PiezoMotor PiezoLEGS: Piezomotoren als Treiber für Innovationen

Klein in der Größe, aber groß in der Leistung: Die Antriebe von PiezoMotor leisten auch dort brillante Arbeit, wo herkömmliche Elektromotoren versagen.

„Herkömmliche Elektromotoren bringen in vielen Anwendungen aufgrund ihrer Bauart und Funktionsweise nicht die erforderlichen Eigenschaften mit“, bestätigt Mats Bexell, Mitbegründer des schwedischen Unternehmens mit Sitz in Uppsala. „Unsere kleinen, starken Motoren sind präzise bis in den Nanometerbereich, zeichnen sich durch sofortige Reaktionszeit aus und sind absolut spielfrei“, erklärt er.

Die Motoren von PiezoMotor gibt es in linearer und rotierender Ausführung – das kleinste Modell ist gerade so groß wie ein Daumennagel, wiegt drei Gramm und kann dennoch 200 Gramm bewegen. Als echte Direktantriebe machen Piezomotoren Getriebe redundant und sparen dadurch zusätzlich Platz, der in vielen Anwendungen ohnehin Mangelware ist.

Der Piezo LEGS® Linear Twin LT40, der leistungsstärkste im Portfolio, ist sowohl für normale Umgebungen als auch in einer unmagnetischen Vakuum-Version erhältlich. Seine doppelt gepaarten Beine lassen ihn mit großer Kraft Mikroschritte im Sub-Nanometerbereich machen.

Schnell, präzise und spielfrei

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 – die Beine – aus oder verbiegen sich seitlich und beginnen dadurch eine Antriebsstange linear zu bewegen. Ähnlich ist die Funktionsweise bei Rotationsbewegungen, wo sie 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 extrem kleinen Schritte erstaunen vor allem in Kombination mit langen Hüben. Das erlaubt Ingenieuren, mit einem PiezoLEGS®-Motor zwei Bewegungssysteme zu ersetzen, ohne dabei Leistungseinbußen zu befürchten“, führt Mats Bexell aus. 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 außergewöhnliche Geschwindigkeitsdynamik: Sie können mit extrem 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.

In der Rotationsausführung treiben die Beine aus keramischen Material eine Scheibe an und bringen sie in Rotation.

Eine Frage des Umfelds

Während der elektromagnetische Motor mit der Erzeugung von Kraft durch Magnetfelder arbeitet, wird die Leistung bei Piezomotoren durch die Vorspannung der piezokeramischen Aktuatorbeine 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“, ergänzt er.

Der Verzicht auf ein Magnetfeld zur Bewegung eines Rotors oder einer Antriebsstange bringt weitere Vorteile mit sich. In einem Elektromotor führt die gegenelektromotorische Kraft zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes zu einer erhebliche Zeitverzögerung. Den Motor kennzeichnet eine Anlaufverzögerung, die durch die Trägheit des Rotors noch verstärkt wird. Das Ansprechverhalten der Piezoaktoren hingegen ist augenblicklich. Im Verhältnis zu seiner Größe ist außerdem das Drehmoment eines rotierenden elektromagnetischen Motors oder die Kraft eines linearen elektromagnetischen Motors viel geringer als bei einem Piezomotor.

Gesteuert werden können die Motoren mit Treibern und Controllern von PiezoMotor oder aber mit kundenspezifischer Antriebselektronik. 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.

Auch im experimentellen Kontext beliebt: Als am Elektronenspeicherring Bessy II in Berlin ein schuhkastengroßer 5-Achsmanipulator gefragt war, waren sechs Linearmotoren von PiezoMotor die Lösung. (Bild: Steinmeyer Mechatronik GmbH)

Von Halbleiter bis Medizin

Geeignet sind die Motoren für unterschiedlichste Bereiche von OEM-Anwendungen bis zum mehrachsigen Positioniersystem. So ist etwa das Bewegen von Spiegeln und Linsen in optischen Anwendungen dank des Steuerungs- und Regelungsbetriebs eine traditionelle PiezoMotor-Anwendung. Auch die hohe Steifigkeit und Haltekraft kommen hier effektiv zum Tragen. Die hochauflösenden Bewegungen mit Sub-Nanometer-Mikroschritten, schnelle Reaktions- und Einschwingzeiten sowie eine lange Lebensdauer machen die Piezomotoren außerdem zur idealen Wahl für Anwendungen im Halbleitersegment, wo dynamische Positionierungen im geschlossenen Regelkreis in Produktionsanlagen gefragt sind, die rund um die Uhr arbeiten.

Eines der zentralen Einsatzgebiete für Piezomotoren ist die Medizintechnik. Ihre zuverlässige Funktion auch im magnetischen Umfeld und im Vakuum prädestiniert sie für den Einsatz in Magnetresonanztomographen (MRT). In der Behandlung von Krebs wurden hier große Erfolge mit der präzisen Behandlung unter gleichzeitiger Kontrolle mittels MRT erzielt. Aber auch in automatischen Pumpen, Injektionssystemen oder in digitalen Scannern für die Pathologie leisten die kleinen Motoren wertvolle Arbeit bei gleichzeitiger Reduktion des Bauraums. Der neueste Motor von PiezoMotor, LiNK, könnte die Größe und das Gewicht von beispielsweise Insulinpumpen und Point-of-Care-Diagnosegeräten deutlich verringern.

Die Zukunft läuft piezoelektrisch

„Vom Pulver zur Herstellung des piezokeramischen Materials über die Entwicklung und Fertigung bis zum Vertrieb und der Auslieferung des fertigen Motors behalten wir alles selbst in der Hand und garantieren dadurch höchste Qualität“, bekräftigt Mats Bexell. „Dass die Motoren den harten Anforderungen der Industrie gerecht werden, beweisen sie seit vielen Jahren“, betont er. Vor allem das Potenzial solch bahnbrechend kleiner und starker Motoren wie dem LiNK-Motor zeigen seiner Meinung nach: In den meisten Fällen ist der Einsatz der Piezomotoren nicht mehr nur eine Alternative zum elektromagnetischen Motor, sondern vielmehr der notwenige Treiber für die Weiterentwicklung der Produkte.