PIMag® Magnetische Direktantriebe

Dynamisch, kostengünstig und individuell

Magnetische Direktantriebe bieten vor allem hinsichtlich Verschleiß und Dynamik Vorteile gegenüber klassischen spindelbasierten Lösungen. Da sie weitgehend auf mechanische Komponenten verzichten, gibt es weniger Reibung und Spiel und damit mehr Präzision.

PI passt bei der PIMag® Serie die Systemkomponenten wie Stator, Aktor oder Elektronik spezifisch an die jeweilige Anwendung an.

Von solchen Individualisierungen lässt sich in vielen Bereichen der Automatisierungs- und Handhabungstechnik profitieren, beispielsweise bei Kippspiegeln, Dosier-, Prüf- und Fokussieranwendungen, bei Endoskopen oder Weltraumteleskopen.


Eigenschaften der PIMag® Antriebe

Voice-Coil-Aktoren und magnetische Linearantriebe machen sich die Tatsache zunutze, dass die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld proportional zur Magnetfeldstärke und zum Strom ist. Die elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt und erzeugt eine Kraft, die je nach Stromrichtung bidirektional wirken kann. Diese Funktionsweise bietet vor allem hinsichtlich Verschleiß und Dynamik Vorteile gegenüber der klassischen Spindeltechnik. Da sie weitgehend auf mechanische Komponenten verzichtet, gibt es weniger Reibung und Spiel und damit mehr Präzision. Gleichzeitig sinken die Kosten und die Energieeffizienz steigt.

Positions- und Kraftregelung

Zudem sind bei diesem stromgeregelten Prinzip – anders als zum Beispiel bei piezobasierten Antriebslösungen – sowohl Positions- als auch Kraftregelung möglich. Damit lassen sich vergleichsweise große Verfahrwege bei geringen Aktor- bzw. Antriebsmessungen realisieren.

Voice-Coil Antriebe

Diese reibungsfreien magnetischen Linearantriebe werden durch hohe Dynamik, aber relativ geringe Haltekräfte charakterisiert. Sie kommen besonders bei Scananwendungen mit Stellwegen bis zu einigen zehn Millimetern zum Einsatz. Um eine Position stabil zu halten, muss der Voice-Coil, wie jeder magnetische Direktantrieb, in Regelung betrieben oder gebremst werden.


Linearmotoren

Magnetische Linearmotoren entsprechen im Prinzip einer Aneinanderreihung mehrerer Voice-Coil-Aktoren; einzelne Spulen lassen sich nach positionsabhängigem, festgelegtem Muster ansteuern (Kommutierung). Dabei ist prinzipiell entweder die Bewegung der Spulen- oder der Magnetbaugruppe möglich.

Linearmotoren werden sowohl für sehr hohe als auch für sehr geringe Vorschubgeschwindigkeiten eingesetzt. Sie arbeiten präzise in einem Bereich von unter 0,1 μm/s bis zu über 5 m/s.

In Kombination mit Luft- oder Magnetlagern ist eine Positionsauflösung bis zu wenigen Nanometern erreichbar. 


Kraft- und Positionsregelung

Aufgrund der Stromsteuerung und der linearen Abhängigkeit der Antriebskraft zum Strom, können magnetische Direktantriebe nicht nur positions- oder geschwindigkeitsgeregelt betrieben werden, sondern auch kraftgeregelt.

Die Kraftregelung ermöglicht den Betrieb von PIMag® Antrieben und Verstellern mit definierter Halte- oder Vortriebskraft. Die Kraft- und Positionssensoren können gleichzeitig ausgelesen und die Werte verarbeitet werden. Dadurch ergeben sich neben der reinen Kraftregelung die Optionen einer unterlagerten Positions- und Geschwindigkeitsregelung. Eine Auto-Zero-Funktion legt den Haltestrom fest, bei dem der Antrieb im ungeregelten Betrieb eine Kraft von 0 N aufbringt, z. B. für die Kompensation der Gewichtskraft.

PI bietet die Möglichkeit, PIMag® Aktoren mit einem Kraftsensor auszurüsten.


Flexible Anpassung auf Kundenanforderungen

PI passt alle Systemkomponenten wie Stator, Aktor oder Elektronik auf die spezifischen Anforderungen an. Dadurch wird eine ähnliche Technologietiefe erzielt, wie bei piezokeramischen Antrieben.

Zusammen mit den Kenntnissen über Regelungstechnik, Führungssysteme und Nanometrologiesensorik ist PI auch im Bereich magnetischer Direktantriebe flexibel genug, um spezielle Anforderungen nicht mit zugekauften Lösungen „von der Stange“ zu bedienen. Für den Anwender macht es so praktisch keinen Unterschied, nach welchem Antriebsprinzip sein Positioniersystem arbeitet. Er kann sicher sein, dass er eine auf die Applikation maßgeschneiderte Positionierlösung erhält.

Antriebskonzept

Für die Wahl des für eine Positionieranwendung idealen Antriebskonzepts gibt es leider kein Patentrezept. Ob sich piezobasierte oder magnetische Antriebslösungen besser eignen, ist vom Zusammenspiel vieler Parameter abhängig, die die konkrete Anwendung vorgibt.

Zu berücksichtigen gilt es z. B. die geforderte Systemsteifigkeit, den benötigten Hub sowie die vorhandene Energieversorgung. Hinzu kommen das gewünschte Regelverhalten, der zur Verfügung stehende Bauraum sowie eventuelle Sicherheitsanforderungen und nicht zuletzt auch Normen oder die zu erwartenden Kosten.

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Patente

[] PI owns the following patents or patent applications for the technology field Magnetic Direct Drives (PIMag®): 

  • WO212146709A2
  • DE102012207082A1

Produkte

[] Voice coil actuators and magnetic linear motors offer advantages compared to common spindle-based technologies, especially with regard to wear and dynamics. Since they use as few mechanical components as possible, this results in less friction and backlash and thus more precision.

 

 

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Brochure: PIMag® Magnetic Direct Drives

Precision Engineering and Motion Control Expertise
BRO44
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