Linearmotorsysteme: Steckerfertig und betriebsbereit

Dies ist möglich durch die Erschließung von neuen Anwendungsgebieten, zum Beispiel bei Holzbearbeitungsmaschinen. Im Jahr 2001 lag das realisierte Marktpotential bei Linearmotoren alleine im deutschen Markt bei circa 38 Millionen Euro.

Worauf ist diese Entwicklung zurückzuführen?

Da sind zunächst einmal die allgemein anerkannten Vorteile eines Linearmotorsystems zu nennen. Nur mit Linearmotoren sind die Forderungen moderner Produktionsprozesse nach höherer Dynamik, höherer Genauigkeit und höherer Verfügbarkeit zu erreichen, da durch den Wegfall der mechanischen Übersetzung von der rotativen Bewegungsform in die translatorische Bewegungsform ein sehr trägheits- und geräuscharmes Antriebssystem entsteht. Die hohe Genauigkeit wird durch die bei Linearmotoren implizite direkte Positionsmessung an der Last mittels eines linearen Feedbacksystems und durch ein entsprechend steifes und genaues Führungssystem erreicht. Nur mit Linearmotoren lassen sich ¿ im Gegensatz zu allen anderen Linearantrieben ¿ lange Hübe mit großer Verfahrgeschwindigkeit, hoher Genauigkeit bei höchster Positioniersteifigkeit und kürzester Einstellzeit realisieren.

Ein weiterer Grund für das zunehmende Interesse an Linearmotorsystemen sind die in den letzten zehn Jahren erzielten Fortschritte in den Bereichen Motortechnologie, Feedbacksystemeund digitale Antriebsregler. So konnte durch neue Magnetmaterialien und neue Motorkonstruktionen die Kraftdichte der Linearmotoren gesteigert und die Fertigungskosten gesenkt werden. Die Fortschritte bei Analog-Digital-Wandlern erlauben heute eine hohe Signalauflösung im digitalen Antriebsregler zu moderaten Kosten ¿ damit können in Applikationsbereichen in denen die Genauigkeitsanforderungen nicht im mm-Bereich liegen, deutlich preiswertere Positionsgebersysteme auf induktiver oder magnetischer Basis anstatt teurer optischer Systeme verwendet werden. Die extrem hohe Dynamik eines Linearmotors kann zudem erst heute mit digitalen Antriebsreglern der neuesten Generation wirklich zur Geltung gebracht werden, da nur damit die zur hochdynamischen Regelung von Linearmotoren erforderlichen extrem kurzen Abtastzeiten für Filter- und Regelalgorithmen realisierbar sind.

Aufbau eines Linearmotorsystems

Die Leistungsfähigkeit eines Linearmotorsystems hängt in ganz entscheidendem Maße von der korrekten Auswahl der einzelnen Systemkomponenten ab. Das System kann nur dann die spezifischen Anforderungen einer Applikation optimal erfüllen, wenn alle Komponenten daraufhin abgestimmt sind. Im folgenden werden daher die gebräuchlichsten Motortechnologien einander gegenübergestellt, sowie alle wesentlichen Systemkomponenten eines Linearmotorantriebs wie Kühlmethoden, Feedbacksysteme und Führungssysteme beleuchtet.

Bild 1a zeigt die konstruktiven Unterschiede zwischen einem konventionellen Spindelantrieb mit rotativem Motor und dem eines Linearmotorantriebs. Durch den Wegfall der mechanischen Übersetzungselemente von der rotativen in die lineare Bewegungsform besitzt die Achse mit Linearmotorantrieb eine sehr einfache mechanische Konstruktion. Durch den Linearmotor entsteht ein trägheitsarmer Antrieb für hochdynamische Anwendungen. Die Nachteile der mechanischen Übersetzungselemente wie Reibung, Lose, Elastizität und Verschleiß sind bei Linearmotorantrieben eliminiert. Der Linearmotorantrieb bedarf alleine bei den Führungen und gegebenenfalls beim Dichtsystem einer minimalen Wartung und ist, richtig ausgeführt, äußerst zuverlässig. Als verschleißbehaftete Elemente verbleiben allein die Führungen.

((Bild 1a)) (( Bild 1b))

Bild 1b zeigt auch deutlich die kostenintensiven Komponenten Linearencoder und Magnetschiene bei einem Linearmotorsystem. Im Gegensatz zu einem konventionellen Linearantrieb sind diese Kosten beim Linearmotorantrieb abhängig von der Hublänge. Aus diesem Grund ist die Auswahl des optimal an die Erfordernisse der Applikation angepassten Feedbacksystems, sowie die optimale Ausnutzung der Motormagnete von entscheidender Bedeutung für die Kostenreduzierung bei einem Linearmotorantrieb.

Linearmotortechnologien im Vergleich

Der hier durchgeführte Vergleich beschränkt sich auf Linearservomotoren mit Permanentmagneten und bewegtem Primärteil in flacher Bauweise. Der klassische Permanentmagnet-Linearmotor ähnelt einem ¿aufgewickelten¿ rotativen Servomotor. Dieser Motorentyp bietet ¿ auch auf Grund guter Kühleigenschaften ¿ die höchsten Vorschubkräfte pro Volumeneinheit. Nachteilig bei dieser Technik sind die Nutungskräfte, die zu Schwankungen in der Geschwindigkeit führen und die hohen Anziehungskräfte zwischen Primär- und Sekundärteil im Bereich der 5 bis 13-fachen Nennkraft des Motors. Diese statischen Anziehungskräfte müssen vom Führungssystem aufgenommen werden können. Dieser Linearmotortyp wird über den gesamten Leistungsbereich angeboten. Alternativ kann der Linearmotor auch in Doppelkamm-Anordnung aufgebaut werden. Vorteil bei dieser Anordnung ist, dass die Führungssysteme bei perfekter Geometrie nur noch mit Eigengewicht, Nutzlast und Reaktionsmomenten belastet werden. Voraussetzung ist, dass diese Anordnung kompatibel mit den sonstigen Beschränkungen, wie Einbauraum oder Schutzklasse ist.

((Bild 2)) ((Bild 3 ))

Der ¿eisenlose¿ Servomotor, dessen Primärteil aus einer mit Kunststoff vergossenen Kupferspule besteht, die sich im Luftspalt zwischen zwei Magnetreihen befindet, ist eine weitere Bauvariante von Linearmotoren mit Permanentmagneten. Eisenlose Servomotoren sind auf Anwendungen kleiner bis mittlerer Dauerleistung begrenzt, bieten aber die höchste Maximalkraft pro Masseeinheit (höchste Dynamik) und haben aufgrund des ¿fehlenden¿ Eisens keine Nutungskräfte, was insbesondere in Kombination mit Luftlagern maximal ruhige Verfahrbewegungen ermöglicht. Bedingt durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes und der langen Wege von Spulengrund bis Kühlplatte ist die Dauerleistung dieser Motoren gering. Die doppelte Magnetreihe bedingt hohe Kosten bezogen auf Dauerkraft und Hublänge.

(( Bild 4 ))

Beim Slotless-Linearmotor besitzt das Primärteil keine Nuten. Die Wicklungen liegen vollständig unterhalb eines Eisenrückens. Den Nachteilen des gegenüber dem klassischen Linearservomotors größeren Flächenbedarfs und dem etwas geringeren Wirkungsgrad stehen eine Reihe von Vorteilen gegenüber. Im wesentlichen sind dies die sich aus der einfachen Herstellung ergebenden geringeren Fertigungs- und Werkzeugkosten, die (verglichen mit einem konventionell ausgeführten Primärteil) um etwa den Faktor zwei kleineren Anziehungskräfte, sowie die reduzierten Nutungskräfte welche eine hohe Geschwindigkeitskonstanz ermöglichen. Mit seiner niedrigen Bauhöhe eignet sich dieser Motortyp gut zur Integration in Kompakt-Präzisionstische.

(( Bild 5))

Die wesentlichen Eigenschaften der drei hier vorgestellten Permanentmagnet-Linearmotoren sind in Tabelle 1 qualitativ bewertet. Aus dieser Gegenüberstellung wird deutlich, dass der Slotless-Motor in seinen spezifischen Eigenschaften zwischen dem klassischen Linearservomotor und dem eisenlosen Servomotor liegt. Die Slotless-Technik bietet für viele Applikationen eine interessante Alternative zu den bereits breiter eingeführten Linearmotortechnologien nach ¿klassischem¿ und ¿eisenlosem¿ Design.

Tabelle 1

((Tabelle wird von Herrn Chall umgesetzt))

Motorkühlung

Die aktive Kühlung eines Linearmotors erfüllt mehrere Funktionen:

l Erhöhen der zulässigen Dauerleistung des Linearmotors

l Erhöhen der Lebensdauer der Führungssysteme

l Erreichen einer höheren Genauigkeit

Für die Auswahl der Kühlmethode sind folgende Kriterien entscheidend:

l Verhältnis von Spitzenkraft zu Nennkraft

l Verfahrzyklus

l Geforderte Genauigkeit

l Verfügbarer Bauraum

l Schutzklasse

l Verfügbare Infrastruktur (Wärmetauscher, Druckluft, etc.)

Die einfachste Variante zur Motorkühlung besteht in der Nutzung der Wärmeableitung über einen Kühlkörper (Konvektion, zusätzliche Luftströmung durch Eigenbewegung, aktive Luftstromerzeugung durch Lüfter). Diese Kühlmethode hat die Nachteile, dass die Temperatur des Primärteils stark vom individuellen Zyklus abhängig ist, dass die Dauerleistung gegenüber anderen Kühlmethoden gering bleibt und dass die zusätzliche Kühlkörpermasse das Beschleunigungsvermögen vermindert.

Bei der klassischen Kühlmethode für Linearmotoren durchströmt Wasser Kanäle, die unmittelbar hinter oder im Magneteisen des Primärteils liegen. Da hierbei die Wärme dicht bei der Wärmequelle wieder entnommen wird und Wasser eine hohe spezifische Wärmekapazität besitzt, können mit dieser Kühlmethode die höchsten Dauerleistungen bei kleinem Volumenstrom und damit kleinem Kanalquerschnitt erzielt werden. Wasserkühlung bietet die Möglichkeit einer aktiven Temperaturregelung, womit negative Einflüsse auf Positioniergenauigkeit (Temperaturdrift) und Lagerlebensdauer (thermische Ausdehnungen) gering gehalten werden.

Eine dritte Variante ist die Kühlung mit Druckluft. Bei dieser Methode strömt Luft statt Wasser durch die Kühlkanäle. Diese Art der Kühlung stellt insbesondere für den kleineren bis mittleren Leistungsbereich bzw. bei kleinerer Einschaltdauer und bei vorhandener Infrastruktur eine preiswerte Alternative dar, um die Dauerleistung eines Primärteils zu steigern, ohne es mit einer hohen Zusatzmasse, wie bei der Lösung mit Kühlkörper zu belasten. Über eine Volumenstromregelung/Druckregelung kann im Vergleich zur Wasserkühlung in begrenztem Umfang die Temperatur des Primärteils beeinflusst werden. Die mit dieser Kühlmethode erreichbare Dauerleistung liegt bei nicht auf Luftkühlung optimierten Kühlkanälen um ca. 30 bis 50 Prozent unter der mit Wasserkühlung. Durch entsprechend optimierte Kühlkanäle lässt sich die Effizienz der Luftkühlung weiter steigern. Luftkühlung stellt bei kleiner Verlustleistung und geringer Betriebsstundenzahl eine kostengünstige Kühlmethode dar.

Führungssysteme

Die Ansprüche an das Führungssystem sind bei Linearmotorantrieben sehr hoch. Gefordert werden:

l Hohe Beschleunigung

l Hohe Verfahrgeschwindigkeit

l Lange Lebensdauer

l Hohe Genauigkeit

l Möglichst wartungsfrei

l Hohe Steifigkeit und Dämpfung

Am Markt stehen zur Erfüllung dieser Anforderungen unterschiedliche Führungssysteme zur Verfügung:

l Gleitführungen (trockenlaufend, hydrodynamisch)

l Hydrostatische Lager (z.B. Luftlager)

l Laufrollen

l Wälzgelagerte Führungssysteme

l Magnetgelagerte Führungen

Tabelle 2 zeigt die Leistungsdaten verschiedener Führungssysteme im Vergleich. Es wird schnell erkennbar, dass es hinsichtlich der obigen Ausführungen kein optimales Führungssystem gibt. Bei einer realen Applikation sind stets Zugeständnisse zu machen.

Trockenlaufende Gleitführungen sind bei niedrigen Anforderungen an Präzision und Tragfähigkeit interessant, für Linearmotoren aber nur in Sonderfällen geeignet. Führungssysteme mit Laufrollen werden aufgrund der hohen maximalen Verfahrgeschwindigkeit und der niedrigen Kosten bei Applikationen mit großen Hüben eingesetzt. Die relativ geringe Tragfähigkeit der Laufrollen erlaubt bei Linearmotorantrieben aber nur den Einsatz von Eisenlosen- und Doppelkamm-Linearmotoren, aufgrund der nicht vorhandenen bzw. sich eliminierenden Anziehungskräfte zwischen Magnetschiene und Primärteil. Wälzgelagerte Führungssysteme besitzen eine gute Steifigkeit und eine hervorragende Tragfähigkeit. Bei kurzen bis mittleren Hüben wird dieses langlebige Führungssystem daher bevorzugt bei Linearmotorantrieben eingesetzt. Luftlager setzen Maßstäbe in Bezug auf maximale Geschwindigkeit und Beschleunigung ¿ es gibt hier praktisch keine Grenzen. Stick-Slip-Effekte oder Losbrechkräfte aufgrund von Dichtungswiderständen können nicht auftreten. Unter günstigen Umweltbedingungen (keine Verschmutzung) besitzen luftgelagerte Führungssysteme eine extrem hohe Lebensdauer.

Tabelle 2

((Wird von Herrn Chall umgesetzt))

Feedbacksysteme

Bei Linearmotoren wird die mechanische Steifigkeit maßgeblich durch die Rückkopplung des Motorpositionssignals auf den Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis erreicht. Durch die fehlende mechanische Untersetzung sind dabei die Rückwirkungen von externen Krafteinwirkungen wesentlich größer als bei konventionellen Linearantrieben mit rotativen Motoren. Deshalb ist die Qualität des Positionssignals (Auflösung, Genauigkeit) und die Leistungsfähigkeit des Servoreglers (Abtastzeit, verwendete Regelalgorithmen) von entscheidender Bedeutung für die erreichbare Positioniersteifigkeit bei Linearmotoren.

Linearencoder

Die Motorposition wird bei Linearmotoren üblicherweise mittels eines Linearencoders erfasst. Durch Differenzieren wird daraus die Information für Geschwindigkeit und Beschleunigung des Motors abgeleitet und zur Regelung verwendet. Lineare Encoder bestehen aus einem Maßstab bzw. einem Maßband und einem Abtastkopf. Die inkrementelle Positionsinformation steht in Form von zwei um 90º phasenverschobenen sinusförmigen Analogsignalen zur Verfügung. Die Maßstabsteilung entspricht dabei einer Sinusperiode.

(( Bild 6))

Absolute Linearencoder stellen zusätzlich noch die absolute Positionsinformation zur Verfügung. Damit entfällt die sonst notwendige Referenzierung der Achse beim Einschalten der Steuerspannung. Sie sind allerdings wesentlich teurer als ihr inkrementelles Pendant und kommen deshalb in der Regel nicht zum Einsatz. Linearencoder arbeiten nach verschiedenen Abtastprinzipien. Hochwertige optische Linearencoder besitzen eine Maßstabsteilung zwischen 0,512 mm und 40 mm und bieten damit die höchste Auflösung und Genauigkeit. Gebersysteme auf magnetischer, induktiver oder kapazitiver Basis sind erheblich preiswerter als optische Systeme. Die Maßstabsteilung liegt dort zwischen 0,5 und 4 mm. Linearencoder werden mit analogen oder mit rechteckförmigen Ausgangssignalen angeboten. Das sinusförmige Ausgangssignal des abgetasteten Linearmaßstabs wird bei Rechteckencodern im Sensorkopf digitalisiert und zur Steigerung der Signalauflösung oftmals noch interpoliert.

Bei hochwertigen Linearmotorantrieben (z.B. in Werkzeugmaschinen) sollte die Auflösung

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