Ein Linearmotor kann als ein ausgerollter und flach ausgelegter Drehservomotor betrachtet werden, der eine lineare Bewegung erzeugt. Ein herkömmlicher Linearantrieb ist ein mechanisches Element, das die Drehbewegung eines Drehservomotors in eine geradlinige Bewegung umwandelt. Beide ermöglichen lineare Bewegungen, weisen jedoch sehr unterschiedliche Leistungsmerkmale und Kompromisse auf. Es gibt keine überlegene oder unterlegene Technologie – die Wahl hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Betrachten wir dies genauer.
Als Faustregel gilt für Linearmotoren: Sie spielen ihre Stärken vor allem in Anwendungen aus, die hohe Beschleunigung, hohe Geschwindigkeiten oder hohe Präzision erfordern. In der Halbleitermesstechnik beispielsweise, wo Auflösung und Durchsatz entscheidend sind und selbst eine Stunde Ausfallzeit Zehntausende von Dollar kosten kann, bieten Linearmotoren die ideale Lösung. Doch wie sieht es in weniger anspruchsvollen Situationen aus?
Ein anfängliches Problem bei Linearmotoren war die Kostenwettbewerbsfähigkeit. Linearmotoren benötigen Seltenerdmagnete, die einen der begrenzenden Faktoren für den Hub darstellen. Theoretisch lassen sich Magnete zwar praktisch unendlich anordnen, doch in der Praxis – abgesehen von der Herausforderung, über einen langen Hub eine ausreichende Steifigkeit zu gewährleisten – summieren sich die Kosten, insbesondere bei U-Profil-Konstruktionen.
Eisenkernmotoren können mit kleineren Magneten die gleiche Kraft erzeugen wie vergleichbare eisenlose Motoren. Wenn also Kraft im Vordergrund steht und die Leistungsanforderungen so gering sind, dass leichte Rastkräfte und damit verbundene Positions- oder Geschwindigkeitsfehler toleriert werden können, sind Eisenkernmotoren möglicherweise die beste Lösung. Sind die Leistungsanforderungen noch weniger streng und bewegen sich im Mikrometerbereich statt im Nanometerbereich, bietet die Kombination mit einem Linearantrieb möglicherweise den optimalen Kompromiss – beispielsweise einen Linearantrieb für die Arzneimittelverpackung und einen Linearmotor für die DNA-Sequenzierung in der Wirkstoffforschung.
Reisedauer
Obwohl es zahlreiche Ausnahmen gibt, liegt der optimale Hub für Linearmotoren zwischen wenigen Millimetern und mehreren Metern. Bei kürzeren Hüben kann eine Alternative wie beispielsweise ein Biegegelenk effektiver sein; darüber hinaus sind Riemenantriebe und anschließend Zahnstangenantriebe die bessere Wahl.
Die Hublänge von Linearmotoren ist nicht nur durch Kosten und Montagestabilität, sondern auch durch die Kabelführung begrenzt. Um eine Bewegung zu erzeugen, muss der Antrieb mit Strom versorgt werden, was bedeutet, dass die Stromkabel die gesamte Hublänge mitfahren müssen. Hochflexible Kabel und die dazugehörigen Kabelkanäle sind teuer, und die Tatsache, dass die Verkabelung die häufigste Fehlerquelle in der Bewegungssteuerung darstellt, verschärft das Problem zusätzlich.
Die Bauart von Linearmotoren bietet natürlich eine clevere Lösung für dieses Problem. In solchen Fällen montieren wir den Kraftgeber an der stationären Basis und bewegen die Magnetschiene. Dadurch laufen alle Kabel zum stationären Kraftgeber. Die Beschleunigung des Motors ist etwas geringer, da nicht eine Spule, sondern eine schwerere Magnetschiene beschleunigt wird. Bei hohen G-Kräften ist diese Konstruktion ungeeignet. Wenn jedoch keine hohen G-Kräfte auftreten, kann dies eine sehr gute Lösung sein.
Profeta verweist auf Aerotech-Linearservomotoren mit Spitzenkräften von 12,7 bis 408 kg. Doch auch hier ermöglicht die grundlegende Bauweise von Linearmotoren einzigartige Lösungen mit deutlich höherem Potenzial. Wir haben Kunden, die unsere größten Linearmotoren verwenden, sechs davon kombinieren und so eine Kraft von fast 2722 kg erzeugen. Man kann mehrere Stellantriebe in verschiedenen Schienen platzieren, sie mechanisch verbinden und anschließend kommutieren, sodass sie als ein einziger Motor fungieren. Alternativ kann man mehrere Stellantriebe in derselben Magnetschiene anbringen, sie am Lastenträger montieren und ebenfalls als einen Motor behandeln.
Da wir in der realen Welt leben und es unmöglich ist, die Kommutierung exakt nachzubilden, muss man für diesen Ansatz einen Effizienzverlust von einigen Prozent in Kauf nehmen, aber er kann dennoch die beste Gesamtlösung für eine bestimmte Anwendung liefern.
Direkter Vergleich
Wie schneiden Linearmotoren im Vergleich zu Kombinationen aus Rotationsmotor und Linearantrieb hinsichtlich der Kraftentwicklung ab? Es besteht ein deutlicher Kraftunterschied. Wir vergleichen einen 10 cm breiten, achtpoligen, nutenlosen Linearmotor mit einem 10 cm breiten, schraubengetriebenen Produkt. Unser achtpoliger Linearmotor erreicht eine Spitzenkraft von 180 N und eine Dauerkraft von 50 N. Bei gleichem Profil beträgt die maximale axiale Belastung mit einem NEMA-23-Servomotor und unserem schraubengetriebenen Produkt 90 kg. Daraus ergibt sich eine Reduzierung der Dauerkraft um den Faktor 20.
Die tatsächlichen Ergebnisse variieren je nach Gewindesteigung, Gewindedurchmesser, Motorspulen und Motorkonstruktion, wie er betont, und sind durch die axialen Lager, die die Gewindespindel stützen, begrenzt. Der 13 Zoll breite Linearmotor mit Eisenkern des Unternehmens kann beispielsweise eine maximale axiale Kraft von 1600 lbs erzeugen, verglichen mit den 440 lbs eines 6 Zoll breiten, spindelgetriebenen Produkts. Der Platzbedarf ist jedoch beträchtlich.
Um einen politischen Slogan abzuwandeln: Es kommt auf die Anwendung an. Wenn die Kraftdichte im Vordergrund steht, ist ein Aktor wahrscheinlich die beste Wahl. Erfordert die Anwendung hingegen Reaktionsfähigkeit, beispielsweise bei hochpräzisen Anwendungen mit hoher Beschleunigung wie der LCD-Inspektion, ist der Kompromiss zwischen Platzbedarf und Kraftaufwand für die erforderliche Leistung durchaus gerechtfertigt.
Sauber halten
Verschmutzung ist ein zentrales Problem bei der Bewegungssteuerung in Fertigungsumgebungen, und Linearmotoren bilden da keine Ausnahme. Ein Hauptproblem herkömmlicher Linearmotoren ist ihre Anfälligkeit für Verunreinigungen wie Feststoffpartikel oder Feuchtigkeit. Dies gilt insbesondere für Flachbett-Bauformen und ist bei U-Profil-Bauformen weniger problematisch.
Es ist sehr schwierig, die Lösung vollständig abzudichten. Eine hohe Luftfeuchtigkeit ist unbedingt zu vermeiden. Beim Einsatz eines Linearmotors in einer Wasserstrahlschneidanlage muss ein positiver Druck erzeugt und ein guter Schutz gewährleistet werden, da sich die Elektronik des Linearmotors direkt neben der Betätigungseinheit befindet.
Bei U-förmigen Konstruktionen kann die Umkehrung des U das Eindringen von Partikeln in den Kanal minimieren. Dies führt jedoch zu Problemen beim Wärmemanagement, die die Leistung beeinträchtigen können, da sich die Masse der Magnetschiene im Vergleich zur Masse des Kraftaufnehmers verlagert. Auch hier handelt es sich um einen Kompromiss, und die Anwendung bestimmt die gewählte Lösung.
Nicht nur die Umgebung kann Linearmotoren beeinträchtigen – Linearmotoren können auch Probleme mit der Umgebung verursachen. Im Gegensatz zu Rotationsmotoren können die großen Magnete in Linearmotoren in magnetempfindlichen Umgebungen, beispielsweise in Magnetresonanztomographen (MRT), erhebliche Störungen verursachen. Selbst in alltäglicheren Anwendungen wie der Metallbearbeitung kann dies problematisch sein. Die starken Magnete ziehen die Metallspäne auf die Magnetbahn, sodass Linearmotoren ohne geeigneten Schutz in solchen Anwendungen nicht optimal funktionieren.
Zu diesen Anwendungen…
Wo liegen also die optimalen Anwendungsbereiche für Linearmotoren? Zunächst in der Messtechnik, beispielsweise in der Halbleiter-, LED- und LCD-Fertigung. Auch der digitale Druck großflächiger Schilder ist ein Wachstumsmarkt, ebenso wie der biomedizinische Sektor. Selbst in der Kleinteilefertigung setzen unsere Kunden Linearmotoren paarweise in Portalkonfigurationen für Montageaufgaben ein. Um einen möglichst hohen Produktdurchsatz zu erzielen, sind die hohe Beschleunigung und Geschwindigkeit dieser Motoren von Vorteil. In letzter Zeit haben wir uns unter anderem mit der Brennstoffzellenfertigung beschäftigt; auch das Schablonenschneiden gehört zu unseren Anwendungsgebieten.
Das beantwortet die Frage nach dem Wo, aber wie sieht es mit der Frage nach dem Wie viel aus? Die Technologie der Linearmotoren wird seit Jahrzehnten entwickelt, doch wie steht es um ihre Marktakzeptanz? Aufgrund der Kosten sieht man sie selten, aber in bestimmten Anwendungsbereichen sind sie durchaus sinnvoll.
Wir führen dies auf den Lebenszyklus der Konsumenten zurück. Es gibt Innovatoren, frühe Anwender, die frühe Mehrheit, die späte Mehrheit und Nachzügler. Wir befinden uns jetzt in einer Phase, in der der Einsatz von Linearmotoren immer üblicher wird. Wir bewegen uns in Richtung der frühen Mehrheit.
Die Preise für Linearmotoren sinken, da wir den Fertigungsprozess optimieren und die Produktionsmengen steigen. Daher finden sie immer häufiger Anwendung. [Aerotech] fertigt auch Positioniersysteme mit Kugelgewindetrieben. Ich würde sagen, dass wir derzeit genauso viele, wenn nicht sogar mehr Linearmotor-Positioniersysteme als Kugelgewindetrieb-Positioniersysteme verkaufen. Wir setzen sie in immer mehr Anwendungen ein. Vor zehn Jahren wurden sie hauptsächlich in Laborumgebungen unter Reinraumbedingungen eingesetzt. Heute finden sie ihren Einsatz in deutlich mehr industriellen Anwendungen. Eines der Segmente, für die ich zuständig bin, ist die Automobilindustrie, und wir integrieren Linearmotoren immer häufiger in Automobilanwendungen.
Je nach Konfiguration ist eine Linearmotorlösung fast günstiger als ein Riemenantrieb. Sie profitieren von den Vorteilen eines Linearmotors mit Direktantrieb, schneller Reaktionszeit und ohne Federwirkung wie beim Riemenantrieb – und das zu einem sehr ähnlichen Preis. Der Nachteil ist, dass Ihnen die mechanische Übersetzung von Riemen und Riemenscheibe/Getriebe fehlt, um die zusätzliche Kraft zu erzeugen.
Vor- und Nachteile – das fasst es im Grunde zusammen. Analysieren Sie Ihre Anwendung sorgfältig, verstehen Sie Ihre Anforderungen und ermitteln Sie Ihre Flexibilität. Sobald Sie die verschiedenen Aspekte abwägen können, sind Sie in der Lage, eine fundierte Entscheidung darüber zu treffen, ob ein Linearmotor oder ein anderer Linearantrieb Ihre Bedürfnisse am besten erfüllt.
Veröffentlichungsdatum: 12. Juni 2023