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. Lo característico es que la sección activa de un motor lineal tenga 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 de motores lineales, que se dividen en dos categorías principales: motores lineales de baja aceleración y motores lineales de alta aceleración. Los motores lineales de baja aceleración son adecuados para trenes de levitación magnética 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, véase el cañón de bobina .
Los motores lineales de alta aceleración se utilizan normalmente en estudios de colisiones de hipervelocidad , como armas o como impulsores de masa para la propulsión de naves espaciales . [ cita requerida ] Por lo general, son del 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 ser del diseño de motor síncrono lineal (LSM), con un devanado activo en un lado del entrehierro y una matriz de imanes de polos alternos en el otro lado. Estos imanes pueden ser imanes permanentes o electroimanes . El motor del tren de levitación magnética de Shanghái , por ejemplo, es un LSM.
Los motores lineales sin escobillas son miembros de la familia de motores síncronos. Se utilizan normalmente en etapas lineales estándar o se integran en sistemas de posicionamiento personalizados de alto rendimiento . Inventados a fines de la década de 1980 por Anwar Chitayat en Anorad Corporation, ahora Rockwell Automation , ayudaron a mejorar el rendimiento y la calidad de los procesos de fabricación industrial. [2]
Los motores lineales con escobillas 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 con escobillas tienen un coste menor, ya que no necesitan cables móviles ni servoaccionamientos trifásicos. Sin embargo, requieren un mayor mantenimiento, ya que sus escobillas se desgastan.
En este diseño, la velocidad de movimiento del campo magnético se controla, generalmente de forma electrónica, para rastrear el movimiento del rotor. Por razones de costo, los motores lineales síncronos rara vez usan conmutadores , por lo que el rotor a menudo contiene imanes permanentes o hierro dulce . Los ejemplos incluyen cañones de bobina y los motores utilizados en algunos sistemas de levitación magnética , así como muchos otros motores lineales. En la automatización industrial de alta precisión, los motores lineales generalmente se configuran con un estator magnético y una bobina móvil. Un sensor de efecto Hall se conecta al rotor para rastrear el flujo magnético del estator. La corriente eléctrica generalmente se proporciona desde un servoaccionamiento estacionario a la bobina móvil mediante un cable móvil dentro de un portacables .
En este diseño, la fuerza se produce 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 un trozo 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 repelerán entre sí, creando así movimiento a medida que el campo magnético barre el metal.
En este diseño, se hace pasar una corriente de gran intensidad a través de un casquillo metálico a través de contactos deslizantes que se alimentan mediante dos rieles. El campo magnético que esto genera hace que el metal se proyecte a lo largo de los rieles.
Diseño eficiente y compacto aplicable al reemplazo 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. Un motor de inducción lineal factible se describe en la patente estadounidense 782.312 (1905 - inventor Alfred Zehden de Frankfurt-am-Main), para impulsar trenes o ascensores. El ingeniero alemán Hermann Kemper construyó un modelo funcional en 1935. [6] A fines 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 unilateral, la repulsión magnética fuerza al conductor a alejarse del estator, haciéndolo levitar y llevándolo en la dirección del campo magnético en movimiento. Las versiones posteriores de este sistema se denominaron río magnético . Las tecnologías se aplicarían más tarde, en 1984, en el transbordador Air-Rail Link 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 de levitación magnética , como en la línea de tren de levitación magnética japonesa 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 en todo el mundo y en varios subterráneos japoneses modernos, incluida la línea Toei Ōedo de Tokio .
Una tecnología similar se utiliza también en algunas montañas rusas con modificaciones pero, por el momento, sigue siendo poco práctica en tranvías que circulan por la calle , aunque en teoría se podría hacer enterrándola 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 utilizan a menudo en puertas corredizas, como las de los tranvías de piso bajo como el Alstom Citadis y el Socimi Eurotram . También existen motores lineales de doble eje. Estos dispositivos especializados se han utilizado para proporcionar movimiento directo X - Y para el corte láser de precisión de tela y chapa metálica, el dibujo automatizado y la formación de cables. La mayoría de los motores lineales en uso 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 sufre de un empuje deficiente. Por lo tanto, para tiradas largas en tracción, se prefiere principalmente LIM y para tiradas cortas se prefiere principalmente LSM.
Se han sugerido motores lineales de alta aceleración para diversos usos. Se ha considerado su uso como armas , ya que la munición perforante actual tiende a consistir en balas pequeñas con una energía cinética muy alta, para las que son adecuados precisamente estos motores. Muchas montañas rusas lanzadas en parques de atracciones utilizan ahora motores de inducción lineal para propulsar 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 Electromagnético de Aeronaves que reemplazará a las catapultas de vapor tradicionales en los futuros portaaviones. También se ha sugerido su uso en la propulsión de naves espaciales . En este contexto, se los suele llamar impulsores de masa . La forma más sencilla de utilizar impulsores de masa para la propulsión de naves espaciales sería construir un gran impulsor de masa que pueda acelerar la carga hasta la velocidad de escape , aunque también se ha investigado la asistencia al lanzamiento de 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 períodos de tiempo muy cortos. Un diseño de lanzacohetes [7] requiere 300 GJ para cada lanzamiento en el espacio de 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. Los generadores homopolares se pueden utilizar 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 habitualmente 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 usos principales de los motores lineales es impulsar la lanzadera en los telares .
Se ha utilizado un motor lineal para puertas corredizas 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 rotatorio. Por ejemplo, se han utilizado en observatorios para solucionar el gran radio de curvatura.
Los motores lineales también se pueden utilizar como alternativa a los elevadores de cadena convencionales para montañas rusas. La montaña rusa Maverick en Cedar Point utiliza un motor lineal de este tipo en lugar de un elevador de cadena.
Se ha utilizado un motor lineal para acelerar automóviles para pruebas de choque . [9]
La combinación de alta precisión, alta velocidad, alta fuerza y largo recorrido hace que los motores lineales sin escobillas sean atractivos para accionar equipos de automatización industrial. Sirven para industrias y aplicaciones como motores paso a paso para semiconductores , tecnología de montaje superficial para electrónica , robots de coordenadas cartesianas para automoción , fresado químico para la industria aeroespacial, microscopios electrónicos ópticos , automatización de laboratorios de atención médica y pick and place para alimentos y bebidas .
Los actuadores de motor lineal síncrono , utilizados en máquinas herramienta, proporcionan alta fuerza, alta velocidad, alta precisión y alta rigidez dinámica, lo que da como resultado una gran suavidad de movimiento y un bajo tiempo de asentamiento. Pueden alcanzar velocidades de 2 m/s y precisiones a nivel de micrones, con tiempos de ciclo cortos y un acabado superficial suave. [10]
Todas las aplicaciones siguientes son de tránsito rápido y tienen la parte activa del motor en los automóviles. [11] [12]
Originalmente desarrollado a fines de la década de 1970 por UTDC en Canadá como Sistema de Tránsito de Capacidad Intermedia (ICTS). Se construyó una pista de prueba en Millhaven, Ontario , para realizar pruebas exhaustivas de prototipos de automóviles, después de lo cual se construyeron tres líneas:
ICTS se vendió a Bombardier Transportation en 1991 y más tarde 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 Innovia Metro utilizan electrificación de tercer carril .
Uno de los mayores desafíos a los que se enfrentaron los ingenieros ferroviarios japoneses en los años 1970 y 1980 fue el aumento constante de los costos de construcción de los subterráneos. En respuesta, la Asociación Japonesa de Subterráneos comenzó a estudiar la viabilidad del "mini-metro" para satisfacer la demanda de tráfico urbano en 1979. En 1981, la Asociación Japonesa de Ingeniería Ferroviaria estudió el uso de motores de inducción lineal para subterráneos de perfil tan pequeño y en 1984 estaba investigando las aplicaciones prácticas de los motores lineales para el ferrocarril urbano con el Ministerio de Tierras, Infraestructura, Transporte y Turismo de Japón . 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 de Japón utilizan motores lineales y utilizan líneas aéreas para la captación de energía:
Además, Kawasaki Heavy Industries también ha exportado el Metro Lineal al Metro de Guangzhou en China; [15] todas las líneas del Metro Lineal en Guangzhou utilizan electrificación de tercer carril:
Existen muchas montañas rusas en todo el mundo que utilizan LIM para acelerar los vehículos de la atracción. La primera fue Flight of Fear en Kings Island y Kings Dominion , ambas inauguradas en 1996. Battlestar Galactica: Human VS Cylon y Revenge of the Mummy en Universal Studios Singapore se inauguraron en 2010. Ambas utilizan LIM para acelerar desde cierto punto en las atracciones.
Revenge of the Mummy también se encuentra en Universal Studios Hollywood y Universal Studios Florida . The Incredible Hulk Coaster y VelociCoaster en Universal Islands of Adventure también utilizan motores lineales. En Walt Disney World , Rock 'n' Roller Coaster Starring Aerosmith en Disney's Hollywood Studios y Guardians of the Galaxy : Cosmic Rewind en Epcot usan LSM para lanzar sus vehículos de atracción hacia 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 con un sistema de lanzamiento múltiple más débil que utiliza LSM, que crea menos fuerza g .
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