Linearmotoren können hohe Beschleunigungsraten und lange Verfahrwege bei guten Schubkräften und extrem hohen Positioniergenauigkeiten erreichen, während andere Antriebsmechanismen wie Riemen, Schrauben oder Zahnstangen mindestens eine dieser Anforderungen opfern müssen, um dies zu erreichen andere. Aus diesem Grund sind Linearmotoren die bevorzugte Wahl für hochdynamische Anwendungen wie die Messtechnik und die Halbleiterfertigung.

Aufgrund ihrer Leistungsspezifikationen scheinen Linearmotoren tatsächlich die perfekte Lösung zu sein, um den konkurrierenden Anforderungen gerecht zu werden, die häufig in Linearbewegungsanwendungen zu finden sind. Aber das wirft die Frage auf: „Warum werden Linearmotoren nicht weiter verbreitet?“

Um zu verstehen, warum die Akzeptanzrate von Linearmotoren immer noch hinter der anderer Antriebstechnologien wie Riemen, Schrauben oder Zahnstangenantrieben zurückbleibt, werfen wir einen Blick auf einige der Vor- und Nachteile von Linearmotorkonstruktionen.

Wärmeerzeugung und -ableitung

Bei der Dimensionierung und Auswahl eines Motors – egal ob Rotations- oder Linearmotor – ist die Wärmeentwicklung einer der Hauptaspekte. Tatsächlich basieren Drehmoment- (oder Kraft-) versus Drehzahlkurven, die kontinuierliche und intermittierende Betriebsbereiche für eine bestimmte Motor-Antriebs-Kombination darstellen, auf der Fähigkeit des Motors, unter bestimmten Betriebsbedingungen Wärme abzuleiten.

Die Wärmeentwicklung kann bei Linearmotoren sogar noch problematischer sein als bei Rotationsmotoren, da die Last am Antrieb montiert ist, der die Motorwicklungen enthält. (Bei einigen Linearmotorkonstruktionen kann die Last an der Magnetschiene montiert werden, obwohl dies möglicherweise nur bei kurzen Hüben möglich ist.) Und bei eisenlosen Linearmotoren sind die Wicklungen in Epoxidharz eingekapselt, das die Wärme nicht so leicht ableitet wie Metalle wie Eisen oder Aluminium.

Dies bedeutet, dass Wärme leicht auf die Last und die umgebenden Komponenten übertragen wird, was zu Wärmeausdehnung, Verschlechterung oder im Extremfall zu Schäden oder Ausfällen führt. Auch bei unbeeinflusster Belastung kann die Wärmeentwicklung zu einer Verringerung der Dauerkraftabgabe des Motors führen. Um dem entgegenzuwirken, erfordern einige Anwendungen eine Zwangsluft- oder Flüssigkeitskühlung, was die Kosten, den Platzbedarf und die Komplexität erhöht.

Schutz vor Kontamination

Aufgrund ihres offenen Designs und der freiliegenden Magnete kann es schwierig sein, flache Linearmotoren mit Eisenkern und eisenlose U-Kanal-Designs vor Verschmutzung zu schützen. Während die tragenden Linearführungen mit verschiedenen handelsüblichen Dichtungen und Abstreifern geschützt werden können, können die freiliegenden Magnete eines Linearmotors Eisenpartikel aus Bearbeitungsvorgängen oder einfach durch Luftverunreinigungen anziehen, die häufig in Produktions- und Fabrikumgebungen vorkommen. Und Flüssigkeitsverunreinigungen können empfindliche Elektronik beschädigen oder Feedbacksysteme stören.

Natürlich können Abdeckungen und äußere Strukturen so gestaltet sein, dass sie vor Verschmutzung schützen, aber sie können die Wärmeableitung des Motors erschweren und die oben beschriebenen wärmebedingten Probleme verschärfen.

Kompensation von Vibrationen und Schwingungen

Eines der wichtigsten Verkaufsargumente einer Linearmotorlösung besteht darin, dass mechanische Kraftübertragungskomponenten wie Schrauben, Riemen, Getriebe und Kupplungen zwischen Motor und Last überflüssig werden. Dies bedeutet, dass Linearmotoren nicht unter den Auswirkungen von Spiel, Windup und Nachgiebigkeit leiden, was ein wesentlicher Faktor für ihre Fähigkeit ist, sehr hohe Positionierungsgenauigkeiten zu erreichen und hochdynamische Bewegungen mit schnellen Beschleunigungs- und Verzögerungsraten auszuführen.

Mechanische Übertragungskomponenten können jedoch in einem Bewegungssystem von Vorteil sein, indem sie einen Dämpfungsmechanismus für Schwingungen bereitstellen und Störungen abschwächen, wie z. B. Reaktionen von Bearbeitungskräften oder Vibrationen, die durch die Bewegung der Last verursacht werden. Und ohne diesen „eingebauten“ Dämpfungseffekt können Schwingungen und Vibrationen dazu führen, dass Linearmotoren nicht die gewünschte Positioniergenauigkeit oder Einschwingzeit erreichen.

Um sicherzustellen, dass das System auf die Auswirkungen dieser ungedämpften Vibrationen und Oszillationen reagieren und Korrekturen vornehmen kann, erfordern Linearmotorsysteme häufig Geschwindigkeits-, Positions- und Strom-(Kraft-)Regelkreise mit höherer Frequenz sowie eine höhere Stromkreisbandbreite. Das Positionsrückführungssystem – typischerweise ein optischer oder magnetischer Linearencoder – muss außerdem eine höhere Auflösung haben, damit die Steuerung die Position von Motor und Last genauer verfolgen kann. Auch der Maschinenrahmen bzw. die Tragkonstruktion muss ausreichend steif (mit hoher Eigenfrequenz) sein, um relativ unempfindlich gegenüber Stößen und Vibrationen zu bleiben und den vom Linearmotor erzeugten Kräften standzuhalten.

Mit anderen Worten: Da weniger Komponenten zur Kompensation von Vibrationen und Störungen erforderlich sind, müssen die Rückkopplungs- und Regelkreise schneller und genauer kommunizieren können, damit das System eine dynamische Leistung mit hoher Genauigkeit erreichen kann.

Vorabkosten im Vergleich zu Gesamtbetriebskosten

Und schließlich sind die Vorlaufkosten nach wie vor einer der wichtigsten limitierenden Faktoren für die weitverbreitete Einführung von Linearmotoren. Obwohl es zahlreiche Vergleiche gibt, die die geringeren Gesamtbetriebskosten (TCO) von Linearmotorlösungen im Vergleich zu herkömmlichen Riemen-, Schrauben- oder Zahnstangen-Ritzel-Lösungen in einigen Anwendungen belegen, sind die Anschaffungskosten eines Linearmotorsystems immer noch ein Hindernis Einführung für Ingenieure und Designer, die die Aufgabe haben, Leistungsspezifikationen innerhalb eines begrenzten Budgets zu erfüllen. Ein typisches Beispiel: Bei Anwendungen mit sehr langen Verfahrwegen – einer der Bereiche, in denen sich Linearmotorlösungen auszeichnen – können die Kosten für Magnete und hochauflösende Linear-Encoder zur Erfüllung der Verfahranforderungen dazu führen, dass eine Linearmotorlösung nicht in Betracht gezogen wird.

Nicht-traditionelle Anwendungen steigern die Akzeptanzrate von Linearmotoren

Trotz der potenziellen Schwierigkeiten, die sich aus der Wärmeerzeugung, dem Schutz vor Kontamination, Steuerungen mit hoher Bandbreite und den Kosten ergeben, nimmt die Akzeptanzrate von Linearmotoren zu. Einst als Nischenlösungen für Halbleiter-, Messtechnik- und Schwerzerspanungsanwendungen angesehen, werden Eisenkern-, eisenlose und rohrförmige Linearmotoren heute in der Automobil-, Lebensmittel- und Verpackungsindustrie sowie in Druckanwendungen eingesetzt, wo die Bewegungen möglicherweise nicht so anspruchsvoll sind Die Genauigkeitsanforderungen sind zwar anspruchsvoll, aber die Vorteile von weniger Komponenten, weniger Ausfallzeiten und höherem Durchsatz rechtfertigen die zusätzlichen Kosten- und Designüberlegungen.