Linearmotoren

Aus FestoWiki - deutsch
Wechseln zu: Navigation, Suche

Heute wird die Linearmotortechnik als die innovativste Antriebstechnik für die Handhabungs- und Automatisierungstechnik angesehen. Doch wie alt ist eigentlich diese Technik? Das erste Patent auf Linearmotoren wurde 1885 von Dr. Th. Burger in Berlin angemeldet. Die erste Anwendung, ein elektrischer Hammer mit einem Linearmotor, wurde sogar 3 Jahre zuvor vom Franzosen Marcel Deprez realisiert. Dies bedeutet, dass wir hier über eine Technik sprechen, die bereits 125 Jahre alt ist und trotzdem zu den fortschrittlichsten zählt, die wir kennen.

Funktionsprinzip

Prinzipiell ist jeder Linearmotor ein gewöhnlicher Elektromotor, der entlang seiner Rotationsachse zur Hälfte aufgesägt und ausgebreitet wurde. Dadurch entsteht im Stator ein magnetisches Wanderfeld, in dem sich ein magnetisches Objekt, der Läufer, fortbewegen kann.

Aufgrund der bewegten Teile des Linearmotors unterscheidet man zwei Konstruktionsarten. Bei feststehendem Spulenpaket wird von einem Moving-Magnet-Linearmotor, bei feststehenden Magneten von einem Moving-Coil-Linearmotor gesprochen. Der Moving-Magnet-Linearmotor hat den Vorteil, dass die Zuführleitungen für den Motor und das Messsystem nicht bewegt werden müssen. Bei einem Moving-Coil-Linearmotor werden deutlich längere Hübe realisiert, wobei die Leitungen immer mit bewegt werden und somit einen gewissen Wartungsaufwand verursachen.

Die technische Umsetzung kann dabei sehr vielfältig sein, wobei sich verschiedene Konstruktionen durchgesetzt haben. Grundsätzlich gilt jedoch, dass jede Linearmotorachse einen Linearmotor, ein Führungssystem und ein Messsystem benötigt, die zusammen in einem Gehäuse integriert sind.

Patronenmotoren

Bei dieser Konstruktionsweise ist die Motorwicklung zylindrisch aufgebaut, in der sich ein Magnetpaket hin und her bewegen kann. Durch die runde Konstruktion hat diese Konstruktionsweise die höchste Leistungsdichte. Bei kurzen Hüben kann durch die Kapselung der Magnete ein starkes Magnetfeld außerhalb der Linearmotorachse vermieden werden.

DNCE-LAS.png
Beispiel eines Patronenmotors: Der elektrische
Zylinder DNCE-LAS von Festo, in einem zur
Pneumatik kompatiblen Gehäuse


Eisenbehaftete Flachbett-Linearmotoren

Das Bett eines eisenbehafteten Linearmotors besteht aus einem Stahlkörper oder aus Blechpaketen mit ausgeprägten Polen. Diese Pole führen dazu, dass sich ein Läufer mit einem magnetischen Wanderfeld auf diesem Bett fortbewegen kann. Es treten keine externen Magnetfelder auf und magnetische Teile werden nicht angezogen. Die Leistungsdichte ist jedoch nicht hoch.

ELGL.png
Beispiel eines eisenbehafteten Linearmotors: der luftgelagerte Linearmotor ELGL von Festo


Permanenterregte Flachbett-Linearmotoren

Dieser Konstruktionstyp ist eine Ausführung des eisenbehafteten Flachbett-Linearmotors, die anstatt mit ausgeprägten Polen mit starken Permanentmagneten bestückt ist. Es treten dadurch starke Magnetfelder auf, die abhängig von der Anwendung durch geeignete Maßnahmen geschirmt werden müssen. Die Leistungsdichte ist deutlich höher als bei normalen eisenbehafteten Linearmotoren. Durch die Permanentmagnete entstehen zwischen Läufer und Bett hohe Anziehungskräfte, die zu einer ständigen Belastung der Lagerung führen. Diese müssen entsprechend dimensioniert sein.

Eisenlose Linearmotoren

Üblicherweise bestehen eisenlose Linearmotoren aus zwei gegenüberliegenden Magnetbahnen, zwischen denen ein Spulenpaket ohne Eisenkern läuft. Hier sind die bewegten Massen des Läufers äußerst klein, so dass höchste Beschleunigungen realisiert werden können. Durch die konstruktionsbedingt schlechte Wärmeabfuhr sind nur geringe Dauerkräfte möglich.

Gründe für Linearmotorachsen

Linearmotorachsen werden aus verschiedenen Gründen eingesetzt. Diese Gründe lassen sich in vier Bereiche einteilen.

1. Verkürzung der Realisierungsphase

Komplette Linearmotorachsen bestehen aus einer vollwertigen Achse mit allen Komponenten für die Anwendung innerhalb der Spezifikation der Achse. In einem Gehäuse sind Linearmotor, Lagerung und Messsystem untergebracht. Positionen, Beschleunigungen und Geschwindigkeiten lassen sich einfach im Motorcontroller programmieren und bei Bedarf ändern.
Zusätzlich haben Linearmotorachsen keine zusätzlichen Störkanten, wie sie bei Spindel- oder Zahnriemenachsen durch den angebauten Servomotor entstehen.

2. Reduzierung des Kostenfaktors Produktion

Mit Linearmotoren ist bei richtiger Auswahl eine deutliche Reduzierung der Zykluszeiten von Maschinen realisierbar. Eine Reduzierung von über 40 % der Zykluszeit gegenüber einer herkömmlichen Achse ist möglich. Je nach gewählter Konstruktionsart des Linearmotors lässt sich ein wartungsarmer Betrieb realisieren. Zusätzlich sind Linearmotoren bei einem üblichen Betrieb nicht zerstörbar und verschleißarm.

3. Erhöhung der Prozesssicherheit

Durch das integrierte Messsystem, das direkt an den Läufer gekoppelt ist, ist eine spiel- und schlupffreie Erkennung der aktuellen Lage und Geschwindigkeit immer gewährleistet. Im Vergleich zu herkömmlichen Spindel- und Zahnriemenachsen, bei denen das Messsystem im Servomotor integriert und somit über die Spindel und den Zahnriemen nur indirekt an die Last gekoppelt ist, bedeutet dies einen deutlichen Gewinn an Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Durch diese direkte Kopplung bei Linearmotorachsen ist ein voll geschlossener Regelkreis immer vorhanden und externe Einflüsse werden schneller ausgeregelt bzw. Fehler durch intelligente Motorcontroller schneller erkannt.
Durch die magnetische Kopplung des Antriebs ist ein crash-toleranter Betrieb möglich. Wird ein Antrieb blockiert, können die Magnetfelder ohne eine mechanische Beschädigung abreißen.

4. Beherrschung der Produktion von variantenreichen Produkten

Die Varianten einzelner Produkte nehmen immer mehr zu, so dass Produktionssysteme immer flexibler werden müssen. Teilweise werden auch auf einer Produktionsanlage in einem „chaotischen“ Prozess unterschiedliche Produkte gefertigt, so dass bei der Ausrüstung entsprechend hohe Anforderungen an die Flexibilität gestellt werden. Linearmotoren sind für solche Produktionsanlagen ideal geeignet, da sie theoretisch keine mechanische Begrenzung kennen. Alle Linearmotorachsen sind über den Motorcontroller frei programmierbar, so dass eine Umrüstung durch eine einfache Software-Änderung möglich ist.

Unterscheidung nach Anwendung

Durch die vielfältigen Vorteile könnte der Linearmotor die Lösung für alle Anwendungen in der Handhabungs- und Automatisierungstechnik sein. Jedoch bietet jede Antriebslösung spezifische Vor- und Nachteile, die ihnen für bestimmte Anwendungen unschlagbare Vorteile bieten.


Antriebs
Technologie
Zahnriemenantrieb Gleitgewinde Kugelgewinde Linearmotor
Hub bis zu 10 m bis zu 2 m bis zu 2 m bis zu10 m
Geschwindigkeit 5…10 m/s 0,5 m/s 3…5 m/s 5…10 m/s
Beschleunigung 100 m/s² 30 m/s² 50 m/s² …250 m/s²
Präzision 100 µm 50 µm 20 µm 1 µm
Steifigkeit mittel sehr hoch
(Umkehrspiel)
hoch hoch
Kosten niedrig mittel hoch hoch bis sehr hoch


Zahnriemenantrieb

Das Übertragungselement beim Zahnriemenantrieb ist ein Riemen. Dieser ist ein dehnbares Bauteil, das bei hohen Beschleunigungen und Verzögerungen zu Schwingungen neigt. Die bewegte Eigenmasse ist niedrig, so dass auch hohe Beschleunigungen realisierbar sind. Durch den dehnbaren Zahnriemen lassen sich jedoch keine hohen Genauigkeiten realisieren. Ideal für alle Positionieranwendungen, bei denen eine hohe Genauigkeit über die gesamte Lebensdauer nicht erforderlich ist.

Gleitgewinde

Der wichtigste Vorteil von Gleitgewinden ist, dass sie selbsthemmend ausgeführt werden können, was für Vertikalanwendungen und Formatverstellungen besonders wichtig ist. Diese Achsen können ohne Antrieb die Position nicht verändern (Sicherheitsfunktion) und können bei längerem Stillstand einfach abgeschaltet werden (Erhöhung der Energieeffizienz). Durch den großflächigen mechanischen Kontakt ist jedoch die Geschwindigkeit und die Lebensdauer begrenzt.

Kugelgewinde

Für Positionieranwendungen mit höheren Anforderungen an die Genauigkeit sind Kugelgewindetriebe Stand der Technik. Aufgrund der bei höheren Drehzahlen auftretenden Resonanzfrequenzen sind die Geschwindigkeit und der Hub begrenzt.

Linearmotor

Linearmotoren erreichen bei den wichtigsten technischen Daten Maximalwerte, die oft nur durch mechanische Randbedingungen begrenzt werden. Dabei ist zu beachten, dass je höher die gewünschten technischen Werte werden, auch die Kosten entsprechend steigen können. Bei steigenden Genauigkeitsansprüchen muss von günstigen magnetischen Messsystemen auf kostenintensivere optische Messsysteme und Glasmaßstäbe gewechselt werden. Ähnliches ist für die erforderliche Führung gültig. Einfache Systeme lassen sich mit Gleitführungen realisieren, aber je höher die Anforderungen an die Last, Geschwindigkeit und Genauigkeit, umso höher werden auch die Ansprüche an das Führungssystem.

Konstruktionshinweise beim Einsatz von Linearmotorachsen

Linearmotoren sind bekannt für ihre Möglichkeit, sehr hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zu erreichen. Durch die hohen Werte für Beschleunigung und Verzögerung wirken auf die Montagefläche von Linearmotoren große Kraftstöße ein. Mit Linearmotoren können Kräfte innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde aufgebaut werden, so dass große Kraftstöße auf das Maschinengestell einwirken. Der Kraftstoß oder die Impulsänderung ist das Produkt aus Kraft und Zeitänderung. Je schneller eine Last beschleunigt oder verzögert wird, umso stärker werden die Kraftstöße. Bei vielen Anwendungen, wo Linearmotorachsen zum ersten Mal eingesetzt werden, werden diese Kraftstöße nicht beachtet und das Maschinengestell nicht steif genug ausgeführt. Dies führt zu starken Bewegungen der Maschinen und zu Vibrationen.

Die Messsysteme von Linearmotoren haben Auflösungen im Bereich von 1 µm oder besser. Häufig wird erwartet, dass diese Auflösung auch erreicht wird. Beachtet wird dabei nicht, dass Faktoren wie Montagefläche, Art der Montage, Schwankungen der Umgebungstemperatur und Eigenerwärmung erhebliche Einflüsse auf die Positioniergenauigkeit haben. Luftgelagerte Linearmotorachsen erreichen Positioniergenauigkeiten im Bereich von 1 µm oder besser, nur sind dazu entsprechend ebene Montageflächen erforderlich.

Der Einfluss der Temperatur ist bei Linearmotoren nicht zu unterschätzen. Linearmotoren werden häufig auf Spitzenwerte ausgelegt, so dass sie im Betrieb sehr warm werden. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium und Stahl liegen bei 23, 8⋅10-6/K bzw. bei 10⋅10-6/K. Dies bedeutet, dass sich bei einer Temperaturerwärmung von 10 K eine Längendifferenz von 0,14 mm ergibt. Dies führt zu Spannungen und Ungenauigkeiten. Wird dies bei der Auswahl der Montagefläche, Montageart, der Linearmotorachse, der Kühlung und Inbetriebnahme nicht beachtet, sind hohe Genauigkeiten nicht erreichbar.

Linearmotoren bieten im Vergleich zu anderen Antriebstechnologien deutliche Vorteile bei der Reduzierung der Prozesskosten durch kürzere Zykluszeiten und Verbesserung der Prozesssicherheit durch erhöhte Genauigkeiten. Jedoch sind bei deren Einsatz einige Rahmenbedingungen zu beachten, so dass deren Auswahl sich schwieriger gestaltet, aber lohnend ist.