Elektrische Linearantriebe

Immer den Weg entlang

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Linearmotoren sind eine Möglichkeit zur geradlinigen Bewegung von ortsveränderbaren Teilen und Massen. Ihre Kraft übertragen Linearmotoren berührungslos über ein durch Spulen aufgebautes, magnetisches Feld.

Der Beitrag stammt aus dem Hause Baumüller Nürnberg GmbH, Nürnberg

Mehrere Spulen sind in Statoren zusammengefaßt. Die einzelnen Statoren erzeugen ein magnetisches Wanderfeld. Dieses Magnetfeld zieht das bewegliche Sekundärteil mit. Äußerst dynamische und schnelle Systeme werden mit linearen Antrieben realisiert, da die lineare Bewegung direkt aus der elektrischen Energie ohne weitere mechanische Komponenten, wie Getriebe oder Wellen, erzeugt wird. Somit gibt es bei diesen Antriebssystemen keine Reibung, Spiel und Elastizität.
Prinzipiell unterscheidet man bei den Linearantrieben zwei verschiedene Arten: das Kurzstator- und das Langstatorprinzip. Beim Kurzstatorprinzip ist in der Regel der bestromte Teil, das sogenannte Primärteil der Maschine, beweglich oberhalb des fest montierten Sekundärteils angeordnet. Der große Nachteil kann bei diesem Verfahren das für die gesamte Länge des Verfahrwegs benötigte Schleppkabel sein. Das Schleppkabel ist kostenintensiv, eine zusätzliche Last bei der Bewegung und durch dauerndes Umbiegen ein Verschleißteil. Im Gegensatz zum Kurzstatorprinzip sind beim Langstatorprinzip bestromte Teile ortsfest über die gesamte Verfahrstrecke hinweg angeordnet. Das Sekundärteil wird dabei bewegt. Dieses Verfahren kann oft einen entscheidenden Nachteil haben: das Primärteil gibt nur bei Überdeckung mit dem Sekundärteil nutzbare Wirkenergie ab. Dadurch werden die energetischen Verluste sehr groß.
Modifizierte Langstatorversion
Das von Baumüller entwickelte Motorsystem basiert auf einer modifizierten Langstatorversion. Hierbei wird durch eine segmentweise Zu- und Abschaltung von einzelnen Motorteilen nur der wirklich zum Antreiben des Stators benötigte Teil der Maschine bestromt.
Die Funktion des Positions-Istwert-Gebers wird wie folgt verwirklicht: Durch das Sekundärteil selbst als Gebermaßstab und mehrere, zwischen den einzelnen Motoren angebrachte Geberköpfe. Zur Bestimmung der Lage des Sekundärteils über die gesamte Verfahrensstrecke hinweg ist eine „Geberweiterschaltung“ implementiert. Es reicht ein einziger Geber pro Statorelement, um die richtige Zuordnung der Pole von Stator und Sekundärteil zu erfassen sowie die Geschwindigkeit und den Positions-Istwert zu messen.
Die Präzision des Linearantriebs hängt entscheidend von dem verwendeten Wegmeßsystems, dessen Auflösung und dem Luftspalt ab. Die durch die Geber erzeugten elektrischen Impulse werden in Istwertrechnern zusammengeführt, entsprechend für die verwendeten Regler aufbereitet und bei Bedarf an die Regler weitergeleitet. Zur Leistungsversorgung der Motoren wird die Netzeinspeisung vom Typ BUG in Kombination mit der Servo-Leistungs-Einheit vom Typ BUS verwendet. Die gesamte lineare Bewegung wird über die SPS vom Typ Omega-Drive-Line gesteuert. Mehrere SPS-Systeme werden komfortabel über einen zentralen Leitrechner vernetzt und bedient. Der Leitrechner kommuniziert über den leistungsfähigen CAN-Bus mit der Steuerung.
Die lineare Antriebstechnik läßt sich z.B. im Maschinen- und Apparatebau mit Servoqualitäten sowie in Transport- und Logistiksystemen einsetzen. Von Linearantrieben mit Servoqualitäten werden hohe Dynamik, hohe Verfahrgeschwindigkeit und eine präzise Positionierung mit Genauigkeiten bis zum µm-Bereich verlangt. Bei Transport- und Logistiksystemen sind von großer Bedeutung ein schleppkabelfreier Betrieb. Besonderer Wert wird auch auf Modularität und Flexibilität des gesamten Systems gelegt. Dafür werden Abstriche bei der Auflösung und der Genauigkeit der Positionierung gemacht. Mit einer einfachen Geberausführung und Luftspalten von bis zu 20 mm erreicht die Linearmotoren von Baumüller dennoch Genauigkeiten im Bereich von 6 3 mm. Für Linearantriebe im Logistikbereich sind die Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeiten der Primär- und Sekundärteile geringer. Deshalb lassen sich recht kostengünstige Linearantriebe bauen. Die mechanische Führung ist als Teil der Maschine sowieso vorhanden. Im Maschinenbau bisher jedoch kaum genutzt sind Bewegungen in einer Ebene. Durch die kabellose Bauweise der Baumüller-Sekundärteile kann z.B. die Plattform eines Werkstückträgers auf einem Schienensystem Weichen und Kreuzungen durchfahren. Auf diese Weise kann ein weit verzweigtes Transportsystem erstellt werden, das durch einen einzigen Leitrechner gesteuert wird. Die Verwendung von Seltenerdenmagneten erlaubt eine minimale Bauhöhe bei größtmöglicher Leistungsdichte. Wenn in zwei verschiedenen Richtungen verfahren wird, also in einer Ebene, ist die gleiche geringe Bauhöhe möglich. Ein weiterer Vorteil der Permanenterregung ist die sehr niedrige Betriebstemperatur.
Die Längen der einzelnen Magnetleisten sind von der erforderlichen Schubkraft abhängig und werden ebenso, wie die Abstände zwischen den einzelnen Statoren, werkseitig an die jeweiligen Anwendungen angepaßt. Die fertigen Systeme sind als Direktantriebe äußerst schwingungsarm und weisen eine hohe Dynamik mit guter Dämpfung und kurzen Einschwingzeiten auf. Deshalb lassen sich problemlos hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten erreichen. Linearantriebe sind kostengünstige, hochwertige Antriebssysteme nicht zuletzt wegen der geringen Anzahl an mechanischen Komponenten und der daraus resultierenden Wartungsfreiheit. Das gesamte System ist überaus flexibel: Mehrere voneinander unabhängige Läufer sind auf einer Achse möglich. Durch minimalen Geräuschpegel können Linearantriebe überall eingebaut werden. Wenn sie optimal ausgelegt sind, weisen Linearantriebe einen ähnlich guten Wirkungsgrad wie rotierende Antriebe auf.
Breites Anwendungsfeld
In allen Bereichen der Industrie bestehen viele Arbeitsschritte aus geradlinigen Bewegungen, z.B. das Bewegen oder Positionieren von Werkzeugen oder anderen Nutzlasten. Baumüller bietet für die unterschiedlichen Aufgabenbereiche industrietaugliche Lösungen mit linearen Synchronmotoren (LSM). LSM-Systeme besitzen eine vergleichsweise hohe Schubkraft bei sehr kompakter Baugröße. Die luft- und wassergekühlten Linearmotoren vom Typ A und Typ B haben sich beim Einsatz in Logistiksystemen bewährt, während Typ C speziell auf die Erfordernisse von Servoantrieben abgestimmt wird. Erhältlich sind die einzelnen Varianten mit einem Nennschub von 100 bis 6400 N. Dabei werden Luftspalte zwischen Stator und Sekundärteil von 3,5 bis 20 mm zugelassen. Die Antriebe können mit einer Schutzart bis zu IP65 ausgerüstet werden.
Für Kleinlastförderanlagen oder für Einzugsvorrichtungen in komplexen Maschinen oder für ähnliche Aufgaben aus dem Transport- und Logistikbereich wurde speziell FlexLIM entwickelt. Das System kann sich geradlinig, auf Kurven in der Ebene und sogar auf Kurven im Raum bewegen. Erhältlich ist dieses flexible und individuell gestaltbare System mit Vorschubkräften zwischen 40 N und 500 N.
Baumüller bietet alle Komponenten für ein lineares Antriebssystem an – vom Linearmotor über Wegmeßsystem, Umrichter bis zur Steuerung. Dadurch wird ein optimales Zusammenspiel zwischen den einzelnen Komponenten für hohe Präzision gesichert.
Weitere Informationen eA 513
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