Linearmotoren ermöglichen hohe Beschleunigungen und große Verfahrwege bei gleichzeitig hoher Schubkraft und extrem hoher Positioniergenauigkeit. Andere Antriebsmechanismen wie Riemen, Spindeln oder Zahnstangengetriebe müssen hingegen mindestens eine dieser Anforderungen opfern, um die anderen zu erfüllen. Daher sind Linearmotoren die bevorzugte Wahl für hochdynamische Anwendungen wie Messtechnik und Halbleiterfertigung.

Tatsächlich scheinen Linearmotoren aufgrund ihrer Leistungsdaten die perfekte Lösung für die oft konkurrierenden Anforderungen in linearen Bewegungsanwendungen zu sein. Doch das wirft die Frage auf: „Warum werden Linearmotoren nicht häufiger eingesetzt?“

Um zu verstehen, warum die Verbreitung von Linearmotoren im Vergleich zu anderen Antriebstechnologien – wie Riemen-, Spindel- oder Zahnstangenantrieben – immer noch hinterherhinkt, wollen wir uns einige der Vor- und Nachteile von Linearmotorkonstruktionen ansehen.

Wärmeerzeugung und -abfuhr

Bei der Dimensionierung und Auswahl eines Motors – ob Dreh- oder Linearmotor – ist die Wärmeentwicklung ein entscheidender Faktor. Tatsächlich basieren die Drehmoment- (bzw. Kraft-)Kennlinien, die den Dauer- und Aussetzbetrieb einer bestimmten Motor-Antriebs-Kombination darstellen, auf der Fähigkeit des Motors, Wärme unter den vorgegebenen Betriebsbedingungen abzuführen.

Die Wärmeentwicklung kann bei Linearmotoren noch problematischer sein als bei Rotationsmotoren, da die Last am Kraftgeber befestigt ist, der die Motorwicklungen enthält. (Bei manchen Linearmotorkonstruktionen kann die Last an der Magnetbahn montiert werden, dies ist jedoch möglicherweise nur bei kurzen Hüben praktikabel.) Bei eisenlosen Linearmotoren sind die Wicklungen zudem in Epoxidharz vergossen, das Wärme nicht so gut ableitet wie Metalle wie Eisen oder Aluminium.

Dies bedeutet, dass Wärme leicht auf die Last und die umliegenden Bauteile übertragen wird, was zu Wärmeausdehnung, Materialermüdung oder im Extremfall zu Beschädigung oder Ausfall führen kann. Selbst wenn die Last unbeeinträchtigt bleibt, kann die Wärmeentwicklung die Dauerleistung des Motors verringern. Um dem entgegenzuwirken, ist in manchen Anwendungen eine Zwangsluft- oder Flüssigkeitskühlung erforderlich, was Kosten, Platzbedarf und Komplexität erhöht.

Schutz vor Kontamination

Aufgrund ihrer offenen Bauweise und der freiliegenden Magnete sind flache Linearmotoren mit Eisenkern und U-Profil-Linearmotoren ohne Eisenkern schwer vor Verunreinigungen zu schützen. Zwar lassen sich die tragenden Linearführungen mit verschiedenen handelsüblichen Dichtungen und Abstreifern schützen, doch die freiliegenden Magnete eines Linearmotors können ferromagnetische Partikel aus Bearbeitungsprozessen oder einfach aus der in Produktions- und Fabrikumgebungen häufig vorkommenden Luft anziehen. Flüssigkeitsverunreinigungen können zudem empfindliche Elektronik beschädigen oder Rückkopplungssysteme stören.

Natürlich können Abdeckungen und äußere Strukturen so konstruiert werden, dass sie vor Verunreinigungen schützen. Allerdings können sie die Wärmeableitung des Motors erschweren und die oben beschriebenen wärmebedingten Probleme verschärfen.

Kompensation von Vibrationen und Schwingungen

Eines der wichtigsten Verkaufsargumente für Linearmotoren ist, dass sie den Bedarf an mechanischen Kraftübertragungskomponenten – wie Spindeln, Riemen, Getrieben und Kupplungen – zwischen Motor und Last eliminieren. Dadurch sind Linearmotoren unempfindlich gegenüber Spiel, Verwindung und Nachgiebigkeit, was maßgeblich zu ihrer Fähigkeit beiträgt, sehr hohe Positioniergenauigkeiten zu erreichen und hochdynamische Bewegungen mit schnellen Beschleunigungs- und Verzögerungsraten auszuführen.

Mechanische Übertragungskomponenten können in einem Bewegungssystem jedoch von Vorteil sein, indem sie Schwingungen dämpfen und Störungen wie Bearbeitungskräfte oder durch die Bewegung der Last hervorgerufene Vibrationen reduzieren. Ohne diese „eingebaute“ Dämpfungswirkung können Schwingungen und Vibrationen verhindern, dass Linearmotoren die gewünschte Positioniergenauigkeit oder Einschwingzeit erreichen.

Um sicherzustellen, dass das System auf die Auswirkungen dieser ungedämpften Vibrationen und Schwingungen reagieren und diese korrigieren kann, benötigen Linearmotorsysteme häufig höherfrequente Regelkreise für Geschwindigkeit, Position und Strom (Kraft) sowie eine höhere Bandbreite des Stromregelkreises. Auch das Positionsrückkopplungssystem – typischerweise ein optischer oder magnetischer Linear-Encoder – muss eine höhere Auflösung aufweisen, damit die Steuerung die Position von Motor und Last genauer erfassen kann. Selbst der Maschinenrahmen oder die Tragkonstruktion muss ausreichend steif (mit einer hohen Eigenfrequenz) ausgeführt sein, um relativ unempfindlich gegenüber Stößen und Vibrationen zu bleiben und den vom Linearmotor erzeugten Kräften standzuhalten.

Mit anderen Worten: Da es weniger Komponenten gibt, die Vibrationen und Störungen ausgleichen können, müssen die Rückkopplungs- und Regelkreise schneller und genauer kommunizieren können, damit das System eine dynamische, hochpräzise Leistung erbringt.

Anschaffungskosten im Vergleich zu den Gesamtbetriebskosten

Und schließlich bleibt einer der Hauptgründe für die eingeschränkte Verbreitung von Linearmotoren der hohe Anschaffungspreis. Obwohl zahlreiche Vergleiche die geringeren Gesamtbetriebskosten (TCO) von Linearmotoren gegenüber herkömmlichen Riemen-, Spindel- oder Zahnstangenantrieben in bestimmten Anwendungen belegen, stellen die hohen Anschaffungskosten für Ingenieure und Konstrukteure, die die Leistungsanforderungen innerhalb eines begrenzten Budgets erfüllen müssen, weiterhin ein Hindernis dar. Ein Beispiel: Bei Anwendungen mit sehr langen Verfahrwegen – einem Bereich, in dem Linearmotoren ihre Stärken ausspielen – können die Kosten für Magnete und hochauflösende Linear-Encoder, die für die Erfüllung der Verfahrweganforderungen erforderlich sind, den Einsatz eines Linearmotors unwirtschaftlich machen.

Unkonventionelle Anwendungen treiben das Wachstum der Akzeptanzraten von Linearmotoren voran.

Trotz potenzieller Schwierigkeiten wie Wärmeentwicklung, Schutz vor Verunreinigungen, Steuerung mit hoher Bandbreite und Kosten steigt die Verbreitung von Linearmotoren. Einst als Nischenlösungen für die Halbleiter-, Messtechnik- und Schwerzerspanungsindustrie angesehen, werden Linearmotoren mit Eisenkern, eisenlose und rohrförmige Motoren heute in der Automobil-, Lebensmittel- und Verpackungsindustrie sowie im Druckwesen eingesetzt. Dort sind die Bewegungsabläufe zwar möglicherweise weniger anspruchsvoll und die Genauigkeitsanforderungen weniger hoch, doch rechtfertigen die Vorteile weniger Komponenten, geringerer Ausfallzeiten und höherer Durchsatz die zusätzlichen Kosten und den höheren Konstruktionsaufwand.