Motor lineal

Los motores lineales sin escobillas pertenecen a la familia de motores síncronos. Se utilizan habitualmente en etapas lineales estándar o se integran en sistemas de posicionamiento personalizados de alto rendimiento . Inventados a finales de la década de 1980 por Anwar Chitayat en Anorad Corporation, ahora Rockwell Automation , contribuyeron a mejorar el rendimiento y la calidad de los procesos de fabricación industrial. ^{[ 6 ]}

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 son los que se utilizan habitualmente hoy en día, los motores con escobillas funcionan con una sola fase. ^{[ 7 ]} Los motores lineales con escobillas tienen un menor coste, ya que no necesitan cables móviles ni servomotores trifásicos. Sin embargo, requieren un mayor mantenimiento debido al desgaste de sus escobillas.

En este diseño, la velocidad de movimiento del campo magnético se controla, generalmente de forma electrónica, para seguir 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 . Algunos 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 suelen estar configurados con un estator magnético y una bobina móvil. Se conecta un sensor de efecto Hall al rotor para rastrear el flujo magnético del estator. La corriente eléctrica generalmente se suministra desde un servomotor fijo a la bobina móvil mediante un cable móvil dentro de un portacables .

En este diseño, la fuerza se produce mediante un campo magnético lineal móvil que actúa sobre los conductores dentro del campo. Cualquier conductor, ya sea una espira, una bobina o simplemente una placa metálica, que se coloque en este campo, inducirá corrientes parásitas , creando así un campo magnético opuesto, de acuerdo con la ley de Lenz . ^{[ 8 ]} Los dos campos opuestos se repelerán entre sí, generando movimiento a medida que el campo magnético recorre el metal.

En este diseño, se hace pasar una corriente intensa a través de un sabot metálico mediante contactos deslizantes alimentados por dos rieles. El campo magnético que esto genera provoca que el metal se proyecte a lo largo de los rieles.

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 , ^{[ 9 ]} pero el modelo de Wheatstone era demasiado ineficiente para ser práctico. Un motor de inducción lineal viable se describe en la patente estadounidense 782,312 (1905 - inventor Alfred Zehden de Frankfurt-am-Main), para accionar trenes o ascensores. El ingeniero alemán Hermann Kemper construyó un modelo funcional en 1935. ^{[ 10 ]} 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 a tamaño real.

En una versión unilateral, la repulsión magnética aleja el conductor del estator, haciéndolo levitar y arrastrándolo en la dirección del campo magnético en movimiento. Él denominó a las versiones posteriores « río magnético» . Estas tecnologías se aplicarían más tarde, en 1984, en el servicio de enlace aéreo-ferroviario entre el aeropuerto de Birmingham y una estación de tren adyacente.

Debido a estas propiedades, los motores lineales se utilizan con frecuencia en la propulsión por levitación magnética , como en la línea de trenes de levitación magnética japonesa Linimo , cerca de Nagoya . Sin embargo, los motores lineales también se han utilizado independientemente de la levitación magnética, como en los sistemas de metro Bombardier Innovia de todo el mundo y en varias líneas de metro modernas japonesas, incluida la línea Toei Ōedo de Tokio .

En algunas montañas rusas también se utiliza una tecnología similar con algunas modificaciones, pero, por el momento, sigue siendo poco práctica en los tranvías que circulan por la calle , aunque, en teoría, podría hacerse enterrándola en un conducto ranurado.

Fuera del transporte público, se han propuesto motores lineales verticales como mecanismos de elevación en minas profundas , y su uso está creciendo en aplicaciones de control de movimiento . También se utilizan con frecuencia en puertas correderas, como las de tranvías de piso bajo como el Alstom Citadis y el Socimi Eurotram . Existen además motores lineales de doble eje. Estos dispositivos especializados se han utilizado para proporcionar movimiento directo en los ejes X e 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 motores de inducción lineal (LIM) o motores síncronos lineales (LSM). Los motores de corriente continua lineales no se utilizan debido a su mayor coste, y los motores síncronos lineales (SRM) presentan un empuje deficiente. Por lo tanto, para recorridos largos en tracción, se prefieren los LIM, mientras que para recorridos cortos se prefieren los LSM.

Se han propuesto motores lineales de alta aceleración para diversos usos. Se han considerado para su uso como armas , ya que la munición perforante actual suele consistir en proyectiles pequeños con una energía cinética muy alta, para los que estos motores son idóneos. Muchas montañas rusas de parques de atracciones utilizan ahora motores de inducción lineal para impulsar el tren a alta velocidad, como alternativa al uso de una rampa de lanzamiento .

La Armada de los Estados Unidos también utiliza motores de inducción lineal en el Sistema Electromagnético de Lanzamiento de Aeronaves (ELS) , 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 les suele denominar 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 capaz de acelerar la carga hasta la velocidad de escape , aunque también se ha investigado su uso como sistema de asistencia al lanzamiento de vehículos de lanzamiento reutilizables (RLV) , como el 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. Un diseño de lanzador de cohetes ^{[ 11 ]} requiere 300 GJ para cada lanzamiento en menos de un segundo. Los generadores eléctricos convencionales 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 pueden utilizarse para convertir la energía cinética de un volante en energía eléctrica con gran rapidez. Los motores lineales de alta aceleración también requieren campos magnéticos muy intensos; de hecho, a menudo son demasiado intensos para permitir el uso de superconductores . Sin embargo, con un diseño cuidadoso, esto no tiene por qué ser un problema importante. ^{[ 12 ]}

Se han inventado dos diseños básicos diferentes para motores lineales de alta aceleración: cañones de riel y cañones de bobina .

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. Se utilizan en industrias y aplicaciones como motores paso a paso para semiconductores , tecnología de montaje superficial en electrónica , robots de coordenadas cartesianas para automoción , fresado químico aeroespacial , microscopía electrónica óptica, automatización de laboratorios sanitarios y sistemas de recogida y colocación de alimentos y bebidas . ^{[ 3 ]}

Los actuadores de motor lineal síncrono , utilizados en máquinas herramienta y automatización industrial, proporcionan alta fuerza, alta velocidad, alta precisión y alta rigidez dinámica. Estas características permiten un movimiento sin holgura, un tiempo de estabilización bajo y una suavidad de movimiento excepcional. Los sistemas modernos pueden alcanzar velocidades de 2  m/s o más, con una precisión de posicionamiento a nivel micrométrico y tiempos de ciclo rápidos, lo que contribuye a acabados superficiales superiores y una mayor productividad. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Haptech Inc. utiliza motores lineales electromagnéticos en una aplicación patentada para el entrenamiento militar con armas, que proporciona instrucción de alta fidelidad y rentable a los soldados. Estos motores ofrecen un retroceso realista y otras sensaciones hápticas a los dispositivos de entrenamiento, lo que mejora la experiencia y proporciona una simulación precisa para fines de entrenamiento. Para su uso en el entrenamiento militar, estos productos son la única solución electrónica viable que no obliga a los usuarios a adaptarse al dispositivo de entrenamiento.

En todo el mundo existen numerosas montañas rusas que utilizan motores lineales inductivos (LIM) para acelerar los vehículos. Las primeras fueron 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 abrieron en 2010. Ambas utilizan LIM para acelerar desde ciertos puntos del recorrido.

La atracción Revenge of the Mummy (ubicada en Universal Studios Hollywood y Universal Studios Florida ), Hagrid's Magical Creatures Motorbike Adventure y VelociCoaster en Universal Islands of Adventure 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 utilizan motores lineales para lanzar sus vehículos a sus recintos interiores.

En 2023, la montaña rusa de lanzamiento hidráulico Top Thrill Dragster en Cedar Point , Ohio, EE. UU., fue renovada y su sistema de lanzamiento hidráulico fue reemplazado por un sistema de lanzamiento múltiple más débil que utiliza LSM, el cual genera menos fuerza G.

• Sistema electromagnético de lanzamiento de aeronaves

• Bucle de lanzamiento : un sistema propuesto para lanzar vehículos al espacio utilizando un bucle accionado por un motor lineal.
• StarTram : concepto de un motor lineal a escala extrema.
• Sistema de catapulta con cable de amarre
• Aérotrain S44 : un prototipo de tren de levitación magnética para transporte suburbano.
• Vehículo de prueba de investigación 31 : un vehículo tipo aerodeslizador guiado por una oruga.
• Hyperloop : un sistema de transporte de alta velocidad conceptual propuesto por el empresario Elon Musk.
• Ascensor "ThyssenKrupp Elevator: ThyssenKrupp desarrolla el primer sistema de ascensor sin cables del mundo para que el sector de la construcción pueda afrontar los retos de la urbanización global" . Archivado del original el 3 de marzo de 2016. Consultado el 2 de junio de 2015 .
• Lift "Tecnología: Los ascensores con motor síncrono lineal se convierten en realidad" . Archivado del original el 30 de marzo de 2015. Consultado el 2 de junio de 2015 .
• Magway es un sistema británico de entrega de mercancías en fase de investigación y desarrollo que tiene como objetivo entregar productos en cápsulas a través de  tuberías de 90 cm de diámetro, tanto subterráneas como aéreas.