Zwischen flach und eisenlos

Der Autor Dirk Schmidt ist Vorstand der L-A-T Suhl AG, Suhl

Permanentmagneterregte AC-Synchronmotoren können in eisenbehaftete und eisenlose Motoren unterteilt werden. Dabei bezieht sich das Eisen auf das Magnetfeld erzeugende Spulensystem.

Ein neuer 3-Phasen AC-Synchronmotor mit der Bauartenbenbezeichnung LSSM der L-A-T Suhl AG ist eisenbehaftet und besitzt zwei sich symmetrisch gegenüberliegende Sekundärteile. Diese Sekundärteile mit 25 oder 50 mm Magnetbreite entsprechen den sonst bekannten Magnetschienen mit Seltenerdmagneten. Zwischen den Permanentmagnetschienen befindet sich das Primärteil, das bei Bestromung eine Kraft in Bewegungsrichtung erzeugt. Die sonst bei eisenbehafteten flachen Linearmotoren üblichen Anziehungskräfte (ein Vielfaches der Maximalkraft) sind nicht vorhanden. Der eingeführte Leser wird jetzt denken: „Nichts Neues“! Zwei flache Linearmotoren werden „Rücken an Rücken“ montiert und zwischen zwei Sekundärteile gesetzt. Das Ergebnis: Keine Anziehung zwischen den Primärteilen aufgrund des Kräftegleichgewichtes. Aber, werden konventionelle flache Linearmotoren Rücken an Rücken montiert, bewegen diese den internen Eisenrückschluss jedes Motors mit. Dieser ist nötig, um den magnetischen Fluss, der die Kraft in Bewegungsrichtung erzeugt, zu schließen.

Da der Masseanteil des Primärteils ca. 20 bis 35 Prozent beträgt, ergibt sich daraus bei einem Motor mit ca. 2.500 N Spitzenkraft ein Unterschied von rund 50 Prozent zugunsten des LSSM, bzw. der LSSM-Motor ist bei gleicher Kraft nur halb so schwer wie zwei Motoren Rücken an Rücken montiert. Beispiel: Zwei marktübliche Motoren (entsprechen auch den normalen LSM-Motoren der L-A-T Suhl AG) mit 1.240 N Spitzenkraft (2-3 s) mit jeweils ca. 6,7 kg Masse ergeben Rücken an Rücken 13,4 kg zu bewegende Masse bei 2.480 N. Ein LSSM-Motor mit 2.765 N hat demgegenüber nur 6,8 kg Masse. Bei zu bewegenden Zusatzmassen resultieren daraus Beschleunigungsunterschiede gemäß Tabelle 1.

Gemäß Tabelle 1 ist der LSSM-Motor im Beschleunigungsvermögen besonders bei kleinen Zusatzmassen vergleichbaren flachen Linearmotoren überlegen. Die spezifische Kraft bezogen auf das Eigengewicht des LSSM-Motors ist bei der Spitzenkraft 330 bis 450 N/kg. Das Kraft-Masse-Verhältnis vergleichbarer flacher Linearmotoren beträgt ca. 170 bis 210 N/kg. Deshalb sind die LSSM-Motoren -gegenwärtig bis 4.140 N Spitzenkraft (9,2 kg Motormasse) angeboten – sehr gut für hoch dynamische Aufgaben mit verhältnismäßig geringen Massen (bis zum 10-fachen der Primärteilmasse) geeignet. Bei größeren Massen haben die flachen Linearmotoren wieder vergleichbare Beschleunigungsverhältnisse.

Die bei Anwendungen im Werkzeugmaschinenbau für eine deutlich bessere Ablaufgenauigkeit der Führungssysteme bekannte und erwünschte magnetische Vorspannung der flachen Linearmotoren bedingt größere Führungsquerschnitte. Diese haben in der Automatisierung und im Gerätebau aber immer konstruktive Maßnahmen mit Auswirkung auf Dynamik und Kosten zur Folge. Die größeren Massen der Führungswagen und Schlitten infolge der Anziehung und die höheren Reibungskräfte durch die Vorspannung erfordern nämlich deutlich steifere Gestelle.

Die spezifische Kraft je cm² Magnetfläche bezogen auf die Nennkraft bei Wasserkühlung beträgt bei vielen Herstellern ca. 6 N/cm². Auch die LSSM-Motoren erreichen diesen Wert bezogen auf beide Magnetschienen. Die aktive Magnetfläche und die Magnetkosten sind bei den LSSM -Typen mit den anderen flachen Linearmotoren vergleichbar.

Steuerungstechnisch sind LSSM-Motoren wie alle anderen 3-Phasen AC-Synchronmotoren zu behandeln: Kommutierung über das Messsystem, Auflösung 1 µm. Bei 600 V Zwischenkreisspannung sind Geschwindigkeiten über 10 m/s möglich.

Die eisenlosen AC-Synchronmotoren haben ähnliche Eigenschaften wie die LSSM-Typen. Sie haben ein noch besseres Kraft-Masse-Verhältnis und üben keine Anziehung zum Sekundärteil aus. Wozu also diese neue Bauart LSSM-Motoren? Bei der Spitzenkraft (2-3 s) haben eisenlose Motoren mit ca. 4 N/cm² eine deutlich geringere Kraft bezogen auf die aktive Magnetfläche als die LSM-Motoren mit 8 N/cm². Die Nennkraft bei Luftkühlung beträgt bei eisenlosen Motoren ca. 1 N/cm², bei LSM-Motoren ca. 2,5 bis 3 N/cm². Dadurch brauchen eisenlose Motoren bei gleicher Kraft und Magnetbreiten bis 70 mm in der Regel deutlich länger. Der beschriebene LSSM-Motor mit 2.765 N Spitzenkraft hat eine Länge von 296 mm, ein vergleichbarer eisenloser Motor demgegenüber ca. 520 mm Länge bei 60 mm Magnet-Höhe.

LSSM-Motoren haben im Vergleich zu eisenlosen Motoren ein sehr effektives Kühlsystem. Zwischen jedem Kraft erzeugenden Spulensystem befindet sich über die gesamte Motorhöhe ein Aluminiumkörper mit sehr effizienter Wärmeableitung (Bild 2 ). Im tragenden Gehäuse ist ein effektives Kühlsystem integriert. Die nutzbare Nennkraft kann durch Wasserkühlung über das gesamte Spulensystem deutlich verbessert werden. Eisenlose Linearmotoren sind in der Regel nur am Spulenkopf kühlbar. Die magnetischen Rastkräfte – bei eisenlosen Motoren nicht vorhanden – betragen bei LSSM-Motoren ca. ein Prozent von der Spitzenkraft. Reglungstechnisch ist deshalb mit dem eisenlosen Motor ein extrem guter Gleichlauf erreichbar. Somit sind die LSSM-Motoren anwendungsseitig zwischen den flachen eisenbehafteten AC-Linearmotoren und den eisenlosen AC-Linearmotoren einordenbar, wobei ihre sehr kompakte Bauform Konstruktionsvorteile hat.

Bild 1 enthält eine Linearachse für ein Sprühsystem in der Halbleitertechnik. Die Achse muss alle 0,7 s einen Hub von 900 mm realisieren. In den Umkehrpunkten erreicht sie eine Beschleunigung von 50 m/s², die zu bewegende Masse beträgt 12 kg. Die Achse arbeitet kontinuierlich im 4-Schicht-Betrieb ohne Kühlung. Diese Anwendung nutzt die Vorteile der LSSM-Motoren. Neben der sehr guten Dynamik wird die Führung nur mit den Beschleunigungskräften belastet. In Zusammenarbeit mit der INA Lineartechnik wurden die Führungen so ausgewählt, dass auch sie eine Standzeit von 40 000 km im Jahr über 22 Jahre realisieren.

Internet

www.lat-suhl.de

Ausführliche Informationen

LAT Katalog Lineare AC-Synchron-Direktantriebe

Die L-A-T Suhl AG, Systemanbieter von Direkt-Antriebs-Systemen, realisiert komplette kundenspezifische Antriebssysteme, welche die jeweiligen Stärken der Antriebe voll ausnutzen. Vom Motor aus der eigenen Fertigung bis zu kompletten Antriebssystemen und OEM-Maschinen übernimmt L-A-T Suhl AG die Verantwortung. Bei Applikationen mit Führungen und solchen ohne Linearmotoren ist die INA Lineartechnik ein kompetenter Partner. Diese Partnerschaft zwischen dem Motoren- und dem Führungshersteller zahlt sich besonders dann aus, wenn die Anwendungen an die Grenze der bisherigen technischen Lösungen kommen.