Un motor lineal es un motor eléctrico al que se le ha "desenrollado" el estator y el rotor , por lo que, en lugar de producir un par ( rotación ), produce una fuerza lineal a lo largo de su longitud. Sin embargo, los motores lineales no son necesariamente rectos. Característicamente, la sección activa de un motor lineal tiene extremos, mientras que los motores más convencionales están dispuestos como un bucle continuo.
Un modo de funcionamiento típico es el de un actuador tipo Lorentz , en el que la fuerza aplicada es linealmente proporcional a la corriente y al campo magnético .
Los motores lineales se encuentran más comúnmente en aplicaciones de ingeniería de alta precisión [1] .
Se han propuesto muchos diseños para motores lineales, dividiéndose en dos categorías principales: motores lineales de baja y alta aceleración. Los motores lineales de baja aceleración son adecuados para trenes maglev y otras aplicaciones de transporte terrestre. Los motores lineales de alta aceleración normalmente son bastante cortos y están diseñados para acelerar un objeto a una velocidad muy alta; por ejemplo, vea la pistola de bobina .
Los motores lineales de alta aceleración se utilizan normalmente en estudios de colisiones a hipervelocidad , como armas o como impulsores de masas para la propulsión de naves espaciales . [ cita necesaria ] Por lo general, tienen un diseño de motor de inducción lineal de CA (LIM) con un devanado trifásico activo en un lado del entrehierro y una placa conductora pasiva en el otro lado. Sin embargo, el cañón de riel de motor lineal homopolar de corriente continua es otro diseño de motor lineal de alta aceleración. Los motores de baja aceleración, alta velocidad y alta potencia suelen tener un diseño de motor síncrono lineal (LSM), con un devanado activo en un lado del entrehierro y una serie de imanes de polos alternos en el otro lado. Estos imanes pueden ser imanes permanentes o electroimanes . El motor del tren maglev de Shanghai , por ejemplo, es un LSM.
Los motores lineales sin escobillas son miembros de la familia de motores síncronos. Por lo general, se utilizan en etapas lineales estándar o se integran en sistemas de posicionamiento personalizados de alto rendimiento . Inventado a finales de la década de 1980 por Anwar Chitayat en Anorad Corporation, ahora Rockwell Automation , y ayudó a mejorar el rendimiento y la calidad de los procesos de fabricación industrial. [2]
Los motores lineales con escobillas (eléctricos) se utilizaban en aplicaciones de automatización industrial antes de la invención de los motores lineales sin escobillas. En comparación con los motores sin escobillas trifásicos , que se utilizan habitualmente en la actualidad, los motores con escobillas funcionan con una sola fase. [3] Los motores lineales de escobillas tienen un coste menor ya que no necesitan cables móviles ni servoaccionamientos trifásicos. Sin embargo, requieren de un mayor mantenimiento ya que sus escobillas se desgastan.
En este diseño, la velocidad de movimiento del campo magnético se controla, generalmente electrónicamente, para seguir el movimiento del rotor. Por motivos de coste, los motores lineales síncronos rara vez utilizan conmutadores , por lo que el rotor suele contener imanes permanentes o hierro dulce . Los ejemplos incluyen pistolas de bobina y motores utilizados en algunos sistemas maglev , así como muchos otros motores lineales. En la automatización industrial de alta precisión, los motores lineales suelen estar configurados con un estator magnético y una bobina móvil. Se adjunta un sensor de efecto Hall al rotor para rastrear el flujo magnético del estator. La corriente eléctrica normalmente se proporciona desde un servoaccionamiento estacionario a la bobina móvil mediante un cable móvil dentro de un portacables .
En este diseño, la fuerza es producida por un campo magnético lineal en movimiento que actúa sobre los conductores en el campo. Cualquier conductor, ya sea un bucle, una bobina o simplemente una pieza de placa de metal, que se coloque en este campo tendrá corrientes parásitas inducidas en él creando así un campo magnético opuesto, de acuerdo con la ley de Lenz . [4] Los dos campos opuestos se repelen, creando así movimiento a medida que el campo magnético recorre el metal.
En este diseño, se hace pasar una gran corriente a través de una zapata metálica a través de contactos deslizantes alimentados por dos rieles. El campo magnético que esto genera hace que el metal se proyecte a lo largo de los carriles.
Diseño eficiente y compacto aplicable a la sustitución de cilindros neumáticos .
El accionamiento piezoeléctrico se utiliza a menudo para accionar pequeños motores lineales.
La historia de los motores eléctricos lineales se remonta al menos a la década de 1840, al trabajo de Charles Wheatstone en el King's College de Londres , [5] pero el modelo de Wheatstone era demasiado ineficiente para ser práctico. En la patente estadounidense 782.312 (1905, inventor Alfred Zehden de Frankfurt-am-Main), se describe un motor de inducción lineal factible para impulsar trenes o ascensores. El ingeniero alemán Hermann Kemper construyó un modelo funcional en 1935. [6] A finales de la década de 1940, el Dr. Eric Laithwaite de la Universidad de Manchester , más tarde profesor de Ingeniería Eléctrica Pesada en el Imperial College de Londres , desarrolló el primer modelo funcional de tamaño real.
En una versión de un solo lado, la repulsión magnética fuerza al conductor a alejarse del estator, levitándolo y llevándolo en la dirección del campo magnético en movimiento. A sus versiones posteriores las llamó río magnético . Las tecnologías se aplicarían más tarde, en el servicio de transporte Air-Rail Link de 1984 , entre el aeropuerto de Birmingham y una estación de tren adyacente.
Debido a estas propiedades, los motores lineales se utilizan a menudo en la propulsión maglev , como en la línea japonesa de trenes de levitación magnética Linimo cerca de Nagoya . Sin embargo, los motores lineales se han utilizado independientemente de la levitación magnética, como en los sistemas de metro Bombardier Innovia de todo el mundo y en varios metros japoneses modernos, incluida la línea Toei Ōedo de Tokio .
También se utiliza una tecnología similar en algunas montañas rusas con modificaciones pero, en la actualidad, todavía no es práctica en los tranvías que circulan por las calles , aunque esto, en teoría, podría hacerse enterrándolo en un conducto ranurado.
Fuera del transporte público, se han propuesto motores lineales verticales como mecanismos de elevación en minas profundas , y el uso de motores lineales está creciendo en aplicaciones de control de movimiento . También se suelen utilizar en puertas correderas, como las de tranvías de piso bajo como el Alstom Citadis y la Socimi Eurotram . También existen motores lineales de doble eje. Estos dispositivos especializados se han utilizado para proporcionar movimiento X - Y directo para el corte láser de precisión de telas y láminas de metal, el dibujo automatizado y la formación de cables. La mayoría de los motores lineales que se utilizan son LIM (motor de inducción lineal) o LSM (motor síncrono lineal). Los motores lineales de CC no se utilizan debido a su mayor costo y el SRM lineal adolece de un empuje deficiente. Por lo tanto, para recorridos largos con tracción se prefiere principalmente LIM y para recorridos cortos se prefiere LSM.
Se han sugerido motores lineales de alta aceleración para diversos usos. Se ha considerado su uso como arma , ya que la munición perforante actual tiende a consistir en pequeños proyectiles con una energía cinética muy alta , para los cuales son adecuados precisamente estos motores. Muchas montañas rusas lanzadas en parques de diversiones ahora utilizan motores de inducción lineal para impulsar el tren a alta velocidad, como alternativa al uso de una colina elevadora .
La Armada de los Estados Unidos también está utilizando motores de inducción lineal en el Sistema de Lanzamiento de Aeronaves Electromagnético que reemplazará a las tradicionales catapultas de vapor en futuros portaaviones. También se ha sugerido su uso en la propulsión de naves espaciales . En este contexto se les suele llamar conductores de masas . La forma más sencilla de utilizar impulsores de masa para la propulsión de naves espaciales sería construir un impulsor de masa grande que pueda acelerar la carga hasta alcanzar la velocidad de escape , aunque también se ha investigado la asistencia de lanzamiento RLV como StarTram a la órbita terrestre baja .
Los motores lineales de alta aceleración son difíciles de diseñar por varias razones. Requieren grandes cantidades de energía en periodos de tiempo muy cortos. El diseño de un lanzacohetes [7] requiere 300 GJ por cada lanzamiento en menos de un segundo. Los generadores eléctricos normales no están diseñados para este tipo de carga, pero se pueden utilizar métodos de almacenamiento de energía eléctrica a corto plazo. Los condensadores son voluminosos y caros, pero pueden suministrar grandes cantidades de energía rápidamente. Se pueden utilizar generadores homopolares para convertir la energía cinética de un volante en energía eléctrica muy rápidamente. Los motores lineales de alta aceleración también requieren campos magnéticos muy fuertes; de hecho, los campos magnéticos suelen ser demasiado fuertes para permitir el uso de superconductores . Sin embargo, con un diseño cuidadoso, esto no tiene por qué ser un problema importante. [8]
Se han inventado dos diseños básicos diferentes para motores lineales de alta aceleración: cañones de riel y cañones de bobina .
Los motores lineales se utilizan comúnmente para accionar equipos de automatización industrial de alto rendimiento. Su ventaja, a diferencia de cualquier otro actuador de uso común, como un husillo de bolas , una correa de distribución o un piñón y cremallera , es que proporcionan cualquier combinación de alta precisión, alta velocidad, alta fuerza y largo recorrido.
Los motores lineales se utilizan ampliamente. Uno de los principales usos de los motores lineales es impulsar la lanzadera en los telares .
Se han utilizado motores lineales para puertas correderas y varios actuadores similares. Se han utilizado para la manipulación de equipaje e incluso para el transporte de materiales a granel a gran escala.
A veces se utilizan motores lineales para crear movimiento giratorio. Por ejemplo, se han utilizado en observatorios para hacer frente a los grandes radios de curvatura.
Los motores lineales también se pueden utilizar como alternativa a los sistemas de elevación convencionales con cadena para montañas rusas. La montaña rusa Maverick en Cedar Point utiliza uno de esos motores lineales en lugar de una cadena elevadora.
Se ha utilizado un motor lineal para acelerar los coches en las pruebas de choque . [9]
La combinación de alta precisión, alta velocidad, gran fuerza y largo recorrido hace que los motores lineales sin escobillas sean atractivos para accionar equipos de automatización industrial. Sirven a industrias y aplicaciones tales como semiconductores paso a paso , tecnología electrónica de montaje en superficie , robots de coordenadas cartesianas para automóviles , fresado químico aeroespacial , microscopio electrónico óptico , automatización de laboratorios de atención médica, recogida y colocación de alimentos y bebidas .
Los actuadores de motores lineales síncronos , utilizados en máquinas herramienta, proporcionan alta fuerza, alta velocidad, alta precisión y alta rigidez dinámica, lo que resulta en una alta suavidad de movimiento y un bajo tiempo de asentamiento. Pueden alcanzar velocidades de 2 m/s y precisiones a nivel de micras, con tiempos de ciclo cortos y un acabado superficial liso. [10]
Todas las siguientes aplicaciones son de tránsito rápido y tienen la parte activa del motor en los automóviles. [11] [12]
Desarrollado originalmente a finales de la década de 1970 por UTDC en Canadá como Sistema de Tránsito de Capacidad Intermedia (ICTS). Se construyó una pista de pruebas en Millhaven, Ontario , para realizar pruebas exhaustivas de prototipos de automóviles, tras lo cual se construyeron tres líneas:
ICTS se vendió a Bombardier Transportation en 1991 y luego se conoció como Advanced Rapid Transit (ART) antes de adoptar su marca actual en 2011. Desde entonces, se han realizado varias instalaciones más:
Todos los sistemas de Metro de Innovia utilizan electrificación de tercer carril .
Uno de los mayores desafíos que enfrentaron los ingenieros ferroviarios japoneses entre los años 1970 y 1980 fue el costo cada vez mayor de la construcción del metro. En respuesta, en 1979 la Asociación Japonesa de Metro comenzó a estudiar la viabilidad del "minimetro" para satisfacer la demanda de tráfico urbano. En 1981, la Asociación Japonesa de Ingeniería Ferroviaria estudió el uso de motores de inducción lineales para este tipo de metros de pequeño perfil y En 1984 estaba investigando sobre las aplicaciones prácticas de motores lineales para ferrocarril urbano con el Ministerio japonés de Tierra, Infraestructura, Transporte y Turismo . En 1988, se realizó una demostración exitosa con el Limtrain en Saitama e influyó en la eventual adopción del motor lineal para la Línea Nagahori Tsurumi-ryokuchi en Osaka y la Línea Toei 12 (actual Línea Toei Oedo ) en Tokio . [14]
Hasta la fecha, las siguientes líneas de metro en Japón utilizan motores lineales y líneas aéreas para la recolección de energía:
Además, Kawasaki Heavy Industries también ha exportado el Metro Lineal al Metro de Guangzhou en China; [15] todas las líneas de Metro Lineal en Guangzhou utilizan electrificación de tercer carril:
Hay muchas montañas rusas en todo el mundo que utilizan LIM para acelerar los vehículos. El primero fue Flight of Fear en Kings Island y Kings Dominion , ambos inaugurados en 1996. Battlestar Galactica: Human VS Cylon & Revenge of the Mummy en Universal Studios Singapore se inauguró en 2010. Ambos usan LIM para acelerar desde cierto punto de las atracciones.
La Venganza de la Momia también ubicada en Universal Studios Hollywood y Universal Studios Florida . La Incredible Hulk Coaster y VelociCoaster en Universal Islands of Adventure también utilizan motores lineales. En Walt Disney World , Rock 'n' Roller Coaster protagonizada por Aerosmith en Disney's Hollywood Studios y Guardians of the Galaxy : Cosmic Rewind en Epcot utilizan LSM para lanzar sus vehículos de atracción a sus recintos interiores.
En 2023 , se renovó una montaña rusa de lanzamiento hidráulico , Top Thrill Dragster en Cedar Point en Ohio, EE. UU., y se reemplazó el lanzamiento hidráulico por un sistema de lanzamiento múltiple más débil que utiliza LSM, que crea menos fuerza g .
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