Integration von Linearmotoren in Linear-Einheiten

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Zur Realisierung von linearen Vorschubbewegungen in Maschinen und Anlagen werden traditionell rotatorisch mechanische Übertragungselemente eingesetzt. Die bessere Lösung sind weiterentwickelte Linearmotoren, die in Linear-Einheiten integriert eine direkte lineare Bewegung erzeugen und so präziser und schneller verfahren.

Der Autor Matthias Di Mauro ist Geschäftsführer der EL.MORE Antriebstechnik GmbH, Düsseldorf

Direkter ist präziser
Der verhältnismäßig hohe Konstruktionsaufwand an mechanischen Übertragungselementen, der die notwendige Umsetzung der rotatorischen Bewegung in eine lineare Bewegung erfordert, begrenzt jedoch die Leistungsfähigkeit dieser Systeme in bezug auf Genauigkeit und Dynamik.
Linear-Motoren erzeugen eine direkte lineare Bewegung und können somit Eigenschaften erreichen, die mit herkömmlichen Systemen nicht möglich sind.
Konventionelle Antriebe für lineare Vorschubbewegungen in Maschinen und Anlagen verwenden rotatorische Motoren, wobei deren Drehbewegung über mechanische Elemente wie Gewindespindeln, Zahnriemen oder Zahnstangen in eine lineare Bewegung umgesetzt wird.
Dabei wird meist ein großer Teil des Drehmomentes für die Bewegung der Übertragungselemente aufgewendet und ein geringerer Teil für die Bewegung der eigentlichen Nutzlast. Hinzu kommt, daß bei sehr hoher Dynamik der negative Einfluß der Fehlermöglichkeiten der Übertragungselemente wie z.B. Elastizität, Reibung, Spiel, etc. stark ansteigt. Daher sind den Möglichkeiten der rotatorischen Antriebe in bezug auf Geschwindigkeit, Verfahrweg und Genauigkeit enge Grenzen gesetzt. Dies gilt vor allem, wenn mehrere dieser Eigenschaften gleichzeitig gefordert werden.
Vorteile bei Linear-motoren
Linearmotoren erzeugen hingegen die lineare Vorschubbewegung direkt ohne mechanische Übertragungselemente und erreichen damit folgende Vorteile gegenüber rotatorisch angetriebenen Linearsystemen:
n sehr hohe Beschleunigungen
n hohe Geschwindigkeiten
n sehr lange Verfahrwege
n sehr hohe Positioniergenauigkeiten
Da Linearmotoren jedoch ihre Vorschubkraft direkt erzeugen müssen und so keine mechanische Verstärkungselemente benötigen, ist die erreichbare Vorschubkraft deutlich niedriger als bei Systemen mit vergleichbaren rotatorischen Antrieben. Allgemein läßt sich somit sagen, daß der Einsatz von Linearmotoren überall da vorteilhaft ist, wo relativ geringe Massen sehr dynamisch und sehr genau verfahren werden müssen.
Aufbau von Linear-motoren
Linearmotoren sind vom Prinzip her rotatorische Motoren, deren Stator und Rotor längs der Welle aufgeschnitten und in eine Ebene abgewickelt sind. Es sind somit bei Linearmotoren die gleichen Funktionsprinzipien wie bei rotatorischen Motore möglich:
n synchron
n asynchron
n Gleichstrom oder
n Reluktanz
Synchron-Motoren haben sich aufgrund von nachfolgend aufgeführten Vorteilen gegenüber den anderen Prinzipien weitgehend durchgesetzt:
n höhere Dauer-Vorschubkräfte bei gleicher Baugröße
n geringere Verluste aufgrund der Permanentmagnete
n einfache Regelbarkeit, höhere Regeldynamik
Im Gegensatz zu Stator und Rotor bei rotatorischen Motoren werden die beiden Motorkomponenten bei Linearantrieben als „Primärteil“ und „Sekundärteil“ bezeichnet.
Das Primärteil enthält die Motorwicklung, das Sekundärteil, als Reaktionsteil die Magnete (bei Synchronmotoren). Eine weitere Unterscheidungsmöglichkeit kann man durch Längs- bzw. Querschnitt des Motors erreichen.
Längsschnitt: Primärteil kürzer als Sekundärteil oder Sekundärteil kürzer als Primärteil
Querschnitt: Einzelkamm-, Doppelkamm- oder Solenoidausführung.
Integration des Linearmotors in die Linear-Einheit
Als Hersteller von zahnriemengetriebenen Linear-Einheiten, bietet der Hersteller seit vielen Jahren leistungsfähige lineare Module, die durch Aufbau und Gestaltung dem Anwender eine Reihe von Vorteilen bringen.
Auf der Basis dieses vielfach bewährten Prinzips entwickelte das Unternehmen eine grundlegend neue Linear-Einheit, die Serie „W“.
Der Antrieb erfolgt hier nicht mehr über eine extern montierte Kombination aus Motor und Getriebe, die über ein mechanisches System von Zahnriemen und Zahnriemenscheiben die rotatorische Bewegung in eine lineare Bewegung umformen. Ein Linearmotor, im Innern des Aluminiumprofils plaziert, treibt direkt den Laufwagen der Linear-Einheit an.
Das eigens für diesen Einsatzfall konzipierte Aluminiumprofil bietet durch seinen U-förmigen Aufbau und seine Wabenstruktur den nötigen Bauraum für die Montage des Primärteils und die gleichzeitig notwendige hohe Steifigkeit. Neben T-Nuten zur schnellen Montage der einzelnen Bauteile wurde im Besonderen eine Aufnahmenut für ein ebenfalls im Profilinnern montiertes Meßsystem vorgesehen.
Zum Schutz des im Profilinnern liegenden Antriebs- bzw. Meßsystems wird auch bei der Serie „W“ der bewährte, speziell vom Hersteller entwickelte Polyurethan-Abdeckriemen verwendet, der somit die empfindlichen Antriebskomponenten vor Verschmutzung schützt.
Ähnlich wie bei den traditionellen Systemen bietet diese neue Variante dem Anwender eine Reihe von Vorteilen:
n geringe Projektierungs- bzw. Konstruktionsaufwand durch Einsatz von einbaufertigen Komponenten
n hohe Zuverlässigkeit durch Verwendung von Qualitätsbauteilen
n geringer Montageaufwand durch einfachen Aufbau und Baukastensystem
n verringerte Nebenkosten durch Verwendung von Komplettmodulen und durch deren kurzfristige Verfügbarkeit
Die Serie „W“ wird zunächst in der Baugröße W140 mit zwei verschiedenen Vorschubkräften Fmax = 850N und 430N. Weitere Baugrößen in unterschiedlichen Ausführungen sind geplant.
Literatur:
Heinemann, G.; Papiernik, W.: Hochdynamische Vorschubantriebe mit Linearmotoren, VDI-Z, Integrierte Produktion, II/98
Internet
EL.MORE Engineering s.r.l., traditionell Hersteller von rein mechanischen Linear-Einheiten, stellt auf der Motek ´98 in Sinsheim erstmals seine neue Produktserie „W“ vor, die durch die Integration von Linearmotoren in Linear-Einheiten die Vorteile von beiden Technologien miteinander verknüpft und dem Anwender eine einsatzbereite Gesamtlösung bietet.
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