Linearmotoren liefern eine überragende Leistung und eignen sich daher hervorragend für medizinische Geräte, die industrielle Automatisierung, Verpackungen und die Halbleiterfertigung. Darüber hinaus reduzieren neue Linearmotoren die Kosten, die Wärmeentwicklung und den Integrationsaufwand früherer Versionen. Zur Erinnerung: Linearmotoren bestehen aus einer Spule (Primärteil oder Forcer) und einer stationären Plattform, die manchmal als Platte oder Sekundärteil bezeichnet wird. Es gibt zahlreiche Untertypen, aber die beiden gängigsten in der Automatisierung sind bürstenlose und eisenlose Linearmotoren.

Linearmotoren übertreffen mechanische Antriebe in der Regel. Sie sind in der Länge unbegrenzt. Ohne die Elastizität und das Spiel mechanischer Aufbauten sind Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit hoch und bleiben über die gesamte Lebensdauer der Maschine erhalten. Tatsächlich benötigen nur die Führungslager eines Linearmotors Wartung; alle anderen Komponenten sind verschleißfrei.

Wo Linearmotoren mit Eisenkern überzeugen
Linearmotoren mit Eisenkern haben Primärspulen um einen Eisenkern. Die Sekundärspule ist in der Regel eine stationäre Magnetbahn. Linearmotoren mit Eisenkern eignen sich gut für Spritzguss-, Werkzeug- und Pressmaschinen, da sie eine hohe Dauerkraft erzeugen. Ein Nachteil ist, dass Linearmotoren mit Eisenkern ruckeln können, da die magnetische Anziehungskraft der Sekundärspule auf die Primärspule beim Durchlaufen der Magnetbahn variiert. Ursache hierfür ist die Rastkraft. Hersteller gehen mit verschiedenen Methoden gegen das Ruckeln vor, es ist jedoch problematisch, wenn ein gleichmäßiger Hub das Hauptziel ist.

Dennoch bieten Linearmotoren mit Eisenkern zahlreiche Vorteile. Eine stärkere magnetische Kopplung (zwischen Eisenkern und Statormagneten) sorgt für eine hohe Kraftdichte. Dadurch haben Linearmotoren mit Eisenkern eine höhere Kraftabgabe als vergleichbare eisenlose Linearmotoren. Darüber hinaus leiten diese Motoren viel Wärme ab, da der Eisenkern die von der Spule erzeugte Wärme während des Betriebs ableitet – wodurch der Wärmewiderstand zwischen Spule und Umgebung besser reduziert wird als bei eisenlosen Motoren. Schließlich lassen sich diese Motoren leicht integrieren, da sich Treiber und Stator direkt gegenüberliegen.

Eisenlose Linearmotoren für schnelle Hübe
Eisenlose Linearmotoren enthalten kein Eisen im Primärteil und sind daher leichter und ermöglichen dynamischere Bewegungen. Die Spulen sind in eine Epoxidplatte eingebettet. Die meisten eisenlosen Linearmotoren verfügen über U-förmige Schienen, deren Innenflächen mit Magneten ausgekleidet sind. Durch Hitzeentwicklung können die Schubkräfte geringer ausfallen als bei vergleichbaren Motoren mit Eisenkern. Einige Hersteller begegnen diesem Problem jedoch mit innovativen Kanal- und Primärteilgeometrien.

Kurze Einschwingzeiten steigern die Dynamik eisenloser Linearmotoren zusätzlich und ermöglichen schnelle und präzise Bewegungen. Da keine inhärenten Anziehungskräfte zwischen Primär- und Sekundärteil bestehen, sind eisenlose Linearmotoren zudem einfacher zu montieren als Motoren mit Eisenkern. Zudem sind ihre Stützlager keinen magnetischen Kräften ausgesetzt und halten daher in der Regel länger.

Beachten Sie, dass Linearmotoren auf vertikalen Achsen und in rauen Umgebungen Probleme bereiten. Das liegt daran, dass Linearmotoren (die von Natur aus berührungslos arbeiten) ohne Bremse oder Gegengewicht Lasten im ausgeschalteten Zustand fallen lassen.

Darüber hinaus können in rauen Umgebungen Staub und Späne entstehen, die an Linearmotoren haften bleiben, insbesondere bei der Bearbeitung von Metallteilen. Hier sind Linearmotoren mit Eisenkern (und ihre magnetgefüllten Schienen) besonders anfällig. Einige Aktuatoren verfügen über Linearmotoren mit Eisenkern oder ohne Eisenkern und sind für den Einsatz in solchen Umgebungen staubdicht konstruiert. Letzteres beseitigt die Probleme, die mit Faltenbälgen verbunden sind, die Linearachsen traditionell schützen.

Wann sollten Sie sich für integrierte Linearmotor-Aktuatoren entscheiden?
Der Direktantrieb von Linearmotoren steigert die Produktivität und Systemdynamik in zahlreichen Industrieanwendungen. Einige Linearmotoren verfügen zudem über Encoder zur Positionsrückmeldung, um die Bedienung von Linearmotoren auch im Vergleich zu Riemen- und Kugelumlaufspindelsystemen zu vereinfachen. Einige dieser Antriebe integrieren Linearmotor, Führung und optischen (oder magnetischen) Encoder nahtlos, um die Leistungsdichte weiter zu erhöhen.

Der Encoder in einigen Aktuatoren wird horizontal installiert, sodass seine Position nicht durch äußere Einflüsse beeinflusst wird. Einige dieser Anordnungen erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 6 m/s und eine Beschleunigung von bis zu 60 m/s² bei 230-V-Wechselstromeingang. Module mit einem Hub von über zwei Metern sind möglich. Standardmäßig ist ein magnetischer Encoder für die Positionsrückmeldung enthalten, optische Encoder sind jedoch für höhere Präzision erhältlich. Weitere Optionen sind Multi-Slider-Konfigurationen sowie komplette XY- und Portalsysteme.

Im Vergleich zu herkömmlichen Kugelumlaufspindelmodulen bieten Linearmotor-basierte Aktuatoren dank Direktantrieb höhere Präzision und Geschwindigkeit – auch unter vielen Schubbedingungen. Die engere Integration steigert zudem Produktivität und Zuverlässigkeit. Einige dieser Aktuatoren bestehen aus dem Linearmotor selbst, einer Basis und einer breiten Linearführung, die einen Aluminium-Schlitten und eine optische Skala zur Positionsrückmeldung trägt. Bei eisenlosen Linearmotoren kann dieser mit einem Aluminium-Schlitten kombiniert werden, um eine leichte Konstruktion mit hoher Beschleunigung zu bilden.

Einige kompakte Linearmotoren verfügen zudem über Gleitstücke mit integrierten Schmierpads für eine umweltfreundliche Schmierung. Die Enden der Führungsblöcke sind mit hermetisch abgedichteten Fettinjektoren ausgestattet, die die Laufbahnschmierung über Stahlkugeln gewährleisten. Optionale Schmierpads sorgen für zusätzlichen Schmierstoff und damit 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 langsamer als auch bei schneller Bewegung 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.

Spezialbeispiel: Reinraumanwendungen
Eine letzte Option, die sich besonders für Anwendungen mit kurzen Hüben und hohen Taktraten eignet, sind Linearmotor-Aktuatoren, bei denen die beweglichen Teile die Magnete und die 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 fixiert sind und die Wärme so leicht an die Montagestrukturen abgeleitet wird. Einige dieser Linearmotor-Aktuatoren geben eine Dauerkraft von 94,2 oder 188,3 N und eine Spitzenkraft von 242,1 oder 484,2 N ab – und das je nach Version mit einem Dauerstrom von 3,5, 7 oder 14 A. Die Hübe erreichen 430 mm.

Parameter zur Spezifizierung von Linearmotortischen
Berücksichtigen Sie bei der Spezifikation von Aktuatoren oder Stufen auf Basis von Linearmotoren die folgenden Kriterien für jeden Teil des Bewegungsprofils des Designs:

• Was ist der bekannte Bewegungszustand?
• Wie hoch sind die Masse der Last, die Systemmasse, der effektive Hub, die Bewegungszeit und die Verweilzeit?
• Wie ist der Antriebszustand, die maximale Ausgangsspannung, der Dauer- und Spitzenstrom?
• Welche Encoderauflösung benötigt das Setup? Soll sie analog oder digital sein?
• In welcher Arbeitsumgebung wird der Aktuator oder die Stufe eingesetzt? Wie hoch wird die Raumtemperatur sein? Wird die Maschine Vakuum- oder Reinraumbedingungen ausgesetzt sein?
• Welche Anforderungen stellt die Anwendung an die Bewegungspräzision und Positioniergenauigkeit?
• Soll der Linearmotorantrieb oder die Bühne Lasten horizontal, vertikal oder schräg bewegen? Soll die Anlage an einer Wand montiert werden? Gibt es Platzbeschränkungen?

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