Linearmotoren liefern eine überragende Leistung und eignen sich daher hervorragend für medizinische Geräte, industrielle Automatisierung, Verpackung und Halbleiterfertigung. Darüber hinaus reduzieren neue Linearmotoren die Kosten, die Wärmeentwicklung und die Integrationskomplexität früherer Versionen. Zur Übersicht: Linearmotoren umfassen eine Spule (Primärteil oder Antrieb) und eine stationäre Plattform, die manchmal auch als Platte oder Sekundärteil bezeichnet wird. Es gibt viele Untertypen, aber die beiden häufigsten für die Automatisierung sind bürstenlose Eisenkernmotoren und eisenlose Linearmotoren.

Linearmotoren übertreffen im Allgemeinen mechanische Antriebe. Sie haben unbegrenzte Längen. Ohne die Elastizität und das Spiel mechanischer Einrichtungen sind Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit hoch und bleiben über die gesamte Lebensdauer der Maschine erhalten. Tatsächlich müssen nur die Führungslager eines Linearmotors gewartet werden; alle anderen Teilkomponenten sind verschleißfrei.

Wo sich Eisenkern-Linearmotoren auszeichnen
Eisenkern-Linearmotoren haben Primärspulen um einen Eisenkern. Die Sekundärseite ist normalerweise eine stationäre Magnetspur. Eisenkern-Linearmotoren eignen sich gut für Spritzguss-, Werkzeug- und Pressmaschinen, da sie eine hohe Dauerkraft abgeben. Eine Einschränkung besteht darin, dass Eisenkern-Linearmotoren blockieren können, da die magnetische Anziehungskraft des Sekundärteils auf das Primärteil beim Überqueren der Magnetspur variiert. Schuld daran ist die Rastkraft. Hersteller gehen das Rasten auf unterschiedliche Weise an, es ist jedoch problematisch, wenn das Hauptziel auf sanfte Hübe liegt.

Dennoch gibt es zahlreiche Vorteile von Eisenkern-Linearmotoren. Eine stärkere magnetische Kopplung (zwischen Eisenkern und Statormagneten) sorgt für eine hohe Kraftdichte. Daher haben eisenbehaftete Linearmotoren eine höhere Kraftabgabe als vergleichbare eisenlose Linearmotoren. Darüber hinaus leiten diese Motoren viel Wärme ab, da der Eisenkern während des Betriebs von der Spule erzeugte Wärme abgibt, wodurch der Wärmewiderstand zwischen Spule und Umgebung besser reduziert wird als bei eisenlosen Motoren. Schließlich lassen sich diese Motoren leicht integrieren, da sich Forcer und Stator direkt gegenüberstehen.

Eisenlose Linearmotoren für schnelle Hübe
Eisenlose Linearmotoren haben kein Eisen in der Primärwicklung und sind daher leichter, um eine dynamischere Bewegung zu erzeugen. Die Spulen sind in eine Epoxidplatte eingebettet. Die meisten eisenlosen Linearmotoren haben U-förmige Schienen, die an den Innenflächen mit Magneten ausgekleidet sind. Durch die Wärmeentwicklung können die Schubkräfte auf weniger als bei vergleichbaren Eisenkernmotoren begrenzt werden. Einige Hersteller lösen dieses Problem jedoch mit innovativen Kanal- und Primärgeometrien.

Kurze Einschwingzeiten steigern die Dynamik eisenloser Linearmotoren zusätzlich und ermöglichen schnelle und präzise Bewegungen. Da es keine inhärenten Anziehungskräfte zwischen Primär- und Sekundärteil gibt, sind eisenlose Linearmotoren auch einfacher zu montieren als Motoren mit Eisenkern. Außerdem unterliegen ihre Stützlager keinen magnetischen Kräften und halten daher normalerweise länger.

Beachten Sie, dass Linearmotoren auf vertikalen Achsen und in rauen Umgebungen Probleme haben. Das liegt daran, dass Linearmotoren (die von Natur aus berührungslos sind) ohne Bremse oder Gegengewicht dazu führen, dass Lasten bei Stromausfall herunterfallen.

Darüber hinaus können in einigen rauen Umgebungen Staub und Späne entstehen, die an Linearmotoren haften bleiben, insbesondere bei der Bearbeitung von Metallteilen. Hier sind Linearmotoren mit Eisenkern (und ihre mit Magneten gefüllte Bahn) am anfälligsten. Einige Aktuatoren verfügen über eisenbehaftete oder eisenlose Linearmotoren und eine staubdichte Konstruktion, um in solchen Umgebungen eingesetzt zu werden. Letzteres beseitigt die Probleme, die mit Faltenbälgen verbunden sind, die traditionell Linearachsen schützen.

Wann sollte man sich für integrierte Linearmotoraktoren entscheiden?
Der Direktantrieb von Linearmotoraktuatoren steigert die Produktivität und Systemdynamik für unzählige industrielle Anwendungen. Einige auf Linearmotoren basierende Aktuatoren verfügen auch über Encoder für die Positionsrückmeldung … um die Verwendung von Linearmotoren auch im Vergleich zu Systemen auf Riemen- und Kugelumlaufspindelbasis zu vereinfachen. Einige dieser Aktuatoren integrieren den Linearmotor, die Führung und den optischen (oder magnetischen) Encoder eng, um die Leistungsdichte weiter zu steigern.

Der Encoder einiger Aktuatoren wird horizontal installiert, sodass seine Position nicht durch äußere Einflüsse beeinflusst wird. Einige dieser Anordnungen können bei Verwendung eines 230-VAC-Eingangs mit einer Geschwindigkeit von bis zu 6 m/s und einer Beschleunigung von bis zu 60 m/s2 betrieben werden. Module mit einem Verfahrweg von mehr als zwei Metern sind möglich. Zu den Standardangeboten gehört in der Regel ein magnetischer Encoder für die Positionsrückmeldung, für eine höhere Präzision sind jedoch auch optische Encoder erhältlich. Weitere Optionen sind Multi-Slider-Setups sowie komplette XY- und Gantry-Systeme.

Im Vergleich zu herkömmlichen Kugelumlaufspindelmodulen bieten Aktuatoren auf Linearmotorbasis dank des Direktantriebs eine bessere Präzision und Geschwindigkeit – selbst unter vielen Bedingungen der Schubabgabe. Eine engere Integration steigert außerdem die Produktivität und Zuverlässigkeit. Einige dieser Aktuatoren umfassen den Linearmotor selbst, eine Basis und eine breite Linearführung, die einen Aluminiumschieber und eine optische Skala zur Positionsrückmeldung trägt. Wenn der Linearmotor eisenlos ist, kann er mit einem Aluminiumschlitten kombiniert werden, um eine leichte Konstruktion zu bilden, die schnell beschleunigt.

Einige kompakte Linearmotoraktuatoren verfügen außerdem über Schieber mit integrierten Schmierpads für eine umweltfreundliche Schmierung. Hier sind die Enden des Führungswagens mit hermetisch abgedichteten Fetteinspritzern ausgestattet, um die Laufbahnschmierung über die Zirkulation von Stahlkugeln zu gewährleisten. In einigen Fällen sorgen optionale Schmierpads für zusätzliche Schmierung für einen langfristigen Betrieb mit geringerem Wartungsaufwand, insbesondere bei Achsen mit kurzen Hüben.

Eisenlose Linearmotoren in einigen Aktuatoren weisen zudem kein Rastmoment auf, sodass die Achse sowohl bei langsamen als auch bei schnellen Bewegungen stabile Bewegungen ausführen kann. Bei einigen Ausführungen beträgt die Wiederholgenauigkeit mit einem optischen Linearencoder 2 mm. Einige Aktuatoren sind sogar mit Hüben von 152 bis 1.490 mm und einer Geradheit von 6 bis 30 mm erhältlich.

Besonderes Beispiel: Reinraumanwendungen
Eine letzte Option, die sich besonders für Anwendungen mit kurzen Hüben und hohen Taktraten eignet, sind Linearmotoraktoren, bei denen die beweglichen Teile Magnete und Schiene sind. Hier gibt es keine Probleme mit beweglichen Kabeln, die zu Verbindungsabbrüchen führen könnten. Auch in staubigen Umgebungen gibt es keine Probleme. Tatsächlich funktionieren die Aktuatoren gut in Vakuumumgebungen und Reinräumen. Das liegt daran, dass die Spulen fest montiert sind, sodass die Wärme leicht an die Montagestrukturen abgeleitet werden kann. Einige dieser Linearmotoraktuatoren geben eine Dauerkraft von 94,2 oder 188,3 N und eine Spitzenkraft von 242,1 oder 484,2 N ab – und können je nach Version einen Dauerstrom von 3,5, 7 oder 14 A aufnehmen. Die Hübe erreichen 430 mm.

Parameter zum Spezifizieren von Linearmotortischen
Berücksichtigen Sie bei der Spezifikation von Aktuatoren oder Tischen auf Basis von Linearmotoren die folgenden Kriterien für jeden Teil des Bewegungsprofils der Konstruktion:

• Was ist der bekannte Bewegungszustand?
• Wie groß sind die Masse der Last, die Systemmasse, der effektive Hub, die Bewegungszeit und die Verweilzeit?
• Wie ist der Antriebszustand, maximale Ausgangsspannung, Dauer- und Spitzenstrom?
• Welche Encoder-Auflösung benötigt das Setup? Soll es analog oder digital sein?
• In welcher Arbeitsumgebung kann der Antrieb oder die Bühne eingesetzt werden? Wie hoch wird die Raumtemperatur sein? Wird die Maschine Vakuum- oder Reinraumbedingungen ausgesetzt?
• Welche Anforderungen stellt die Anwendung an Bewegungspräzision und Positioniergenauigkeit?
• Bewegt der Linearmotorantrieb oder der Tisch Lasten horizontal, vertikal oder in einem Winkel? Kann das Setup an einer Wand montiert werden? Unterliegt es Platzbeschränkungen?

Die Beantwortung dieser Fragen wird Konstrukteuren dabei helfen, die am besten geeignete Linearmotor-Iteration für ein bestimmtes Maschinenteil zu ermitteln.