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

Konstrukteure, die sich auf die Auswahl eines Linearantriebs für ein bestimmtes Gerät oder eine bestimmte Maschine vorbereiten, 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 Firmen, die Aktuatoren verkaufen, sind darauf vorbereitet. Diese Anbieter erwarten jedoch in vielen Fällen von potenziellen Käufern, dass sie andere, vielleicht tiefergehende und aufschlussreichere Fragen stellen: die sogenannten selten gestellten Fragen (iFAQs).

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

F. Ich brauche Geschwindigkeit und Genauigkeit über eine lange Strecke. Welchen Aktuatortyp soll ich verwenden?

A. Das ist eine kluge Frage. Viele Konstrukteure überschätzen die Genauigkeit herkömmlicher Motoren und Aktuatoren bei langen Verfahrwegen. Sie glauben fälschlicherweise, dass der Aktuator, wenn er bei kurzen Läufen gut funktioniert, auch bei langen Läufen genauso gut funktioniert. Obwohl viele Arten von Linearsystemen zwei der drei Anforderungen erfüllen, die Ingenieure typischerweise wünschen (lange Verfahrwege, hohe Geschwindigkeit und hohe Positioniergenauigkeit), sind Linearmotorantriebe die einzigen, die alle drei Anforderungen ohne Kompromisse erfüllen. Sie werden häufig in der Halbleiterfertigung, der Inspektion von Unterhaltungselektronik, medizinischen und biowissenschaftlichen Anwendungen, Werkzeugmaschinen, Druck- und Verpackungsanwendungen eingesetzt.

Um ein wenig Hintergrundwissen zu liefern, definieren wir Linearmotoren. Im Wesentlichen handelt es sich bei einem Linearmotor um einen Rotationsmotor, der abgewickelt und flach ausgelegt wurde. Dadurch kann der Motor direkt an die lineare Last gekoppelt werden. Im Gegensatz dazu verwenden andere Konstruktionen einen Rotationsmotor und koppeln ihn über Mechanik, was zu Spiel, Effizienzverlusten und anderen Ungenauigkeiten führen kann. Linearmotoren weisen im Vergleich zu Kugelumlaufspindeln mit gleicher Verfahrlänge tendenziell auch höhere Maximalgeschwindigkeiten auf.

Heutzutage werden hauptsächlich drei Arten von Linearmotoren verwendet. Der erste ist ein Eisenkern, bei dem Spulen um Zähne aus Eisenmaterialien gewickelt und in Laminat eingewickelt sind. Diese Motoren haben die höchste Kraft pro Größe und eine gute Wärmeübertragung und sind im Allgemeinen am kostengünstigsten. Eisen im Motor führt jedoch zu einem erhöhten Cogging (Drehmoment aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den Magneten des Motors), sodass sie oft etwas ungenauer sind als die zweite Art, eisenlose Linearmotoren.

Wie der Name schon sagt, enthalten eisenlose Linearmotoren kein Eisen im Inneren. Der Treiber besteht im Wesentlichen aus einer Epoxidplatte, in die eng gewickelte Kupferspulen eingelegt sind. Es gleitet zwischen zwei einander gegenüberliegenden Magnetreihen. (Dies wird auch als U-Kanal-Magnetweg bezeichnet.) Eine Abstandsstange an einer Seite der Magnete verbindet sie miteinander. Die Hauptvorteile eisenloser Motoren sind geringere Anziehungskräfte und kein Rasten. Dadurch sind sie präziser als Eisenkernmotoren. Allerdings machen zwei Magnetreihen eisenlose Einheiten teurer als Versionen mit Eisenkern. Auch die Steuerung der Wärmeübertragung kann schwierig sein. Daher ist es wichtig, frühzeitig zu verstehen, ob bei einer bestimmten Anwendung das Risiko einer Überhitzung besteht. Die neuesten eisenlosen Motoren verfügen über überlappende Spulen, die für mehr Oberflächenkontakt zur Wärmeableitung sorgen. Durch diese Konstruktion erreicht der Motor außerdem eine höhere Kraftdichte.

Der dritte und letzte Typ sind nutenlose Linearmotoren, die im Grunde Hybride der ersten beiden Typen sind. Ein nutenloser Motor verfügt wie der Eisenkern über eine einzige Magnetreihe, was dazu beiträgt, den Preis zu senken. Ein laminiertes Hintereisen sorgt für eine gute Wärmeübertragung sowie geringere Anziehungskräfte und Rastmomente als Motoren mit Eisenkern. Nutenlose Motoren bieten neben ihrem geringeren Preis auch den Vorteil eines geringeren Höhenprofils als eisenlose Motoren. Für Konstrukteure, die Wert darauf legen, die Komponenten in ihren Maschinen so klein wie möglich zu halten, kann jeder Millimeter Platzersparnis von entscheidender Bedeutung sein.

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

A. Allzu oft wählen Konstrukteure Aktoren isoliert aus und überlegen nicht, wo sie eingesetzt werden sollen. Linearantriebe verfügen über kritische bewegliche Teile, die nur in den Umgebungen ordnungsgemäß funktionieren, für die sie entwickelt und hergestellt wurden. Die Verwendung eines ungeeigneten Linearantriebs kann zu Problemen führen, die von unsachgemäßem Betrieb bis hin zu irreparablen Schäden am Antrieb selbst reichen. Bei „schmutzigen“ Anwendungen, wie etwa einem Schneidwerkzeug, das Partikel und Schrott abschleudert, muss der Aktuator abgedichtet und abgeschirmt werden, um ihn vor Verunreinigungen zu schützen.

Aus der entgegengesetzten Perspektive kann ein Aktuator ohne den entsprechenden Schutz Verunreinigungen in eine saubere Umgebung einbringen und so die Anwendung beeinträchtigen. Normaler Verschleiß führt dazu, dass Lineartische mit der Zeit Partikel erzeugen. In Reinräumen oder Vakuumumgebungen ist häufig die Verwendung von Geräten beschränkt, die keine Partikel freisetzen. Daher ist es für Aktuatoren, die in diesen Umgebungen verwendet werden, von entscheidender Bedeutung, dass sie mit Dichtungen und Abschirmungen ausgestattet sind, um zu verhindern, dass Partikel in die Umgebung gelangen. Einige mechanische Geräte, die eine lineare Bewegung ermöglichen, beispielsweise in der Halbleiterverarbeitung, bewegen sich jeweils nur im Mikrometerbereich, sodass selbst die geringste Verschmutzung eine Anwendung gefährden und ruinieren kann.

Dichtungen und Abschirmungen schützen kritische Komponenten vor rauen Umgebungsbedingungen und sorgen dafür, dass Linearaktuatoren so funktionieren, wie sie ausgelegt sind. In sauberen Umgebungen schützen Dichtungen und Abschirmungen die Umgebung der Anwendung vor möglichen Verunreinigungen, die vom Aktor ausgehen – nicht vom Aktor selbst. Zusätzlich zu Dichtungen und Abschirmungen können kundenspezifische Linearaktuatoren mit Überdruckanschlüssen ausgestattet werden, die Verunreinigungen aus dem Inneren der Einheit entfernen und so die Leistung und Lebensdauer maximieren.

Bei der Auswahl von Linearantrieben müssen verschiedene Umgebungsfaktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören Umgebungstemperaturen, das Vorhandensein von Feuchtigkeit, die Einwirkung von Chemikalien und Gasen (außer Raumluft), Strahlung, der Luftdruck (für Anwendungen, die im Vakuum durchgeführt werden), Sauberkeit und in der Nähe befindliche Geräte. Befindet sich beispielsweise ein Gerät in der Nähe, das Vibrationen übertragen könnte, die die Leistung des Lineartisches beeinträchtigen würden?

Die IP-Einstufung (Ingress Protection) eines Lineartisches, die normalerweise in seinen Spezifikationen angegeben ist, gibt an, ob er über den richtigen Schutz vor bestimmten Umgebungen verfügt. IP-Schutzarten sind definierte Stufen der Wirksamkeit der Dichtungen eines Gehäuses gegen das Eindringen von Fremdkörpern (Staub und Schmutz) und verschiedenen Feuchtigkeitsniveaus.

Die Gehäusebewertung erfolgt in der Form „IP-“, gefolgt von zwei Ziffern. Die erste Ziffer gibt den Schutzgrad gegen bewegliche Teile und Fremdkörper an. Die zweite Ziffer gibt den Grad des Schutzes gegen die Einwirkung unterschiedlicher Feuchtigkeitsniveaus an (von Tropfen über Sprühnebel bis hin zum völligen Untertauchen).

Wenn Sie sich die Zeit nehmen, die IP-Schutzart eines Stellantriebs frühzeitig im Auswahlprozess zu prüfen, können Sie schnell und einfach Einheiten aussortieren, die für die Umgebung ungeeignet sind. Beispielsweise bietet ein Aktuator mit der Schutzart IP30 keinen Schutz vor Feuchtigkeit, hält aber fingergroße Gegenstände fern. Wenn Feuchtigkeitsschutz unerlässlich ist, suchen Sie nach einem Antrieb mit einer höheren Schutzart, z. B. IP54, der Staub und Spritzwasser schützt. Aktuatoren ohne Eindring- oder Feuchtigkeitsschutz können jedoch wirtschaftliche Alternativen für Umgebungen bieten, in denen Verunreinigungen kein Problem darstellen.