Komplette Linearmotortische – inklusive Grundplatte, Linearmotor, Linearführungen, Encoder und Steuerung.

Lineare Servomotoren mit Direktantrieb haben in den letzten Jahren deutlich an Bedeutung gewonnen, was unter anderem auf die Anforderungen der Endverbraucher nach höherem Durchsatz und höherer Präzision zurückzuführen ist. Linearmotoren werden vor allem für ihre Kombination aus hohen Geschwindigkeiten, langen Hüben und exzellenter Positioniergenauigkeit geschätzt, die mit anderen Antriebsmechanismen nicht möglich ist. Darüber hinaus ermöglichen sie auch extrem langsame, gleichmäßige und präzise Bewegungen. Die Linearmotortechnologie bietet ein so breites Spektrum an Möglichkeiten – Schubkraft, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit –, dass es kaum Anwendungen gibt, für die Linearmotoren keine geeignete Lösung sind.

Zu den Linearmotorvarianten gehören Linearservomotoren, Linearschrittmotoren, Linearinduktionsmotoren und Schubrohrlinearmotoren. Wenn ein Linearservomotor die beste Option für eine Anwendung ist, sollten Sie bei der Motorauswahl drei Punkte beachten.

Die „primäre“ Überlegung: Eisenkern oder eisenlos?
Lineare Direktantriebs-Servomotoren gibt es in zwei Haupttypen: mit und ohne Eisenkern. Dabei wird unterschieden, ob die Wicklungen im Primärteil (analog zum Stator eines Rotationsmotors) in einem Eisenblechpaket oder in Epoxidharz montiert sind. Die Entscheidung, ob die Anwendung einen Linearmotor mit oder ohne Eisenkern erfordert, ist in der Regel der erste Schritt bei Konstruktion und Auswahl.

Linearmotoren mit Eisenkern eignen sich am besten für Anwendungen, die extrem hohe Schubkräfte erfordern. Denn die Laminierung des Primärteils enthält Zähne (Vorsprünge), die den elektromagnetischen Fluss auf die Magnete des Sekundärteils fokussieren (analog zum Rotor eines Rotationsmotors). Diese magnetische Anziehung zwischen dem Eisen im Primärteil und den Permanentmagneten im Sekundärteil ermöglicht dem Motor die Bereitstellung hoher Kräfte.

Eisenlose Linearmotoren verfügen im Allgemeinen über eine geringere Schubkraft und sind daher für die extrem hohen Schubanforderungen in Anwendungen wie Pressen, Zerspanen oder Formen nicht geeignet. Sie eignen sich jedoch hervorragend für die Hochgeschwindigkeitsmontage und den Hochgeschwindigkeitstransport.

Der Nachteil der Eisenkernkonstruktion ist das sogenannte „Cogging“, das die Laufruhe beeinträchtigt. Das Cogging entsteht, weil das geschlitzte Design des Primärteils dazu führt, dass es beim Bewegen entlang der Magnete des Sekundärteils „bevorzugte“ Positionen einnimmt. Um die Tendenz des Primärteils, sich an den Magneten des Sekundärteils auszurichten, zu überwinden, muss der Motor mehr Kraft aufbringen, was zu einer Geschwindigkeitsschwankungen – dem sogenannten Cogging – führt. Diese Schwankungen von Kraft und Geschwindigkeitsschwankungen beeinträchtigen die Laufruhe, was insbesondere bei Anwendungen, bei denen die Bewegungsqualität (und nicht nur die endgültige Positionierungsgenauigkeit) wichtig ist, ein erhebliches Problem darstellen kann.

Hersteller nutzen zahlreiche Methoden, um das Rastmoment zu reduzieren. Ein gängiger Ansatz besteht darin, die Position der Magnete (oder Zähne) zu verzerren, um sanftere Übergänge zwischen den Primärzähnen und den Sekundärmagneten zu erzielen. Ein ähnlicher Effekt lässt sich durch die Veränderung der Magnetform in ein längliches Achteck erzielen.

Eine weitere Methode zur Reduzierung des Rastmoments ist die sogenannte Teilwicklung. Bei dieser Konstruktion enthält die Primärwicklung mehr Blechzähne als die Sekundärwicklung Magnete, und der Blechstapel weist eine spezielle Form auf. Zusammen heben diese beiden Modifikationen die Rastkräfte auf. Und natürlich bietet Software immer eine Lösung. Anti-Rastmoment-Algorithmen ermöglichen es Servoantrieben und Steuerungen, die Stromzufuhr zur Primärwicklung so anzupassen, dass Kraft- und Geschwindigkeitsschwankungen minimiert werden.

Eisenlose Linearmotoren weisen kein Rastmoment auf, da ihre Primärspulen in Epoxidharz gekapselt und nicht um ein Stahlblech gewickelt sind. Zudem weisen eisenlose Linearservomotoren eine geringere Masse auf (Epoxidharz ist leichter, wenn auch weniger steif als Stahl), wodurch sie einige der höchsten Beschleunigungs-, Verzögerungs- und Höchstgeschwindigkeitswerte elektromechanischer Systeme erreichen. Auch die Einschwingzeiten sind bei eisenlosen Motoren typischerweise besser (niedriger) als bei Versionen mit Eisenkern. Der fehlende Stahl im Primärteil und das damit verbundene Fehlen von Rastmomenten oder Geschwindigkeitsschwankungen ermöglichen zudem sehr langsame, gleichmäßige Bewegungen mit typischerweise weniger als 0,01 Prozent Geschwindigkeitsschwankung.

Welcher Integrationsgrad?
Linearservomotoren sind wie Rotationsmotoren nur eine Komponente eines Bewegungssystems. Ein komplettes Linearmotorsystem benötigt außerdem Lager zur Unterstützung und Führung der Last, Kabelmanagement, Feedback (typischerweise ein Linearencoder) sowie einen Servoantrieb und eine Steuerung. Erfahrene OEMs und Maschinenbauer oder solche mit sehr individuellen Design- oder Leistungsanforderungen können ein komplettes System mit eigenen Kapazitäten und Standardkomponenten verschiedener Hersteller bauen.

Die Konstruktion von Linearmotorsystemen ist vermutlich einfacher als die von Systemen mit Riemen, Zahnstange und Ritzel oder Spindeln. Es gibt weniger Komponenten und weniger arbeitsintensive Montageschritte (kein Ausrichten von Kugelumlaufspindeln oder Spannen von Riemen). Da Linearmotoren berührungslos arbeiten, müssen sich Konstrukteure nicht um Schmierung, Einstellungen oder sonstige Wartungsarbeiten der Antriebseinheit kümmern. OEMs und Maschinenbauer, die eine schlüsselfertige Lösung suchen, stehen jedoch unzählige Optionen für komplette Linearmotorantriebe, hochpräzise Tische und sogar kartesische und Portalsysteme zur Verfügung.

Ist die Umgebung für einen Linearmotor geeignet?
Linearmotoren sind oft die bevorzugte Lösung in anspruchsvollen Umgebungen wie Reinräumen und Vakuumumgebungen, da sie weniger bewegliche Teile haben und mit nahezu jeder Art von Linearführung oder Kabelmanagement kombiniert werden können, um die Anforderungen der Anwendung hinsichtlich Partikelbildung, Ausgasung und Temperatur zu erfüllen. In Extremfällen kann das Sekundärteil (Magnetspur) als bewegliches Teil verwendet werden, während das Primärteil (Wicklungen, einschließlich Kabel und Kabelmanagement) stationär bleibt.

Wenn die Umgebung jedoch Metallspäne, Metallstaub oder Metallpartikel enthält, ist ein linearer Servomotor möglicherweise nicht die beste Wahl. Dies gilt insbesondere für Linearmotoren mit Eisenkern, da diese von Natur aus offen sind und die Magnetspur dadurch Verunreinigungen ausgesetzt ist. Die halbgeschlossene Bauweise eisenloser Linearmotoren bietet besseren Schutz, allerdings sollte darauf geachtet werden, dass der Schlitz im Sekundärteil keinen direkten Verunreinigungen ausgesetzt ist. Es gibt Konstruktionsmöglichkeiten für die Einhausung von Linearmotoren mit und ohne Eisenkern, diese können jedoch die Wärmeableitungsfähigkeit des Motors beeinträchtigen und so ein Problem gegen ein anderes austauschen.