Piezomotor – diese Vorteile bietet der Linear-Direktmotor

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Piezomotor – diese Vorteile bietet der Linear-Direktmotor

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Der Bedarf nach Linear-Direktmotoren, die nicht auf magnetischen Funktions­prinzipien basieren, ist groß: Für Nanotechnologien, in der Medizintechnik und auch für viele Vakuumanwendungen sind lineare Antriebe mit besonderen Funktionsprinzipien gefragt. PiezoMotor aus Schweden bietet wartungsarme Miniaturmotoren mit reduzierter Anzahl von Bauteilen, geringem Bedarf an Bauraum und kaum Verschleiß.
Piezomotor

Piezomotor: Um mit rotatorischen Motoren eine lineare Bewegung zu erzeugen, bedarf es Zahnstangen oder Spindelmechanismen. Aller­dings entstehen dabei Verluste, die den Gesamtwirkungsgrad wesentlich beeinträchtigen. Zudem wird ein zusätzlicher Bauraum benötigt. 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.

Piezomotor als Lösung für den kleinsten Raum

Für klassische Beispiele linearer Direkt­antriebe – etwa Magnetantriebe – ist der Hub allerdings meist auf wenige Millimeter 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 Bewegungen mit Nanometer- oder sogar Sub-Nanometer-Auflösung.

Inverser piezoelektrischer Effekt

Die Piezo-Technologie macht sich den so genannten inversen piezoelektrischen 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.

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 diese 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, eine extrem kurze Reaktionszeit und eine 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 Newton.

Piezomotor
Die meisten Motoren, wie etwa der Piezo LEGS Linear Twin LT40, sind sowohl für normale Umgebungen und als auch als unmagnetische Vakuum-Version erhältlich. Dank seiner doppelt gepaarten Beine kann er mit großer Kraft Mikroschritte im Sub-Nanometer­bereich leisten. Bild: PiezoMotor

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 der beweglichen Stange, die wiederum an dem zu bewegenden Objekt befestigt ist – das macht den Motor zu einem echten Direktantrieb. Die Anzahl der Bewegungskomponenten wird auf ein Minimum reduziert. Die inhärente Steifigkeit des Piezomaterials lässt sich so voll ausnutzen, 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 einem unzureichenden 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.

Piezomotor
Mikrodosierpumpe: Für Volumina von nur einem Nanoliter sind die Anforderungen an die Präzision besonders hoch. Ein Antrieb von PiezoMotor wird dem gerecht. Bild: Ginolis

Piezomotor: Weniger Platz erforderlich

Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ist die Anzahl der Teile und Elemente im Piezomotor gering: Die einfache Antriebs­elektronik spart Platz, wodurch sich jede Anwendung in hohem Maße miniaturisieren lässt. Deswegen sind die Einsatzbereiche 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 Innovationspotenzial 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.

Der Autor Viktor Varga ist Product Manager bei PiezoMotor Uppsala AB in Schweden.

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