Hier sind einige Fragen, die sich Ingenieure und Designer stellen sollten, bevor sie sich für Linearantriebe entscheiden.

Konstrukteure, die sich für einen Linearantrieb für ein bestimmtes Gerät oder eine Maschine entscheiden, sollten eine Liste mit Fragen bereithalten, die sie den Lieferanten und Herstellern dieser Geräte stellen können. Diese Listen enthalten in der Regel häufig gestellte Fragen (FAQs), und die meisten Unternehmen, die Antriebe verkaufen, sind darauf vorbereitet. Oft erwarten diese Lieferanten jedoch von potenziellen Käufern auch andere, möglicherweise tiefer gehende und aufschlussreichere Fragen: die sogenannten selten gestellten Fragen (iFAQs).

Hier sind einige Fragen, die sich Ingenieure stellen sollten, wenn sie die Spezifikation von Linearantrieben in Erwägung ziehen.

F. Ich benötige Geschwindigkeit und Genauigkeit über eine große Distanz. Welchen Aktuatortyp sollte ich verwenden?

A. Das ist eine kluge Frage. Viele Konstrukteure überschätzen die Genauigkeit herkömmlicher Motoren und Aktuatoren bei langen Verfahrwegen. Sie glauben fälschlicherweise, dass ein Aktuator, der bei kurzen Verfahrwegen gut funktioniert, auch bei langen Verfahrwegen gut funktioniert. Obwohl viele Linearsysteme zwei der drei typischen Anforderungen erfüllen (lange Verfahrwege, hohe Geschwindigkeit und hohe Positioniergenauigkeit), sind Linearmotoraktuatoren die einzigen, die alle drei Anforderungen kompromisslos erfüllen. Sie werden häufig in der Halbleiterfertigung, der Prüfung von Unterhaltungselektronik, in medizinischen und biowissenschaftlichen Anwendungen, im Werkzeugmaschinenbau sowie in der Druck- und Verpackungstechnik eingesetzt.

Um ein wenig Hintergrundwissen zu vermitteln, definieren wir zunächst Linearmotoren. Ein Linearmotor ist im Wesentlichen ein abgewickelter und flach ausgelegter Rotationsmotor. Er ermöglicht die direkte Kopplung des Motors an die lineare Last. Im Gegensatz dazu verwenden andere Konstruktionen einen Rotationsmotor und koppeln ihn mechanisch, was zu Spiel, Effizienzverlusten und anderen Ungenauigkeiten führen kann. Linearmotoren weisen zudem tendenziell höhere Maximalgeschwindigkeiten auf als Kugelumlaufspindeln gleicher Verfahrlänge.

Heute werden drei Haupttypen von Linearmotoren verwendet. Der erste Typ ist der Eisenkernmotor, bei dem Spulen um Zähne aus Eisenwerkstoffen gewickelt und mit Laminat ummantelt sind. Diese Motoren haben die höchste Kraft pro Größe und eine gute Wärmeübertragung und sind in der Regel die kostengünstigsten. Eisen im Motor führt jedoch zu erhöhtem Rastmoment (Drehmoment aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Motormagneten), sodass sie oft etwas ungenauer sind als der zweite Typ, die eisenlosen Linearmotoren.

Wie der Name schon sagt, enthalten eisenlose Linearmotoren kein Eisen. Der Treiber besteht im Wesentlichen aus einer Epoxidplatte, in die eng gewickelte Kupferspulen eingesetzt sind. Er gleitet zwischen zwei einander gegenüberliegenden Magnetreihen. (Dies wird auch als U-Kanal-Magnetführung bezeichnet.) Ein Abstandshalter an einer Seite der Magnete verbindet diese miteinander. Die Hauptvorteile eisenloser Motoren sind geringere Anziehungskräfte und kein Rastmoment. Dadurch sind sie präziser als Motoren mit Eisenkern. Allerdings sind eisenlose Einheiten aufgrund der zwei Magnetreihen teurer als Versionen mit Eisenkern. Auch die Wärmeübertragung kann schwierig sein. Deshalb ist es wichtig, frühzeitig zu verstehen, ob bei einer bestimmten Anwendung die Gefahr einer Überhitzung besteht. Die neuesten eisenlosen Motoren verfügen über überlappende Spulen, die für eine größere Kontaktfläche zur Wärmeableitung sorgen. Durch diese Bauweise erreicht der Motor außerdem eine höhere Kraftdichte.

Der dritte und letzte Typ sind nutenlose Linearmotoren, die im Grunde Hybride der ersten beiden Typen sind. Ein nutenloser Motor verfügt über eine einzelne Magnetreihe wie den Eisenkern, was zu einem niedrigen Preis beiträgt. Ein laminiertes Rückeisen sorgt für eine gute Wärmeübertragung sowie geringere Anziehungskräfte und Rastmomente als bei Eisenkernmotoren. Nutenlose Motoren bieten neben ihrem niedrigeren Preis auch den Vorteil einer geringeren Bauhöhe als eisenlose Motoren. Für Konstrukteure, die Wert darauf legen, die Komponenten ihrer Maschinen so klein wie möglich zu halten, kann jeder Millimeter Platzersparnis entscheidend sein.

F: Wie kann ich feststellen, ob ein bestimmter Aktuator für den Einsatz in einer bestimmten Umgebung geeignet ist?

A. Allzu oft wählen Konstrukteure Aktuatoren isoliert aus und berücksichtigen nicht deren Einsatzbereich. Linearaktuatoren verfügen über kritische bewegliche Teile, die nur in den Umgebungen, für die sie entwickelt und hergestellt wurden, ordnungsgemäß funktionieren. Die Verwendung eines ungeeigneten Linearaktuators kann zu Problemen führen, die von Fehlfunktionen bis hin zu irreparablen Schäden am Aktuator selbst reichen. Bei „schmutzigen“ Anwendungen, wie z. B. einem Schneidwerkzeug, das Partikel und Abfall abwirft, muss der Aktuator abgedichtet und abgeschirmt werden, um ihn vor Verunreinigungen zu schützen.

Umgekehrt kann ein Aktuator ohne entsprechenden Schutz Verunreinigungen in eine saubere Umgebung einbringen und so die Anwendung beeinträchtigen. Normaler Verschleiß führt dazu, dass Lineartische mit der Zeit Partikel freisetzen. In Reinräumen oder Vakuumumgebungen ist oft der Einsatz von Geräten ohne Partikelfreisetzung verboten. Daher ist es für in diesen Umgebungen eingesetzte Aktuatoren entscheidend, dass sie mit Dichtungen und Abschirmungen ausgestattet sind, um das Eindringen von Partikeln in die Umgebung zu verhindern. Einige mechanische Geräte, die lineare Bewegungen ermöglichen, beispielsweise in der Halbleiterverarbeitung, bewegen sich jeweils nur im Mikrometerbereich, sodass selbst geringste Verunreinigungen eine Anwendung beeinträchtigen und ruinieren können.

Dichtungen und Schutzschilde schützen kritische Komponenten vor rauen Umgebungsbedingungen und ermöglichen so den bestimmungsgemäßen Betrieb von Linearantrieben. In sauberen Umgebungen schützen Dichtungen und Schutzschilde die Anwendungsumgebung vor möglichen Verunreinigungen, die vom Antrieb selbst verursacht werden. Zusätzlich zu Dichtungen und Schutzschilden können kundenspezifische Linearantriebe mit Überdruckanschlüssen ausgestattet werden, die Verunreinigungen im Inneren der Einheit ausleiten und so Leistung und Lebensdauer maximieren.

Bei der Auswahl von Linearantrieben müssen verschiedene Umweltfaktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören Umgebungstemperatur, Feuchtigkeit, Kontakt mit Chemikalien und Gasen (außer Raumluft), Strahlung, Luftdruck (bei Anwendungen im Vakuum), Sauberkeit und die Anwesenheit von Geräten in der Nähe. Befindet sich beispielsweise ein Gerät in der Nähe, das Vibrationen übertragen könnte, die die Leistung des Lineartisches beeinträchtigen könnten?

Die Schutzart (IP) eines Lineartisches, die üblicherweise in den Spezifikationen angegeben ist, gibt an, ob er in bestimmten Umgebungen ausreichend geschützt ist. IP-Schutzarten definieren die Wirksamkeit der Dichtungen eines Gehäuses gegen das Eindringen von Fremdkörpern (Staub und Schmutz) sowie gegen verschiedene Feuchtigkeitsgrade.

Die Schutzart wird durch „IP-“ gefolgt von zwei Ziffern angegeben. Die erste Ziffer gibt den Schutzgrad vor beweglichen Teilen und Fremdkörpern an. Die zweite Ziffer gibt den Schutzgrad gegen unterschiedliche Feuchtigkeitsgrade an (von Tropf- und Spritzwasser bis hin zum vollständigen Untertauchen).

Wenn Sie sich frühzeitig im Auswahlprozess die IP-Schutzart eines Aktuators ansehen, können Sie schnell und einfach Geräte ausschließen, die für die jeweilige Umgebung ungeeignet sind. Ein Aktuator mit Schutzart IP30 bietet beispielsweise keinen Schutz vor Feuchtigkeit, hält aber fingergroße Gegenstände fern. Wenn Feuchtigkeitsschutz unerlässlich ist, sollten Sie nach einem Aktuator mit einer höheren Schutzart wie IP54 suchen, der vor Staub und Spritzwasser schützt. Aktuatoren ohne Schutz vor Eindringen oder Feuchtigkeit können jedoch eine kostengünstige Alternative für Umgebungen sein, in denen Verunreinigungen keine Rolle spielen.