Hier sind einige Fragen, die sich Ingenieure und Designer stellen sollten, bevor sie sich für Linearantriebe entscheiden.

Konstrukteure, die einen Linearantrieb für ein bestimmtes Gerät oder eine Maschine auswählen, sollten eine Liste mit Fragen bereithalten, die sie den Lieferanten und Herstellern dieser Geräte stellen können. Diese Listen enthalten in der Regel FAQs (häufig gestellte Fragen), und die meisten Unternehmen, die Antriebe verkaufen, sind darauf vorbereitet. Allerdings erwarten diese Lieferanten oft von potenziellen Käufern auch andere, möglicherweise tiefer gehende und aufschlussreichere Fragen: die sogenannten selten gestellten Fragen (iFAQs).

Hier sind einige Fragen, die sich Ingenieure stellen sollten, wenn sie über die Spezifikation von Linearantrieben nachdenken.

F. Ich benötige Geschwindigkeit und Genauigkeit über eine große Distanz. Welchen Aktuatortyp sollte ich verwenden?

A. Das ist eine kluge Frage. Viele Konstrukteure überschätzen die Genauigkeit herkömmlicher Motoren und Aktuatoren bei langen Verfahrwegen. Sie glauben fälschlicherweise, dass ein Aktuator, der bei kurzen Verfahrwegen gut funktioniert, auch bei langen Verfahrwegen gut funktioniert. Obwohl viele Linearsysteme zwei der drei typischen Anforderungen von Ingenieuren erfüllen (lange Verfahrwege, hohe Geschwindigkeit und hohe Positioniergenauigkeit), sind Linearmotoraktuatoren die einzigen, die alle drei Anforderungen kompromisslos erfüllen. Sie werden häufig in der Halbleiterfertigung, der Prüfung von Unterhaltungselektronik, in medizinischen und biowissenschaftlichen Anwendungen, im Werkzeugmaschinenbau sowie in der Druck- und Verpackungstechnik eingesetzt.

Um ein wenig Hintergrundwissen zu vermitteln, definieren wir Linearmotoren. Ein Linearmotor ist im Wesentlichen ein abgewickelter und flach ausgelegter Rotationsmotor. Dadurch kann der Motor direkt an die lineare Last gekoppelt werden. Im Gegensatz dazu verwenden andere Konstruktionen einen Rotationsmotor und koppeln ihn mechanisch an, was zu Spiel, Effizienzverlusten und anderen Ungenauigkeiten führen kann. Linearmotoren weisen zudem tendenziell höhere Maximalgeschwindigkeiten auf als Kugelumlaufspindeln mit gleicher Hublänge.

Heute werden drei Haupttypen von Linearmotoren verwendet. Der erste Typ ist der Eisenkernmotor, bei dem Spulen um Zähne aus Eisenwerkstoffen gewickelt und mit Laminat ummantelt sind. Diese Motoren bieten die höchste Kraft pro Größe, eine gute Wärmeübertragung und sind in der Regel die kostengünstigsten. Eisen im Motor führt jedoch zu erhöhtem Rastmoment (Drehmoment aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Motormagneten), sodass sie oft etwas ungenauer sind als der zweite Typ, die eisenlosen Linearmotoren.

Wie der Name schon sagt, enthalten eisenlose Linearmotoren kein Eisen. Der Antrieb besteht im Wesentlichen aus einer Epoxidplatte, in die eng gewickelte Kupferspulen eingesetzt sind. Er gleitet zwischen zwei einander gegenüberliegenden Magnetreihen. (Dies wird auch als U-Kanal-Magnetführung bezeichnet.) Ein Abstandshalter an einer Seite der Magnete verbindet diese miteinander. Die Hauptvorteile eisenloser Motoren sind geringere Anziehungskräfte und kein Rastmoment. Dadurch sind sie präziser als Motoren mit Eisenkern. Allerdings sind eisenlose Einheiten durch zwei Magnetreihen teurer als Versionen mit Eisenkern. Auch die Wärmeübertragung kann schwierig sein. Deshalb ist es wichtig, frühzeitig zu erkennen, ob bei einer bestimmten Anwendung die Gefahr einer Überhitzung besteht. Die neuesten eisenlosen Motoren verfügen über überlappende Spulen, die eine größere Kontaktfläche zur Wärmeableitung bieten. Durch diese Bauweise kann der Motor auch eine höhere Kraftdichte erzielen.

Der dritte und letzte Typ sind nutenlose Linearmotoren, die im Grunde eine Mischung der ersten beiden Typen darstellen. Ein nutenloser Motor verfügt über eine einzelne Magnetreihe, ähnlich wie der Eisenkern, was zu einem niedrigen Preis beiträgt. Ein laminiertes Rückeisen sorgt für eine gute Wärmeübertragung sowie geringere Anziehungskräfte und Rastmomente als bei Eisenkernmotoren. Neben ihrem niedrigeren Preis bieten nutenlose Motoren zudem den Vorteil einer geringeren Bauhöhe als eisenlose Motoren. Für Konstrukteure, die Wert auf möglichst kleine Komponenten in ihren Maschinen legen, kann jeder Millimeter Platzersparnis entscheidend sein.

F: Wie kann ich feststellen, ob ein bestimmter Aktuator für den Einsatz in einer bestimmten Umgebung geeignet ist?

A. Allzu oft wählen Konstrukteure Aktuatoren isoliert aus und berücksichtigen nicht deren Einsatzbereich. Linearaktuatoren verfügen über kritische bewegliche Teile, die nur in den Umgebungen, für die sie entwickelt und hergestellt wurden, ordnungsgemäß funktionieren. Die Verwendung eines ungeeigneten Linearaktuators kann Probleme verursachen, die von Fehlfunktionen bis hin zu irreparablen Schäden am Aktuator selbst reichen. Bei „schmutzigen“ Anwendungen, wie z. B. einem Schneidwerkzeug, das Partikel und Abfälle abwirft, muss der Aktuator abgedichtet und abgeschirmt werden, um ihn vor Verunreinigungen zu schützen.

Umgekehrt kann ein Aktuator ohne entsprechenden Schutz Verunreinigungen in eine saubere Umgebung einbringen und so die Anwendung beeinträchtigen. Normaler Verschleiß führt dazu, dass Lineartische mit der Zeit Partikel freisetzen. In Reinräumen oder Vakuumumgebungen dürfen oft nur Geräte verwendet werden, die keine Partikel freisetzen. Daher ist es wichtig, dass in diesen Umgebungen eingesetzte Aktuatoren mit Dichtungen und Abschirmungen ausgestattet sind, um das Eindringen von Partikeln in die Umgebung zu verhindern. Einige mechanische Geräte, die lineare Bewegungen ermöglichen, beispielsweise in der Halbleiterverarbeitung, bewegen sich jeweils nur im Mikrometerbereich, sodass selbst geringste Verunreinigungen eine Anwendung beeinträchtigen und zerstören können.

Dichtungen und Schutzschilde schützen kritische Komponenten vor rauen Umgebungsbedingungen und ermöglichen so den leistungsgerechten Betrieb von Linearantrieben. In sauberen Umgebungen schützen Dichtungen und Schutzschilde die Anwendungsumgebung vor möglichen Verunreinigungen, die vom Antrieb selbst verursacht werden – nicht den Antrieb selbst. Zusätzlich zu Dichtungen und Schutzschilden können kundenspezifische Linearantriebe mit Überdruckanschlüssen ausgestattet werden, die Verunreinigungen im Inneren des Geräts ausleiten und so Leistung und Lebensdauer maximieren.

Bei der Auswahl von Linearantrieben müssen verschiedene Umweltfaktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören Umgebungstemperatur, Feuchtigkeit, Kontakt mit Chemikalien und Gasen (außer Raumluft), Strahlung, Luftdruck (bei Anwendungen im Vakuum), Sauberkeit und die Nähe zu Geräten. Befindet sich beispielsweise ein Gerät in der Nähe, das Vibrationen übertragen könnte, die die Leistung des Lineartisches beeinträchtigen könnten?

Die Schutzart (IP) eines Lineartisches, die üblicherweise in den Spezifikationen angegeben ist, gibt an, ob er in bestimmten Umgebungen ausreichend geschützt ist. IP-Schutzarten definieren die Wirksamkeit der Gehäusedichtungen gegen das Eindringen von Fremdkörpern (Staub und Schmutz) sowie gegen verschiedene Feuchtigkeitsgrade.

Die Schutzart wird durch „IP-“ gefolgt von zwei Ziffern angegeben. Die erste Ziffer gibt den Schutzgrad vor beweglichen Teilen und Fremdkörpern an. Die zweite Ziffer gibt den Schutzgrad gegen unterschiedliche Feuchtigkeitsgrade an (von Tropf- und Spritzwasser bis hin zum vollständigen Untertauchen).

Wenn Sie sich frühzeitig im Auswahlprozess die IP-Schutzart eines Aktuators ansehen, können Sie schnell und einfach ungeeignete Einheiten ausschließen. Beispielsweise bietet ein Aktuator mit IP30 keinen Schutz vor Feuchtigkeit, hält aber fingergroße Gegenstände fern. Ist Feuchtigkeitsschutz unerlässlich, sollten Sie nach einem Aktuator mit einer höheren Schutzart wie IP54 suchen, der vor Staub und Spritzwasser schützt. Aktuatoren ohne Eindring- oder Feuchtigkeitsschutz können jedoch eine kostengünstige Alternative für Umgebungen sein, in denen Schadstoffe keine Rolle spielen.