Komplette Linearmotortische – inklusive Grundplatte, Linearmotor, Linearführungen, Encoder und Steuerung.

Lineare Servomotoren mit Direktantrieb haben in den letzten Jahren einen messbaren Anstieg der Akzeptanz erfahren, was zum Teil auf die Forderungen der Endbenutzer nach höherem Durchsatz und besserer Präzision zurückzuführen ist. Und obwohl Linearmotoren vor allem für ihre Fähigkeit bekannt sind, eine Kombination aus hohen Geschwindigkeiten, langen Hüben und hervorragender Positionierungsgenauigkeit zu bieten, die mit anderen Antriebsmechanismen nicht möglich ist, können sie auch extrem langsame, gleichmäßige und präzise Bewegungen erzielen. Tatsächlich bietet die Linearmotortechnologie ein so breites Leistungsspektrum – Schubkraft, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Positionierungsgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit –, dass es nur wenige Anwendungen gibt, für die Linearmotoren keine geeignete Lösung darstellen.

Zu den Linearmotorvarianten gehören lineare Servomotoren, lineare Schrittmotoren, lineare Induktionsmotoren und Schubrohr-Linearmotoren. Wenn ein linearer Servomotor die beste Option für eine Anwendung ist, sind bei der ersten Motorauswahl drei Dinge zu beachten.

Die „primäre“ Überlegung: Eisenkern oder eisenlos?
Lineare Direktantriebs-Servomotoren gibt es in zwei Haupttypen: mit Eisenkern oder ohne Eisen. Dies hängt davon ab, ob die Wicklungen im Primärteil (analog zum Stator in einem Rotationsmotor) in einem Eisenblechpaket oder in Epoxidharz montiert sind. Die Entscheidung, ob die Anwendung einen Eisenkern oder einen eisenlosen Linearmotor erfordert, ist normalerweise der erste Schritt bei der Konstruktion und Auswahl.

Linearmotoren mit Eisenkern eignen sich am besten für Anwendungen, die extrem hohe Schubkräfte erfordern. Dies liegt daran, dass das Blech des Primärteils Zähne (Vorsprünge) enthält, die den elektromagnetischen Fluss auf die Magnete des Sekundärteils fokussieren (analog zum Rotor eines Rotationsmotors). Durch diese magnetische Anziehung zwischen dem Eisen im Primärteil und den Permanentmagneten im Sekundärteil kann der Motor hohe Kräfte liefern.

Eisenlose Linearmotoren verfügen im Allgemeinen über eine geringere Schubkraftkapazität und sind daher nicht für die extrem hohen Schubanforderungen geeignet, die in Anwendungen wie Pressen, Bearbeiten oder Formen auftreten. Sie zeichnen sich jedoch durch schnelle Montage und Transport aus.

Der Nachteil des Eisenkerndesigns ist das Rasten, das die Laufruhe beeinträchtigt. Rastmomente treten auf, weil das geschlitzte Design des Primärteils dazu führt, dass es „bevorzugte“ Positionen einnimmt, wenn es sich entlang der Magnete des Sekundärteils bewegt. Um die Tendenz des Primärteils, sich an den Magneten des Sekundärteils auszurichten, zu überwinden, muss der Motor mehr Kraft erzeugen, was zu einer Geschwindigkeitswelligkeit führt, die als Rastmoment bezeichnet wird. Diese Schwankung der Kraft- und Geschwindigkeitsschwankungen beeinträchtigt die Gleichmäßigkeit der Bewegung, was bei Anwendungen, bei denen die Qualität der Bewegung während der Bewegung (nicht nur die endgültige Positionierungsgenauigkeit) wichtig ist, ein erhebliches Problem darstellen kann.

Es gibt zahlreiche Methoden, mit denen Hersteller das Cogging reduzieren können. Ein gängiger Ansatz besteht darin, die Position der Magnete (oder Zähne) zu verzerren, um sanftere Übergänge zu schaffen, wenn sich die Primärzähne über die Sekundärmagnete bewegen. Ein ähnlicher Effekt kann erzielt werden, indem die Form der Magnete in ein längliches Achteck geändert wird.

Eine andere Methode zur Reduzierung des Rastmoments wird als fraktioniertes Wickeln bezeichnet. Bei diesem Design enthält die Primärseite mehr Lamellenzähne als Magnete in der Sekundärseite, und das Lamellenpaket hat eine besondere Form. Zusammen wirken diese beiden Modifikationen so, dass sie die Rastkräfte aufheben. Und natürlich bietet Software immer eine Lösung. Anti-Cogging-Algorithmen ermöglichen es Servoantrieben und Steuerungen, den dem Primärteil zugeführten Strom so anzupassen, dass Schwankungen in Kraft und Geschwindigkeit minimiert werden.

Bei eisenlosen Linearmotoren kommt es nicht zu Rastmomenten, da ihre Primärspulen in Epoxidharz eingekapselt sind und nicht um eine Stahllamelle gewickelt sind. Und eisenlose Linearservomotoren haben eine geringere Masse (Epoxidharz ist leichter, wenn auch weniger steif als Stahl), wodurch sie einige der höchsten Beschleunigungs-, Verzögerungs- und Maximalgeschwindigkeitswerte erreichen, die in elektromechanischen Systemen zu finden sind. Auch die Einschwingzeiten sind bei eisenlosen Motoren in der Regel besser (geringer) als bei Versionen mit Eisenkern. Der Mangel an Stahl im Primärteil und die damit verbundene fehlende Rastung oder Geschwindigkeitswelligkeit bedeuten auch, dass eisenlose Linearmotoren eine sehr langsame, gleichmäßige Bewegung liefern können, typischerweise mit einer Geschwindigkeitsschwankung von weniger als 0,01 Prozent.

Welcher Integrationsgrad?
Linear-Servomotoren sind wie Rotationsmotoren nur eine Komponente in einem Bewegungssystem. Ein vollständiges Linearmotorsystem erfordert außerdem Lager zur Unterstützung und Führung der Last, Kabelmanagement, Feedback (normalerweise ein Linear-Encoder) sowie einen Servoantrieb und eine Steuerung. Sehr erfahrene OEMs und Maschinenbauer oder diejenigen, die ganz besondere Design- oder Leistungsanforderungen haben, können ein komplettes System mit firmeninternen Fähigkeiten und Standardkomponenten verschiedener Hersteller bauen.

Der Entwurf von Linearmotorsystemen ist wohl einfacher als der Entwurf von Systemen, die auf Riemen, Zahnstangen und Ritzeln oder Schrauben basieren. Es gibt weniger Komponenten und weniger arbeitsintensive Montageschritte (kein Ausrichten von Kugelumlaufspindelhalterungen oder Spannen von Riemen). Da Linearmotoren berührungslos sind, müssen sich Konstrukteure keine Gedanken über Schmierung, Einstellungen oder andere Wartungsarbeiten an der Antriebseinheit machen. Aber für OEMs und Maschinenbauer, die eine schlüsselfertige Lösung suchen, gibt es unzählige Optionen für komplette Aktuatoren mit Linearmotorantrieb, hochpräzise Tische und sogar kartesische Systeme und Portalsysteme.

Ist die Umgebung für einen Linearmotor geeignet?
In schwierigen Umgebungen wie Reinräumen und Vakuumumgebungen sind Linearmotoren häufig die bevorzugte Lösung, da sie über weniger bewegliche Teile verfügen und mit fast jeder Art von Linearführung oder Kabelmanagement kombiniert werden können, um den Anforderungen an Partikelerzeugung, Ausgasung und Temperatur gerecht zu werden die Anwendung. Und im Extremfall kann die Sekundärseite (Magnetbahn) als beweglicher Teil genutzt werden, während der Primärteil (Wicklungen inklusive Kabel und Kabelmanagement) stationär bleibt.

Wenn die Umgebung jedoch aus Metallspänen, Metallstaub oder Metallpartikeln besteht, ist ein linearer Servomotor möglicherweise nicht die beste Option. Dies gilt insbesondere für Linearmotoren mit Eisenkern, da diese von Natur aus offen sind und die Magnetbahn somit der Gefahr von Verunreinigungen ausgesetzt ist. Die halbgeschlossene Bauweise eisenloser Linearmotoren bietet einen besseren Schutz, allerdings sollte darauf geachtet werden, dass der Schlitz im Sekundärteil keinen direkten Verschmutzungsquellen ausgesetzt ist. Es gibt Designoptionen für die Einhausung sowohl von Linearmotoren mit Eisenkern als auch von eisenlosen Linearmotoren, diese können jedoch die Fähigkeit eines Motors zur Wärmeableitung verringern und möglicherweise ein Problem gegen ein anderes austauschen.