Man kann sich einen Linearmotor als einen rotierenden Servomotor vorstellen, der ausgerollt und flach gelegt wird, um eine grundsätzlich lineare Bewegung zu erzeugen. Ein herkömmlicher Linearantrieb ist ein mechanisches Element, das die Drehbewegung eines rotierenden Servomotors in eine geradlinige Bewegung umwandelt. Beide bieten lineare Bewegung, jedoch mit sehr unterschiedlichen Leistungsmerkmalen und Kompromissen. Es gibt keine überlegene oder minderwertige Technologie – die Wahl der zu verwendenden Technologie hängt von der Anwendung ab. Schauen wir genauer hin.
Als Faustregel gilt für Linearmotoren, dass sie in Anwendungen glänzen, die hohe Beschleunigungen, hohe Geschwindigkeiten oder hohe Präzision erfordern. In der Halbleitermesstechnik beispielsweise, wo Auflösung und Durchsatz entscheidend sind und selbst eine Stunde Ausfallzeit Zehntausende Dollar kosten kann, bieten Linearmotoren die ideale Lösung. Aber wie wäre es mit einer weniger anspruchsvollen Situation?
Ein frühes Problem bei Linearmotoren war die Kostenwettbewerbsfähigkeit. Linearmotoren erfordern Seltenerdmagnete, die einen der begrenzenden Faktoren für die Hublänge darstellen. Theoretisch können Magnete zwar praktisch endlos aneinandergereiht werden, aber in Wirklichkeit steigen die Kosten, ganz abgesehen von der Herausforderung, über eine lange Hublänge eine ausreichende Steifigkeit sicherzustellen, insbesondere bei U-Kanal-Designs.
Eisenkernmotoren können mit kleineren Magneten die gleiche Kraft erzeugen wie die entsprechende eisenlose Konstruktion. Wenn also Muskeln die Hauptanforderung sind und die Leistungsspezifikationen locker genug sind, um eine gewisse Rastkraftstörung zu tolerieren, die zu dynamischen Positions- oder Geschwindigkeitsfehlern führt, könnte dies bei Eisenkernmotoren der Fall sein der beste Ansatz sein. Wenn die Leistungsanforderungen noch geringer sind, in der Größenordnung von Mikrometern statt Nanometern, bietet die Linearantriebskombination möglicherweise den geeignetsten Kompromiss – wählen Sie beispielsweise einen Linearantrieb für die Arzneimittelverpackung, aber einen Linearmotor für die DNA-Sequenzierung der Arzneimittelentwicklung.
Reisedauer
Obwohl es zahlreiche Ausnahmen gibt, liegt die optimale Hublänge für Linearmotoren zwischen einigen Millimetern und mehreren Metern. Bei einem niedrigeren Wert könnte eine Alternative wie eine Biegung effektiver sein; oben sind Riemenantriebe und dann Zahnstangenkonstruktionen wahrscheinlich die bessere Wahl.
Die Hublänge von Linearmotoren wird nicht nur durch Kosten und Montagestabilität, sondern auch durch die Kabelführung eingeschränkt. Um eine Bewegung zu erzeugen, muss der Forcer mit Strom versorgt werden, was bedeutet, dass die Stromkabel den gesamten Hubweg zurücklegen müssen. Hochflexible Kabel und die dazugehörigen Kabelkanäle sind teuer, und die Tatsache, dass die Verkabelung insgesamt die größte Fehlerquelle bei der Bewegungssteuerung darstellt, verkompliziert das Problem zusätzlich.
Natürlich kann die Natur von Linearmotoren eine clevere Lösung für dieses Problem bieten. Wenn wir solche Bedenken haben, montieren wir den Forcer an der stationären Basis und bewegen die Magnetschiene. Auf diese Weise kommen alle Kabel zum stationären Forcer. Die Beschleunigung eines bestimmten Motors ist etwas geringer, da nicht eine Spule, sondern eine Magnetbahn beschleunigt wird, die schwerer ist. Wenn Sie dies für hohe G-Werte tun würden, wäre das nicht gut. Wenn Sie wirklich keine High-G-Anwendung haben, könnte dies ein sehr gutes Design sein.
Profeta nennt Aerotech-Linearservomotoren mit Spitzenkräften im Bereich von 28 bis 900 Pfund, aber auch hier bietet sich das grundlegende Design von Linearmotoren für einzigartige Lösungen an, die weit mehr bieten. Wir haben Kunden, die unsere größten Linearmotoren nehmen, sechs davon zusammenbauen und eine Kraft von fast 6000 Pfund erzeugen. Sie können mehrere Forcer in mehreren Schienen unterbringen, sie mechanisch miteinander verbinden und sie dann alle zusammen kommutieren, sodass sie als ein Motor fungieren. Oder Sie können mehrere Forcer in derselben Magnetschiene unterbringen und sie am Schlitten montieren, der die Last hält, und sie als einen Motor behandeln.
Da wir in der realen Welt leben und es unmöglich ist, die Kommutierung genau zuzuordnen, ist für diesen Ansatz ein Effizienzverlust von einigen Prozent zu zahlen, aber er kann dennoch die beste Gesamtlösung für eine bestimmte Anwendung liefern.
Kopf an Kopf
Wie schlagen sich Linearmotoren aus Kraftsicht mit Kombinationen aus Drehmotor und Linearaktuator zusammen? Es gibt einen erheblichen Kraftkompromiss. Wir vergleichen einen 4 Zoll breiten, achtpoligen linearen Motor ohne Nuten mit einem 4 Zoll breiten Produkt mit Schraubenantrieb. Unser achtpoliger Linearmotor hat eine Spitzenkraft von 40 lbs (180 N) und eine Dauerkraft von 11 lbs (50 N). Im gleichen Profil mit einem NEMA 23-Servomotor und unserem schraubengetriebenen Produkt beträgt die maximale Axiallast 200 lbs. Wenn Sie es also so betrachten, sehen Sie im Grunde eine 20-fache Reduzierung der Dauerkraft.
Die tatsächlichen Ergebnisse variieren je nach Schneckensteigung, Schneckendurchmesser, Motorspulen und Motordesign, stellt er schnell fest, und werden durch die Axiallager, die die Schnecke tragen, begrenzt. Der 13 Zoll breite Eisenkern-Linearmotor des Unternehmens kann beispielsweise eine maximale Axialkraft von 1600 Pfund erzeugen, verglichen mit den 440 Pfund, die beispielsweise ein 6 Zoll breites Produkt mit Schraubenantrieb bereitstellt, aber der Platzverlust ist beträchtlich.
Um einen politischen Slogan zu paraphrasieren: Es ist die Anwendung, dumm. Wenn die Kraftdichte im Vordergrund steht, ist ein Aktuator wahrscheinlich die beste Wahl. Wenn die Anwendung Reaktionsfähigkeit erfordert, beispielsweise bei einer hochpräzisen Anwendung mit hoher Beschleunigung wie der LCD-Inspektion, lohnt sich der Kompromiss zwischen Platzbedarf und Kraft, um die erforderliche Leistung zu erzielen.
Halten Sie es sauber
Kontamination ist ein großes Problem bei der Bewegungssteuerung in Fertigungsumgebungen und Linearmotoren bilden da keine Ausnahme. Ein großes Problem bei der Konstruktion von Standard-Linearmotoren ist die Belastung durch Verunreinigungen wie feste Partikel oder Feuchtigkeit. Dies gilt für „Flachbett“-Designs und ist für [U-Kanal]-Designs weniger problematisch.
Es ist sehr schwierig, die Lösung vollständig abzudichten. Sie möchten sich nicht in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit aufhalten. Wenn Sie einen Linearmotor in einer Wasserstrahlschneidanwendung einsetzen, müssen Sie Überdruck darauf ausüben und sicherstellen, dass er gut geschützt ist, da sich die Elektronik des Linearmotors direkt an der Stelle der Betätigung befindet.
Bei U-Kanal-Designs kann durch die Umkehrung des U das Risiko des Eindringens von Partikeln in den Kanal minimiert werden. 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 wiederum bestimmt die Anwendung die Nutzung.
Es ist nicht nur die Umgebung, die sich auf den Linearmotor auswirken kann – der Linearmotor kann auch Probleme mit der Umgebung verursachen. Im Gegensatz zu Rotationskonstruktionen können die großen Magnete in Lineareinheiten verheerende Auswirkungen auf magnetisch empfindliche Umgebungen haben, beispielsweise in Magnetresonanztomographiegeräten (MRT). Es kann sogar bei einer prosaischeren Anwendung wie dem Metallschneiden ein Problem sein. Es gibt diese Hochleistungsmagnete, die versuchen, jedes einzelne dieser Metallspäne auf die Magnetbahn zu ziehen, sodass Linearmotoren in solchen Anwendungen ohne angemessenen Schutz keine gute Leistung erbringen.
Über diese Anwendungen…
Wo liegt also der optimale Anwendungsbereich für Linearmotoren? Zunächst einmal die Messtechnik in Bereichen wie der Halbleiter-, LED- und LCD-Herstellung. Auch der Digitaldruck großer Schilder ist ein wachsender Markt, ebenso wie der biomedizinische Sektor, und selbst bei der Fertigung kleiner Teile ordnen unsere Kunden für Montageaufgaben Paare von Linearmotoren in Portalkonfigurationen an. Sie möchten einen möglichst hohen Produktdurchsatz erzielen, daher ist die hohe Beschleunigung und Geschwindigkeit, die Sie mit diesen Motoren erzielen können, von Vorteil. Eine Sache, die wir in letzter Zeit gemacht haben, ist die Herstellung von Brennstoffzellen; Das Schneiden von Schablonen ist eine andere.
Damit ist die Frage nach dem Wo beantwortet, aber was ist mit der Frage nach dem Wie viel? Die Linearmotortechnologie wird seit Jahrzehnten weiterentwickelt. Wo steht sie also im Hinblick auf die Marktakzeptanz? Wegen der Kosten stoßen wir nicht oft auf sie, aber in bestimmten Anwendungen sind sie durchaus sinnvoll.
Wir führen es auf den Lebenszyklus des Verbrauchers zurück. Es gibt die Innovatoren, die Early Adopters, die Early Majority, die Late Majority und die Nachzügler. Wir sind jetzt in einem Stadium, in dem die Verwendung eines Linearmotors immer üblicher wird. Wir bewegen uns in die Phase der frühen Mehrheit.
Da wir den Herstellungsprozess optimieren und die Stückzahlen steigen, sinken die Preise für Linearmotoren, sodass wir sie in immer mehr Anwendungen sehen. [Aerotech] stellt auch Tische mit Kugelumlaufspindeln her. Ich würde sagen, dass wir zum jetzigen Zeitpunkt ebenso viele Linearmotortische, wenn nicht sogar mehr, als Tische mit Kugelumlaufspindel verkaufen. Wir integrieren sie in immer mehr Anwendungen. Vor zehn Jahren fanden die meisten Anwendungen im Laborstil in sauberen Umgebungen statt. Wir setzen sie jetzt in weitaus industrielleren Betrieben ein. Eines der Segmente, die ich betreue, ist die Automobilindustrie, und wir haben Linearmotoren in viel mehr Automobilanwendungen eingebaut.
Abhängig von Ihrer Konfiguration können Sie eine Linearmotorlösung fast zu einem günstigeren Preis erhalten, als ein Riemenantrieb kosten würde. Sie haben den Vorteil eines Linearmotors mit Direktantrieb, schneller Reaktionszeit und keiner Federrate wie beim Riemen zu einem sehr ähnlichen Preis. Der Nachteil ist, dass Sie nicht über den mechanischen Vorteil von Riemen und Riemenscheibe/Getriebe verfügen, der Ihnen diese zusätzliche Kraft verleiht.
Vor- und Nachteile – das fasst alles zusammen. Überlegen Sie sich Ihre Bewerbung genau, verstehen Sie Ihre Anforderungen und ermitteln Sie, wo Ihre Flexibilität liegt. Sobald Sie wissen, wie Sie über Ihre Kompromisse nachdenken müssen, können Sie eine fundierte Entscheidung darüber treffen, ob ein Linearmotor oder eine Art Linearantrieb Ihren Anforderungen am besten entspricht.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 12. Juni 2023