Linearmotoren sind auf dem Vormarsch. Sie verleihen Maschinen höchste Präzision und Dynamik.

Linearmotoren sind sehr schnell und präzise in der Positionierung, können aber auch langsame, konstante Verfahrgeschwindigkeiten für Maschinenköpfe und Schlitten sowie Werkzeug- und Teilehandhabungssysteme ermöglichen. In einer Vielzahl von Anwendungen – Laserchirurgie, visuelle Inspektion sowie Flaschen- und Gepäckhandhabung – kommen Linearmotoren zum Einsatz, da sie äußerst zuverlässig sind, wenig Wartung erfordern und die Produktionszyklen verbessern.

Höhere Geschwindigkeit und Kraft

Linearmotoren sind direkt an ihre Last gekoppelt, wodurch eine Vielzahl von Kupplungskomponenten entfallen – mechanische Kupplungen, Riemenscheiben, Zahnriemen, Kugelumlaufspindeln, Kettenantriebe sowie Zahnstangen und Ritzel, um nur einige zu nennen. Dies wiederum reduziert die Kosten und sogar das Spiel. Linearmotoren ermöglichen außerdem eine gleichmäßige Bewegung, eine präzise Positionierung über Hunderte Millionen Zyklen und höhere Geschwindigkeiten.

Die typischen mit Linearmotoren erreichbaren Geschwindigkeiten variieren: Bestückungsmaschinen (die viele kurze Bewegungen ausführen) und Verwendung von Inspektionsgerätenlineare Schrittmotorenmit Geschwindigkeiten bis 60 Zoll/Sek.; fliegende Scherenanwendungen und Pick-and-Place-Maschinen, die längere Bewegungen erfordernzahnradfrei, bürstenlosLinearmotoren für Geschwindigkeiten bis 200 Zoll/Sek.; Achterbahnen, Fahrzeugwerfer und People Mover verwenden lineare SystemeWechselstrom-InduktionMotoren, um Geschwindigkeiten von bis zu 2.000 Zoll/Sek. zu erreichen.

Ein weiterer Faktor, der bestimmt, welche Linearmotortechnologie die beste ist: Die Kraft, die zum Bewegen der Anwendungslast erforderlich ist. Die Last bzw. Masse sowie das Beschleunigungsprofil der Anwendung bestimmen letztendlich diese Kraft.

Jede Anwendung stellt unterschiedliche Herausforderungen dar; Im Allgemeinen verwenden Teiletransfersysteme jedoch lineare Schrittmotoren mit Kräften bis zu 220 N oder 50 lb; Halbleiter, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden und Robotik verwenden bürstenlose, zahnradfreie Motoren bis 2.500 N; Fördersysteme verwenden lineare Wechselstrom-Induktionsmotoren bis 2.200 N; Transferlinien und Werkzeugmaschinen verwenden bürstenlose Motoren mit Eisenkern bis 14.000 N. Beachten Sie, dass jede Anwendung anders ist und die Anwendungstechniker des Herstellers bei diesem Spezifikationsschritt im Allgemeinen Unterstützung leisten.

Neben Geschwindigkeit und Kraft gibt es noch andere Faktoren. Beispielsweise werden in Fördersystemen lineare Wechselstrom-Induktionsmotoren eingesetzt, da sie über eine lange Verfahrstrecke verfügen und eine passive Sekundärseite ohne Permanentmagnete bietet. Anwendungen wie Augenlaserchirurgie und Halbleiterfertigung verwenden bürstenlose, zahnradfreie Antriebe für Genauigkeit und Laufruhe.

Grundlegende Bedienung

Linearmotoren funktionieren durch die Wechselwirkung zweier elektromagnetischer Kräfte – dieselbe grundlegende Wechselwirkung, die in einem Rotationsmotor ein Drehmoment erzeugt.

Stellen Sie sich vor, Sie schneiden einen Rotationsmotor aus und glätten ihn dann: Dadurch erhalten Sie eine ungefähre Vorstellung von der Geometrie eines Linearmotors. Anstatt die Last für ein Drehmoment an eine rotierende Welle zu koppeln, wird die Last für eine lineare Bewegung und Kraft mit einem flachen beweglichen Wagen verbunden. Kurz gesagt ist Drehmoment der Ausdruck der Arbeit, die ein Rotationsmotor leistet, während Kraft der Ausdruck der Arbeit eines Linearmotors ist.

Genauigkeit

Betrachten wir zunächst ein herkömmliches rotierendes Schrittsystem: Verbunden mit einer Kugelumlaufspindel mit einer Steigung von 5 Umdrehungen pro Zoll beträgt die Genauigkeit etwa 0,004 bis 0,008 Zoll oder 0,1 bis 0,2 mm. Ein von einem Servomotor angetriebenes Rotationssystem hat eine Genauigkeit von 0,001 bis 0,0001 Zoll.

Im Gegensatz dazu liefert ein direkt an seine Last gekoppelter Linearmotor eine Genauigkeit im Bereich von 0,0007 bis 0,000008 Zoll. Beachten Sie, dass Kupplung und Kugelumlaufspindelspiel in diesen Zahlen nicht berücksichtigt sind und diese die Genauigkeit rotierender Systeme weiter verschlechtern.

Die relative Genauigkeit variiert: Der typische Rotationsschrittmotor, den wir hier detailliert beschreiben, kann immer noch genau auf den Durchmesser eines menschlichen Haares genau positionieren. Allerdings verbessern Servos dies um den Faktor bis zum 80-fachen, während ein Linearmotor dies noch weiter verbessern kann – auf 500-mal kleiner als der Durchmesser des menschlichen Haares.

Manchmal sind Wartung und Kosten (über die Lebensdauer der Ausrüstung) wichtigere Überlegungen als Genauigkeit. Auch hier zeichnen sich Linearmotoren aus: Durch den Einsatz von Linearmotoren sinken im Allgemeinen die Wartungskosten, da berührungslose Teile den Maschinenbetrieb verbessern und die mittlere Zeit zwischen Ausfällen verlängern. Darüber hinaus eliminiert die Spielfreiheit der Linearmotoren Stöße, was die Lebensdauer der Maschine weiter verlängert. Weitere Vorteile: Die Zeit zwischen Wartungszyklen kann verlängert werden, was einen besseren Betriebsablauf ermöglicht. Weniger Wartungsarbeiten und ein geringerer Personalaufwand verbessern das Endergebnis – den Gewinn – und senken die Betriebskosten über die Lebensdauer der Ausrüstung.

Vorteile im Vergleich

Anwendungen erfordern eine lineare Bewegung. Bei Verwendung eines Drehmotors ist ein mechanischer Umwandlungsmechanismus erforderlich, um die Drehbewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln. Hier wählen Designer den Konvertierungsmechanismus aus, der für die Anwendung am besten geeignet ist und gleichzeitig Einschränkungen minimiert.

• Linearmotor versus Riemen und Riemenscheibe:Um eine lineare Bewegung von einem Rotationsmotor zu erhalten, ist ein üblicher Ansatz die Verwendung eines Riemens und einer Riemenscheibe. Typischerweise wird die Schubkraft durch die Zugfestigkeit des Riemens begrenzt; Schnelle Starts und Stopps können zu einer Dehnung des Riemens und damit zu Resonanzen führen, was zu einer längeren Einschwingzeit führt. Mechanisches Aufwickeln, Spiel und Riemendehnung verringern ebenfalls die Wiederholgenauigkeit, Genauigkeit und den Maschinendurchsatz. Da es bei Servobewegungen auf Geschwindigkeit und Wiederholgenauigkeit ankommt, ist dies nicht die beste Wahl. Während eine Riemenscheibenkonstruktion 3 m/s erreichen kann, kann die lineare Konstruktion 10 m/s erreichen. Ohne Spiel oder Aufdrehen steigern direkt angetriebene Linearmotoren die Wiederholbarkeit und Genauigkeit zusätzlich.
• Linearmotor versus Zahnstange und Ritzel:Zahnstangen und Ritzel sorgen für mehr Schubkraft und mechanische Steifigkeit als Konstruktionen mit Riemen und Riemenscheiben. Allerdings führt der bidirektionale Verschleiß im Laufe der Zeit zu fragwürdigen Wiederholgenauigkeiten und Ungenauigkeiten – den größten Nachteilen dieses Mechanismus. Spiel verhindert, dass die Motorrückmeldung die tatsächliche Lastposition erkennt, was zu Instabilität führt – und zu geringeren Verstärkungen und einer langsameren Gesamtleistung führt. Im Gegensatz dazu sind Maschinen mit Linearmotoren schneller und positionieren genauer.
• Linearmotor versus Kugelumlaufspindel:Der gebräuchlichste Ansatz zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung ist die Verwendung einer Spindel oder einer Kugelumlaufspindel. Diese sind kostengünstig, aber weniger effizient: Leitspindeln erreichen typischerweise 50 % oder weniger und Kugelumlaufspindeln etwa 90 %. Hohe Reibung erzeugt Wärme und langfristiger Verschleiß verringert die Genauigkeit. Der Verfahrweg ist mechanisch begrenzt. Darüber hinaus können lineare Geschwindigkeitsgrenzen nur durch eine Erhöhung der Steigung erweitert werden, was jedoch die Positionsauflösung verschlechtert; Eine zu hohe Drehzahl kann auch dazu führen, dass die Schrauben schlagen, was zu Vibrationen führt. Linearmotoren ermöglichen lange, unbegrenzte Verfahrwege. Mit einem Encoder an der Last beträgt die Langzeitgenauigkeit typischerweise ±5 µm/300 mm.

Grundlegende Linearmotortypen

Da es verschiedene Rotationsmotortechnologien gibt, gibt es auch verschiedene Linearmotortypen: unter anderem Schrittmotoren, bürstenlose Motoren und lineare AC-Induktionsmotoren. Beachten Sie, dass die Lineartechnik Antriebe (Verstärker) sowie Positionierer (Bewegungssteuerungen) und Rückkopplungsgeräte (wie Hall-Sensoren und Encoder) verwendet, die in der Industrie allgemein verfügbar sind.

Viele Designs profitieren von kundenspezifischen Linearmotoren, aber Standarddesigns sind in der Regel geeignet.

Bürstenlose Linearmotoren mit Eisenkernzeichnen sich durch eine Stahllaminierung im beweglichen Antrieb aus, um den magnetischen Fluss zu kanalisieren. Dieser Motortyp verfügt über höhere Nennkräfte und ist effizienter, wiegt aber drei- bis fünfmal mehr als zahnradfreie Motoren vergleichbarer Größe. Die stationäre Platte besteht aus mehrpoligen Permanentmagneten mit wechselnder Polarität, die auf einer kaltgewalzten Nickelstahlplatte befestigt sind. Die Stahllamellen auf dem beweglichen Antrieb reagieren jedoch mit den Magneten auf der stationären Platte, die eine „anziehende“ Kraft entwickeln und ein geringes Maß an Rastung oder Welligkeit aufweisen, wenn sich der Motor von einem Magnetfeld zum anderen bewegt, was zu Geschwindigkeitsschwankungen führt.

Diese Motoren entwickeln eine große Spitzenkraft, haben eine größere thermische Masse und eine lange thermische Zeitkonstante – und eignen sich daher für Anwendungen mit hoher Kraft und intermittierendem Arbeitszyklus, bei denen sehr schwere Lasten bewegt werden, wie in Transferstraßen und Werkzeugmaschinen. Sie sind für eine unbegrenzte Bewegung ausgelegt und können mehrere bewegliche Platten mit überlappenden Bewegungsbahnen umfassen.

Bürstenlose, zahnradfreie Motorenverfügen über eine Spulenbaugruppe im beweglichen Antrieb ohne Stahllamellen. Die Spule besteht aus Draht, Epoxidharz und einer nichtmagnetischen Trägerstruktur. Dieses Gerät ist viel leichter. Das Grunddesign erzeugt eine geringere Kraft, daher werden zusätzliche Magnete in die stationäre Schiene eingesetzt (zur Erhöhung der Kraft) und die Schiene ist U-förmig mit Magneten auf jeder Seite dieses U. Der Forcer wird in die Mitte des U eingesetzt .

Diese Motoren eignen sich für Anwendungen, die einen reibungslosen Betrieb ohne magnetisches Rasten erfordern, wie z. B. Scan- oder Inspektionsgeräte. Ihre höheren Beschleunigungen sind nützlich beim Bestücken von Halbleitern, beim Sortieren von Chips sowie beim Auftragen von Lot und Klebstoff. Diese Motoren sind für unbegrenzte Fahrt ausgelegt.

Lineare Steppersind schon seit langem verfügbar; Der bewegliche Antrieb besteht aus präzise gezahnten laminierten Stahlkernen, einem einzelnen Permanentmagneten und in den laminierten Kern eingesetzten Spulen. (Beachten Sie, dass zwei Spulen einen Zweiphasen-Schrittmotor ergeben.) Diese Baugruppe ist in einem Aluminiumgehäuse gekapselt.

Die stationäre Platte besteht aus fotochemisch geätzten Zähnen auf einer Stahlstange, geschliffen und vernickelt. Dieses kann end-to-end in unbegrenzter Länge gestapelt werden. Der Motor wird komplett mit Forcer, Lagern und Platte geliefert. Die Anziehungskraft des Magneten wird als Vorspannung für die Lager genutzt; Es ermöglicht außerdem den Betrieb des Geräts in umgekehrter Position für eine Vielzahl von Anwendungen.

Wechselstrom-Induktionsmotorenbestehen aus einem Forcer, einer Spulenbaugruppe bestehend aus Stahllamellen und Phasenwicklungen. Die Wicklungen können entweder ein- oder dreiphasig sein. Dies ermöglicht eine direkte Online-Steuerung oder eine Steuerung über einen Wechselrichter oder Vektorantrieb. Die stationäre Platte (Reaktionsplatte genannt) besteht normalerweise aus einer dünnen Schicht Aluminium oder Kupfer, die auf Kaltwalzstahl geklebt ist.

Sobald die Kraftspule mit Strom versorgt wird, interagiert sie mit der Reaktionsplatte und bewegt sich. Höhere Geschwindigkeiten und unbegrenzte Verfahrwege sind die Stärken dieser Konstruktion; Sie werden für den Materialtransport, zur Personenbeförderung, für Förderbänder und für Schiebetore verwendet.

Neue Designkonzepte

Einige der neuesten Designverbesserungen wurden durch Reengineering implementiert. Beispielsweise werden einige lineare Schrittmotoren (ursprünglich für die Bewegung in einer Ebene konzipiert) jetzt so umgestaltet, dass sie eine Bewegung in zwei Ebenen ermöglichen – für XY-Bewegungen. Hier besteht der Bewegungsantrieb aus zwei linearen Schrittmotoren, die orthogonal im 90°-Winkel montiert sind, sodass einer für die X-Achsen-Bewegung und der andere für die Y-Achsen-Bewegung sorgt. Es sind auch mehrere Forcer mit überlappenden Flugbahnen möglich.

Bei diesen Zwei-Ebenen-Motoren nutzt die stationäre Plattform (oder Platte) aus Gründen der Festigkeit eine neue Verbundkonstruktion. Auch die Steifigkeit wurde verbessert, sodass die Durchbiegung im Vergleich zu früheren Serienmodellen um 60 bis 80 % reduziert wurde. Die Plattenebenheit beträgt mehr als 14 Mikrometer pro 300 mm, um eine präzise Bewegung zu gewährleisten. Schließlich: Da Stepper über eine natürliche Anziehungskraft verfügen, ermöglicht dieses Konzept die Montage der Platte entweder mit der Vorderseite nach oben oder umgekehrt, was Vielseitigkeit und Flexibilität für Anwendungen bietet.

Eine weitere technische Innovation – die Wasserkühlung – erweitert die Kraftkapazität linearer Wechselstrom-Induktionsmotoren um 25 %. Mit dieser Leistungserweiterung sowie dem Vorteil einer unbegrenzten Verfahrlänge bieten Wechselstrom-Induktionsmotoren höchste Leistung für viele Anwendungen: Fahrgeschäfte, Gepäckabfertigung und Personenbeförderung. Die Geschwindigkeit ist durch derzeit in der Industrie erhältliche Antriebe mit einstellbarer Geschwindigkeit variabel (von 6 bis 2.000 Zoll/Sek.).

Ein weiterer Motor umfasst ein stationäres zylindrisches Gehäuse mit einem linear beweglichen Teil, um Bewegung bereitzustellen. Das bewegliche Teil kann eine Stange aus kupferbeschichtetem Stahl, eine bewegliche Spule oder ein beweglicher Magnet sein, wie ein Kolben in einem Zylinder.

Diese Konstruktionen bieten die Vorteile eines Linearmotors und funktionieren ähnlich wie ein Linearantrieb. Zu den Anwendungen gehören biomedizinische Koloskopien, Kameras mit langen Verschlussaktuatoren, Teleskope, die Vibrationsdämpfung erfordern, Lithografie-Fokussierungsmotoren, Generatorschaltanlagen, die Unterbrecher auslösen, um Generatoren in Betrieb zu nehmen, und das Pressen von Lebensmitteln – beispielsweise beim Ausstanzen von Tortillas.

Zur Positionierung von Nutzlasten eignen sich komplette Linearmotorpakete oder -tische. Diese bestehen aus Motor, Feedback-Encoder, Endschaltern und Kabelträger. Es ist möglich, Tische für mehrachsige Bewegungen zu stapeln.

Ein Vorteil von Lineartischen ist ihr geringeres Profil, wodurch sie im Vergleich zu herkömmlichen Positionierern in kleinere Räume passen. Weniger Komponenten sorgen für eine höhere Zuverlässigkeit. Dabei wird der Motor an reguläre Antriebe angeschlossen. Im Closed-Loop-Betrieb wird der Positionsregelkreis mit einem Motion Controller geschlossen.

Auch hier gibt es neben Lagerprodukten zahlreiche Sonderanfertigungen und Spezialanfertigungen. Letztendlich ist es am besten, den Gerätebedarf mit einem Anwendungstechniker zu besprechen, um das optimale lineare Produkt für die Anwendungsanforderungen zu ermitteln.