Hier sind ein paar Fragen, die sich Ingenieure und Konstrukteure vor der Auswahl von Linearantrieben stellen sollten.

Konstrukteure, die einen Linearantrieb für ein bestimmtes Gerät oder eine Maschine auswählen möchten, sollten eine Liste mit Fragen an die Lieferanten und Hersteller dieser Antriebe vorbereiten. Diese Listen enthalten üblicherweise FAQs (häufig gestellte Fragen), und die meisten Unternehmen, die Linearantriebe verkaufen, sind darauf vorbereitet. In vielen Fällen erwarten die Lieferanten jedoch, dass potenzielle Käufer weitere, möglicherweise tiefergehende und aufschlussreichere Fragen stellen: die sogenannten selten gestellten Fragen (iFAQs).

Hier sind zwei Fragen, die sich Ingenieure bei der Spezifizierung von Linearantrieben stellen sollten.

F: Ich benötige Geschwindigkeit und Genauigkeit über eine lange Strecke. Welchen Aktortyp sollte ich verwenden?

A. Das ist eine berechtigte Frage. Viele Konstrukteure überschätzen die Genauigkeit herkömmlicher Motoren und Aktuatoren bei langen Verfahrwegen. Sie gehen fälschlicherweise davon aus, dass ein Aktor, der bei kurzen Verfahrwegen gut funktioniert, auch bei langen Verfahrwegen gleich gut arbeitet. Obwohl viele lineare Systeme zwei der drei typischen Anforderungen von Ingenieuren erfüllen (lange Verfahrwege, hohe Geschwindigkeit und hohe Positioniergenauigkeit), bieten nur Linearmotoren alle drei ohne Kompromisse. Sie werden häufig in der Halbleiterfertigung, der Inspektion von Unterhaltungselektronik, in medizinischen und biowissenschaftlichen Anwendungen, im Werkzeugmaschinenbau sowie in der Druck- und Verpackungsindustrie eingesetzt.

Um das Ganze etwas zu verdeutlichen, definieren wir Linearmotoren. Im Wesentlichen handelt es sich bei einem Linearmotor um einen abgewickelten und flach ausgelegten Rotationsmotor. Dadurch kann der Motor direkt mit der linearen Last gekoppelt werden. Im Gegensatz dazu verwenden andere Bauarten einen Rotationsmotor und koppeln ihn mechanisch an, was zu Spiel, Wirkungsgradverlusten und anderen Ungenauigkeiten führen kann. Linearmotoren weisen zudem tendenziell höhere Maximalgeschwindigkeiten auf als Kugelgewindetriebe mit demselben Verfahrweg.

Heute werden hauptsächlich drei Arten von Linearmotoren eingesetzt. Die erste Art sind Eisenkernmotoren. Hierbei sind Spulen um Zähne aus Eisenwerkstoffen gewickelt und mit Laminat ummantelt. Diese Motoren bieten die höchste Kraft pro Größe, eine gute Wärmeableitung und sind in der Regel am kostengünstigsten. Allerdings führt das im Motor enthaltene Eisen zu einem erhöhten Rastmoment (Drehmoment aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Magneten), weshalb sie oft etwas weniger präzise sind als die zweite Art, die eisenlosen Linearmotoren.

Wie der Name schon sagt, enthalten eisenlose Linearmotoren kein Eisen. Der Kraftgeber besteht im Wesentlichen aus einer Epoxidplatte, in die eng gewickelte Kupferspulen eingesetzt sind. Er gleitet zwischen zwei einander gegenüberliegenden Magnetreihen (auch als U-förmige Magnetführung bekannt). Ein Abstandshalter an einer Seite der Magnete verbindet diese. Die Hauptvorteile eisenloser Motoren sind die geringeren Anziehungskräfte und das Fehlen von Rastmomenten. Dadurch sind sie präziser als Motoren mit Eisenkern. Allerdings sind eisenlose Motoren aufgrund der zwei Magnetreihen teurer als Varianten mit Eisenkern. Auch die Wärmeableitung kann schwierig sein, daher ist es wichtig, frühzeitig zu prüfen, ob bei einer bestimmten Anwendung Überhitzungsgefahr besteht. Die neuesten eisenlosen Motoren verfügen über überlappende Spulen, die eine größere Kontaktfläche zur Wärmeableitung bieten. Diese Konstruktion ermöglicht zudem eine höhere Kraftdichte des Motors.

Der dritte und letzte Typ sind nutenlose Linearmotoren, die im Prinzip Hybride der ersten beiden Typen darstellen. Ein nutenloser Motor besitzt wie der Eisenkernmotor nur eine Magnetreihe, was zu einem niedrigeren Preis beiträgt. Ein laminiertes Rückmaterial aus Eisen sorgt für eine gute Wärmeableitung sowie geringere Anziehungskräfte und ein reduziertes Rastmoment als bei Eisenkernmotoren. Nutenlose Motoren bieten neben ihrem niedrigeren Preis auch den Vorteil einer geringeren Bauhöhe. Für Konstrukteure, die Wert auf möglichst kleine Bauteile legen, kann jeder eingesparte Millimeter entscheidend sein.

F: Woran kann ich erkennen, ob ein bestimmter Aktor für den Einsatz in einer bestimmten Umgebung geeignet ist?

A. Allzu oft wählen Konstrukteure Aktuatoren isoliert aus und berücksichtigen nicht deren Einsatzort. Linearantriebe besitzen kritische bewegliche Teile, die nur in den Umgebungen einwandfrei funktionieren, für die sie entwickelt und gefertigt wurden. Der Einsatz eines ungeeigneten Linearantriebs kann Probleme verursachen, die von Fehlfunktionen bis hin zu irreparablen Schäden am Antrieb selbst reichen. Bei Anwendungen mit starker Verschmutzung, wie beispielsweise bei Schneidwerkzeugen, die Partikel und Späne abwerfen, muss der Antrieb abgedichtet und abgeschirmt werden, um ihn vor Verunreinigungen zu schützen.

Aus der umgekehrten Perspektive kann ein Aktor ohne ausreichenden Schutz Verunreinigungen in eine Reinraumumgebung einbringen und die Anwendung beeinträchtigen. Normaler Verschleiß führt dazu, dass Lineartische mit der Zeit Partikel freisetzen. In Reinräumen oder Vakuumumgebungen dürfen häufig nur Geräte verwendet werden, die keine Partikel abgeben. Daher ist es für Aktoren, die in diesen Umgebungen eingesetzt werden, unerlässlich, mit Dichtungen und Schutzvorrichtungen ausgestattet zu sein, um das Eindringen von Partikeln zu verhindern. Einige mechanische Geräte, die lineare Bewegungen ausführen, wie beispielsweise in der Halbleiterfertigung, bewegen sich nur im Mikrometerbereich. Selbst geringste Verunreinigungen können daher eine Anwendung beeinträchtigen und zerstören.

Dichtungen und Schutzvorrichtungen schützen kritische Komponenten vor rauen Umgebungsbedingungen und gewährleisten so den einwandfreien Betrieb von Linearantrieben. In Reinraumumgebungen schützen Dichtungen und Schutzvorrichtungen die Umgebung vor möglichen Verunreinigungen, die vom Antrieb selbst – nicht vom Antrieb – entstehen können. Zusätzlich zu Dichtungen und Schutzvorrichtungen können kundenspezifische Linearantriebe mit Überdruckanschlüssen ausgestattet werden, die Verunreinigungen aus dem Inneren des Geräts entfernen und so Leistung und Lebensdauer maximieren.

Bei der Auswahl von Linearantrieben müssen verschiedene Umgebungsfaktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören Umgebungstemperaturen, Luftfeuchtigkeit, Kontakt mit Chemikalien und Gasen (außer Raumluft), Strahlung, Luftdruck (bei Anwendungen im Vakuum), Reinheit und die Nähe anderer Geräte. Befindet sich beispielsweise ein Gerät in der Nähe, das Vibrationen übertragen und die Funktion des Lineartisches beeinträchtigen könnte?

Die Schutzart (IP-Schutzart) einer Linearstufe, die üblicherweise in ihren Spezifikationen angegeben ist, gibt an, ob sie ausreichend vor bestimmten Umgebungsbedingungen geschützt ist. IP-Schutzarten definieren die Wirksamkeit der Gehäusedichtungen gegen das Eindringen von Fremdkörpern (Staub und Schmutz) und unterschiedlichen Feuchtigkeitsgraden.

Die Schutzart (IP-Schutzart) wird mit „IP-“ gefolgt von zwei Ziffern angegeben. Die erste Ziffer gibt den Schutzgrad gegen bewegliche Teile und Fremdkörper an. Die zweite Ziffer kennzeichnet den Schutz gegen unterschiedliche Feuchtigkeitsgrade (von Tropfen über Spritzwasser bis hin zum vollständigen Eintauchen).

Die frühzeitige Prüfung der IP-Schutzart eines Stellantriebs ermöglicht es, ungeeignete Geräte schnell und einfach auszusortieren. Ein Stellantrieb mit Schutzart IP30 bietet beispielsweise keinen Schutz gegen Feuchtigkeit, hält aber fingergroße Gegenstände fern. Ist Feuchtigkeitsschutz unerlässlich, sollte ein Stellantrieb mit höherer Schutzart, wie z. B. IP54, gewählt werden, der Schutz gegen Staub und Spritzwasser bietet. Stellantriebe ohne Schutz vor Eindringen oder Feuchtigkeit können jedoch eine kostengünstige Alternative für Umgebungen darstellen, in denen Verunreinigungen keine Rolle spielen.