Einführung

Aktoren verrichten eine mechanische Arbeit und stellen somit die Muskeln eines mechatronischen Systems dar. Ihre Aufgabe ist es etwas zu Bewirken, oft gilt es eine Bewegung auszuführen. Die verrichtete Arbeit erscheint in den meisten Fällen als Linearbewegung, Rotationsbewegung oder auch als Vibrationsbewegung. Ein Aktor kann als Energieumwandler dargestellt werden.

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Prinzipien

Allgemeine Übersicht: {.imgcenter}

Elektromechanische Aktoren
Elektromechanische Aktoren benötigen eine elektrische Hilfsenergie. Eine grosse Hauptgruppe bilden die elektromagnetischen Aktoren. Zu diesen gehören:

Magnetostriktiv
Synchronmotor
Asynchronmotor
Schrittmotor
Linearmotor
Tauchspulenmotor

Nicht elektromagnetisch wirken der Piezoaktor und die Smart-Materials.

Wesentliche Eigenschaften

Übersicht Motorenwirkungsweise:

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Prinzipieller Aufbau der wichtigsten Elektromotoren:

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Bildquelle: Elektrische Antriebe, Vogel Fachbuch

Prinzipieller Aufbau eines Gleichstrommotors:

Prinzipieller Aufau eines Synchronmotors:

Bildquelle: Elektrische Anriebe, Vogel Fachbuch

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Fluidische Aktoren:
Pneumatik:

Ein pneumatischer Aktor erzeugt eine Bewegung durch Gasdruck (z.B. Luft)

Hydraulik:
Ein hydraulischer Aktor erzeugt eine Bewegung durch Flüssigkeitsdruck (z.B. Öl)

Neuartige Aktoren:
Smart-Materials

Anforderungen und Beschränkungen
Vorteile Nachteile Anwendung
Magnetostriktiv Verschleiss-frei. Braucht nicht in Stapelbau-weise hergestellt zu werden. Kleine Hübe Mikropositionierungen, Linearmotoren, rotatorische Antriebe, Servoventile, Einspritzventile in Fahrzeugen und die aktive Schwingungs-dämpfung
Piezo Grosse Kraft und Dynamik, verschleiss frei, einfaches Übertragungsverhältnis Kleine Hübe, grosse Steuerspannungen, relativ grosse Baulänge Massenspeicher, Halbleiter- und Mikroelektronik, Präzisionsbearbeitung, Life Science, Medizintechnik, Optik, Photonik und Nano-metrologie
Synchronmotor Drehzahl von Belastung unabhängig, hoher Wirkungsgrad, grosse Stellkräfte bei vergleichsweise kleinen Abmessungen Schrittverlust, Anlauf-schwierigkeiten Automation, Modellflug, Druckmaschinen, Verpackungsmaschinen, Textilmaschinen, Kunststoffmaschinen, Handling-maschinen, Sondermaschinen und im allgemeinen Maschinen-bau, *
Asynchronmotor Verschleissfrei, keine elektrischen Störfelder, robust Schlupf Pumpen-Antriebe, Kompressoren, Ventilatoren, Traktionsantriebe für Autos und Busse (Elektro- oder Hybridfahrzeuge), Werkzeugmaschinen-antriebe, Traktionsantriebe für Bahnen, Kettenzug-Antrieb
Schrittmotor Schrittweise Bewegung, grosse Haltekräfte, günstig, Drehzahl von Belastung unabhängig Schrittverlust, Anlauf-Schwierigkeiten Werkzeugmaschinen, Positioniersysteme
Linearmotor Dynamisch, grosse Stellwege Teuer Halbleiterfertigung Elektronik, Transporteinrichtungen Verpackungsmaschinen, Biomedizin, Life-Science, Reinraumanwendungen, Test- und Prüfautomaten für wissenschaftliche Zwecke, Wissenschaft, Forschung und Labor, Spezialmaschinen, Transrapid
Tauchspulenmotor Einfache Bauweise und Ansteuerung, hohe Dynamik Kleine Stellkräfte Halbleiterfertigung Elektronik, Biomedizin, Life-Science, Reinraumanwendungen, Test- und Prüfautomaten für wissenschaftliche Zwecke, Wissenschaft, Forschung und Labor,**
Smart-Materials Komplexe Bewegungen können ausgeführt werden Kleine Stellkräfte Medizinaltechnik, Implantate, Automatische Rohrankopplung, Weltraumforschung

* Medizin- und Laborgeräte, Drehbare Werbung, Leucht-reklame, Grafische Licht-scheinwerfer, Getränke-automaten, Büromaschinen, Spielautomaten, Pumpen

** Spezialmaschinen, Druck- und Durchflussregelung, Optische Systeme (Fokussierung), Lichtstrahl-steuerung/-stabilisierung, Beatmungsgeräte, Fokussierung in der Endoskopie, Antriebe für XY-Tische

Kenngrössen
Eigenschaften Elektrische Leistung Speisespannung Strombedarf Bewegungsart Drehzahl Drehmoment Hub Stellkraft
Magnetostriktiv n.d. n.d. n.d. Linear - - Bis 50um Bis 500N
Piezo 1 - 80W Bis 1500V - Rotation, Linear - - 10um bis 1mm Bis 30kN
Synchronmotor 500000W 12-130V 2-200A Rotation Bis 9000 U/min Bis 30 Nm - -
Asynchronmotor Im Megawatt-bereich n.d. n.d. Rotation Nominell 750 bis 3000 U/min n.d. - -
Schrittmotor 1000W Bis 72V n.d. Rotation 20 - 20000 U/min Bis 30 Nm - -
Linearmotor 8000W Spitzen-leistung Bis 240V Bis 40A Linear - - Bis 1500mm Bis 10kN
Tauchspulenmotor 500 W Spitzen-leistung Bis 50V Bis 10A Linear - - 0.25 - 100mm Bis 100N
Smart-Materials - - Bis 2A beliebig - - - n.d.

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Bildquelle: Mechatronik, Heimann/Gerth/Popp, Fachbuchverlag Leipzig