Linearmotoren ermöglichen hohe Beschleunigungen und lange Verfahrwege bei guten Schubkräften und extrem hoher Positioniergenauigkeit. Andere Antriebsmechanismen wie Riemen, Spindeln oder Zahnstangen müssen hingegen mindestens eine dieser Anforderungen opfern, um die anderen zu erfüllen. Deshalb sind Linearmotoren die bevorzugte Wahl für hochdynamische Anwendungen wie Messtechnik und Halbleiterfertigung.

Tatsächlich scheinen Linearmotoren aufgrund ihrer Leistungsspezifikationen die perfekte Lösung für die oft konkurrierenden Anforderungen linearer Bewegungsanwendungen zu sein. Doch das wirft die Frage auf: „Warum finden Linearmotoren nicht breitere Verbreitung?“

Um zu verstehen, warum die Akzeptanz von Linearmotoren noch immer hinter anderen Antriebstechnologien – wie Riemen-, Schrauben- oder Zahnstangenantrieben – zurückbleibt, sehen wir uns einige der Vor- und Nachteile von Linearmotorkonstruktionen an.

Wärmeerzeugung und -ableitung

Bei der Dimensionierung und Auswahl eines Motors – ob Rotations- oder Linearmotor – ist die Wärmeentwicklung ein wichtiger Aspekt. Drehmoment- (oder Kraft-) Drehzahlkurven, die den kontinuierlichen und intermittierenden Betriebsbereich einer bestimmten Motor-Antriebs-Kombination darstellen, basieren auf der Fähigkeit des Motors, Wärme unter bestimmten Betriebsbedingungen abzuleiten.

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

Dies bedeutet, dass Wärme leicht auf die Last und die umgebenden Komponenten übertragen wird, was zu Wärmeausdehnung, Leistungsverlust oder im Extremfall zu Schäden oder Ausfällen führen kann. Selbst wenn die Last nicht beeinträchtigt wird, kann der Wärmestau die kontinuierliche Kraftabgabe des Motors reduzieren. Um dem entgegenzuwirken, benötigen manche Anwendungen eine Zwangsluft- oder Flüssigkeitskühlung, was Kosten, Platzbedarf und Komplexität erhöht.

Schutz vor Kontamination

Aufgrund ihrer offenen Bauweise und freiliegenden Magnete sind flache Linearmotoren mit Eisenkern und eisenlose U-Kanal-Konstruktionen nur schwer vor Verunreinigungen zu schützen. Die tragenden Linearführungen lassen sich zwar mit verschiedenen handelsüblichen Dichtungen und Abstreifern schützen, doch die freiliegenden Magnete eines Linearmotors können Eisenpartikel aus Bearbeitungsvorgängen oder einfach durch luftgetragene Verunreinigungen anziehen, die in Fertigungs- und Fabrikumgebungen häufig vorkommen. Zudem können flüssige Verunreinigungen empfindliche Elektronik beschädigen oder Rückkopplungssysteme stören.

Natürlich können Abdeckungen und externe Strukturen so gestaltet werden, dass sie vor Verunreinigungen schützen, sie können jedoch die Wärmeableitung des Motors erschweren und so die oben beschriebenen hitzebedingten Probleme verschlimmern.

Kompensation von Vibrationen und Schwingungen

Ein wichtiges Verkaufsargument für Linearmotoren ist der Wegfall mechanischer Kraftübertragungskomponenten – wie Schrauben, Riemen, Getriebe und Kupplungen – zwischen Motor und Last. Dadurch sind Linearmotoren frei von Spiel, Verwindung und Nachgiebigkeit. Dies trägt maßgeblich zu ihrer Fähigkeit bei, sehr hohe Positioniergenauigkeiten zu erreichen und hochdynamische Bewegungen mit schnellen Beschleunigungs- und Verzögerungsraten auszuführen.

Mechanische Übertragungskomponenten können in einem Bewegungssystem jedoch von Vorteil sein, da sie einen Dämpfungsmechanismus für Schwingungen bieten und Störungen wie Reaktionen von Bearbeitungskräften oder durch die Bewegung der Last verursachte Vibrationen abmildern. Ohne diesen „eingebauten“ Dämpfungseffekt können Schwingungen und Vibrationen dazu führen, dass Linearmotoren die gewünschte Positioniergenauigkeit oder Einschwingzeit nicht erreichen.

Um sicherzustellen, dass das System auf die Auswirkungen dieser ungedämpften Vibrationen und Schwingungen reagieren und diese korrigieren kann, benötigen Linearmotorsysteme häufig Geschwindigkeits-, Positions- und Strom- (Kraft-)Regelkreise mit höherer Frequenz sowie eine höhere Stromkreisbandbreite. Das Positionsrückmeldesystem – typischerweise ein optischer oder magnetischer Linearencoder – benötigt ebenfalls eine höhere Auflösung, damit der Controller die Position von Motor und Last genauer verfolgen kann. Auch der Maschinenrahmen bzw. die tragende Struktur muss ausreichend steif sein (mit einer hohen Eigenfrequenz), um relativ unempfindlich gegenüber Stößen und Vibrationen zu bleiben und den vom Linearmotor erzeugten Kräften standzuhalten.

Mit anderen Worten: Da weniger Komponenten zum Ausgleich von Vibrationen und Störungen vorhanden sind, müssen die Rückkopplungs- und Regelkreise schneller und genauer kommunizieren können, damit das System eine dynamische und hochpräzise Leistung erzielen kann.

Vorlaufkosten versus Gesamtbetriebskosten

Und schließlich sind die Anschaffungskosten nach wie vor einer der wichtigsten Faktoren, die die breite Einführung von Linearmotoren behindern. Obwohl zahlreiche Vergleiche die niedrigeren Gesamtbetriebskosten (TCO) von Linearmotorlösungen gegenüber herkömmlichen Riemen-, Spindel- oder Zahnstangenantrieben in manchen Anwendungen belegen, stellen die Anschaffungskosten eines Linearmotorsystems für Ingenieure und Konstrukteure, die Leistungsspezifikationen bei begrenztem Budget erfüllen müssen, immer noch ein Hindernis für die Einführung dar. Ein typisches Beispiel: Bei Anwendungen mit sehr langen Verfahrwegen – einem der Bereiche, in denen Linearmotorlösungen ihre Stärken ausspielen – können die Kosten für Magnete und hochauflösende Linearencoder zur Erfüllung der Verfahranforderungen eine Linearmotorlösung uninteressant machen.

Nicht-traditionelle Anwendungen fördern das Wachstum der Linearmotor-Einsatzraten

Trotz der potenziellen Schwierigkeiten, die Wärmeentwicklung, Schutz vor Verunreinigungen, hohe Bandbreitensteuerung und hohe Kosten mit sich bringen, steigt die Akzeptanz von Linearmotoren. Einst als Nischenlösungen für Halbleiter-, Mess- und Schwerzerspanungsanwendungen angesehen, werden Linearmotoren mit Eisenkern, eisenlose und röhrenförmige Motoren heute in der Automobilindustrie, der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie sowie im Druckbereich eingesetzt. Dort sind die Bewegungen zwar nicht so anspruchsvoll oder die Genauigkeitsanforderungen nicht so hoch, aber die Vorteile weniger Komponenten, geringerer Ausfallzeiten und höherer Durchsatzraten rechtfertigen die zusätzlichen Kosten und Designüberlegungen.