Ein Rotationsservomotor erzeugt erst dann eine lineare Bewegung, wenn ein mechanischer Umwandler seine Drehbewegung in eine Linearbewegung umwandelt.
Ein Linearmotor hingegen erzeugt diese Bewegung direkt, ohne dass zwischendurch eine Umwandlung stattfindet. Dieser eine konstruktive Unterschied bildet die Grundlage für alle folgenden Kompromisse in Bezug auf Kraft, Geschwindigkeit, Genauigkeit und Kosten.
Wenn man sich einen Linearmotor als einen entrollten bürstenlosen Rotationsmotor vorstellt, versteht man sein grundlegendes elektromagnetisches Prinzip. Anstelle eines Rotors, der sich im Inneren eines Stators dreht, bewegt sich ein Schlitten entlang einer Bahn aus abwechselnd angeordneten Permanentmagneten.
Da die zugrunde liegenden Prinzipien identisch sind, erfolgen die Kommutierung und Steuerung bei Servoantrieben auf genau dieselbe Weise.
Das mechanische Getriebe – wie beispielsweise eine Kugelumlaufspindel, ein Riemen oder ein Zahnstangengetriebe – ist der Punkt, an dem das Rotationssystem seine einzigartigen Vorteile ausspielt und gleichzeitig seine Nachteile mit sich bringt.
Worin besteht der wesentliche technologische Unterschied zwischen einem Linearmotor und einem Rotationsservomotor?
Ein Linearmotor ist ein „entrollter“ Rotationsservomotor. Anstelle eines Rotors, der sich innerhalb eines Stators dreht, bewegt sich ein Schlitten mit dreiphasigen Spulen entlang einer Schiene aus Permanentmagneten, deren Polarität sich abwechselt. Der durch die Spulen fließende Strom magnetisiert jede Phase entweder als Nord- oder Südpol, und die daraus resultierenden Anziehungs- und Abstoßungskräfte treiben den Schlitten entlang der Schiene voran.
Der Antrieb kommutiert und steuert ihn auf dieselbe Weise wie einen bürstenlosen Rotationsmotor – das elektromagnetische Prinzip ist identisch, lediglich die Geometrie ist offen.
Bei der rotierenden Variante bleibt der Motor in Drehung und wird um ein Getriebe ergänzt: eine Kugelumlaufspindel, einen Riemen mit Riemenscheibe oder eine Zahnstange mit Ritzel.
Beide wandeln Drehbewegung in Translationsbewegung um, wobei jeweils unterschiedliche Kompromisse eingegangen werden – Riemen bieten den Vorteil von Geschwindigkeit und niedrigen Kosten gegenüber Präzision, Zahnstangenantriebe hingegen ermöglichen sehr lange Hübe.
In diesem Artikel wird die Kugelumlaufspindel als repräsentatives Beispiel herangezogen, da es sich hierbei um den Umwandlungsmechanismus handelt, dessen Präzision am häufigsten in direkter Konkurrenz zu der eines Linearmotors steht. Das Getriebe ist der Bereich, in dem das rotierende System seine Vorteile ausspielt und gleichzeitig seine Nachteile mit sich bringt; daher ist es der richtige Ausgangspunkt.
Linearmotor vs. Rotationsservomotor: Ein kurzer Vergleich
Die folgenden sechs Parameter stellen repräsentative veröffentlichte Bereiche dar; die tatsächlichen Werte hängen vom jeweiligen Motor, der Gewindesteigung, dem Rückmeldesystem und der Bauweise der Antriebsstufe ab.
| Kriterium | Drehservo + Kugelumlaufspindel | Linearmotor (Direktantrieb) |
| Bewegungsbahn | Durch eine Kugelumlaufspindel umgesetzte Drehbewegung | Direkter linearer Hub, keine Umwandlung |
| Spitzenbeschleunigung | ~2 g (typisch für Servo + Kugelumlaufspindel) | Bis zu ca. 10 g |
| Höchstgeschwindigkeit | ~0,5–1 m/s (20–40 Zoll/s) | ~5–10 m/s (bis zu ~400 in/s) |
| Positioniergenauigkeit | ~3–5 µm – praktische Untergrenze | Submikron; bis hin zu Bruchteilen eines µm |
| Backlash | Durch eine vorgespannte Mutter beseitigt; der Führungsfehler bleibt bestehen | Keine – kein Kontakt im Kraftweg |
| Kraft | Durch die Schraube verstärkt; hohe Schubkraft | Begrenzt durch Spulenstrom und magnetische Eigenschaften |
Kraft: Der mechanische Vorteil
Der entscheidende Vorteil der Kugelumlaufspindel liegt in der mechanischen Kraftverstärkung. Eine Spindel mit kurzer Steigung tauscht Geschwindigkeit gegen Kraft ein und verstärkt das Drehmoment des Motors zu einer hohen linearen Schubkraft. Aus diesem Grund dominieren Rotations-Spindel-Systeme in Pressen und Spannvorrichtungen, wo ein Linearmotor vergleichbarer Größe nicht mithalten könnte.
Ein Linearmotor verfügt über kein Getriebe zur Kraftverstärkung. Sein Schub entsteht direkt durch die Wechselwirkung des Spulenstroms mit der Magnetbahn, sodass seine Dauerkraft streng davon begrenzt ist, wie viel Strom die Spulen führen können, bevor sie überhitzen.
Geschwindigkeit, Beschleunigung und Abklingen
Beim Direktantrieb heben sich Linearmotoren wirklich deutlich von der Konkurrenz ab. Da keine Spindel gedreht und keine nachgiebige Kupplung aufgezogen werden muss, erreicht ein Linearmotor Beschleunigungen von fast 10 g und Geschwindigkeiten von etwa 5–10 m/s. Typische Servo- und Kugelumlaufspindel-Tische erreichen maximal etwa 2 g und Geschwindigkeiten von unter 1 m/s.
Zudem setzen lange, dünne Kugelumlaufspindeln eine ganz eigene Obergrenze. Ab einer kritischen Drehzahl beginnt eine lange Spindel zu peitschen, was die nutzbare Verfahrgeschwindigkeit begrenzt und Konstrukteure dazu zwingt, größere Spindeldurchmesser zu verwenden. Linearmotoren haben keine rotierende Welle und unterliegen keinerlei Peitschenbeschränkungen.
Trägheit und thermische Grenzen verstehen
Ein Getriebe reduziert das vom Motor wahrgenommene Lastträgheitsmoment um das Quadrat seines Übersetzungsverhältnisses. Bei einer Kugelumlaufspindel beträgt die auf die Motorwelle übertragene Lastmasse:
Wo Jref ist das Massenträgheitsmoment an der Motorwelle, m ist die Masse der bewegten Last, und p ist die Gewindesteigung.
Da der Versatz quadriert ist, lässt ein geringer Versatz selbst schwere Nutzlasten für den Motor klein erscheinen, wodurch der Motor von Lastschwankungen entkoppelt wird. Bei einem Linearmotor findet keine solche Reduzierung statt, da die volle Last direkt auf den Antrieb wirkt, was die Abstimmung bei variierenden Nutzlasten erschwert.
Auch das thermische Verhalten unterscheidet sich erheblich. Rotationsmotoren befinden sich an der Antriebsseite und leiten die Wärme vom Arbeitsbereich weg. Die Spulen eines Linearmotors bewegen sich mit der Last mit, wodurch Wärme in temperaturempfindliche Prozesse gelangen kann.
Bei Linearmotoren ist die Dauerleistung thermisch begrenzt, und der Temperaturanstieg der Spulen verläuft wie folgt:
Weil Gewalt Fc Es zeigt sich, dass hohe Umgebungstemperaturen oder die maximalen Temperaturgrenzwerte der Spule die Dauerleistung des Motors drastisch verringern.
Fazit: Wann sollte man sich für welche Variante entscheiden?
Die Kombination aus Dreh- und Schraubenantrieb ist in der Anschaffung in der Regel kostengünstiger und bietet ein weitaus besseres Kraft-Preis-Verhältnis. Sie ist die richtige Wahl, wenn Kraftdichte und Kosten gegenüber einer hohen Dynamik überwiegen, beispielsweise beim Pressen mit hohem Schub, bei vertikalen Achsen oder bei Anwendungen mit stark schwankenden Nutzlasten.
Umgekehrt sollten Sie sich für einen Linearmotor entscheiden, wenn die Anwendung eine Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Genauigkeit erfordert, die eine Spindel nicht erreichen kann.
Sie ermöglichen eine Positionierung im Submikrometerbereich und eignen sich ideal für Pick-and-Place- oder Scan-Prozesse mit hohem Durchsatz, bei denen mechanische Verspannungen oder Verschleiß das Endergebnis beeinträchtigen würden.
Da ein Linearmotor elektrisch gesehen letztlich nichts anderes als ein Rotationsmotor ohne Wicklung ist, können Standard-Servoantriebe wie der FlexPro und der DigiFlex Performance von ADVANCED Motion Controls beide nahtlos betreiben.
