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

Linearmotoren ermöglichen eine sehr schnelle und präzise Positionierung, ermöglichen aber auch langsame, konstante Verfahrgeschwindigkeiten für Maschinenköpfe und Schlitten sowie Werkzeug- und Teilehandhabungssysteme. In zahlreichen Anwendungen – wie der Laserchirurgie, der optischen Inspektion sowie der Handhabung von Flaschen und Gepäck – kommen Linearmotoren zum Einsatz, da sie äußerst zuverlässig und wartungsarm sind und die Produktionszyklen verbessern.

Höhere Geschwindigkeit und Kraft

Linearmotoren sind direkt mit ihrer Last gekoppelt, wodurch eine Vielzahl von Kupplungskomponenten – wie beispielsweise mechanische Kupplungen, Riemenscheiben, Zahnriemen, Kugelumlaufspindeln, Kettenantriebe und Zahnstangen – entfallen. Dies wiederum reduziert Kosten und reduziert sogar das Spiel. Linearmotoren ermöglichen zudem gleichmäßige Bewegung, präzise Positionierung über Hunderte Millionen Zyklen und höhere Geschwindigkeiten.

Typische Geschwindigkeiten, die mit Linearmotoren erreicht werden können, variieren: Pick-and-Place-Maschinen (die viele kurze Bewegungen ausführen) und Inspektionsgeräte verwendenLinearschrittmotorenmit Geschwindigkeiten bis zu 60 Zoll/Sek.; fliegende Scherenanwendungen und Pick-and-Place-Maschinen, die längere Bewegungen erfordern, verwendenzahnradfrei bürstenlosLinearmotoren für Geschwindigkeiten bis zu 200 Zoll/Sekunde; Achterbahnen, Fahrzeugwerfer und Peoplemover verwenden LinearmotorenWechselstrominduktionMotoren, um Geschwindigkeiten von bis zu 2.000 Zoll/Sek. zu erreichen.

Ein weiterer Faktor, der die optimale Linearmotortechnologie bestimmt, ist die zum Bewegen der Anwendungslast erforderliche Kraft. Diese wird letztendlich durch die Last bzw. Masse und das Beschleunigungsprofil der Anwendung bestimmt.

Jede Anwendung bringt andere Herausforderungen mit sich. Im Allgemeinen werden in Teiletransfersystemen jedoch lineare Schrittmotoren mit Kräften bis 220 N oder 50 lb verwendet; in der Halbleiter-, Laser- und Wasserstrahlschneidtechnik sowie in der Robotik werden bürstenlose, zahnradfreie Motoren bis 2.500 N verwendet; in Förderanlagen werden lineare Wechselstrom-Induktionsmotoren bis 2.200 N verwendet; und in Transferstraßen und Werkzeugmaschinen werden bürstenlose Eisenkernmotoren bis 14.000 N verwendet. Bedenken Sie, dass jede Anwendung anders ist und die Anwendungstechniker der Hersteller bei diesem Spezifikationsschritt in der Regel Unterstützung leisten.

Neben Geschwindigkeit und Kraft spielen noch weitere Faktoren eine Rolle. Beispielsweise werden in Fördersystemen lineare Wechselstrom-Induktionsmotoren aufgrund ihrer großen Verfahrwege und der Vorteile passiver Sekundärmotoren ohne Permanentmagnete eingesetzt. In Anwendungen wie der Laser-Augenchirurgie und der Halbleiterfertigung werden bürstenlose Zahnradmotoren für präzise und gleichmäßige Bewegungen eingesetzt.

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 auf und glätten ihn anschließend: Dies vermittelt eine grobe Vorstellung von der Geometrie eines Linearmotors. Anstatt die Last für Drehmoment an eine rotierende Welle zu koppeln, ist sie für lineare Bewegung und Kraft mit einem flachen, beweglichen Wagen verbunden. Kurz gesagt: Drehmoment ist Ausdruck der Arbeit, die ein Rotationsmotor leistet, während Kraft Ausdruck der Arbeit des Linearmotors ist.

Genauigkeit

Betrachten wir zunächst ein herkömmliches Rotationsschrittmotorsystem: Angeschlossen an eine Kugelumlaufspindel mit einer Steigung von 5 Umdrehungen pro Zoll beträgt die Genauigkeit etwa 0,004 bis 0,008 Zoll bzw. 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 erreicht ein Linearmotor, der direkt mit seiner Last gekoppelt ist, eine Genauigkeit von 0,0007 bis 0,000008 Zoll. Beachten Sie, dass das Kupplungs- und Kugelumlaufspiel in diesen Zahlen nicht berücksichtigt ist und diese die Genauigkeit von Rotationssystemen weiter verschlechtern.

Die relative Genauigkeit variiert: Der hier beschriebene typische Rotationsschrittmotor kann immer noch auf den Durchmesser eines menschlichen Haares genau positionieren. Servomotoren verbessern diese Genauigkeit jedoch um das bis zu 80-Fache, während ein Linearmotor diese noch weiter verbessern kann – bis auf das 500-Fache des Durchmessers eines menschlichen Haares.

Manchmal sind Wartung und Kosten (über die gesamte Lebensdauer der Anlage) wichtiger als Genauigkeit. Auch hier zeichnen sich Linearmotoren durch ihre Leistung aus: Die Wartungskosten sinken im Allgemeinen, da berührungslose Teile den Maschinenbetrieb verbessern und die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen verlängern. Zudem eliminiert das Spiel der Linearmotoren Stöße, was die Lebensdauer der Maschine zusätzlich verlängert. Weitere Vorteile: Die Wartungsintervalle können verlängert werden, was einen reibungsloseren Betriebsablauf ermöglicht. Weniger Wartung und weniger Personaleinsatz verbessern den Gewinn und senken die Betriebskosten über die gesamte Lebensdauer der Anlage.

Vorteile im Vergleich

Anwendungen erfordern lineare Bewegung. Bei Verwendung eines Rotationsmotors ist ein mechanischer Umwandlungsmechanismus erforderlich, um die Rotations- in eine lineare Bewegung umzuwandeln. Konstrukteure wählen den für die Anwendung am besten geeigneten Umwandlungsmechanismus aus und minimieren gleichzeitig die Einschränkungen.

• Linearmotor versus Riemen und Riemenscheibe:Um eine lineare Bewegung eines Rotationsmotors zu erzielen, wird üblicherweise ein Riemen mit Riemenscheibe verwendet. Die Schubkraft wird typischerweise durch die Zugfestigkeit des Riemens begrenzt; schnelles Anfahren und Stoppen kann zu einer Dehnung des Riemens und damit zu Resonanz führen, was wiederum eine längere Einschwingzeit zur Folge hat. Mechanisches Verdrehen, Spiel und Riemendehnung verringern zudem die Wiederholgenauigkeit, Genauigkeit und den Maschinendurchsatz. Da Geschwindigkeit und Wiederholgenauigkeit bei Servomotoren entscheidend sind, ist dies nicht die beste Wahl. Wo eine Riemen-Riemenscheibe-Konstruktion 3 m/s erreichen kann, erreicht ein Linearmotor 10 m/s. Direkt angetriebene Linearmotoren ohne Spiel oder Verdrehen steigern die Wiederholgenauigkeit und Genauigkeit zusätzlich.
• Linearmotor versus Zahnstange und Ritzel:Zahnstangen und Ritzel bieten mehr Schub und mechanische Steifigkeit als Riemen- und Riemenscheibenkonstruktionen. Allerdings führt beidseitiger Verschleiß mit der Zeit zu fragwürdiger Wiederholgenauigkeit und Ungenauigkeiten – den größten Nachteilen dieses Mechanismus. Spiel verhindert, dass die Motorrückmeldung die tatsächliche Lastposition erkennt, was zu Instabilität führt und geringere Verstärkungen sowie eine geringere Gesamtleistung zur Folge hat. Im Gegensatz dazu sind Maschinen mit Linearmotoren schneller und positionieren präziser.
• Linearmotor versus Kugelumlaufspindel:Die gängigste Methode zur Umwandlung von Dreh- in Linearbewegungen ist die Verwendung von Leit- oder Kugelumlaufspindeln. Diese sind kostengünstig, aber weniger effizient: Leitspindeln erreichen typischerweise einen Wirkungsgrad von 50 % oder weniger, Kugelumlaufspindeln von etwa 90 %. Hohe Reibung erzeugt Wärme, und langfristiger Verschleiß verringert die Genauigkeit. Der Verfahrweg ist mechanisch begrenzt. Zudem können lineare Geschwindigkeitsgrenzen nur durch eine Erhöhung der Steigung erweitert werden, was jedoch die Positionsauflösung verschlechtert; zu hohe Drehzahlen können zudem zum Peitschen der Spindeln und damit zu Vibrationen führen. Linearmotoren ermöglichen lange, unbegrenzte Verfahrwege. Mit einem Encoder an der Last beträgt die Langzeitgenauigkeit typischerweise ±5 µm/300 mm.

Grundlegende Linearmotortypen

So wie es verschiedene Rotationsmotortechnologien gibt, gibt es auch verschiedene Linearmotortypen: Schrittmotoren, bürstenlose Motoren und lineare Wechselstrominduktionsmotoren. Beachten Sie, dass die Lineartechnologie Antriebe (Verstärker), Positionierer (Bewegungssteuerungen) und Rückmeldegeräte (wie Hallsensoren und Encoder) verwendet, die in der Industrie gängig sind.

Viele Designs profitieren von kundenspezifischen Linearmotoren, aber Standarddesigns sind normalerweise geeignet.

Bürstenlose Linearmotoren mit Eisenkernzeichnen sich durch Stahlbleche im beweglichen Antrieb zur Kanalisierung des magnetischen Flusses aus. Dieser Motortyp hat höhere Nennleistungen 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 Stahlbleche des beweglichen Antriebes reagieren jedoch mit den Magneten der stationären Platte, wodurch eine „anziehende“ Kraft entsteht und beim Wechsel des Motors von einem Magnetfeld zum anderen ein leichtes Rastmoment oder eine leichte Welligkeit auftritt, was zu Geschwindigkeitsschwankungen führt.

Diese Motoren entwickeln eine große Spitzenkraft, verfügen über 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 etwa in Transferstraßen und Werkzeugmaschinen. Sie sind für einen unbegrenzten Verfahrweg ausgelegt und können mehrere bewegliche Platten mit überlappenden Bewegungsbahnen umfassen.

Bürstenlose, zahnradfreie MotorenDie Spulenanordnung im beweglichen Antrieb ist ohne Stahlbleche ausgeführt. Die Spule besteht aus Draht, Epoxidharz und einer nichtmagnetischen Trägerstruktur. Diese Einheit ist deutlich leichter. Da die Grundkonstruktion eine geringere Kraft erzeugt, werden zusätzliche Magnete in die stationäre Schiene eingesetzt (zur Krafterhöhung). Die Schiene ist U-förmig mit Magneten auf beiden Seiten des U. Der Antrieb wird in die Mitte des U eingesetzt.

Diese Motoren eignen sich für Anwendungen, die einen reibungslosen Betrieb ohne magnetisches Rastmoment erfordern, wie z. B. Scan- oder Prüfgeräte. Ihre höheren Beschleunigungen sind nützlich für die Halbleiter-Bestückung, die Chipsortierung sowie die Lot- und Klebstoffdosierung. Diese Motoren sind für unbegrenzten Hub ausgelegt.

Linearschrittmotorensind seit langem erhältlich; der bewegliche Antrieb besteht aus laminierten Stahlkernen mit präzisen Zahnschlitzen, 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 einem geschliffenen und vernickelten Stahlstab. Diese können beliebig lang aneinandergereiht werden. Der Motor wird komplett mit Antrieb, Lagern und Platte geliefert. Die Anziehungskraft des Magneten dient als Vorspannung für die Lager und ermöglicht den Betrieb der Einheit in umgekehrter Position für verschiedene Anwendungen.

Wechselstrom-Induktionsmotorenbestehen aus einem Forcer, einer Spulenanordnung aus Stahlblechen und Phasenwicklungen. Die Wicklungen können ein- oder dreiphasig sein. Dies ermöglicht eine direkte Online-Steuerung oder die Steuerung über einen Wechselrichter oder Vektorantrieb. Die stationäre Platte (Reaktionsplatte genannt) besteht üblicherweise aus einer dünnen Aluminium- oder Kupferschicht, die auf kaltgewalztem Stahl aufgebracht ist.

Sobald die Antriebsspule aktiviert wird, interagiert sie mit der Reaktionsplatte und bewegt sich. Höhere Geschwindigkeiten und unbegrenzte Verfahrwege sind die Stärken dieser Konstruktion. Sie wird für Materialtransport, Personentransport, Förderbänder und Schiebetore eingesetzt.

Neue Designkonzepte

Einige der neuesten Designverbesserungen wurden durch Reengineering umgesetzt. Beispielsweise wurden einige lineare Schrittmotoren (ursprünglich für die Bewegung in einer Ebene konzipiert) nun so überarbeitet, dass sie Bewegungen in zwei Ebenen ermöglichen – für XY-Bewegungen. Der Antriebsmotor besteht dabei aus zwei linearen Schrittmotoren, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind, sodass einer die Bewegung in der X- und der andere die Bewegung in der Y-Achse ermöglicht. Auch mehrere Antriebsmotoren mit überlappenden Bewegungsbahnen sind möglich.

Bei diesen Zwei-Ebenen-Motoren nutzt die stationäre Plattform (oder Platte) eine neue Verbundkonstruktion für mehr Stabilität. Die Steifigkeit wurde ebenfalls verbessert, sodass die Durchbiegung im Vergleich zu früheren Serienmodellen um 60 bis 80 % reduziert wurde. Die Plattenebenheit beträgt über 14 Mikrometer pro 300 mm und gewährleistet präzise Bewegungen. Und schließlich: Da Schrittmotoren eine natürliche Anziehungskraft besitzen, ermöglicht dieses Konzept die Montage der Platte sowohl mit der Vorderseite nach oben als auch mit der Rückseite nach oben, was Vielseitigkeit und Flexibilität für verschiedene Anwendungen bietet.

Eine weitere technische Innovation – die Wasserkühlung – erhöht die Kraftleistung linearer AC-Induktionsmotoren um 25 %. Dank dieser Leistungserweiterung und dem Vorteil unbegrenzter Hublänge bieten AC-Induktionsmotoren höchste Leistung für viele Anwendungen: Fahrgeschäfte, Gepäckabfertigung und Personentransport. Die Geschwindigkeit ist durch industriell erhältliche Antriebe mit einstellbarer Drehzahl variabel (von 6 bis 2.000 Zoll/s).

Ein weiterer Motor besteht aus einem stationären zylindrischen Gehäuse mit einem linear beweglichen Teil, das für Bewegung sorgt. Das bewegliche Teil kann eine Stange aus kupferbeschichtetem Stahl, eine bewegliche Spule oder ein beweglicher Magnet sein, wie beispielsweise ein Kolben in einem Zylinder.

Diese Konstruktionen bieten die Vorteile eines Linearmotors und weisen eine ähnliche Leistung wie ein Linearantrieb auf. Zu den Anwendungsgebieten zählen biomedizinische Koloskopien, Kameras mit langen Verschlussantrieben, Teleskope mit Schwingungsdämpfung, Lithografie-Fokusmotoren, Generatorschaltanlagen, die Leistungsschalter betätigen, um Generatoren online zu schalten, und Lebensmittelpressen – beispielsweise beim Ausstanzen von Tortillas.

Zur Positionierung von Nutzlasten eignen sich komplette Linearmotorpakete oder -tische. Diese bestehen aus Motor, Rückmelder, Endschaltern und Kabelträger. Tische können für mehrachsige Bewegungen gestapelt werden.

Ein Vorteil von Lineartischen ist ihre geringere Bauhöhe, wodurch sie im Vergleich zu herkömmlichen Positionierern in kleinere Räume passen. Weniger Komponenten sorgen für höhere Zuverlässigkeit. Hier ist der Motor an herkömmliche Antriebe angeschlossen. Im Closed-Loop-Betrieb wird der Positionsregelkreis mit einem Motion Controller geschlossen.

Neben Lagerprodukten gibt es auch zahlreiche Sonderanfertigungen. Am besten besprechen Sie den Gerätebedarf mit einem Anwendungstechniker, um das optimale Linearprodukt für Ihre Anwendung zu finden.