Man kann sich einen Linearmotor als einen ausgerollten und flachgelegten Rotationsservomotor vorstellen, der eine lineare Bewegung erzeugt. Ein herkömmlicher Linearantrieb ist ein mechanisches Element, das die Drehbewegung eines Rotationsservomotors in eine geradlinige Bewegung umwandelt. Beide bieten lineare Bewegung, jedoch mit sehr unterschiedlichen Leistungsmerkmalen und Kompromissen. Es gibt keine überlegene oder unterlegene Technologie – die Wahl der richtigen hängt von der Anwendung ab. Schauen wir uns das genauer an.
Linearmotoren eignen sich in Anwendungen mit hohen Beschleunigungen, hohen Geschwindigkeiten und hoher Präzision hervorragend. In der Halbleitermesstechnik beispielsweise, wo Auflösung und Durchsatz entscheidend sind und selbst eine Stunde Ausfallzeit Zehntausende von Dollar kosten kann, sind Linearmotoren die ideale Lösung. Doch wie sieht es mit weniger anspruchsvollen Anwendungen aus?
Ein frühes Problem bei Linearmotoren war die Kostenwettbewerbsfähigkeit. Linearmotoren benötigen Seltenerdmagnete, die einen der limitierenden Faktoren für die Hublänge darstellen. Zwar lassen sich Magnete theoretisch nahezu endlos aneinanderreihen, doch in der Realität steigen die Kosten, ganz abgesehen von der Herausforderung, ausreichende Steifigkeit über einen langen Hub sicherzustellen, insbesondere bei U-Kanal-Konstruktionen.
Eisenkernmotoren können mit kleineren Magneten die gleiche Kraft erzeugen als vergleichbare eisenlose Motoren. Wenn also Kraft die Hauptanforderung ist und die Leistungsspezifikationen locker genug sind, um eine gewisse Rastkraftstörung zu tolerieren, die zu dynamischen Positions- oder Geschwindigkeitsfehlern führt, könnte ein Eisenkernmotor die beste Lösung sein. Sind die Leistungsanforderungen noch geringer, im Mikrometer- statt im Nanometerbereich, bietet die Kombination eines Linearantriebs möglicherweise den besten Kompromiss – wählen Sie beispielsweise einen Linearantrieb für die Arzneimittelverpackung, aber einen Linearmotor für die DNA-Sequenzierung in der Arzneimittelforschung.
Reisedauer
Obwohl es viele Ausnahmen gibt, liegt die optimale Hublänge für Linearmotoren zwischen wenigen Millimetern und mehreren Metern. Darunter kann eine Alternative wie ein Biegeelement effektiver sein; darüber hinaus sind Riemenantriebe und Zahnstangenantriebe wahrscheinlich die bessere Wahl.
Die Hublänge von Linearmotoren wird nicht nur durch Kosten und Montagestabilität, sondern auch durch das Kabelmanagement begrenzt. Um Bewegung zu erzeugen, muss der Antrieb mit Strom versorgt werden, was bedeutet, dass die Stromkabel über die gesamte Hublänge mitlaufen müssen. Hochflexible Kabel und die dazugehörigen Kabelkanäle sind teuer, und die Tatsache, dass die Verkabelung die größte Schwachstelle in der Bewegungssteuerung darstellt, verkompliziert das Problem zusätzlich.
Natürlich bietet die Natur von Linearmotoren eine clevere Lösung für dieses Problem. Bei solchen Problemen montieren wir den Antrieb an der stationären Basis und verschieben die Magnetschiene. So werden alle Kabel zum stationären Antrieb geführt. Die Beschleunigung eines Motors ist etwas geringer, da nicht eine Spule, sondern eine schwerere Magnetschiene beschleunigt wird. Bei hohen G-Kräften wäre das nicht optimal. Wenn keine Anwendung mit hohen G-Kräften erforderlich ist, könnte dies ein sehr gutes Design sein.
Profeta nennt Linearservomotoren von Aerotech mit Spitzenkräften von 12,7 bis 400 kg. Doch auch hier bietet das grundlegende Design von Linearmotoren einzigartige Lösungen, die weit mehr bieten. Wir haben Kunden, die unsere größten Linearmotoren verwenden, sechs davon zusammenschalten und so eine Kraft von fast 2700 kg erzeugen. Sie können mehrere Forcer in mehreren Schienen platzieren, mechanisch miteinander verbinden und dann alle zusammen kommutieren, sodass sie wie ein Motor agieren. Oder Sie können mehrere Forcer in derselben Magnetschiene platzieren, sie am Lastschlitten montieren und als einen Motor behandeln.
Da wir in der realen Welt leben und es unmöglich ist, die Kommutierung exakt abzustimmen, muss dieser Ansatz mit einigen Prozent Effizienzverlusten rechnen, er kann jedoch für eine bestimmte Anwendung immer noch die beste Allround-Lösung darstellen.
Direkter Vergleich
Wie schneiden Linearmotoren im Vergleich zu Kombinationen aus Rotationsmotor und Linearantrieb hinsichtlich der Kraft ab? Es besteht ein erheblicher Kraftverlust. Vergleichen wir einen 4 Zoll breiten, achtpoligen, nutenlosen Linearmotor mit einem 4 Zoll breiten, spindelgetriebenen Produkt, so ergibt sich ein deutlicher Kraftverlust. Unser achtpoliger Linearmotor hat eine Spitzenkraft von 180 N und eine Dauerkraft von 50 N. Im gleichen Vergleich mit einem NEMA-23-Servomotor und unserem spindelgetriebenen Produkt beträgt die maximale Axiallast 200 N. Betrachtet man dies so, ergibt sich eine 20-fache Reduzierung der Dauerkraft.
Die tatsächlichen Ergebnisse variieren je nach Spindelsteigung, Spindeldurchmesser, Motorwicklungen und Motordesign, wie er schnell bemerkt, und werden durch die Axiallager der Spindel begrenzt. Der 33 cm breite Linearmotor mit Eisenkern des Unternehmens kann eine maximale Axialkraft von 720 kg erzeugen, verglichen mit den 200 kg eines 15 cm breiten Spindelmotors. Der Platzbedarf ist jedoch beträchtlich.
Um einen politischen Slogan zu paraphrasieren: Es kommt auf die Anwendung an, Dummkopf. Wenn die Kraftdichte im Vordergrund steht, ist ein Aktuator wahrscheinlich die beste Wahl. Erfordert die Anwendung Reaktionsfähigkeit, beispielsweise bei einer hochpräzisen, hochbeschleunigten Anwendung wie der LCD-Inspektion, lohnt sich der Kompromiss zwischen Platzbedarf und Kraft, um die erforderliche Leistung zu erzielen.
Sauber halten
Verunreinigungen stellen ein großes Problem bei der Bewegungssteuerung in Fertigungsumgebungen dar, und Linearmotoren bilden hier keine Ausnahme. Ein großes Problem bei Standard-Linearmotoren ist die Belastung durch Verunreinigungen wie Feststoffpartikel oder Feuchtigkeit. Dies gilt für Flachbett-Designs und weniger für U-Kanal-Designs.
Es ist sehr schwierig, die Lösung vollständig abzudichten. Eine Umgebung mit hoher Feuchtigkeit ist nicht wünschenswert. Wenn Sie einen Linearmotor in einer Wasserstrahlschneidanwendung einsetzen, müssen Sie ihn mit Überdruck beaufschlagen und sicherstellen, dass er gut geschützt ist, da sich die Elektronik des Linearmotors direkt am Antrieb befindet.
Bei U-Kanal-Designs kann das Umdrehen des U das Eindringen von Partikeln in den Kanal minimieren. Dies führt jedoch zu Problemen beim Wärmemanagement, die die Leistung beeinträchtigen können, da die Masse der Magnetschiene im Vergleich zur Masse des Treibers bewegt wird. Auch hier handelt es sich um einen Kompromiss, und die Anwendung bestimmt den Einsatz.
Nicht nur die Umgebung kann den Linearmotor beeinflussen – auch der Linearmotor selbst kann Probleme mit der Umgebung verursachen. Im Gegensatz zu Rotationskonstruktionen können die großen Magnete in Lineareinheiten in magnetisch empfindlichen Umgebungen, beispielsweise in Magnetresonanztomographen (MRT), verheerende Schäden anrichten. Selbst bei prosaischeren Anwendungen wie der Metallzerspanung kann dies zum Problem werden. Die Hochleistungsmagnete versuchen, jeden einzelnen Metallspännchen auf die Magnetbahn zu ziehen. Daher sind Linearmotoren in solchen Anwendungen ohne entsprechenden Schutz nicht leistungsstark genug.
Über diese Anwendungen …
Wo liegt also das optimale Anwendungsgebiet für Linearmotoren? Zunächst einmal in der Messtechnik, beispielsweise in Bereichen wie der Halbleiter-, LED- und LCD-Herstellung. Der Digitaldruck großer Schilder ist ein wachsender Markt, ebenso wie der biomedizinische Sektor. Selbst in der Kleinteilefertigung setzen unsere Kunden Linearmotorpaare in Portalanordnungen für Montageaufgaben ein. Um einen möglichst hohen Produktdurchsatz zu erzielen, sind die hohe Beschleunigung und Geschwindigkeit dieser Motoren von Vorteil. Ein Anwendungsbereich, den wir in letzter Zeit bearbeitet haben, ist die Herstellung von Brennstoffzellen; ein weiterer ist das Schablonenschneiden.
Das beantwortet die Frage nach dem „Wo“, aber wie sieht es mit der Frage nach dem „Wie viel“ aus? Die Linearmotortechnologie wird seit Jahrzehnten entwickelt. Wie steht es also um die Marktakzeptanz? Aus Kostengründen sind sie bei uns eher selten anzutreffen, aber für bestimmte Anwendungen sind sie durchaus sinnvoll.
Wir führen es auf den Lebenszyklus des Verbrauchers zurück. Es gibt Innovatoren, Early Adopters, die frühe Mehrheit, die späte Mehrheit und die Nachzügler. Wir befinden uns jetzt in einer Phase, in der der Einsatz von Linearmotoren immer alltäglicher wird. Wir befinden uns in der Phase der frühen Mehrheit.
Der Preis für Linearmotoren sinkt, da wir den Fertigungsprozess optimieren und die Stückzahlen steigen. Daher finden wir sie in immer mehr Anwendungen. Aerotech fertigt auch Tische mit Kugelumlaufspindeln. Ich würde sagen, wir verkaufen mittlerweile genauso viele Linearmotor-Tische wie Tische mit Kugelumlaufspindeln, wenn nicht sogar mehr. Wir setzen sie in immer mehr Anwendungen ein. Vor zehn Jahren waren die meisten Anwendungen Laboranwendungen in sauberen Umgebungen. Heute setzen wir sie in viel mehr industriellen Anwendungen ein. Eines meiner Segmente ist die Automobilindustrie, und wir setzen Linearmotoren in immer mehr Automobilanwendungen ein.
Abhängig von Ihrer Konfiguration erhalten Sie eine Linearmotorlösung fast günstiger als einen Riemenantrieb. Sie profitieren von den Vorteilen eines Linearmotors mit Direktantrieb, schneller Reaktionszeit und fehlender Federrate wie beim Riemenantrieb zu einem sehr ähnlichen Preis. Der Nachteil ist, dass Ihnen der mechanische Vorteil von Riemen und Riemenscheibe/Getriebe fehlt, der Ihnen die zusätzliche Kraft verleiht.
Vor- und Nachteile – das bringt es auf den Punkt. Überlegen Sie sich Ihre Anwendung genau, verstehen Sie Ihre Anforderungen und ermitteln Sie Ihre Flexibilität. Sobald Sie die Kompromisse abwägen, können Sie eine fundierte Entscheidung treffen, ob ein Linearmotor oder ein Linearantrieb Ihren Anforderungen am besten gerecht wird.
Veröffentlichungszeit: 12. Juni 2023