Lineární pohyby v průmyslových aplikacích jsou zajišťovány prostřednictvím pneumatických, hydraulických nebo elektrických pohonných systémů. Elektrické systémy lze rozdělit na dvě kategorie. První skupinu tvoří lineární aktuátory, které pracují na principu převedení točivého pohybu elektromotoru na pohyb přímý, prostřednictvím mechanického převodu (šroub, řemen, řetěz). U druhé skupiny, která je označovaná jako lineární motory, je lineární pohyb výsledkem přímého přenesení elektromagnetické síly bez mechanických převodů nebo dalších pomocných elementů.

Lineární motory jsou bezkomutátorové synchronní pohony s integrovaným odměřováním polohy a elektronikou. Jejich hlavní předností, oproti ostatním systémům, je vysoká účinnost a dynamika, zachování velké přesnosti i při vysokých rychlostech a dlouhá životnost.

Příklady použití lineárních motorů:

• pick&place aplikace, vyžadující vysokou dynamiku, rychlost a přesnost (balící, plnící stroje, osazovací automaty, apod.)
• v průmyslových a strojních zařízeních se pohony používají pro usnadnění práce, zdvihání břemen, otvírání a regulaci klapek, k ovládání a nastavování různých mechanických prvků
• zařízení pro zdravotnickou péči (zubařská křesla, nemocniční postele), kde plní úlohu silového prvku při nastavování optimální pracovní polohy pro personál či zvýšení pohodlí pacienta

Průmyslové lineární motory

Průmyslové lineární motory jsou dobře známy jako vhodný konstrukční prvek, kterým lze nahradit pneumatické válce nebo servomotory s lineárními moduly. Pro mnoho aplikací mají nezanedbatelné výhody. Vzhledem k faktu, že jde o přímý lineární pohon bez mechanických převodů, vykazují velmi dlouhou životnost a umožňují vysoce dynamické pohyby s vysokou přesností polohování.

• Přímý lineární pohon
• Žádné mechanické převody
• Třída krytí až IP69K
• Nízké energetické provozní náklady

Výhodou je, že požadovaná poloha, rychlost a zrychlení mohou být u lineárních motorů přesně definovány. Profily požadovaných pohybů lze uložit do servozesilovače, kterým lze řídit nejen lineární, ale i rotační pohyby. Ty lze navíc snadno vzájemně synchronizovat čímž lineární motory významně snižují konstrukční náročnost a zvyšují flexibilitu systému.

Náhrada pneumatiky

Stále častěji bývají průmyslovými lineárními motory nahrazovány pneumatické válce díky výrazně nižším provozním nákladům. Zvlášť v aplikacích, kde je potřeba polohovat ve více než dvou pozicích, uživatelé ocení vysokou flexibilitu průmyslových lineárních pohonů v porovnání s pneumatickými válci. Jejich další předností je i snadné nastavení a ovládání. Digitální programovatelný kontroler Linmot například významně usnadňuje nastavení a ovládání systému. Parametry pohybu mohou být zadávány a měněny přímo v procesu výroby.

Na rozdíl od pneumatického válce je poloha lineárního motoru neustále regulována a sledována, a to nejen v koncových polohách. To vede k mnohem vyšší stabilitě procesů a malým pozičním odchylkám od požadované polohy. Vzhledem k vysokým provozním nákladům pneumatických pohonů se stále častěji uplatňují průmyslové lineární motory i v aplikacích s jednoduchými pohyby mezi dvěma polohami. Zejména při rychlém cyklickém pohybu bývají pneumatické válce hodně zatížené a náklady na jejich údržbu a provoz jsou vysoké. Návratnost investice do přímého lineárního motoru tak může být velmi krátká.

Konstrukční podobnost usnadňuje náhradu

Průmyslové lineární motory mají válcovou konstrukci s velmi podobnými zástavbovými rozměry jako pneumatické válce. Tato skutečnost významně usnadňuje náhradu pneumatických pohonů ve stávajících strojích. Jaké jsou hlavní přednosti průmyslových lineárních motorů?

• Polohování v rámci celého zdvihu
• Vysoká dynamika
• Dlouhá životnost
• Snadno nastavitelná rychlost
• Monitoring pohybu
• Nízké náklady na údržbu
• Nastavitelná akcelerace
• Šetrné pohyby
• Hygiena (žádný vzduch)
• Programovatelné řízení
• Možnost synchronizace více motorů
• Nízká spotřeba energie

Praktické srovnání nákladů při realizaci s lineárním motorem

Srovnání nákladů lze demonstrovat na následující zadání: opakovaný lineární pohyb 15 kg zátěže v pick&place aplikaci, při 30 cyklech za minutu a zdvihu 400 mm. Aby bylo možné dosáhnout požadované polohy v čase 50 ms, je potřeba zrychlení 10 m/s2 a rychlost 1 m/s. Přímý lineární motor pracuje s výrazně vyšší účinností a dokáže tak mnohem efektivněji převést elektrickou energii na kinetickou. Spotřeba energie při provedení daného úkonu tak může dosahovat hodnot menších, než 100 W. Roční náklady na energii při nepřetržitém provozu pak mohou být nižší než 1 000 € (0,12 €/kWh).

Náklady při realizaci s pneumatickým pohonem

Vzhledem k zátěži o hmotnosti 15 kg a požadované maximální rychlosti 1 m/s, mohou být použity pneumatické válce s průměrem pístu 50 mm. Na rozdíl od přímého lineárního motoru musí být tlak vzduchu udržován po celou dobu provozu. Navíc převod energie stlačeného vzduchu na kinetickou energii probíhá s výrazně nižší účinností, což má za následek problémy s bržděním pohybu. Celkové náklady na energii jsou vyšší než 3 700 € za rok (výrobci pneumatických systémů počítají s 0,025 €/Nm3 na 6 bar).

Uvedený příklad ukazuje, že i při využití přímých lineárních motorů pro jednoduché cyklické pohyby se vyšší počáteční investice velice rychle vrátí díky výrazně nižším energetickým nákladům a rovněž nákladům na údržbu a výměnu dílů. Přímé lineární motory vykazují prokazatelně a výrazně vyšší životnost než pneumatické pohony.

Energetická náročnost a stoupající ceny energií

Typická účinnost pneumatických pohonů se dle odborných studií pohybuje okolo 5 %. Například pouze pro výrobu stlačeného vzduchu se v Evropě ročně spotřebuje 80 TWh elektrické energie, což odpovídá výkonu 7,5 bloků jaderných elektráren.

Během sedmi let, od roku 2004 do roku 2011, se zvýšila cena elektřiny pro velké průmyslové odběratele v Evropě o více než 65 %. Odborníci předpokládají, že cena za elektřinu se během příštích několika let ještě zdvojnásobí. To nevyhnutelně vede k rostoucí poptávce po energeticky úsporných strojích a zařízeních.

V Německu je asi 64 % elektrické energie stále vyráběno z fosilních paliv. Podle studie Fraunhoferova institutu jsou průměrné emise CO₂ v uhelných elektrárnách 980 g/kWh vyrobené energie, v plynových elektrárnách pak 515 g CO2/kWh. Pro náš příklad to představuje roční emise CO₂ více než 12 tun na jeden pneumatický válec.

Srovnáme-li emise CO₂ vzniklé ročním provozem pneumatického válce s emisemi moderního osobního automobilu (120 g/km), znamená to, že automobil vypustí stejné množství CO₂ při ujetí 100 000 km. Použijeme-li pro stejnou aplikaci lineární motor, jeho roční produkce CO₂ odpovídá ujetí pouze 3 000 km. 

Mgr. Gabriela Lásková
Kwapil & Co Gesellschaft mbH, organizační složka
Hlavní 1054/131
CZ - 624 00 Brno
www.kwapil.cz