WHITEPAPER – PIMag®: Eigenentwickelte Voice-Coil-, Linear- und Torquemotoren-- Dr. Nico Bolse --PIMag®: Eigenentwickelte Voice-Coil-, Linear- und Torquemotoren
Individuelle Auslegung magnetischer Direktantriebe für flexible, wettbewerbsfähige und anwendungsspezifische
PositionierlösungenPhysik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
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WHITEPAPER – PIMag®: Eigenentwickelte Voice-Coil-, Linear- und Torquemotoren-- Dr. Nico Bolse --1 Einleitung
Positionierund
Scansysteme
mitmagnetischen
Direktantrieben eignen sich für Anwendungen, die eine hohe
Dynamik und Wiederholgenauigkeit erfordern und auch bei
hohen Betriebszyklen zuverlässig arbeiten.
PI bietet zahlreiche Standardprodukte und kundenspezifische
Positionierlösungen, die mit magnetischen Direktantrieben
ausgestattet sind und verfügt über langjährige Erfahrung bei
der Auslegung, Konstruktion und Fertigung der dafür
notwendigenmechanischenundelektronischen
Komponenten sowie eigener Encoder, Führungen und Motion
Controller.
Darüber hinaus entwickelt PI bestimmte Motoren selbst,
wenn Standardserien oder kundenspezifische Lösungen
Leistungsmerkmale erreichen sollen, die mit am Marktverfügbaren Antriebskomponenten nicht möglich sind. Der
Schwerpunkt liegt dabei auf Voice-Coil-Motoren, eisenlosen
und eisenbehafteten Linearmotoren sowie Torquemotoren.

Leiter ist. Die elektrische Energie wird dabei in mechanische
Energie umgewandelt. Je nach Stromrichtung wirkt die dabei
erzeugte Kraft bidirektional.
Direktantriebe bieten vor allem hinsichtlich Verschleiß und
Dynamik Vorteile gegenüber der klassischen Spindeltechnik.
Da sie weitgehend auf mechanische Komponentenverzichten, gibt es weniger Reibung und kein Spiel und sie
erzielen so eine höhere Präzision.

2.1

Voice-Coil-Motoren

Zylindrische Voice-Coils sind nach dem Tauchspulenprinzip
aufgebaut, d.h. der Wicklungskörper sitzt in einem
magnetischen Topf wie in Abbildung 1 zu sehen ist. Dabei
kann entweder der Wicklungskörper (“Moving Coil”) oder derTopf (“Moving Magnet”) bewegt werden.
Solche Voice-Coils lassen sich auch mit Hohlwelle realisieren,
die dann als Durchführung oder auch zur Integration einer
Linearführung genutzt werden kann.

Die Kompetenzen in der Motorentwicklung und die hohe
Fertigungstiefe ermöglichen es PI, Kunden eine
wettbewerbsfähige und flexible Lösung zu bieten, die genau
an die Anforderungen der Anwendung angepasst ist.
Die eigenentwickelten Motoren sind mit dem Markennamen
PIMag® gekennzeichnet. PI Positioniersysteme und Scanner
mit diesen Motoren werden mit Driven by PIMag®
ausgezeichnet.
Dieses Whitepaper erläutert Funktionsprinzipien und
Eigenschaften der Voice-Coil-, Linear- und Torquemotoren.
Darüber hinaus zeigt es anhand von Beispielen wie
Leistungsmerkmale der unterschiedlichen Motortypen durcheine individuelle Auslegung an spezifische Anforderungen der
Positionierlösung angepasst werden können, um z.B. einehohe Kraftdichte oder kompakte Bauweise zu erreichen.

Abb. 1

PIMag® zylindrischer Voice-Coil-Motor für den Einsatz inmedizinischen Endoskopen

Abweichend vom zylindrischen Tauchspulen-Aufbau können
solche Motoren auch in flacher Bauweise realisiert werden. In
diesem Fall bewegt sich der Wicklungskörper übernebeneinander angeordnete Magnete wie in Abbildung 2
dargestellt ist.

2 Magnetische Direktantriebe
Voice-Coil-, Linear- und auch Torquemotoren funktionieren
aufgrund unterschiedlichster physikalischer Prinzipien.
Beispielsweise basieren die meisten Voice-Coil-Antriebe auf
der Lorentzkraft, bei der die erzeugte Kraft proportional zur
Magnetfeldstärke und zum Strom der stromdurchflossenen

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Abb. 2

Voice-Coil-Motor in Flachbauweise

Voice-Coil-Motoren eignen sich für Positionieraufgaben mit
hoher Dynamik und hohen Kräften. Sie kommen besonders
bei Scananwendungen mit Stellwegen bis zu einigen zehn

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WHITEPAPER – PIMag®: Eigenentwickelte Voice-Coil-, Linear- und Torquemotoren-- Dr. Nico Bolse --Millimetern zum Einsatz. Die Lineartisch-Serien V-522, V-524
und V-528, wie in Abbildung 3 dargestellt, basieren
beispielsweise auf Voice-Coil-Motoren von PI.

Abb. 3

Driven by PIMag®: Lineartisch-Serien V-522, V-524 und V-528 mit
flach gebauten Voice-Coil-Motoren von PI

Voice-Coils können auch auf Kraft bzw. Motorkonstante
optimiert werden. Die Motorkonstante bezeichnet das
Verhältnis aus Kraft und Verlustleistung. Je höher die
Motorkonstante, desto weniger Wärme entsteht bei derErzeugung einer bestimmten Kraft. Sie beschreibt also auch
die Effizienz des Motors hinsichtlich der Umwandlung vonelektrischer Energie in Bewegungsenergie. Mit steigender
Temperatur nehmen allerdings der Wicklungswiderstand unddamit auch die Verlustleistung zu, weshalb die
Motorkonstante temperaturabhängig ist.
In Bezug auf eine möglichst maximale Motorkonstante hat PI
zylindrische Motoren wie in Abbildung 4 entwickelt.

Leistungsmerkmale

Größe
1

Größe
2

Größe
3

Einheit

Stellweg

10

15

20

mm

Spitzenkraft

80

614

1772

N

Nennkraft

20

149

380

N

Motorkonstante

7,5

31

57

N/√W

Kraftkonstante

22,6

88

98

N/A

Gegen-EMK

22,6

88

98

Vs/m

Strom beiSpitzenkraft

3,5

7

18

A

Strom bei
Nennkraft

0,9

1,7

3,9

A

DC-Widerstand

9,2

8,1

2,9

Ohm

Induktivität

4,5

7,5

3,4

mH

Elektrische
Zeitkonstante

0,49

0,93

1,17

ms

Mechanische
Zeitkonstante

1,71

0,66

0,54

ms

Masse Läufer

95

630

1800

g

Masse Stator

235

2530

8800

g

Tab. 1

Beispiele für eigenentwickelte zylindrische Voice-Coil-Motoren

Die Kraft ist abhängig von der Position, da sich die Spulen in
Relation zu den Permanentmagneten über den Stellweg
verschieben. Dies ist in Abbildung 5 zu erkennen.

Abb. 4

PIMag® zylindrische Voice-Coil-Motoren

Sie zeichnen sich durch ein maximiertes Verhältnis aus
Motorkonstante und Bauraum aus und können in diversen
Größen gefertigt werden. Zylindrische Motoren werden
beispielsweise in Positionierlösungen für Fokussiereinrichtungen eingesetzt, um einen Messkopf oder eine Optik
dynamisch über ein Flexure-Festkörpergelenk in der
Vertikalen zu bewegen. Tabelle 1 zeigt anhand von drei
Beispielen
dieLeistungsmerkmale
unterschiedlicher
Größenvarianten.

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Abb. 5Kraft-Weg-Diagramm eines zylindrischen PIMag® Voice-CoilMotors

Um die Kraft möglichst schnell in den Motor zu treiben, kannwie in Abbildung 6 dargestellt die Spannung erhöht werden,
da der Strom dann entsprechend schneller zur Verfügung
gestellt wird. Im gleichen Verhältnis nimmt dann auch dieBeschleunigung
zu.
Durch
einen
schnellen
Beschleunigungsanstieg(Ruck)
könnensomit
hochdynamische Anwendungen realisiert werden.

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WHITEPAPER – PIMag®: Eigenentwickelte Voice-Coil-, Linear- und Torquemotoren-- Dr. Nico Bolse --Abb. 6

Kraft-Zeit-Diagramm eines eigenentwickelten zylindrischen Voice
Coil-Motors

2.2

Linearmotoren

Ein klassischer 3-Phasen-Linearmotor ist im Prinzip eine
Aneinanderreihung von mindestens drei (oder einem
Vielfachen von drei) Voice-Coil-Motoren, die nach einem
positionsabhängigen, festgelegten Muster angesteuert, d.h.
kommutiert, werden. Ein Motor bestehend aus drei Spulen in
einer U-förmigen Magnetbahn ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abb. 7

Aufbau eines Linearmotors: Drei stromdurchflossene
Magnetspulen bewegen sich in einer Magnetbahn oderumgekehrt

Optional vergießt PI seine Linearmotoren unter Vakuum. Dies
führt zu einer verbesserten Wärmeabfuhr, wodurch höhere
Nennkräfte erreicht werden. Außerdem sorgt die
Vergussmasse für eine Kapselung des Motors, womit er vor
Beschädigung von außen z.B. bei der Montage geschützt ist.
Für spezielle Anwendungen, welche hohe Geschwindigkeitenoder schnelle Stromanstiegszeiten benötigen, kann PI
Motoren für besonders hohe Betriebsspannungen bis 600
VDC auslegen. Linearmotoren profitieren hier von dem
gleichen Effekt, der schon für Voice-Coil-Motoren diskutiert
wurde: durch die höhere Spannung kann der Strom schneller
zur Verfügung gestellt werden, wodurch eine höhere Dynamik
erreicht wird. Außerdem ist es möglich, industrietypische
Servoverstärker mit hohen Spannungen zu nutzen.

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Magnetbahnen können in unterschiedlichen Längen zur
Verfügung gestellt werden. Sie können modular aneinander
gereiht werden, um beliebig lange Stellwege zu realisieren.
Zur Auswahl stehen einseitige Magnetbahnen und solche mit
U-Profil. Magnetbahnen mit U-Profil erreichen gegenüber
einseitigen Magnetbahnen höhere Magnetfeldstärken undhöhere Kräfte. Sofern die Magnete darüber hinaus als
Halbach-Arrayangeordnet
werden,kann
dieMagnetfeldstärke
gegenüber
einer
Nordpol-SüdpolAnordnung etwa um weitere 10% erhöht werden. Zudem
kann bei einem Halbach-Array der Eisenrückschluss entfallen,
wodurch diese Magnetbahnen deutlich leichter werden.
Diese Vorteile gelten auch bei einer einseitigen Magnetbahn.
Hierbei werden durch die Verwendung von Halbach-Arrays
außerdem hohe Streufelder auf der Rückseite der einseitigen
Magnetbahn vermieden. Für Anwendungen, die besonders
leichte Magnetbahnen erfordern, kann PI Karbonträger
bereitstellen.
PI fertigt Linearmotoren eisenlos oder eisenbehaftet.
Motoren beider Art werden beispielsweise in der LineartischSerie V-508 eingesetzt. Ein beispielhafter Lineartisch dieser
Serie ist in Abbildung 8 dargestellt.

Abb. 8

Driven by PIMag®: Lineartisch der Serie V-508 mit PI-eigenem
Linearmotor mit Halbach-Array für eine besonders flache
Bauform bei gleichzeitig geringem Gewicht

2.2.1 Eisenbehaftete Linearmotoren
Eisenbehaftete Linearmotoren eignen sich für hohe Kräfteund Beschleunigungen bei begrenztem Bauraum. Das Eisen
maximiert die magnetischen Kräfte und trägt zu einer hohen
thermischen Stabilität bei. Um Wirbelstromverluste zu
reduzieren, wird das Eisen laminiert und zumeist aus
gestapelten und isolierten Trafoblechen aufgebaut. Der
Nachteil der eisenbehafteten Motoren liegt in derAnziehungskraft, welche zwischen dem Eisen und den
gegenüber angeordneten Magneten entsteht. Beim Einsatz
einer Linearführung wird diese also zusätzlich belastet. Hinzu
kommt noch das so genannte Cogging, eine Schwankung der
Verschiebekraft über den Stellweg, welches zwar durch einespezielle Zahngeometrie limitiert wird, aber nicht vollständig

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WHITEPAPER – PIMag®: Eigenentwickelte Voice-Coil-, Linear- und Torquemotoren-- Dr. Nico Bolse --beseitigt werden kann. Ein beispielhafter Aufbau eines
eisenbehafteten Linearmotors ist in Abbildung 9 dargestellt.

Tab. 2

Vergossenen Linearmotoren mit drei bzw. sechs Spulen

Für eine konstante Kraft können die Linearmotoren einebestimmte Maximalgeschwindigkeit erreichen. Dies ist am
Beispiel eines eisenbehafteten Linearmotors in Abbildung 11
gezeigt. Diese Maximalgeschwindigkeit ist neben weiteren
Motordaten ebenfalls abhängig von der zur Verfügung
gestellten Motorspannung.

Abb. 9Beispielhafter Aufbau eines eisenbehafteten Linearmotors ohne
Magnetbahn

Der in Abbildung 10 dargestellte vergossene Motor ist ein
Beispiel für einen von PI entwickelten eisenbehafteten
Linearmotor.

Abb. 11 Kraft-Geschwindigkeits-Diagramm
Linearmotors

eines

eisenbehafteten

2.2.2 Eisenlose Linearmotoren
Abb. 10 PIMag® Linearmotor mit laminiertem magnetischen Stahl undEpoxidharz-Vergussmasse

Die eisenbehafteten Linearmotoren werden zum Beispiel mit
drei oder sechs Spulen aufgebaut. Die Leistungsmerkmalesind anhand zweier Beispiele in Tabelle 2 dargestellt.
Leistungsmerkmal

3 Spulen

6 Spulen

EinheitMax. Spannung

48

48

V

Nennkraft (ohne/mit
Kühlung)

5,8 / 12,5

9,0 / 22,7

N

Nennstrom (ohne/mit
Kühlung)

1,2 / 2,6

1,0 / 2,5A

Motorkonstante

4,59

6,27

N/√W

Kraftkonstante

4,81

9,08

N/A

Gegen-EMK(Phase-Phase)

3,75

7,5

Vs/m

DC-Widerstand(Phase-Phase)

2,1

4,1

Ohm

Induktivität (PhasePhase)

1,64

3,79

mH

Elektrische
Zeitkonstante

0,78

0,92

ms

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Eisenlose Linearmotoren eignen sich für Positionieraufgaben
mit den höchsten Ansprüchen an Präzision. Im Gegensatz zu
eisenbehafteten Linearmotoren tritt kein Cogging auf.
Dadurch eignen sich eisenlose Motoren ideal fürAnwendungen mit hoher Ablaufgenauigkeit und fürAnforderungen an eine hohe Geschwindigkeitsstabilität, da es
keine variierenden Kräfte auf die Linearführung oder
Störungen für den Controller in Form von Cogging gibt. Durch
die besonders flache Bauweise eignen sie sich außerdem fürkleinste Bauräume. Kraft und Dynamik können über die
Anzahl oder über die Baugröße der Motorspulen ausgelegt
werden. Eisenlose Motoren erreichen im Vergleich zu
eisenbehafteten Motoren in den meisten Fällen geringere
Nenn- und Spitzenkräfte. Das begründet sich im Design
aufgrund fehlender, thermisch leitfähiger Metalle und derdamit eingeschränkteren Wärmeabfuhr aus den Spulen.
Zusätzliche Temperatursensoren sorgen aber für einenÜberlastschutz der Motoren. Ein beispielhafter Aufbau eines
eisenlosen Linearmotors ist in Abbildung 12 dargestellt.

Abb. 12 Beispielhafter Aufbau eines PIMag® eisenlosen Linearmotors
ohne Magnetbahn

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WHITEPAPER – PIMag®: Eigenentwickelte Voice-Coil-, Linear- und Torquemotoren-- Dr. Nico Bolse --Der in Abbildung 13 dargestellte flache Motor in einer U-Profil
Magnetbahn ist ein Beispiel für einen von PI entwickelten
eisenlosen Linearmotor.

2.3

Torquemotoren

Einen Torquemotor kann man sich vereinfacht als radialausgeführten Linearmotor vorstellen. In einer alternativen
Bauweise kann man den Rotor auch als aufgerollte einseitige
Magnetbahn darstellen, während der Stator die Spulen,
eingebettet in einer Eisenmatrix, trägt. Ein Beispiel für einenvon PI entwickelten Torquemotor ist in Abbildung 14
dargestellt.

Abb. 13 Flacher PIMag® Linearmotor mit drei Spulen in einer U-förmigenMagnetbahn

Die eisenlosen Motoren werden z.B. auch mit drei oder sechs
Spulen aufgebaut. Die Leistungsmerkmale sind anhand zweier
Beispiele in Tabelle 3 dargestellt.
Leistungsmerkmal

3 Spulen

6 Spulen

EinheitMax. Spannung

48

48

V

Nennkraft (ohne/mit
Kühlung)

4,1 / 9,8

8,1 / 18,4

N

Nennstrom(ohne/mit Kühlung)

0,5 / 1,2

1,0 / 2,3A

Motorkonstante

4,56

6,45

N/√W

Kraftkonstante

7,9

7,9

N/A

Gegen-EMK(Phase-Phase)

6,5

6,5

Vs/m

DC-Widerstand(Phase-Phase)

6,1

3,1

Ohm

Induktivität (PhasePhase)

0,87

0,42

mH

Elektrische
Zeitkonstante

0,14

0,14

ms

Tab. 3

Besonders flachen Motoren mit drei bzw. sechs Spulen

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Abb. 14 Sehr flacher PIMag® Torquemotor mit großer Apertur

Torquemotoren eignen sich genauso wie Linearmotoren fürPositionieraufgaben mit den höchsten Ansprüchen an
Präzision bei gleichzeitig hohen Drehmomenten undBeschleunigungen. Das Drehmoment skaliert quadratisch mit
dem Durchmesser, während die Magnetlänge linear skaliert.
Außerdem ermöglichen große Durchmesser Aperturen, z.B.
zum Durchführen von Laserstrahlen oder Kabeln.
Torquemotoren sind spielfreie Direktantriebe und eigenen
sich damit für Positionieranwendungen, in denen höchste
Genauigkeiten verlangt werden. Die hohe Steifigkeit führt zu
einer
hohen
Wiederholgenauigkeit.
Das
große
Antriebsmoment lässt große Beschleunigungen zu und führt
zu einer hohen Dynamik.
Torquemotoren werden in der Präzisionspositionierungüberwiegend für Direktantriebsdrehtische genutzt. Ein
solcher Drehtisch ist in Abbildung 15 dargestellt, gestapelt auf
einem Hexapod. Es handelt sich um einen besonders flachen,hochdynamischen und stabilen Torquemotor-Drehtisch mit
sehr großer Apertur. Die gemeinsame Apertur des Drehtischs
und des Hexapods kann so z.B. als Durchführung eingesetzt
werden.

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WHITEPAPER – PIMag®: Eigenentwickelte Voice-Coil-, Linear- und Torquemotoren-- Dr. Nico Bolse --bis 7 mm benötigt. Zudem bieten Voice Coils besonders hohe
Maximalgeschwindigkeiten, die zum Beispiel beim Digital
Slide Scanning im „Scanning-on-the-fly“-Modus den Durchsatz
erhöhen.

Abb. 15 Flacher PIMag® Torquemotor-Drehtisch mit großer Apertur
gestapelt auf einem PI-Hexapod

Ein weiteres Beispiel ist der in Abbildung 16 dargestellte
Torquemotor-Drehtisch, der aufbauend auf einem H-811Hexapod in hochautomatisierten Produktionssystemen
Einsatz findet.
Abb. 17 Autofokus-Anwendung mit Voice-Coil Z-Achse und Linearmotor
X-AchseAber auch für Fälle, in denen sich der Kunde nur für eine
Komponente einer Positionierlösung interessiert, ist PI
aufgrund seiner Fertigungstiefe und technologischen Breite
ein geeigneter Ansprechpartner.

Abb. 16 PIMag® Torquemotor-Drehtisch gestapelt auf einem PI-Hexapod
für hochautomatisierte Produktionssysteme

3 Zusammenfassung
Mit der Kompetenz in der Entwicklung eigener Motoren und
mit den für eine komplette Positionierlösung erforderlichen
Kerntechnologien wie Sensoren, Führungen und Motion
Controller kann PI seinen Kunden wettbewerbsfähige
Lösungen anbieten, deren Leistungsmerkmale optimal an die
Anforderungen der Anwendung angepasst sind. So zeigt
Abbildung 17 beispielsweise eine Anwendung, die
unterschiedliche Motortypen vereint. Der gezeigte
Mehrachsaufbau für Autofokus-Applikationen besteht aus
einer X- und Z-Achse. Die X-Achse trägt hierbei beispielsweise
ein zu bearbeitendes Werkstück auf einem V-508 Lineartisch.
Als Ergänzung zu häufig eingesetzten piezokeramischen
Antrieben ermöglicht die Voice-Coil Z-Achse große Stellwege
bis hin zu mehreren Millimetern. Dies ist unter anderem fürdie Lasermaterialbearbeitung von Bedeutung. Aber auch fürdie Multi-Photonen Fluoreszenzmikroskopie und die Deep
Tissue Mikroskopie werden Stellwege von typischerweise 1

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WHITEPAPER – PIMag®: Eigenentwickelte Voice-Coil-, Linear- und Torquemotoren-- Dr. Nico Bolse --4 AutorServiceniederlassungen ist die PI Gruppe internationalvertreten.

Dr. Nico Bolse, Produktmanager für PIMag® Magnetantriebe
und Motorized Positioners bei Physik Instrumente (PI) GmbH& Co. KG in Karlsruhe, Deutschland.

5 Über PI

WP4018D PIMag® Motoren 06/2019 0 Subject to changes. © Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2019

Das Unternehmen Physik Instrumente (PI) ist für die hohe
Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen
Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise
Positioniertechnik ein. Seit über 40 Jahren entwickelt und
fertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder
Motorantrieben.
Einekontinuierliche
Entwicklung
neuartiger
Antriebskonzepte, Produkte und Systemlösungen und über200
Technologiepatentekennzeichnen
heute
die
Unternehmensgeschichte. Dabei entwickelt, fertigt und
qualifiziert PI alle Kerntechnologien selbst: Von
Piezokomponenten,-aktorenund-motorenundmagnetischen Direktantrieben über Luftlager, Magnet- und
Festkörperführungen bis hin zu Nanometrologie-Sensoren,
Regeltechnik und Software. PI ist dadurch von den am Marktverfügbaren Komponenten unabhängig, um seinen Kunden
die fortschrittlichsten Lösungen anzubieten. Die hohe
Fertigungstiefe ermöglicht dabei eine vollständige
Prozesskontrolle, um flexibel auf die Marktentwicklungen undneue Anforderungen zu reagieren.
Durch die Übernahme der Mehrheitsanteile an ACS Motion
Control, einem weltweit führenden Entwickler und Hersteller
modularer
MotionController
fürmehrachsige
Antriebssysteme, kann PI außerdem maßgeschneiderte
Komplettsysteme für industrielle Anwendungen liefern, diehöchste Präzision und Dynamik fordern. Mit vier Standorten
in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebs- und

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