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Was sind Linearmotoren, welche Typen gibt es und wie funktionieren sie?

Dynamische Antriebstechnik
Was sind Linearmotoren, welche Typen gibt es und wie funktionieren sie?

Linearmotoren bieten eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Elektromotoren. Besonders Schnelligkeit und Dynamik machen den Einsatz unter anderem in Werkzeugmaschinen interessant. Aber auch für andere Anwendungen in denen geradlinige Bewegungen gefragt sind, eignen sich diese Motoren. Denn Linearmotoren erzeugen lineare Bewegungen direkt aus elektrischer Energie. Mechanische Übertragungsglieder wie Getriebe, Riemen oder Kupplungen sind überflüssig.

Inhaltsverzeichnis

1. Was sind Linearmotoren?
2. Wie funktionieren Linearmotoren?
3. Wie sind Linearmotoren aufgebaut?
4. Welche Vorteile und Nachteile haben Linearmotoren?
5. Welche Typen von Linearmotoren gibt es?
6. Für welche Anwendungen werden Linearmotoren genutzt?
7. In welchen Branchen werden Linearmotoren eingesetzt?
8. Welche Normen muss man im Zusammenhang mit Linearmotoren beachten (Auszug)?

Was sind Linearmotoren?

Linearmotoren sind eine spezielle Klasse oft synchron arbeitender, aufgrund des Einsatzes von Dauermagneten bürstenloser Servomotoren. Aber ein Linearmotor unterscheidet sich von einem rotierenden Motor, denn im Gegensatz zu einer rotierenden Maschine erzeugt ein Linearmotor keine drehende Bewegung beim angetriebenen Objekt, sondern bewegt dieses geradlinig oder entlang einer Kurvenbahn. Ein Linearmotor kommt dann zum Einsatz, wenn die Dynamik, die ein drehender Servomotor erzielt, nicht ausreicht und wenn stattdessen eine direkte translatorische Bewegung (Linearbewegung) umgesetzt werden muss. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn Anwendungen direkt angetrieben werden müssen (Linearmotoren) oder bei präzisen Verstellvorgängen (Linearzylinder).

Wie funktionieren Linearmotoren?

Das Funktionsprinzip von Linearmotoren lässt sich aus dem Prinzip der rotativen Motoren ableiten. Anders als bei rotierenden Antrieben wird bei einem Linearmotor häufig der aktive, bestromte Teil bewegt, während der elektrisch passive Teil stillsteht. „Elektrisch passiv“ bedeutet hierbei, dass das Magnetfeld in der Regel durch Permanentmagnete erzeugt wird, die beliebig aneinandergereiht werden können. Die Reaktionskräfte müssen vom Maschinenbett oder von der Anlage aufgenommen werden. Während drehende Motoren Übertragungselemente wie Riemen, Ketten oder ähnliches benötigen, um aus einer rotativen Bewegung indirekt eine translatorische zu machen, ermöglichen es Linearantriebe, eine Bewegung und Vorschubkräfte direkt umzusetzen. Daher werden Linearmotoren auch als Direktantriebe bezeichnet. Linearmotoren können sehr hohe Beschleunigungen und Verfahrgeschwindigkeiten erreichen. Sie eignen sich daher besonders gut für den Einsatz in Werkzeugmaschinen, Positionier- und Handlingsystemen und in Bearbeitungszentren.

Wie sind Linearmotoren aufgebaut?

Wegen der geometrischen Ähnlichkeit zwischen einem Drehstrommotor und einem Linearmotor, kann man die gedankliche Entwicklung des Linearmotorprinzips aus der Funktionsweise der rotierenden Maschinen in diesem Fall am Beispiel einer Drehstromasynchronmaschine sehr gut verdeutlichen. Der kreisförmige Stator trägt drei Stränge der Drehstromwicklung und im Inneren einen runden Rotor, der aus einem Aluminiumkäfig besteht. Um einen Linearmotor zu erhalten, wird die Drehstromasynchronmaschine an einer beliebigen Stelle aufgetrennt. Danach wickelt man den Stator und den Rotor in eine Ebene ab und erhält somit einen linearen Rotor und einen linearen Stator. Dabei liegen Rotor und Stator in zwei getrennte aber parallelen Ebenen. Zwischen diesen beiden Ebenen befindet sich jetzt der dünne, geradlinige Luftspalt. Schließt man den linearen Stator an eine Drehstromquelle an, so erzeugt er jetzt statt einem Drehfeld ein Wanderfeld, bei dem die magnetischen Pole linear durch den Luftspalt laufen. Dieses Wanderfeld induziert im „geradlinigen Läuferkäfig“ Spannungen, die entsprechende Ströme hervorrufen.

Diese Stromdurchflossene Leiter führen in dem magnetischen Stator-Wanderfeld zu Lorentzkräften, die entweder den Läufer oder Ständer nach links oder rechts bewegen (Lenzsche Regel). Somit entsteht aus einer rotierenden Bewegung eine geradlinige Bewegung. Damit sich der Läufer oder der Ständer in eine der beiden Richtungen bewegen kann, muss eine der beiden Komponenten die für die gewünschte Bewegung erforderliche Länge aufweisen. Soll sich zum Beispiel der Rotor bewegen, so muss der ortsfeste Stator länger sein.

Durch die unterschiedlichen Längen des Rotors und des Stators, muss man zwischen zwei Ausführungsmöglichkeiten der linearen Maschine unterscheiden. Wird der Ständer längs der Strecke verlegt, so spricht man von einem Langstator- Linearmotor. Hier wird der Stator direkt mit einer Drehstromquelle versorgt, so dass bewegte Kontakte zum Läufer vollständig entfallen. Wird aber der Rotor längs der Strecke verlegt, so spricht man von einem Kurzstator-Linearmaschine. Bei dieser Variante werden drei Schleifringe, die den bewegten Ständer mit elektrischer Energie versorgen, benötigt.

Der Aufbau von Linearmotoren ist dem asynchronischer Drehstrommotoren sehr ähnlich. Aus Fertigungsgründen ist aber oft der Rotor der Linearmaschine aus einer beblechten Eisenplatte (Fe) für den magnetischen Rückschluss des Wanderfeldes und einer darrüberliegenden Kupferplatte (Cu) für die elektrischen Ströme aufgebaut. Da aber Kupfer diamagnetisch ist, wird bei dieser Bauform der Luftspalt um die Dicke des Kupfers erhöht. Als Folge dieser Vergrößerung, verringert sich aber die Energieausbeute.

Bei synchronen Langstator Linearmotoren wird die Kupfer- und Eisenschiene durch Elektromagnete oder Dauermagnete ersetzt. Falls Elektromagnete eingesetzt werden, müssen sie natürlich zusätzlich mit Gleichstrom versorgt werden.

Welche Vorteile und Nachteile haben Linearmotoren?

Vorteile

  • hohes Beschleunigungsvermögen (bis 10 g)
  • hohe Verfahrgeschwindigkeit (bis 300 m/min)
  • beliebig große Verfahrwege
  • hohe Positioniergenauigkeit (bis 0,1 µm)
  • hohe Vorschubkräfte (bis 20 kN)
  • keine mechanischen Übertragungselemente notwendig
  • kein Verschleiß der Motorelemente (berührungslose Kraftübertragung)

Nachteile

  • geringer Wirkungsgrad bzw. hohe Verlustleistung führt zu erheblicher Wärmeentwicklung mitten in der Maschinenstruktur
  • Kraftübersetzung nicht möglich, die erzeugbare Kraft hängt nur vom verwendeten Motor ab
  • hohe magnetische Anziehungskräfte müssen von Schlitten und Führung aufgenommen werden

Welche Typen von Linearmotoren gibt es?

Eisenkern-Linearmotoren bestehen aus einer Magnetplatte, die meist fest installiert wird, und einer Spuleneinheit, auf die der Schlitten montiert wird. Durch das Eisen in der Spuleneinheit entstehen Anziehungskräfte zwischen Spuleneinheit und Magnetplatte. Eisenkernmotoren überzeugen mit ihrer hohen Kraftdichte. Ein Parameter, der bei der Verwendung dieser Motoren berücksichtigt werden muss, ist die Anziehungskraft. Da die Magnete die Eisenbleche der Wicklung anziehen, wird in diesem Sinne eine zusätzliche Kraft erzeugt, die bei der Konstruktion des Motors und der Linearführung zum Gewicht der Last addiert werden muss.

Eisenlose Linearmotoren bestehen aus einer Spuleneinheit, an der der Schlitten montiert wird und einem Magnetjoch in dem sich die Spule bewegt. Da in der Spuleneinheit kein Eisen verbaut ist bestehen zwischen der Spuleneinheit und dem Magnetjoch keine Anziehungskräfte. So entsteht kein Cogging. Mit dem Begriff Cogging werden Rastmomente beschrieben, die bei eisenbehafteten Linear- sowie Torque-Motoren auftreten. Durch das geringe Eigengewicht der Spuleneinheiten eignen sich eisenlose Linearmotoren gut für sehr dynamische Applikationen, bei denen schnelle Beschleunigungen und hohe Taktzeiten bei höchster Positioniergenauigkeit im Vordergrund stehen.

Tubolare Linearmotoren: Obwohl bei der herkömmlichen Anordnung die Magnete fixiert sind und die Motorspule sich bewegt, kann sie auch in umgekehrter Weise betrieben werden, indem die Spule fixiert ist und die Magnete bewegt werden. Bei kurzen Hüben kann dies von Vorteil sein, da das Gewicht der Spule größer wäre als das der Magnete. Und wenn es nun noch gelingt ihr Gewicht noch weiter zu reduzieren lässt sich eine sehr hohe Dynamik erreichen. Das ist das Grundprinzip für die tubolaren Linearmotoren, die die Magnete in eine zylindrische Stange integrieren, die vollständig von der Motorspule umwickelt ist. Diese Konstruktion erlaubt ein hohes Maß an IP- oder sogar die ATEX-Zertifizierung.

Piezoelektrische Motoren: Diese Technologie basiert auf der unterschiedlichen Verformung bei Stromdurchfluss. Die Verformung führt zu einer Schwingung die den Motor vorwärts oder rückwärts bewegt. Der Motor brauch keine Magnete. Bei der Kraftentwicklung kann dieser Typ mit keinem der vorherigen mithalten. Die kleine Bauweise erlaubt aber eine mögliche Integration in Systeme.

Für welche Anwendungen werden Linearmotoren genutzt?

Linearmotoren eignen sich besonders gut für den Einsatz in Werkzeugmaschinen, Positionier- und Handlingssystemen und in Bearbeitungszentren. Sie werden auch bei Ultraschallmikroskopen, Plasma-, Laser- und Wasserstrahlschneidanlagen eingesetzt. Linearmotoren eignen sich auch als Pumpen für flüssige Metalle (zum Beispiel Natriumkreislauf in Atomkraftwerken), wobei die Spulen fest montiert sind und das flüssige Metall als Läufer im Durchlaufrohr in Bewegung bringen. Zudem werden sie auch für Bahnantriebe (Transrapid/RailCab HSST oder auch Achterbahnen) eingesetzt. Verstärkt werden Linearmotoren wegen der vielen konstruktiven Vorteile mittlerweile in Haushalts-Elektro-Kleingeräten wie elektrischen Zahnbürsten, elektrischen Rasierern, Mundduschen eingebaut. Als Stator kommen hierbei Magnete aus Neodym-Eisen-Bor zum Einsatz.

In welchen Branchen werden Linearmotoren eingesetzt?

  • Drucken & Etikettieren
  • Fabrikautomatisierung
  • Forschung
  • Halbleiter, Elektronik, CD/DVD
  • Laborautomatisierung
  • Maschinen- und Anlagenbau
  • Materialflusstechnik
  • Montage- und Handhabungstechnik
  • Verpackungsmaschinen

Welche Normen muss man im Zusammenhang mit Linearmotoren beachten (Auszug)?

  • DIN EN 62520; VDE 0115-404:2012-01: Bahnanwendungen – Elektrische Zugförderung – Umrichtergespeiste Asynchron-Linearmotoren des Kurzstatortyps (LIM) (IEC 62520:2011); Deutsche Fassung EN 62520:2011; Ausgabe 2012–01
  • SN EN 62520: Elektrische Zugförderung – Elektrische Maschinen für Schienen- und Straßenfahrzeuge – Umrichtergespeiste Asynchron-Linearmotoren des Kurzstatortyps; Ausgabe 2011-08
  • OEVE/OENORM EN 62520: Bahnanwendungen – Elektrische Zugförderung – Umrichtergespeiste Asynchron-Linearmotoren des Kurzstatortyps (LIM) (IEC 62520:2011) (deutsche Fassung); Ausgabe 2012-03-01
  • NF F65–320; NF EN 62520:2012-04-01: Elektrische Zugförderung – Elektrische Maschinen für Schienen- und Straßenfahrzeuge – Umrichtergespeiste Asynchron-Linearmotoren des Kurzstatortyps; Ausgabe 2012–04–01
  • BS EN 62520: Elektrische Zugförderung. Elektrische Maschinen für Schienen- und Straßenfahrzeuge. Umrichtergespeiste Asynchron-Linearmotoren des Kurzstatortyps; Ausgabe 2011–09–30
  • UNE-EN 62520: Railway applications – Electric traction – Short-primary type linear induction motors (LIM) fed by power converters; Ausgabe 2012–04–25
  • DIN EN 60617–6: Graphische Symbole für Schaltpläne – Teil 6: Schaltzeichen für die Erzeugung und Umwandlung elektrischer Energie (IEC 60617–6:1996); Deutsche Fassung EN 60617–6:1996; Ausgabe 1997–08
  • DIN EN 62137–1–5: Oberflächenmontage-Technik – Verfahren zur Prüfung auf Umgebungseinflüsse und zur Prüfung der Haltbarkeit von Oberflächen-Lötverbindungen – Teil 1–5: Prüfung der Ermüdung durch mechanische Scherbeanspruchung (IEC 62137–1–5:2009); Deutsche Fassung EN 62137–1–5:2009; Ausgabe 2010–01
  • DIN EN ISO 15744: Handgehaltene nicht-elektrisch betriebene Maschinen – Geräuschmessverfahren – Verfahren der Genauigkeitsklasse 2 (ISO 15744:2002); Deutsche Fassung EN ISO 15744:2008; Ausgabe 2008–11
  • DIN EN 289: Kunststoff- und Gummimaschinen – Formpressen und Spritzpressen – Sicherheitsanforderungen; Deutsche Fassung EN 289:2014; Ausgabe 2014–09
  • Niederspannungsrichtlinie (2014/35/EU)

Aktuelle Meldungen zum Themenfeld der elektrischen Antriebstechnik (Elektromotoren) finden sich hier:
https://kem.industrie.de/elektromotoren/

Quellen:
https://www.sew-eurodrive.de/produkte/motoren/linearmotoren.html

https://www.bf-hydraulik.com/hydromotor.html

https://sinadrives.com/linearmotor-was-ist-das-und-welche-typen-gibt-es/

https://www.kollmorgen.com/de-de/products/motors/direct-drive/direct-drive-linear/lineare-direktantriebe/?utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=DE-direct-drive-linear&gclid=CjwKCAjwos-HBhB3EiwAe4xM9w2aRPQ1bX3cEeOCgObnAsnYBP2GSXzfXqaiXnnC0zhOkGBtqBwvBhoCRpMQAvD_BwE

https://www.ja2-gmbh.de/highdynamic.html?gclid=CjwKCAjwos-HBhB3EiwAe4xM9_0VyAsj7D9lGuMAWBYg-MP6YjpZ9Ej60Jf5Y0nTyWkCWb37ebNazRoCX5wQAvD_BwE

https://www.ja2-gmbh.de/files/Ja2/PDF-Dateien/Praesentationen%20u.%20Applikationen/linearmotor_historie_prinzip.pdf

https://www.boschrexroth.com/de/de/produkte/produktgruppen/lineartechnik/index?utm_medium=paid&utm_source=google&utm_campaign=de+LT+Lineartechnik&gclid=CjwKCAjwos-HBhB3EiwAe4xM9-Y-O5Vcbsf8fCOg63tGBWLreKUZtvltRxek97ULBqUoCFirF_BxWRoC5gYQAvD_BwE

http://www.iwf.tu-berlin.de/uploads/media/WZM_I_VL_07_-_Das_Vorschubsystem.pdf

https://www.etel.ch/de/linearmotoren/prinzip/

http://www.landschaftsoekonomie.tu-berlin.de/fileadmin/a3533/uploads/UE_NwB2/Uebung_Linearmaschinen.pdf

https://www.grin.com/document/109893

http://www.servotechnik.de/fachwissen/motoren/f_beitr_00_313.htm

https://www.wolf-eutin.de/media/custom/Industrielle_Linearmotoren.pdf

https://www.din.de/de/meta/suche/62730!search?query=Linearmotor&submit-btn=Submit

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