Wo sind Linearmotoren sinnvoll?

Aktuatoren, die Linearmotoren verwenden, haben eine hohe dynamische Bewegung.

Linearmotoren liefern eine überragende Leistung und eignen sich daher hervorragend für medizinische Geräte, industrielle Automatisierung, Verpackung und Halbleiterfertigung. Darüber hinaus haben die neuen Linearmotoren die Kosten, die Wärmeentwicklung und die Komplexität der Integration früherer Versionen im Griff. Linearmotoren bestehen aus einer Spule (Primärteil oder Forcer) und einer stationären Plattform, die auch als Platine oder Sekundärteil bezeichnet wird. Es gibt zahlreiche Untertypen, aber die beiden gängigsten für die Automatisierung sind bürstenlose eisenbehaftete und eisenlose Linearmotoren.

Linearmotoren sind mechanischen Antrieben im Allgemeinen überlegen. Sie haben unbegrenzte Längen. Ohne die Elastizität und das Spiel mechanischer Vorrichtungen sind Genauigkeit und Wiederholbarkeit hoch und bleiben es über die gesamte Lebensdauer der Maschine. In der Tat müssen nur die Führungslager eines Linearmotors gewartet werden; alle anderen Teilkomponenten sind verschleißfrei.

Wo sich Ironcore-Linearmotoren auszeichnen

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 verzahnen können, da die magnetische Anziehungskraft der Sekundärspule auf die Primärspule variiert, wenn sie die Magnetbahn durchläuft. Schuld daran ist die Rastkraft. Die Hersteller gehen auf verschiedene Weise gegen das Ruckeln vor, aber es ist problematisch, wenn glatte Hübe das Hauptziel sind.

Dennoch bieten Linearmotoren mit Eisenkern zahlreiche Vorteile. Die stärkere magnetische Kopplung (zwischen Eisenkern und Statormagneten) sorgt für eine hohe Kraftdichte. Daher haben eisenbehaftete Linearmotoren eine höhere Kraftleistung als vergleichbare eisenlose Linearmotoren. Außerdem leiten diese Motoren viel Wärme ab, da der Eisenkern die von der Spule erzeugte Wärme während des Betriebs ableitet und so den Wärmewiderstand zwischen Spule und Umgebung besser reduziert als eisenlose Motoren. Und schließlich sind diese Motoren einfach zu integrieren, da sich der Forcer und der Stator direkt gegenüberstehen.

Eisenlose Linearmotoren für schnelle Hübe

Eisenlose Linearmotoren haben kein Eisen in ihrem Primärteil und sind daher leichter, um eine dynamischere Bewegung zu ermöglichen. 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 geringer ausfallen als bei vergleichbaren Motoren mit Eisenkern, aber einige Hersteller gehen dieses Problem mit einer innovativen Kanal- und Primärgeometrie an.

Kurze Einschwingzeiten erhöhen die Dynamik von eisenlosen Linearmotoren und ermöglichen schnelle und präzise Bewegungen. Da keine inhärenten Anziehungskräfte zwischen Primär- und Sekundärteil auftreten, sind eisenlose Linearmotoren auch einfacher zu montieren als eisenbehaftete Motoren. Außerdem 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 haben. Das liegt daran, dass Linearmotoren (die von Natur aus berührungslos sind) ohne eine Bremse oder ein Gegengewicht die Last beim Ausschalten fallen lassen.

Darüber hinaus können in einigen rauen Umgebungen Staub und Späne entstehen, die an den Linearmotoren haften bleiben, insbesondere bei der Bearbeitung von Metallteilen. Hier sind Linearmotoren mit Eisenkern (und ihre mit Magneten gefüllte Schiene) am anfälligsten. Einige Aktuatoren sind mit eisenbehafteten oder eisenlosen Linearmotoren und einer staubdichten Konstruktion ausgestattet, um in solchen Umgebungen arbeiten zu können. Letzteres beseitigt die Probleme, die mit Faltenbälgen verbunden sind, die traditionell Linearachsen schützen.

Wann sollte man integrierte Linearmotorantriebe wählen?

Der Direktantrieb von Linearmotorantrieben steigert die Produktivität und die Systemdynamik in zahlreichen industriellen Anwendungen. Einige auf Linearmotoren basierende Aktuatoren enthalten auch Encoder für die Positionsrückmeldung ... damit Linearmotoren auch im Vergleich zu riemen- und kugelumlaufbasierten Systemen einfach zu bedienen sind. Einige dieser Aktuatoren integrieren den Linearmotor, die Führung und den optischen (oder magnetischen) Encoder eng miteinander, um die Leistungsdichte weiter zu erhöhen.

Bei einigen Aktuatoren wird der Encoder horizontal installiert, so dass seine Position durch äußere Einflüsse nicht beeinträchtigt wird. Einige dieser Anordnungen können mit einem 230-Vac-Eingang bis zu 6 m/sec mit einer Beschleunigung von 60 m/sec2 laufen. Es sind Module mit einem Verfahrweg von mehr als zwei Metern möglich. Standardmäßig werden sie mit einem magnetischen Encoder für die Positionsrückmeldung geliefert, für höhere Präzision sind jedoch auch optische Encoder erhältlich. Weitere Optionen sind Multischlitten-Konfigurationen sowie komplette X-Y- und Gantry-Systeme.

Im Vergleich zu herkömmlichen Kugelumlaufspindelmodulen bieten Aktuatoren auf Linearmotorbasis dank des Direktantriebs eine bessere Präzision und Geschwindigkeit - selbst unter vielen Schubkraftbedingungen. Eine engere Integration steigert zudem die Produktivität und Zuverlässigkeit. Einige dieser Aktuatoren umfassen den Linearmotor selbst, einen Sockel und eine breite Linearführung, die einen Aluminiumschlitten 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 Linearmotorantriebe verfügen auch über Läufer mit eingebauten Schmierpads für eine umweltfreundliche Schmierung. In diesem Fall sind die Enden des Läuferblocks mit hermetisch abgedichteten Fettinjektoren ausgestattet, die die Laufbahn über einen Stahlkugelumlauf schmieren. In einigen Fällen sorgen optionale Schmierpads für eine zusätzliche Schmierung für einen langfristigen Betrieb mit geringerem Wartungsaufwand, insbesondere bei Achsen, die kurze Hübe ausführen.

Eisenlose Linearmotoren in einigen Aktuatoren weisen auch kein Rastmoment auf, so dass die Achse sowohl bei langsamen als auch bei schnellen Bewegungen stabile Bewegungen ausführen kann. Bei einigen Konstruktionen beträgt die Wiederholgenauigkeit mit einem optischen Längenmessgerät 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 Linearmotorantriebe, bei denen die beweglichen Teile die Magnete und die Schiene sind. Hier gibt es keine Probleme mit beweglichen Kabeln, die zu Unterbrechungen führen. Auch gibt es keine Probleme mit staubigen Umgebungen. Tatsächlich funktionieren die Aktuatoren auch in Vakuumumgebungen und Reinräumen gut. Das liegt daran, dass die Spulen fixiert sind, so dass die Wärme leicht an die Befestigungsstrukturen abgeleitet werden kann. Einige dieser Linearmotoraktuatoren erreichen eine Dauerkraft von 94,2 oder 188,3 N und eine Spitzenkraft von 242,1 oder 484,2 N - und nehmen je nach Ausführung einen Dauerstrom von 3,5, 7 oder 14 A auf. Die Hübe erreichen 430 mm.

Parameter zur Spezifikation von Linearmotortischen

Bei der Spezifikation von Aktuatoren oder Verstellern auf der Basis von Linearmotoren sind die folgenden Kriterien für jeden Teil des Bewegungsprofils der Konstruktion zu berücksichtigen:

- Wie ist der bekannte Bewegungszustand?

- Wie hoch sind die Masse der Last, die Systemmasse, der effektive Hub, die Verfahrzeit und die Verweilzeit?

- Wie ist der Antriebszustand, die maximale Ausgangsspannung, der Dauer- und Spitzenstrom?

- Welche Art von Encoderauflösung wird für die Einrichtung benötigt? Soll er analog oder digital sein?

- In welcher Art von Arbeitsumgebung wird der Antrieb oder der Versteller arbeiten? Wie hoch wird die Raumtemperatur sein? Wird die Maschine Vakuum- oder Reinraumbedingungen ausgesetzt sein?

- Welche Anforderungen stellt die Anwendung an die Bewegungspräzision und Positioniergenauigkeit?

- Wird der Linearmotoraktuator oder -tisch Lasten horizontal, vertikal oder in einem Winkel bewegen? Soll die Anlage an einer Wand montiert werden? Bestehen Platzprobleme?

Die Beantwortung dieser Fragen hilft den Konstrukteuren, die am besten geeignete Linearmotor-Iteration für eine bestimmte Maschine zu finden.