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

Lineare Servomotoren mit Direktantrieb haben in den letzten Jahren deutlich an Bedeutung gewonnen, was unter anderem auf die Anforderungen der Endverbraucher nach höherem Durchsatz und höherer Präzision zurückzuführen ist. Linearmotoren werden zwar vor allem für ihre Kombination aus hohen Geschwindigkeiten, langen Hüben und exzellenter Positioniergenauigkeit geschätzt, die mit anderen Antriebsmechanismen nicht möglich ist, ermöglichen aber auch extrem langsame, gleichmäßige und präzise Bewegungen. Die Linearmotortechnologie bietet ein so breites Spektrum an Möglichkeiten – Schubkraft, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit –, dass es kaum Anwendungen gibt, für die Linearmotoren keine geeignete Lösung sind.

Zu den Linearmotorvarianten gehören Linearservomotoren, Linearschrittmotoren, Linearinduktionsmotoren und Schubrohrlinearmotoren. Wenn ein Linearservomotor die beste Option für eine Anwendung ist, sollten bei der ersten Motorauswahl drei Punkte berücksichtigt werden.

Die „primäre“ Überlegung: Mit oder ohne Eisenkern?
Lineare Direktantriebs-Servomotoren gibt es in zwei Haupttypen: mit und ohne Eisenkern. Dabei wird unterschieden, ob die Wicklungen im Primärteil (analog zum Stator eines Rotationsmotors) in einem Eisenblechpaket oder in Epoxidharz montiert sind. Die Entscheidung, ob die Anwendung einen Linearmotor mit oder ohne Eisenkern erfordert, ist in der Regel der erste Schritt bei Konstruktion und Auswahl.

Linearmotoren mit Eisenkern eignen sich am besten für Anwendungen, die extrem hohe Schubkräfte erfordern. Denn die Laminierung des Primärteils weist Zähne (Vorsprünge) auf, die den elektromagnetischen Fluss auf die Magnete des Sekundärteils fokussieren (analog zum Rotor eines Rotationsmotors). Diese magnetische Anziehung zwischen dem Eisen im Primärteil und den Permanentmagneten im Sekundärteil ermöglicht dem Motor die Bereitstellung hoher Kräfte.

Eisenlose Linearmotoren verfügen im Allgemeinen über eine geringere Schubkraft und sind daher für die extrem hohen Schubanforderungen in Anwendungen wie Pressen, Zerspanen oder Formen nicht geeignet. Sie eignen sich jedoch hervorragend für Hochgeschwindigkeitsmontage und -transport.

Der Nachteil der Eisenkernkonstruktion ist das Rastmoment, das die Laufruhe beeinträchtigt. Das Rastmoment entsteht, weil die Schlitzkonstruktion des Primärteils dazu führt, dass es beim Bewegen entlang der Magnete des Sekundärteils bevorzugte Positionen einnimmt. Um die Tendenz des Primärteils, sich an den Magneten des Sekundärteils auszurichten, zu überwinden, muss der Motor mehr Kraft aufbringen, was zu Geschwindigkeitsschwankungen – dem sogenannten Rastmoment – ​​führt. Diese Schwankungen von Kraft und Geschwindigkeitsschwankungen beeinträchtigen die Laufruhe, was insbesondere bei Anwendungen, bei denen die Bewegungsqualität (nicht nur die endgültige Positioniergenauigkeit) wichtig ist, ein erhebliches Problem darstellen kann.

Hersteller nutzen zahlreiche Methoden, um das Rastmoment zu reduzieren. Ein gängiger Ansatz besteht darin, die Position der Magnete (oder Zähne) zu verzerren, um sanftere Übergänge beim Überqueren der Primärzähne über die Sekundärmagnete zu erzielen. Ein ähnlicher Effekt lässt sich durch die Veränderung der Magnetform in ein längliches Achteck erzielen.

Eine weitere Methode zur Reduzierung des Rastmoments ist die sogenannte Teilwicklung. Bei dieser Konstruktion enthält der Primärteil mehr Blechzähne als der Sekundärteil Magnete, und der Blechstapel weist eine spezielle Form auf. Zusammen heben diese beiden Modifikationen die Rastkräfte auf. Software bietet natürlich immer eine Lösung. Anti-Rastmoment-Algorithmen ermöglichen es Servoantrieben und Steuerungen, die Stromzufuhr zum Primärteil so anzupassen, dass Kraft- und Geschwindigkeitsschwankungen minimiert werden.

Eisenlose Linearmotoren weisen kein Rastmoment auf, da ihre Primärspulen in Epoxidharz gekapselt und nicht um eine Stahllamelle gewickelt sind. Zudem weisen eisenlose Linearservomotoren eine geringere Masse auf (Epoxidharz ist leichter, wenn auch weniger steif als Stahl), wodurch sie einige der höchsten Beschleunigungs-, Verzögerungs- und Maximalgeschwindigkeitswerte elektromechanischer Systeme erreichen. Auch die Einschwingzeiten sind bei eisenlosen Motoren typischerweise besser (niedriger) als bei Versionen mit Eisenkern. Der fehlende Stahl im Primärteil und das damit verbundene Fehlen von Rastmomenten oder Geschwindigkeitsschwankungen ermöglichen zudem eine sehr langsame, gleichmäßige Bewegung mit typischerweise weniger als 0,01 Prozent Geschwindigkeitsabweichung.

Welcher Grad der Integration?
Linearservomotoren sind wie Rotationsmotoren nur eine Komponente eines Bewegungssystems. Ein komplettes Linearmotorsystem benötigt außerdem Lager zur Unterstützung und Führung der Last, Kabelmanagement, Feedback (typischerweise ein Linearencoder) sowie einen Servoantrieb und eine Steuerung. Erfahrene OEMs und Maschinenbauer oder solche mit sehr individuellen Design- oder Leistungsanforderungen können ein komplettes System mit eigenen Kapazitäten und Standardkomponenten verschiedener Hersteller bauen.

Die Konstruktion von Linearmotorsystemen ist deutlich einfacher als die von Systemen mit Riemen, Zahnstange und Ritzel oder Spindeln. Es gibt weniger Komponenten und weniger arbeitsintensive Montageschritte (kein Ausrichten von Kugelumlaufspindeln oder Spannen von Riemen). Da Linearmotoren berührungslos arbeiten, müssen sich Konstrukteure nicht um Schmierung, Einstellungen oder sonstige Wartungsarbeiten der Antriebseinheit kümmern. OEMs und Maschinenbauer, die eine schlüsselfertige Lösung suchen, stehen jedoch unzählige Optionen für komplette Linearmotorantriebe, hochpräzise Tische und sogar kartesische und Portalsysteme zur Verfügung.

Ist die Umgebung für einen Linearmotor geeignet?
Linearmotoren sind oft die bevorzugte Lösung in anspruchsvollen Umgebungen wie Reinräumen und Vakuumumgebungen, da sie weniger bewegliche Teile aufweisen und mit nahezu jeder Art von Linearführung oder Kabelmanagement kombiniert werden können, um die Anforderungen der Anwendung hinsichtlich Partikelbildung, Ausgasung und Temperatur zu erfüllen. In Extremfällen kann der Sekundärteil (Magnetspur) als bewegliches Teil verwendet werden, während der Primärteil (Wicklungen, einschließlich Kabel und Kabelmanagement) stationär bleibt.

Besteht die Umgebung jedoch aus Metallspänen, Metallstaub oder Metallpartikeln, ist ein linearer Servomotor möglicherweise nicht die beste Wahl. Dies gilt insbesondere für Linearmotoren mit Eisenkern, da diese von Natur aus offen sind und die Magnetbahn dadurch Verunreinigungen ausgesetzt ist. Die halbgeschlossene Bauweise eisenloser Linearmotoren bietet zwar besseren Schutz, allerdings ist darauf zu achten, dass der Schlitz im Sekundärteil keinen direkten Verunreinigungen ausgesetzt ist. Es gibt zwar Konstruktionsmöglichkeiten für die Einhausung von Linearmotoren mit und ohne Eisenkern, diese können jedoch die Wärmeableitungsfähigkeit des Motors beeinträchtigen und so möglicherweise ein Problem durch ein anderes ersetzen.