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Foto: Piezomotor
Der LL06 mit spielfreiem Direktantrieb und mit einem Gewicht von nur 16g ist der bislang kleinste Linearmotor von Piezomotor auf kleinstem Bauraum.

Antriebs- und Steuerungstechnik

Linearmotoren für kleinsten Baumraum

Piezomotor bietet wartungs- und verschleißarme Linearmotoren mit reduzierter Anzahl von Bauteilen und geringem Bedarf an Bauraum – bedingungslose Perfektion.

Der Bedarf nach Linear-Direktmotoren, die nicht auf magnetischen Funktionsprinzipien basieren, ist groß:  Piezomotor aus Schweden bietet wartungsarme Miniaturmotoren in bedingungsloser Perfektion mit reduzierter Anzahl von Bauteilen, geringem Bedarf an Bauraum und kaum Verschleiß. Um mit rotatorischen Motoren eine lineare Bewegung zu erzeugen, bedarf es Zahnstangen oder Spindelmechanismen. Dabei aber entstehen Verluste, die den Gesamtwirkungsgrad wesentlich beeinträchtigen und zusätzlichen Bauraum nötig machen. Der aber ist in vielen miniaturisierten Anwendungen knapp. Die große Anzahl an Bauteilen und die Gefahr von Fehlern in der Positionierung durch Umkehrspiel sind weitere Nachteile, die zu schlechter Dynamik und mangelnder Präzision führen. In vielen Anwendungsbereichen sind deshalb lineare Direktantriebe gefragt, die eine Verbesserung des Wirkungsgrads, der Dynamik und des Regelverhaltens bieten.

Platzwunder: Linearmotoren für kleinsten Bauraum

 Für klassische Beispiele linearer Direktantriebe – etwa Magnetantriebe – ist der Hub allerdings meist auf wenige mm begrenzt. Zusätzlich muss zum Positionshalten Energie zugeführt werden, woraus eine ungewünschte Erwärmung resultiert. Elektromagnetische Antriebe verursachen darüber hinaus eine Störstrahlung und sind für Anwendungen, bei denen elektromagnetische Verträglichkeit Voraussetzung ist, nicht geeignet. Piezomotor mit Sitz im schwedischen Uppsala stellt hochpräzise Motoren mit Direktantrieb her, die nicht auf magnetischen Funktionsprinzipien basieren, keine Zahnräder oder mechanische Getriebe benötigen und sogar vakuumtauglich sind. Sie liefern spielfreie lineare Bewegung mit Nanometer- oder sogar Sub-Nanometer-Auflösung.

 Die Piezo-Technologie macht sich den so genannten inversen piezoelektrische Effekt zu Nutze. Piezoelektrizität beschreibt die Änderung der elektrischen Polarisation an Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden – umgekehrt bewirkt es eine Verformung der Materialien beim Anlegen einer Spannung. Die Linearmotoren der LEGS-Kategorie von Piezomotor funktionieren mit Beinen aus Keramik, die durch Spannung sowohl verlängert als auch seitlich gebogen und dadurch bewegt werden können. Hervorgerufen durch eine Synchronisation der paarweise angeordneten Beine startet eine Bewegung im Submikrometer- bis Nanometerbereich, welche die Linearmotoren antreibt. Die phasenversetzte Bewegung der Aktoren klemmt stets die Antriebsstange, sodass sie nie freiläuft. Während die Antriebsstange im Motor stets in direktem Kontakt zu den Piezoelementen steht, bewirkt die Reibungskopplung zwischen den Schenkeln und der Antriebsstange absolute Spielfreiheit, extrem kurze Reaktionszeit und hohe Auflösung. Da darüber hinaus Klemmen und Bewegungen von denselben Aktoren übernommen werden, ist die starke Verriegelung ohne Leistungsaufnahme bei Stillstand gewährleistet. Move-and-Hold-Anwendungen sind das Spezialgebiet der Motoren. Die Leistungsfähigkeit der Piezo-Linearmotoren reicht je nach Typ von einigen wenigen bis zu 450 N.

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Foto: Piezomotor Dank seiner doppelt gepaarten Beine kann er mit großer Kraft Mikroschritte im Sub-Nanometerbereich leisten.

Leistungsfähig bis ins kleinste Detail

Ein linearer Piezomotor bietet enorme Vorteile in Bezug auf die Genauigkeit. Seine Funktionsweise beruht, wie beschrieben, auf dem Reibungskontakt zwischen dem Piezomaterial und er beweglichen Stange, die wiederum an dem zu bewegenden Objekt befestigt ist – das macht dem Motor zu einem echten Direktantrieb. Die Anzahl der Bewegungskomponenten wird auf ein Minimum reduziert. Die inhärente Steifigkeit des Piezomaterials kann so voll ausgenutzt werden, was zu einer stabilen und wiederholbaren Leistung führt. Das Gesamtsystem ist stabil und vorhersehbar. Viele der piezoelektrischen Motoren sind vakuumtauglich, während herkömmliche Elektromotoren nur unter enormen Anpassungsaufwand der verwendeten Materialien in Betracht kommen. Die Motorkomponenten gasen im Vakuum aus und zerstören die Funktionalitäten, die austretenden Materialien schlagen sich an den umliegenden Wänden und Komponenten nieder. Die Ausgasung führt zur Verschmutzung der optischen Präzisionskomponenten und empfindlichen Materialien im Vakuum. Wenn darüber hinaus aus den Motorblechen, Wicklungen und Metalloberflächen Luftmoleküle austreten, führt das zu einem unzureichenden Vakuum. Diese möglichen Leckagen haben einerseits lange Abpumpzeiten zur Folge und können andererseits langfristig zu unzureichendem Vakuum führen. Externe Steuerungslösungen aber bedeuten für Positioniersysteme Einschränkungen in Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Auflösung. Die Vollkeramik-Isolieraktoren von Piezomotor gewährleisten Ausgasungsfreiheit und hohe Ausheiztemperaturen – optimale Voraussetzungen für den Einsatz selbst im Ultrahochvakuum. Ohne bewegliche Teile wie Zahnräder oder Lager, sind sie außerdem verschleißfrei. Langzeituntersuchungen haben die Tauglichkeit bestätigt. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ist die Anzahl der Teile und Elemente im Piezomotor gering: Die einfache Antriebselektronik spart Platz, wodurch jede Anwendung in hohem Maße miniaturisiert werden kann. Die Einsatzbereiche sind deswegen überall dort, wo höchste Präzision bei größter Miniaturisierung gefragt ist. Die Spielfreiheit, eine hohe Haltekraft im ausgeschalteten Zustand sowie eine sehr gute Dynamik und extreme Miniaturisierbarkeit wissen viele Anwender bereits zu schätzen. Dass die Piezomotoren darüber hinaus wartungsarm und vakuumtauglich sind sowie ohne Magnetfelder arbeiten, macht sie für eine große Auswahl von OEM-Anwendungen mit Fokus auf hochgenauer Positionierung attraktiv. Piezomotor zeichnet sich durch ein hohes Innovationspotential und enge Kooperation mit den Kunden aus. Gerade wenn es um den Einsatz in High-Tech-Branchen geht, ist die Zusammenarbeit auf Entwicklerebene erforderlich. In Kürze präsentiert das Unternehmen eine neue Produktlinie: Ein revolutionär kleiner Linearmotor – groß wie ein Fingernagel und enorm stark. Kosteneffizient und unkompliziert wird er sich für unterschiedlichste Anwendungen einsetzen lassen von der Halbleiterindustrie und Optik über die Medizintechnik bis hin zur Fertigungsautomatisierung.

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Foto: Ginolis Für eine Mikrodosierpumpe für von Volumina von nur 1 nL sind die Anforderungen an Präzision besonders hoch. Ein Antrieb von Piezomotor wird dem gerecht