Motor lineal

Diagrama de cuerpo libre de un motor lineal sincrónico U-canal. La vista es perpendicular al eje del canal. Las dos bobinas en el centro están conectadas mecánicamente, y están energizadas en "cuadratura" (que significa una diferencia de fase de 90° (π/2 radians) entre el flujo de los imanes y el flujo de las bobinas). Las bobinas inferiores y superiores en este caso particular tienen una diferencia de fase de 90°, lo que hace que sea un motor de dos fases. (No a escala)

Los motores lineales sincrónicos son versiones enderezadas de motores de rotor magnético permanente

Un motor lineal es un motor eléctrico al que se le ha "desenrollado" su estator y su rotor, por lo que en lugar de producir un par (rotación), produce una fuerza lineal a lo largo 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 típico de operación es como un actuador tipo Lorentz, en el que la fuerza aplicada es linealmente proporcional a la corriente y al campo magnético ${fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}$.

Los motores lineales se encuentran con mucha más frecuencia en aplicaciones de ingeniería de alta precisión. Es un campo próspero de investigación aplicada con conferencias científicas dedicadas y libros de texto de ingeniería.

Se han propuesto muchos diseños para motores lineales, que se dividen en dos categorías principales, motores lineales de baja y 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, 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 masa para la propulsión de naves espaciales. 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. Por otro lado. Estos imanes pueden ser imanes permanentes o electroimanes. El motor del tren de levitación magnética de Shanghái, por ejemplo, es un LSM.

Tipos

Sin escobillas

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 fines de la década de 1980 por Anwar Chitayat en Anorad Corporation, ahora Rockwell Automation, ayudó a mejorar el rendimiento y la calidad de los procesos de fabricación industrial.

Cepillo

Los motores lineales (eléctricos) con escobillas se usaban en aplicaciones de automatización industrial antes de la invención de los motores lineales sin escobillas. En comparación con los motores trifásicos sin escobillas, que normalmente se utilizan en la actualidad, los motores con escobillas funcionan con una sola fase. Los motores lineales de escobillas tienen un costo menor ya que no necesitan cables móviles y servoaccionamientos trifásicos. Sin embargo, requieren un mayor mantenimiento ya que sus cepillos se desgastan.

Sincrónico

En este diseño, la tasa 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. 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 suelen estar configurados con un estator magnético y una bobina móvil. Un sensor de efecto Hall está conectado 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.

Inducción

Un motor de inducción lineal típico de 3 fases. Una placa de aluminio en la parte superior a menudo forma el "rotor secundario".

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 placa de metal, que se coloque en este campo tendrá corrientes de Foucault inducidas en él, creando así un campo magnético opuesto, de acuerdo con la ley de Lenz. Los dos campos opuestos se repelerán entre sí, creando así movimiento a medida que el campo magnético barre el metal.

Homopolar

Railgun schematic

En este diseño, una gran corriente pasa a través de un casquillo metálico a través de contactos deslizantes que se alimentan desde dos rieles. El campo magnético que esto genera hace que el metal se proyecte a lo largo de los rieles.

Tubulares

Diseño eficiente y compacto aplicable a la sustitución de cilindros neumáticos.

Piezoeléctrica

Acción motora piezoeléctrica

El accionamiento piezoeléctrico se utiliza a menudo para accionar motores lineales pequeños.

Historia

Esta línea 6 Guangzhou Tren de metro fabricado por CRRC Sifang y Kawasaki Heavy Industries se propulsa mediante una tira de inducción de aluminio situada entre los carriles.

Baja aceleración

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, pero el modelo de Wheatstone era demasiado ineficiente para ser práctico. Un motor de inducción lineal factible se describe en U.S. Patente 782.312 (1905 - inventor Alfred Zehden de Frankfurt-am-Main), para la conducción de trenes o ascensores. El ingeniero alemán Hermann Kemper construyó un modelo de trabajo en 1935. 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 de trabajo de tamaño completo. En una versión de un solo lado, la repulsión magnética fuerza al conductor a alejarse del estator, levitando y llevándolo en la dirección del campo magnético en movimiento. Llamó a las versiones posteriores río magnético. Las tecnologías se aplicarían más tarde, en el transbordador Air-Rail Link de 1984, entre el aeropuerto de Birmingham y una estación de tren adyacente.

Un motor lineal para trenes que dirigen Toei Ōedo Line

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 una serie de subterráneos 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, sigue siendo poco práctica en los tranvías que circulan por la calle, aunque esto, en teoría, podría hacerse enterrándolo en un conducto ranurado.

Fuera del transporte público, los motores lineales verticales se han propuesto 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 correderas, 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 telas y láminas de metal, dibujo automatizado y 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 recorridos largos en tracción, se prefiere principalmente LIM y, para recorridos cortos, se prefiere principalmente LSM.

Cierre de la superficie plana de conductor pasivo de un control de movimiento Motor Sawyer

Alta aceleración

Se han sugerido motores lineales de alta aceleración para varios usos. Se han considerado para su uso como armas, ya que la munición antiblindaje actual tiende a consistir en pequeños cartuchos con una energía cinética muy alta, para los cuales estos motores son adecuados. Muchas montañas rusas lanzadas en parques de atracciones ahora usan 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 electromagnéticas que reemplazará las catapultas de vapor tradicionales en los futuros portaaviones. También se han sugerido para su uso en la propulsión de naves espaciales. En este contexto se les suele llamar conductores de masa. La forma más sencilla de usar controladores de masa para la propulsión de naves espaciales sería construir un controlador de masa grande que pueda acelerar la carga hasta 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 períodos muy cortos de tiempo. Un diseño de lanzacohetes requiere 300 GJ para 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. 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.

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

Uso

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 husillo de bolas, correa de distribución o piñón y cremallera, es que proporcionan cualquier combinación de alta precisión, alta velocidad, alta fuerza y largo recorrido.

Los motores lineales son ampliamente utilizados. Uno de los principales usos de los motores lineales es para impulsar la lanzadera en los telares.

Los motores lineales se han utilizado para puertas correderas y varios actuadores similares. Además, se han utilizado para el manejo de equipaje e incluso para el transporte de materiales a granel a gran escala.

Los motores lineales a veces se usan para crear un movimiento giratorio, por ejemplo, se han usado en observatorios para lidiar con el gran radio de curvatura.

Los motores lineales también se pueden usar como una alternativa a las colinas de elevación de cadena convencionales para montañas rusas. La montaña rusa Maverick en Cedar Point usa uno de esos motores lineales en lugar de un elevador de cadena.

Se ha utilizado un motor lineal para acelerar automóviles para pruebas de choque.

Automatización industrial

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. Atienden industrias y aplicaciones tales como motores paso a paso de semiconductores, tecnología de montaje superficial de electrónica, robots de coordenadas cartesianas para automóviles, molienda química aeroespacial, microscopio electrónico óptico, automatización de laboratorios de atención médica, selección y colocación de alimentos y bebidas.

Máquinas herramienta

Los actuadores de motor lineal síncrono, que se utilizan en las máquinas herramienta, proporcionan una fuerza elevada, una velocidad elevada, una precisión elevada y una rigidez dinámica elevada, lo que da como resultado una gran suavidad de movimiento y un tiempo de estabilización reducido. Pueden alcanzar velocidades de 2 m/s y precisiones a nivel de micras, en tiempos de ciclo cortos y un acabado de superficie suave.

Propulsión de trenes

Raíles convencionales

Todas las siguientes aplicaciones están en tránsito rápido y tienen la parte activa del motor en los automóviles.

Metro Bombardier Innovia

Desarrollado originalmente a fines de la década de 1970 por UTDC en Canadá como el Sistema de Tránsito de Capacidad Intermedia (ICTS). Se construyó una pista de prueba en Millhaven, Ontario, para pruebas exhaustivas de prototipos de automóviles, después de lo cual se construyeron tres líneas:

• Línea 3 Scarborough en Toronto (abierto 1985)
• Expo Line of the Vancouver SkyTrain (abierto 1985 y ampliado en 1994)
• Detroit People Mover en Detroit (abierto 1987)

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:

• Kelana Jaya Line en Kuala Lumpur (abierto 1998 y ampliado en 2016)
• Millennium Line of the Vancouver SkyTrain (abierto 2002 y ampliado en 2016)
• AirTrain JFK en Nueva York (abierto 2003)
• Airport Express (Beijing Subway) (abierto 2008)
• Everline en Yongin, Corea del Sur (abierto 2013)

Todos los sistemas de metro de Innovia utilizan electrificación de tercer carril.

Metro lineal japonés

Uno de los mayores desafíos que enfrentaron los ingenieros ferroviarios japoneses en las décadas de 1970 y 1980 fue el aumento constante de los costos de construcción de los subterráneos. En respuesta, la Asociación del Metro de Japón comenzó a estudiar la viabilidad del "mini-metro" para satisfacer la demanda de tráfico urbano en 1979. En 1981, la Asociación de Ingeniería Ferroviaria de Japón estudió el uso de motores de inducción lineales para estos subterráneos de perfil pequeño y en 1984 estaba investigando las aplicaciones prácticas de los motores lineales para trenes urbanos con el Ministerio de Japón. Suelo, Infraestructuras, Transporte y Turismo. En 1988, se realizó una demostración exitosa con 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.

Hasta la fecha, las siguientes líneas de metro en Japón usan motores lineales y líneas aéreas para recolectar energía:

• Dos Osaka Líneas de metro en Osaka:
  • Nagahori Tsurumi-ryokuchi Línea (abierto 1990)
  • Imazatosuji Line (abierto 2006)
• Toei Ōedo Line in Tokyo (abierto 2000)
• Kaigan Line of the Kobe Municipal Subway (abierto 2001)
• Nanakuma Line of the Fukuoka City Subway (opened 2005)
• Línea Verde del Subte Municipal de Yokohama (abierto 2008)
• Sendai Subway Tōzai Line (abierto 2015)

Además, Kawasaki Heavy Industries también ha exportado el Metro Lineal al Metro de Guangzhou en China; todas las líneas de metro lineal en Guangzhou utilizan electrificación de tercer carril:

• Línea 4 (abierto 2005)
• Línea 5 (abierto 2009).
• Línea 6 (abierto 2013)

Monorriel

• Hay al menos un sistema monorail conocido que es no Levitado magnéticamente, pero sin embargo utiliza motores lineales. Este es el Monorail de Moscú. Originalmente, se utilizarían motores y ruedas tradicionales. Sin embargo, se descubrió durante las carreras de prueba que los motores y ruedas propuestos no proporcionarían suficiente tracción en algunas condiciones, por ejemplo, cuando el hielo apareció en el ferrocarril. Por lo tanto, las ruedas todavía se utilizan, pero los trenes utilizan motores lineales para acelerar y frenar. Este es posiblemente el único uso de esa combinación, debido a la falta de tales requisitos para otros sistemas de trenes.
• El TELMAGV es un prototipo de un sistema monorail que también no es levitado magnéticamente sino que utiliza motores lineales.

Levitación magnética

El transbordador de Birmingham International Maglev

• Trenes de alta velocidad:
  • Transrapid: primer uso comercial en Shanghai (abierto en 2004)
  • SCMaglev, en construcción en Japón (el tren más rápido del mundo, planeado para abrir para 2027)
• Rapid transit:
  • Birmingham Airport, UK (abierto 1984, cerrado 1995)
  • M-Bahn en Berlín, Alemania (abierto en 1989, cerrado en 1991)
  • Daejeon EXPO, Korea (ran only 1993)
  • HSST: Línea Linimo en la Prefectura de Aichi, Japón (abierto 2005)
  • Aeropuerto de Incheon Maglev (abierto julio 2014)
  • Changsha Maglev Express (abierto 2016)
  • S1 line of Beijing Subway (opened 2017)

Atracciones mecánicas

Hay muchas montañas rusas en todo el mundo que utilizan LIM para acelerar los vehículos de paseo. El primero fue Flight of Fear en Kings Island y Kings Dominion, ambos inaugurados en 1996. Battlestar Galctica: Human VS Cylon & Revenge of the Mummy en Universal Studios Singapore abrió sus puertas en 2010. Ambos usan LIM para acelerar desde cierto punto en los juegos.

Revenge of the Mummy también se encuentra en Universal Studios Hollywood y Universal Studios Florida. Incredible Hulk Coaster y VelociCoaster en Universal's Islands of Adventure también usan 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 paseo en sus recintos de paseo interiores.

Lanzamiento de aeronaves

• Sistema de lanzamiento de aeronaves electromagnéticas

Propuesta e investigación

• Bucle de lanzamiento – Un sistema propuesto para lanzar vehículos en el espacio usando un bucle motor lineal
• StarTram – Concepto para un motor lineal a escala extrema
• Tether cable catapulta sistema
• Aérotrain S44 – A suburban commuter hovertrain prototipo
• Research Test Vehicle 31 – Un vehículo tipo hovercraft guiado por una pista
• Hyperloop – un sistema conceptual de transporte de alta velocidad presentado por el empresario Elon Musk
• Ascensor "ThyssenKrupp Ascensor: Thyssen Krupp desarrolla el primer sistema de ascensores sin cuerdas del mundo para permitir que la industria de la construcción se enfrente a los desafíos de la urbanización global". Archivado desde el original en 2016-03. Retrieved 2015-06-02.
• Ascensor "Tecnología: Los elevadores de motor sincrónico lineal se convierten en realidad". Archivado desde el original en 2015-03-30. Retrieved 2015-06-02.
• Magway - un sistema de entrega de mercancías del Reino Unido bajo investigación y desarrollo que pretende entregar mercancías en vainas a través de tuberías de 90 cm de diámetro bajo y sobre tierra.