Piezomotoren - die kompakte Alternative

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für die Feinmechanik, bei tragbaren Messgeräten, bei der Positionierung optischer Komponenten oder in der Mikroskopie

Sicherheit & Industrieversorgung, Motoren & Antriebstechnik

Piezomotoren - die kompakte Alternative
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Marc Thelen, R&D Manager Piezomotoren bei der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co.KG
Marc Thelen, R&D Manager Piezomotoren bei der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co.KG

Die Wahl des Antriebs kann für Gerätehersteller das erfolgsentscheidende Kriterium sein. Piezomotoren bieten sich oftmals als Alternative zur klassischen Gleichstrom- oder Schrittmotor-Spindelkombination an. Typische Einsatzbereiche, in den Piezomotoren ihre Vorteie ausspielen können, finden sich bei Automatisierungsaufgaben in der Feinmechanik, bei tragbaren Messgeräten, bei der Positionierung optischer Komponenten oder in der Mikroskopie. Piezo-Ultraschallmotoren erschließen zudem immer mehr Lösungsansätze und treiben so unterschiedlichste Technologien nicht nur an, sondern voran.

Piezomotoren zeichnen sich durch Zahlreiche Faktoren aus: Einbaumaße, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Positioniergenauigkeit, Energieverbrauch und Zuverlässigkeit. Die PILine Ultraschallmotoren der Karlsruher Firma Physik Instrumente bieten im Vergleich zu klassischen Gleichstrom- oder Schrittmotor-Spindelkombination im gleichen Bauraum höhere Antriebs- und Haltekräfte sowie extrem hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Die Antriebe benötigen weder verschleißanfällige Kupplungen noch Getriebe und lassen sich in unterschiedlichste Anwendungen integrieren.

Wesentlicher Bestandteil des Ultraschall-Piezomotors ist ein Piezoaktor, der über ein Kopplungselement gegen einen beweglich geführten Läufer vorgespannt ist. Der Aktor wird mit einer hochfrequenten Wechselspannung zu Ultraschallschwingungen zwischen 100 und 200 kHz angeregt, was zu einer periodischen diagonalen Bewegung des Kopplungselements zum Läufer führt. Je Zyklus beträgt der so erzeugte Vorschub wenige Nanometer, die hohen Frequenzen sorgen für hohe Geschwindigkeiten. Mit diesem Prinzip lassen sich auch Drehbewegungen realisieren. Wirken piezokeramische Aktoren seitlich auf einen ringförmigen Läufer, erzeugen sie eine schnelle Drehbewegung. Die auf diese Weise erzeugten Haltemomente liegen bei etwa 0,3 Nm. Für kleine Drehversteller lassen sich auch ringförmige Aktoren.

In jedem Fall sorgt die Vorspannung des piezokeramischen Aktors gegen den Läufer für die Selbsthemmung des Antriebs in Ruhe und im ausgeschalteten Zustand. So verbraucht er keine Energie, erwärmt sich nicht und hält dennoch die Position mechanisch stabil. Bei klassischen Direktantrieben ist dazu eine Bremse notwendig. Ultraschallmotoren sind daher für Anwendungen mit geringer Einschaltdauer, die batteriebetrieben oder wärmeempfindlich sind und nur wenig Bauraum bieten prädestiniert. Die Bewegung des piezokeramischen Aktors beruht auf kristallinen Effekten und kennt keinen Verschleiß. Abhängig vom Betriebsmodus erreichen die Ultraschallmotoren deshalb Laufstrecken von über 500 km.

Ultraschall-Piezomotoren eignen sich besonders für Anwendungen abseits vom Dauerbetrieb, etwa mobile Mess- oder Medizingeräte. Aufgrund ihrer Selbsthemmung benötigen sie keine Bremsen oder elektrische Ströme um die gewünschte Zielposition zu halten. Dabei verrichten sie ihr Werk praktisch geräuschlos. So kann eine mit ringförmig angeordneten Piezo-Ultraschallantrieben ausgestattete Arzneimittelpumpe bewegen unterschiedliche Arzneimittelmengen exakt dosieren.

Gut integrierbare Piezo-Ultraschallantriebe sind auch bei der Positionierung optischer Komponenten oft erste Wahl, etwa bei Laserstrahlsteuerung oder der Positionierung von Messoptiken. Bei tragbaren, geodätischen Messsystemen konnten sie ebenfalls die Leistungsfähigkeit deutlich steigern. Gegen eine klassische Lösung mit getriebeuntersetzten Gleichstrommotoren sprachen deren typische Schwachstellen, wie Verschleiß der mechanischen Komponenten oder die Geräuschentwicklung bei Überwachungsmessungen in Wohnvierteln oder Innenstadtlagen. Gegen eine Lösung mit magnetischem Direktantrieb sprach auch das Fehlen des bei Präzisionsmessungen erforderlichen, mechanischen Haltemoments, das im mobilen Einsatz nicht energieeffizient erzeugt werden kann.

Im Vergleich dazu bietet ein Direktantrieb mit Piezo-Ultraschallmotor hohe Zuverlässigkeit, ist wartungsfrei, arbeitet bei Umgebungstemperaturen zwischen -20 °C und +50 °C und ist beinahe geräuschlos sowie selbsthemmend. Die Drehbewegungen des Direktantriebs werden durch jeweils zwei Ultraschallmotoren erzeugt, die tangential gegen einen ringförmigen Läufer vorgespannt sind. Der Läufer ist drehbar gelagert. Durch die Vorspannung ist der Antrieb in Ruhelage geklemmt; es gibt in diesem Zustand also auch kein Positionszittern wie bei magnetbasierten Direktantrieben. Mit dieser Lösung werden bisher unerreichte Geschwindigkeiten von mindestens 180°/s, dem Vierfachen des bisher üblichen Wertes, und hohe Beschleunigungen von mindestens 360°/s² erreicht. Der Antrieb bietet zudem ein verbessertes Start- und Stoppverhalten bei gleichzeitig hoher Auflösung und niedrigem Stromverbrauch. Zusammen mit den kurzen Positionierzeiten und der erforderlichen Positioniergenauigkeit setzt er neue Maßstäbe in der Winkel- und Distanzmessung.

Ähnliches gilt für viele weitere Anwendungen, bei denen optische Komponenten positioniert werden sollen: Überwachungskameras, Nachtsichtgeräten etc. Ein typischer Vorteil der Piezos ist hier die geräuschlose und schnelle Fokussierung. Geringe Größe, schnelle Reaktion und hohe Zuverlässigkeit zählen auch beim Biohandling, Mikroskopie-Verstelleinheiten oder Packaging-Lösungen für die Silizium-Photonik.

Natürlich stehen für die Ultraschallmotoren auch die geeigneten Treiberelektroniken und Servocontroller zur Verfügung. Als Platinenlösung oder Chip lassen sie sich ebenfalls gut in die jeweilige Applikation integrieren. Für den Ansteuer-Chip beispielsweise wird das komplette Schaltungslayout gleich mitgeliefert. Piezobasierte Antriebskonzepte kommen auch für noch höhere Kräfte und Auflösungen in Betracht. NEXACT Schreitantriebe beispielsweise bieten Nanometer-Auflösung bei Geschwindigkeiten bis 10 mm/s, während NEXLINE Antriebe, die ebenfalls auf schreitenden Piezoelementen beruhen, für hohe Kraftentwicklung ausgelegt sind. PIShift piezoelektrische Trägheitsantriebe sind platzsparend, bieten hohe Haltekräfte sowie prinzipiell unbegrenztem Stellweg bei Auflösungen im Bereich von weniger als 1 nm.

Veröffentlicht am Mai 15, 2015 - (404 views)
von
Physik Instrumente (PI) GmbH & Co.KG
Auf der Römerstraße 1
76228 Karlsruhe - Germany
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+49-721-48461019
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Beschreibung

Bekannt für hohe Qualität, nimmt das Unternehmen PI seit vielen Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise Positioniertechnik ein. Seit 40 Jahren entwickelt und fertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder Motorantrieben. Neben drei deutschen Werken ist PI weltweit mit acht Niederlassungen und insgesamt über 500 Mitarbeitern vertreten.

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