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

Linearmotoren ermöglichen schnelle und präzise Positionierung, eignen sich aber auch für langsame, konstante Verfahrgeschwindigkeiten von Maschinenköpfen und Schlitten sowie für Werkzeug- und Teilehandhabungssysteme. Sie finden in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung – von der Laserchirurgie über die Bildverarbeitung bis hin zur Flaschen- und Gepäckabfertigung –, da sie äußerst zuverlässig sind, wenig Wartung benötigen und Produktionszyklen optimieren.

Höhere Geschwindigkeit und Kraft

Linearmotoren sind direkt mit ihrer Last gekoppelt, wodurch zahlreiche Kupplungskomponenten entfallen – darunter mechanische Kupplungen, Riemenscheiben, Zahnriemen, Kugelgewindetriebe, Kettenantriebe und Zahnstangengetriebe. Dies reduziert Kosten und Spiel. Linearmotoren ermöglichen zudem eine gleichmäßige Bewegung, präzise Positionierung über Hunderte Millionen Zyklen und höhere Geschwindigkeiten.

Die mit Linearmotoren erreichbaren typischen Geschwindigkeiten variieren: Bestückungsautomaten (die viele kurze Bewegungen ausführen) und Inspektionsgeräte verwendenLineare Schrittmotorenmit Geschwindigkeiten bis zu 60 Zoll/Sek.; fliegende Scherenanwendungen und Pick-and-Place-Maschinen, die längere Bewegungen ausführen, nutzenzahnradfrei bürstenlosLinearmotoren für Geschwindigkeiten bis zu 200 Zoll/Sekunde; Achterbahnen, Fahrzeugkatapulte und Personentransportsysteme nutzen Linearmotoren.WechselstrominduktionMotoren, um Geschwindigkeiten von bis zu 2.000 Zoll/Sek. zu erreichen.

Ein weiterer Faktor, der die Wahl der optimalen Linearmotortechnologie bestimmt, ist die zum Bewegen der Last erforderliche Kraft. Diese Kraft hängt letztendlich von der Last bzw. Masse sowie dem Beschleunigungsprofil der Anwendung ab.

Jede Anwendung stellt unterschiedliche Herausforderungen dar. Im Allgemeinen verwenden Teiletransfersysteme jedoch Linearschrittmotoren mit Kräften bis zu 220 N (50 lb); Halbleiterfertigung, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden und Robotik nutzen bürstenlose, zahnradfreie Motoren bis zu 2.500 N; Fördersysteme verwenden lineare Wechselstrom-Induktionsmotoren bis zu 2.200 N; und Transferlinien sowie Werkzeugmaschinen verwenden bürstenlose Motoren mit Eisenkern bis zu 14.000 N. Beachten Sie, dass jede Anwendung unterschiedlich ist und die Anwendungstechniker der Hersteller in der Regel bei dieser Spezifikationsphase Unterstützung leisten.

Neben Geschwindigkeit und Kraft spielen weitere Faktoren eine Rolle. So verwenden Fördersysteme beispielsweise Linearmotoren mit Wechselstromantrieb aufgrund ihrer großen Verfahrwege und der Vorteile eines passiven Sekundärantriebs ohne Permanentmagnete. Anwendungen wie die Laser-Augenchirurgie und die Halbleiterfertigung nutzen bürstenlose, zahnradfreie Motoren für präzise und gleichmäßige Bewegungen.

Grundlegende Funktionsweise

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

Stellen Sie sich vor, Sie schneiden einen Rotationsmotor auf und legen ihn flach hin: Das vermittelt eine ungefähre Vorstellung von der Geometrie eines Linearmotors. Anstatt die Last für das Drehmoment an eine rotierende Welle zu koppeln, wird sie hier mit einem flachen, sich bewegenden Schlitten verbunden, um eine lineare Bewegung und Kraft zu erzeugen. Kurz gesagt: Das Drehmoment ist die Arbeit, die ein Rotationsmotor verrichtet, während die Kraft die Arbeit eines Linearmotors beschreibt.

Genauigkeit

Betrachten wir zunächst ein herkömmliches Rotationsschrittsystem: In Verbindung mit einer 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 erreicht eine Genauigkeit von 0,001 bis 0,0001 Zoll.

Im Gegensatz dazu bietet ein direkt mit seiner Last gekoppelter Linearmotor eine Genauigkeit von 0,0007 bis 0,000008 Zoll. Zu beachten ist, dass Kupplungs- und Kugelgewindetriebspiel in diesen Werten nicht berücksichtigt sind und die Genauigkeit von Rotationssystemen zusätzlich beeinträchtigen.

Die relative Genauigkeit variiert: Der hier beschriebene typische Rotationsschrittmotor kann immer noch bis auf den Durchmesser eines menschlichen Haares genau positionieren. Servomotoren verbessern dies um bis zu 80-fach, während ein Linearmotor die Genauigkeit nochmals deutlich reduziert – auf einen Faktor 500 kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares.

Manchmal sind Wartung und Kosten (über die gesamte Lebensdauer der Anlage) wichtiger als Genauigkeit. Linearmotoren spielen hier ebenfalls ihre Stärken aus: Die Wartungskosten sinken in der Regel durch den Einsatz von Linearmotoren, da berührungslose Bauteile den Maschinenbetrieb verbessern und die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen erhöhen. Darüber hinaus eliminiert das spielfreie Verhalten von Linearmotoren Stöße, was die Lebensdauer der Maschine zusätzlich verlängert. Weitere Vorteile: Die Wartungsintervalle können verlängert werden, wodurch ein reibungsloserer Produktionsablauf ermöglicht wird. Weniger Wartungsaufwand und weniger Personalaufwand verbessern das Betriebsergebnis – den Gewinn – und senken die Gesamtbetriebskosten über die gesamte Lebensdauer der Anlage.

Vorteile im Vergleich

Die Anwendungen erfordern eine lineare Bewegung. Bei Verwendung eines Rotationsmotors ist ein mechanischer Umwandlungsmechanismus notwendig, um die Dreh- in eine Linearbewegung umzuwandeln. Hierbei wählen die Konstrukteure den für die jeweilige Anwendung am besten geeigneten Umwandlungsmechanismus aus, wobei die Einschränkungen minimiert werden.

• Linearmotor im Vergleich zu Riemen und Riemenscheibe:Um eine lineare Bewegung mit einem Drehmotor zu erzeugen, wird häufig ein Riemen und eine Riemenscheibe verwendet. Typischerweise ist die Schubkraft durch die Zugfestigkeit des Riemens begrenzt; schnelle Starts und Stopps können zu Riemendehnung und damit zu Resonanz führen, was die Einschwingzeit verlängert. Mechanisches Spiel, Verwindung und Riemendehnung verringern zudem die Wiederholgenauigkeit, die Präzision und den Maschinendurchsatz. Da Geschwindigkeit und Wiederholgenauigkeit bei Servoantrieben entscheidend sind, ist dies nicht die optimale Lösung. Während eine Riemenscheibenkonstruktion 3 m/s erreicht, kann ein Linearmotor 10 m/s erzielen. Direkt angetriebene Linearmotoren bieten ohne Spiel und Verwindung eine noch höhere Wiederholgenauigkeit und Präzision.
• Linearmotor versus Zahnstange und Ritzel:Zahnstangenantriebe bieten mehr Schubkraft und mechanische Steifigkeit als Riemen- und Riemenscheibenantriebe. Allerdings führt bidirektionaler Verschleiß mit der Zeit zu fragwürdiger Wiederholgenauigkeit und Ungenauigkeiten – den größten Nachteilen dieses Mechanismus. Das Spiel verhindert, dass der Motor die tatsächliche Lastposition erfasst, was zu Instabilität führt und somit geringere Verstärkung und eine insgesamt langsamere Leistung bedingt. Im Gegensatz dazu sind Maschinen mit Linearmotoren schneller und positionieren präziser.
• Linearmotor versus Kugelgewindetrieb:Die gängigste Methode zur Umwandlung von Dreh- in Linearbewegungen ist der Einsatz von Kugelgewindetrieben. Diese sind zwar kostengünstig, aber weniger effizient: Kugelgewindetriebe erreichen typischerweise einen Wirkungsgrad von 50 % oder weniger, Kugelgewindetriebe von etwa 90 %. Hohe Reibung erzeugt Wärme, und langfristiger Verschleiß verringert die Genauigkeit. Der Verfahrweg ist mechanisch begrenzt. Zudem lässt sich die lineare Geschwindigkeit nur durch Erhöhung der Steigung erweitern, was jedoch die Positionsauflösung verschlechtert; zu hohe Drehzahlen können außerdem zu Schwingungen führen. Linearmotoren ermöglichen hingegen einen langen, unbegrenzten Verfahrweg. Mit einem Encoder an der Last beträgt die Langzeitgenauigkeit typischerweise ±5 µm/300 mm.

Grundlegende Linearmotortypen

Da es verschiedene Rotationsmotortechnologien gibt, existieren auch verschiedene Linearmotortypen: Schrittmotoren, bürstenlose Motoren und lineare Wechselstrom-Induktionsmotoren, um nur einige zu nennen. Lineare Technologien nutzen Antriebe (Verstärker), Positionierer (Bewegungssteuerungen) und Rückkopplungseinrichtungen (wie Hall-Sensoren und Encoder), die in der Industrie üblicherweise verwendet werden.

Viele Konstruktionen profitieren von kundenspezifischen Linearmotoren, aber Standardausführungen sind in der Regel ausreichend.

Bürstenlose Linearmotoren mit EisenkernDiese Motoren zeichnen sich durch Stahlbleche im beweglichen Kraftkörper zur Kanalisierung des magnetischen Flusses aus. Sie weisen höhere Nennkräfte und einen höheren Wirkungsgrad auf, wiegen jedoch drei- bis fünfmal so viel wie vergleichbar große, zahnradfreie Motoren. Die stationäre Platte besteht aus mehrpoligen Permanentmagneten mit wechselnder Polarität, die auf einer vernickelten, kaltgewalzten Stahlplatte befestigt sind. Die Stahlbleche des beweglichen Kraftkörpers interagieren mit den Magneten der stationären Platte, wodurch eine Anziehungskraft entsteht und ein geringes Rastmoment oder eine leichte Welligkeit auftritt, wenn sich der Motor von einem Magnetfeld zum anderen bewegt, was zu Drehzahlschwankungen führt.

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

Bürstenlose, zahnradfreie MotorenDie bewegliche Kraftvorrichtung verfügt über eine Spulenanordnung ohne Stahlbleche. 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 auf der stationären Schiene angebracht (um die Kraft zu erhöhen). Die Schiene ist U-förmig, mit Magneten an beiden Seiten des U. Die Kraftvorrichtung wird in die Mitte des U eingeführt.

Diese Motoren eignen sich für Anwendungen, die einen ruhigen Lauf ohne magnetisches Rastmoment erfordern, wie beispielsweise Scan- oder Inspektionsgeräte. Ihre höheren Beschleunigungen sind nützlich für die Bestückung von Halbleiterbauteilen, die Chipsortierung sowie das Auftragen von Löt- und Klebstoffen. Diese Motoren sind für unbegrenzten Verfahrweg ausgelegt.

Lineare SchrittmotorenDiese Baugruppe ist schon lange erhältlich; sie besteht aus laminierten Stahlkernen mit präzise gezahnten Nuten, einem Permanentmagneten und in den laminierten Kern eingesetzten Spulen. (Zwei Spulen ergeben einen Zweiphasen-Schrittmotor.) Die gesamte Baugruppe ist in einem Aluminiumgehäuse untergebracht.

Die stationäre Walze besteht aus fotochemisch geätzten Zähnen auf einem geschliffenen und vernickelten Stahlstab. Sie lässt sich beliebig lange aneinanderreihen. Der Motor wird komplett mit Kraftgeber, Lagern und Walze geliefert. Die Anziehungskraft des Magneten dient als Vorspannung für die Lager und ermöglicht zudem den Betrieb des Geräts in umgekehrter Position für vielfältige Anwendungen.

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

Sobald die Kraftspule bestromt wird, interagiert sie mit der Reaktionsplatte und bewegt sich. Hohe Geschwindigkeiten und unbegrenzte Verfahrwege sind die Stärken dieser Konstruktion; sie wird für Materialtransport, Personenbeförderung, Förderbänder und Schiebetore eingesetzt.

Neue Designkonzepte

Einige der neuesten Designverbesserungen wurden durch Reengineering umgesetzt. So werden beispielsweise einige Linearschrittmotoren (ursprünglich für Bewegungen in einer Ebene konzipiert) nun so umgebaut, dass sie Bewegungen in zwei Ebenen – also XY-Bewegungen – ermöglichen. Hierbei besteht der bewegliche Antrieb aus zwei orthogonal im 90°-Winkel angeordneten Linearschrittmotoren, wobei einer die Bewegung entlang der X-Achse und der andere die Bewegung entlang der Y-Achse erzeugt. Auch der Einsatz mehrerer Antriebe mit sich überlappenden Bewegungsbahnen ist möglich.

Bei diesen Zwei-Ebenen-Motoren ist die stationäre Plattform (oder Walze) aus einem neuartigen Verbundwerkstoff gefertigt, was für zusätzliche Stabilität sorgt. Die Steifigkeit wurde ebenfalls verbessert, wodurch die Durchbiegung im Vergleich zu Vorgängermodellen um 60 bis 80 % reduziert wird. Die Ebenheit der Walze beträgt weniger als 14 Mikrometer pro 300 mm und gewährleistet so präzise Bewegungen. Da Schrittmotoren eine natürliche Anziehungskraft besitzen, kann die Walze dank dieses Konzepts sowohl mit der Walze nach oben als auch umgekehrt montiert werden, was vielseitige Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.

Eine weitere technische Innovation – die Wasserkühlung – erhöht die Kraftleistung linearer Drehstrom-Induktionsmotoren um 25 %. Dank dieser Leistungssteigerung und des unbegrenzten Verfahrwegs bieten Drehstrom-Induktionsmotoren höchste Leistung für zahlreiche Anwendungen: Fahrgeschäfte, Gepäckförderanlagen und Personentransportsysteme. Die Drehzahl ist variabel (von 6 bis 2.000 Zoll/Sekunde) mittels handelsüblicher Drehzahlregler.

Ein weiterer Motor besteht aus einem stationären zylindrischen Gehäuse mit einem linear beweglichen Teil, der die Bewegung erzeugt. Das bewegliche Teil kann beispielsweise eine Stange aus kupferplattiertem Stahl, eine bewegliche Spule oder ein beweglicher Magnet sein, ähnlich einem Kolben in einem Zylinder.

Diese Konstruktionen vereinen die Vorteile von Linearmotoren und weisen eine ähnliche Leistung wie Linearantriebe auf. Anwendungsgebiete sind unter anderem biomedizinische Koloskopien, Kameras mit langen Verschlusszeiten, Teleskope, die eine Schwingungsdämpfung erfordern, Fokussiermotoren für die Lithografie, Generatorschaltanlagen, die zum Einschalten von Generatoren Schutzschalter auslösen, und Lebensmittelpressen – beispielsweise beim Ausstechen von Tortillas.

Komplette Linearmotoreinheiten oder -systeme eignen sich zur Positionierung von Lasten. Diese bestehen aus Motor, Rückkopplungsgeber, Endschaltern und Kabelträger. Für mehrachsige Bewegungen können mehrere Systeme gestapelt werden.

Ein Vorteil von Lineartischen ist ihre geringere Bauhöhe, wodurch sie im Vergleich zu herkömmlichen Positionierern auch in kleineren Bauräumen Platz finden. Weniger Bauteile bedeuten höhere Zuverlässigkeit. Der Motor ist hier an Standardantriebe angeschlossen. Im geschlossenen Regelkreis wird der Positionsregelkreis mit einem Bewegungsregler geschlossen.

Neben Standardprodukten gibt es auch zahlreiche kundenspezifische und Spezialanfertigungen. Letztendlich empfiehlt es sich, die Geräteanforderungen mit einem Anwendungstechniker zu besprechen, um das optimale Linearprodukt für Ihre Anwendung zu ermitteln.