Die Moving Coil-Technologie funktioniert sowohl in Motoren als auch in Linearen Antrieben. Die Technologie gibt es schon lange. Bei Motoren mit Kohlebürsten, die auf der Technologie der beweglichen Spulen basieren, stellt die Bürste den elektrischen Kontakt zu der Spule her. Im Gegensatz dazu stehen einpolige Linearmotoren – häufig als Schwingspulen bezeichnet – im Mittelpunkt vieler Lautsprecher

Mit Einführung von Neodym-Magneten hat sich die Anwendbarkeit von Moving- coil Antrieben in allen Bereichen stark erweitert, da Aktuatoren mit diesen Magneten eine hohe Kraft (oder ein hohes Drehmoment) ausüben können.

Aufgrund der geringen Masse der sich bewegenden Spule sind diese Aktuatoren in vielen industriellen Anwendungen hervorragend geeignet, da sie hohe Taktraten ermöglichen – das Doppelte gegenüber pneumatischen oder Kugelgewindetrieben. Zusätzliche Vorteile von Moving-Coil-Aktuatoren:

• Lange Lebensdauer – bis zum 10-fachen derjenigen von pneumatischen oder Kugelgewindetrieben
• Hohe Wiederholgenauigkeit über jeden Zyklus – bis zu 10% der Varianz pneumatischer Geräte
• Programmierbare Kraft- und Drehmomentabgabe
• Die Fähigkeit, die Bewegung für Anwendungen mit sehr langsamer Geschwindigkeit bereitzustellen.

Jedoch schränkten andere Faktoren bisher die breitere Implementierung der Technologie ein:

1. Kosten: Linearmotoren mit beweglichen Spulen (und die dazugehörigen Controller) haben bis vor kurzem das Fünffache eines Pneumatikzylinders und -ventils vergleichbarer Größe gekostet… und das Dreifache derjenigen von Schrittmotor-Kugelgewindetrieben.
2. Stromversorgung: Die sich bewegenden Spulen müssen mit Strom versorgt werden. Bei Motoren sind es die Bürsten, welche verschleißen. Bei Linear- Antrieben sind es Flex-Kabel, deren Länge einen Hub bis max. 500mm zulässt.

Doch auch das ändert sich:

1. Die Kosten für inkremental Encoder sind auf unter 15 US-Dollar gesunken, hauptsächlich aufgrund der Entwicklung von Low-Cost Encoder IC´s einer Reihe von Herstellern- und der Entwicklung von kostengünstigen Kunststoff-skalen.
2. Die Kosten (und die Größe) von Controllern und Verstärkern sind ebenfalls deutlich gesunken. Das Preisniveau nähert sich auf 100 Dollar pro Achse und wird weiter sinken. Dies ist zum Teil auf den verstärkten Einsatz von Servomotoren in Automobilanwendungen zurückzuführen.
3. Die Kosten für die Spulenherstellung fallen ebenfalls schnell. Dies ist auf das Aufkommen der neuen Print-Coil-Technologie und all die wesentlichen Vorteile zurückzuführen, die sie bringt:
   • Kein Löten
   • Widerstandsabweichung der Wicklungen von 1%
   • Sehr kostengünstiges Tool-Up für neue Designs – mit typischen Ausgaben von etwa 5.000 USD
   • Möglichkeit, Spulenformen zu drucken, die nicht gewickelt werden können
   • Möglichkeit, Flexkabel, Encoder und Steckverbinder in eine gedruckte Flexschaltung zu integrieren (um die Anzahl der Teile und die Montagekosten zu reduzieren)
4. Ein weiterer Faktor, der den Preis bestimmter Stellantriebe mit beweglichen Spulen begünstigt, ist die Möglichkeit lange Magnete zuzuschneiden und sie intern zu magnetisieren.
5. Linearführungen können bei kurzen Hüben (von weniger als 30 mm) durch flache Formfedern ersetzt werden. Reibungsarm und Kostengünstig (eine Formfeder kostet in der Herstellung etwa einen USD.

Tauchspulenantriebe mit built-in Controller sind heute für rund 350 US-Dollar (bei Volumenbestellungen) zu haben. Sie sind daher im Preis vergleichbar zu Antrieben mit Kugelumlaufspindeln…  jedoch immer noch zwei- bis dreimal so teuer wie pneumatische Systeme. Allerdings werden die Preise voraussichtlich um weitere 35% fallen, da die oben genannten Faktoren den Markt beeinflussen.

Ein weiterer Faktor, der die weitere Implementierung der Technologie einschränkt, ist die Notwendigkeit einer Bürste- oder Flexkabels für die Stromzufuhr. Doch auch hier gibt es Lösungsansätze: Forscher der Universität Eindhoven haben die drahtlose Energieübertragung auf Servomotoren mit beweglichen Spulen demonstriert. Es ist technisch möglich, dies nicht nur auf Spulen in Motoren, sondern auch auf MCA Linearantriebe anzuwenden. Die Haupthürden dabei sind die Kosten und die Größe der Kraftübertragungskomponenten. Aber die Fortschritte gehen weiter… erwarten Sie also, dass diese Technologie in naher Zukunft auf dem Markt erscheinen wird.

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.

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.