Herkömmliche Elektromotoren kommen aufgrund ihrer Bauart und Funktionsweise in vielen Anwendungen an ihre Grenzen. „Unsere kleinen, starken Motoren indes sind präzise bis in den Nanometerbereich, zeichnen sich durch sofortige Reaktionszeit aus und sind absolut spielfrei“, erklärt Mats Bexell, Gründer des schwedischen Unternehmens PiezoMotor mit Sitz in Uppsala. Das kleinste, unlängst auf den Markt gekommene Modell, derAktor LiNK, ist gerade so groß wie ein Daumennagel, wiegt drei Gramm und kann 200 Gramm bewegen. Als echte Direktantriebe machen Piezomotoren Getriebe redundant und sparen dadurch zusätzlich Platz.
 

Besonders effektiv sind die schwedischen Piezomotoren als Linearantriebe. Um im klassischen DC-Motor eine lineare Bewegung zu erzeugen, bedarf es Zahnstangen oder Spindelmechanismen. Dabei aber entstehen Verluste, die den Gesamtwirkungsgrad wesentlich beeinträchtigen und zusätzlichen Bauraum nötig machen – doch gerade dieser ist in vielen miniaturisierten Anwendungen begrenzt. Die 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.

Kleine Schritte, große Hübe

PiezoMotor setzt bei seinen Antrieben vornehmlich auf die PiezoLegs-Technologie. Dazu werden Stellglieder aus piezoelektrischem Keramikmaterial mit Strom beaufschlagt. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung dehnen sich diese paarweise angeordneten Stellglieder aus oder verbiegen sich seitlich und beginnen dadurch, eine Antriebsstange linear zu bewegen. Ähnlich ist die Funktionsweise bei Rotationsbewegungen, wo sie – ebenfalls ohne Getriebe oder Spindel – eine Scheibe in Drehung versetzen. Die Aktoren übernehmen dabei sowohl das Klemmen als auch den Antrieb. Vorteil: Durch die phasenversetzte Bewegung der Aktoren klemmt immer mindestens einer die Antriebsstange, sodass sie nie freiläuft. Kürzeste Schritt- und Vorschubbewegungen sind möglich. „Die sehr kleinen Schritte erstaunen vor allem in Kombination mit langen Hüben“, führt Mats Bexell aus. „Das erlaubt Ingenieuren, mit einem PiezoLegs-Motor zwei Bewegungssysteme zu ersetzen, ohne dabei Leistungseinbußen zu befürchten.“ 

Die Bewegung der Beine ist gleichzeitig so schnell, dass sie mit tausenden Schritten pro Sekunde eine Geschwindigkeit von mehreren Zentimetern pro Sekunde erreichen können. Bemerkenswert ist dabei die Geschwindigkeitsdynamik: Sie können mit sehr niedrigen Geschwindigkeiten bis zu Nanometern pro Sekunde ebenso betrieben werden wie mit bis zu 20 mm/Sekunde.
Piezomotoren sind selbsthemmend im Ruhezustand, verschleißarm und entwickeln keine Wärme. Sie wurden konzipiert für „Move-and-Hold“-Anwendungen, bei denen Präzision, geringer Platzbedarf, niedriger Energieverbrauch und einfache mechanische Konstruktion wichtige Faktoren sind.

Reaktion ohne Zeitverzögerung

Während der elektromagnetische Motor mit der Erzeugung von Kraft durch Magnetfelder arbeitet, wird die Leistung bei Piezomotoren durch die Vorspannung der piezokeramischen Beine in direktem Reibungskontakt mit dem Rotor oder der Antriebswelle erzeugt. „Da das Funktionsprinzip auf einem elektromechanischen und nicht auf einem elektromagnetischen Prinzip beruht, sind die Motoren grundsätzlich kompatibel für elektromagnetisch sensible Einsatzbereiche – und sogar fürs Vakuum“, erklärt Mats Bexell. „Die meisten Motortypen in unserem Portfolio sind in Ausführungen für diese besonderen Umgebungen verfügbar.“

Gesteuert werden können die Motoren mit kundenspezifischer Antriebselektronik oder aber mit Treibern und Controllern von Piezo­Motor. Mehrere Arten von Treibern für unterschiedliche Bedarfe ermöglichen sowohl den Betrieb im Open-Loop- als auch im Closed-Loop-Modus. Der Benutzer hat vollen Zugriff auf die Einstellung von Auflösung und Schrittfrequenz. Zum genauen Verfolgen der Position der Motoren und dem Betrieb im geschlossenen Regelkreis sind Positionssensoren nötig, die PiezoMotor ebenfalls anbietet.

Die Motoren sind für unterschiedliche Bereiche von OEM-Anwendungen in der Automatisierung bis zum mehrachsigen Positioniersystem für experimentelle Anwendungen geeignet. Hochauflösende Bewegungen mit Sub-Nanometer-Mikroschritten, schnelle Reaktions- und Einschwingzeiten sowie eine lange Lebensdauer machen die Piezomotoren zudem zur idealen Wahl für Anwendungen in der Halbleiterindustrie, wo dynamische Positionierung im geschlossenen Regelkreis in Produktionsanlagen gefragt sind, die rund um die Uhr arbeiten.

Piezomotoren: Mehr als nur eine Alternative

„Vom Pulver zur Herstellung des piezokeramischen Materials über die Entwicklung und Fertigung bis zum Vertrieb und der Auslieferung des fertigen Motors behalten wir dabei alles selbst in der Hand und garantieren dadurch eine hohe Qualität“, so Mats Bexell. „Dass die Motoren den harten Anforderungen der Industrie gerecht werden, beweisen sie seit vielen Jahren.“
Vor allem das Potenzial kleiner und starker Motoren wie den im Frühjahr 2021 präsentierten LiNK-Motor von PiezoMotor zeigt: In vielen Fällen ist der Einsatz der Piezomotoren viel mehr als eine Alternative zum elektromagnetischen Motor. Er verhilft Anwendern zu Innovationen und treibt die Weiterentwicklung von Produkten voran. 

Autor
Viktor Varga, Product Manager