, está em desenvolvimento uma unidade servo linear de ímã permanente de longo curso. A força de empuxo nominal do motor é de 1500 N, a velocidade máxima é de 60 m/min, a aceleração nominal sem carga é de 1 g e o curso é de 600 mm.

É importante destacar que, na China, a pesquisa sobre motores lineares, especialmente servomotores lineares em sistemas de alimentação de máquinas-ferramenta, ainda está em seus estágios iniciais. Há uma significativa escassez de pesquisadores e recursos financeiros, e o progresso é relativamente lento. A diferença em relação a outros países está se ampliando cada vez mais. É extremamente urgente fortalecer a pesquisa. Para romper o monopólio tecnológico estrangeiro, é necessário trilhar o caminho da combinação entre o acompanhamento tecnológico e o desenvolvimento independente, e fortalecer a pesquisa em tecnologias básicas e essenciais.

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