Teil 1 – Was sind Tauchspulenantriebe?

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Ed Neff, President von SMAC-Moving-Coil-Actuators:

Zuerst kamen Hydraulische Antriebe. Flüssigkeiten sind nicht komprimierbar, was sie bei hohen Kräften als Servo-Antriebe einsetzbar macht. Das ermöglicht variable Geschwindigkeiten und Positionierungen. Hydraulische Antriebe finden in der Maschinen und Kunststoffindustrie ihren Platz. Die Bewegungen sind relativ langsam. Die Kosten für erforderliche Pumpen, Ventile und andere Einrichtungen sind relativ hoch. Ein Problem ist auch die Leckage Gefahr. Die Typische Lebensdauer von Hydraulikzylindern sind 10 Millionen Zyklen.

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Die Pneumatische Antriebstechnik setzte sich nach ende des 2. Weltkrieges durch. Hier werden kleine bis mittlere Kräfte relativ schnell ausgeführt. Pneumatische Antriebe eignen sich kaum als Servo- Antriebe aufgrund der Komprimierbarkeit von Luft. Eine Exakte Positionierung ist sehr schwierig zu realisieren. Diese Antriebe werden vorzugsweise zum Anfahren von zwei Positionen eingesetzt, wobei die Positionierung manuell eingestellt werden muss.

Auch Elektrische Linearantriebe sind seit dem 2. Weltkrieg im Einsatz. Die ersten dieser Antriebe (und viele heute noch) wandeln die Rotation eines Motors in eine Linearbewegung um, oft durch Spindeltriebe. Diese Antriebsmotoren sind meistens Schrittmotoren oder Servomotoren mit geschlossenem Regelkreis, wobei die Position und Geschwindigkeit programmierbar ist. Eine hohe Lineare Geschwindigkeit ist hier zwar durch entsprechend steile Schraubengeometrien möglich, dies beeinträchtigt jedoch wiederum die Positioniergenauigkeit. Die Lebensdauer ist mit einem Pneumatikzylinder vergleichbar. Die kosten sind im Vergleich zu Pneumatikzylindern jedoch 3x so hoch. Diese elektrischen Stellantriebe können Hydraulische Komponenten ersetzen, sind aber aufgrund der Präzisionskompromisse bei hoher Geschwindigkeit und der erwähnten Lebensdauer nun in direkter Konkurrenz zu direkt angetriebenen Linearantrieben.

In den späten 80ér Jahren kamen direkt angetriebene Linearantriebe zum Einsatz. Dies ist auf die Entwicklung hochfester Magnete zurückzuführen- zuerst Samarium-Cobalt, dann Neodym. Hier bewegen sich die Magnete in einer Gleichstromspule. Diese Linearen Stellantriebe sind in Position und Geschwindigkeit programmierbar, haben eine viel längere Lebensdauer- bis 100 Millionen Zyklen  im Vergleich zu Pneumatik- oder Spindelantrieben. Für hohe Geschwindigkeiten benötigen diese Antriebe einen Strom von mindestens 5A (48V) – bedingt durch die relativ hohe Masse der zu bewegenden Magneten. Das Kraftniveau ist vergleichbar zu Pneumatikzylindern- bei einem etwa 8x höheren Preis.

Seit der Jahrtausendwende gibt es einen weiteren Linearantrieb auf dem Markt – Den Tauchspulenantrieb (moving-coil-actuator). Die Entwicklung der Neodym-magnete macht Antriebe möglich, bei der sich die Spule in einem Permanent- Magnetfeld bewegt. Hier ist neben der Position und Geschwindigkeit auch die Kraft programmier- und kontrollierbar. Da die bewegliche Spule sehr wenig Masse aufweist, handelt es sich hier um die schnellsten Linearantriebe auf dem Markt. Wie auch die Antriebe mit beweglichen Magneten haben diese Antriebe eine sehr lange Lebensdauer. Die Stromaufnahme liegt aufgrund der geringen zu bewegenden Masse im Bereich von 1,5A (48V). Der Hub ist auf etwa 500mm begrenzt und die Kraft ist ebenfalls mit Pneumatikzylindern vergleichbar. Der Preis ist etwa 2-3x so hoch im Vergleich zu Pneumatikzylindern- mit sinkender Tendenz.

Mittlerweile haben Elektrische Antriebe rund 70% der Hydraulischen Antriebstechnik ersetzt – meist aus Kostengründen und der höheren Lebensdauer.

Pneumatische Stellantriebe waren aufgrund der geringen Anschaffungskosten viel schwerer zu ersetzen. Dies ändert sich jedoch vor allem in den Bereichen, wo Geschwindigkeit und Lebensdauer entscheidend sind. Vor allem in der Verpackungsindustrie ersetzen alle drei elektrischen Ausführungen von Lineartrieben die Pneumatik. Die wichtigsten Gründe dafür sind der Verzicht auf einen Kompressor, höhere Lebensdauer, Programmierbare Positionierung und höhere Geschwindigkeit. Trotzdem sind die Kosten ein entscheidender Faktor: – es werden köstengünstigere elektrische Stellantriebe benötigt, um diesen Industriezweig vollständig von der Pneumatik abzulösen.

Das führt uns zu Tauchspulenantrieben (moving-coil-actuators), die all diese konstruktiven Ziele für neue Verpackungsmaschinen erfüllen.

Im folgenden technical note werden wir detailliert beschreiben, wie ein Tauchspulenantrieb funktioniert und was diese Technik leisten kann. Wir erklären auch, wie eine Lebensdauer von einer Milliarde (1.000.000.000) Zyklen möglich ist und die Kosten weiter sinken.

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