Elektromotorische Linearantriebe verbinden die schnelle und einfache Regelung eines elektrischen Systems mit dem einfachen Aufbau pneumatischer Zylinder und eignen sich für viele Anwendungsbereiche. Inzwischen sind leistungsstarke, gleichzeitig aber kompakte Linearantriebe auf dem Markt, die dank ihrer innovativen Konstruktion vor allem durch Schubkraft und Dynamik bei gleichzeitiger Laufruhe überzeugen.
Grundsätzlich lassen sich rotative Elektromotoren aller Prinzipien in Linearmotoren umsetzen, indem man den runden Luftspalt auf eine Gerade abbildet. Die ursprünglich kreisförmig angeordneten elektrischen Erregerwicklungen werden dazu quasi auf ebener Strecke abgewickelt. Das Magnetfeld zieht dann den Läufer über die Fahrstrecke.
Für Mikropositioniersysteme ideal
Es gibt jedoch auch noch andere Möglichkeiten. Die DC-Linearantriebe der Serie Quickshaft aus dem Hause Faulhaber beispielsweise sind nicht als solche «Oberflächenläufer» mit Schlitten und Führung aufgebaut. Stattdessen wird der Läuferstab innerhalb einer selbsttragenden Dreiphasenspule geführt. Durch diese innovative Konstruktion ergeben sich ein ausgesprochen gutes lineares Kraft-/Stromverhältnis und eine hohe Dynamik.
Ausserdem gibt es keine Rastmomente, wodurch sich die Linearmotoren für den Einsatz in Mikropositioniersystemen besonders gut eignen. Typische Anwendungen reichen von Handling- und Positioniersystemen bis hin zu Scanning-Applikationen beispielsweise in der Mikroskopie. Inzwischen haben sich die kompakten DC-Linearantriebe aber auch in eher ungewöhnlichen Einsatzbereichen bewährt, wie das folgende Beispiel zeigt:
Visionäre Ideen technisch umsetzen
Die Komplexität der modernen Welt einfach zu erklären und dabei noch einen Erlebniswert zu schaffen, ist der Ansatz der MKT AG in Olching. «Unsere Stärke ist es, technisch aufwendige und komplizierte Sachverhalte auf den Punkt zu bringen und sie buchstäblich begreifbar zu machen», sagt Vorstand Axel Haschkamp.
Für das Jubiläum der BMW Group im Jahr 2016 galt es, die Mobilität in die Zukunft weiterzudenken. Exponate für die vier Kernmarken BMW, MINI, Rolls-Royce und BMW Motorrad sollten dabei die visionären Ideen der Entwickler zum zukünftigen Fahrgefühl transportieren. Eingebettet in ein konzentrisches Raumkonzept entstand für jede der Marken ein kinetisch-digitales Exponat, das die Vorstellungskraft des Betrachters anregen soll.
Im Markenraum von BMW beispielsweise ermöglicht eine kinetische Skulptur dem Besucher einen Blick in die Zukunft der Mobilität. Hunderte hauchdünner Carbonschuppen, in einer Kugelform angeordnet, können unterschiedliche Formen darstellen. Sie bewegen sich elegant und fliessend und stehen für die Agilität, die die zukünftigen Fahrzeuge auszeichnen soll.
Fliessend elegante Bewegungen
Insgesamt wurden für die Ausstellung «Iconic Impulses», die 2016 die Besucher in München, Peking, London und Los Angeles begeisterte, zwei unterschiedliche Formwandlerskulpturen entwickelt. Bis Ende 2017 sind die Exponate noch im Doppelkegel der BMW Welt in München zu sehen. Die Anzahl der in den Skulpturen eingesetzten Antriebe ist beachtlich: Bei einem Exponat sorgen 92 lineare DC-Servomotoren für die fliessend eleganten Bewegungen, beim anderen 42. «Die komplexen Bewegungsabläufe sollten geräuschlos und sehr agil funktionieren», erläutert Axel Haschkamp. «Wir hatten eine genaue Vorstellung von schönen, dynamischen Bewegungen. Die Wahl fiel schliesslich auf die Quickshaft-Linearantriebe von Faulhaber, weil uns deren Leistungsfähigkeit überzeugte.»
Die Steuerung wurde mit CANopen Motion Controllern des gleichen Herstellers realisiert. «In Zusammenarbeit mit unseren Motion-Control-Experten konnten die Zykluszeiten des Gesamtsystems optimiert und faszinierend fliessende Bewegungen erzielt werden», so Andreas Eiler, der beim Hersteller für dieses Projekt verantwortlich war. Die Durchmesser der beiden Formwandler verändern sich beim 42er-Exponat von 300 bis 400 mm, beim 92er-Modell von 350 bis 430 mm.
Lineare DC-Servomotoren mit selbsttragender Dreiphasenspule
Die Quickshaft-DC-Linearmotoren, die die treibende Kraft der visionären Exponate sind, bestehen im Prinzip aus nur drei Einheiten: dem Stator (Motor), dem Stecker mit Kabel und einem Präzisions-Metallgleitstab als Läufer. Ein nichtmagnetisches Stahlgehäuse nimmt die selbsttragende Drehstromspulenwicklung sowie die Gleitlagerung des Läufers auf. Unter der oberen Abdeckung finden noch eine Platine mit einer gedruckten Schaltung für drei Hallsensoren zur Positionsbestimmung und der Steckeranschluss Platz. Der Läuferstab ist mit äusserst starken Permanentmagneten bestückt. Der rechteckige, leicht anflanschbare Stator lässt sich gut in die diversen Anwendungen integrieren. Die in den kinetischen Skulpturen eingesetzten Linearmotoren vom Typ LM 2070 liefern trotz der kompakten Statorabmessungen von 20 × 20 × 70 mm beachtliche mechanische Kennzahlen. Die Dauerkraft des Läuferstabes beträgt 9,2 N, als Spitzen- bzw. Stosskraft stehen sogar bis zu 27,6 N zur Verfügung. Die Hublängen liegen bei 40, 80, 120, 160 oder 220 mm. Je nach Belastungsfall lässt sich bei der 40-mm-Hubvariante eine Beschleunigung von maximal 93,9 m/s2 erreichen, was fast 10 g entspricht. Bei 220 mm Hub beträgt die maximal mögliche Beschleunigung immer noch 36,8 m/s² oder knapp 4 g. Die robuste Gleitlagerung des Läuferstabs verkraftet problemlos Geschwindigkeiten bis 2,8 m/s. Der zulässige Betriebstemperaturbereich des Antriebs von –20 bis +125 °C deckt gängige Anwendungsbereiche ab. Trotz dieser Leistungswerte ist der Linear- motor feinfühlig regelbar. Die Wiederholgenauigkeit liegt zwischen 100 µm bei 40 mm Hub und 120 µm bei 120 mm Hub.
Zwei kleinere Varianten
Die leistungsstarken DC-Servomotoren werden ausserdem noch in zwei kleineren Varianten angeboten. Der LM 1247 mit Statorabmessungen von 12 × 12 × 49,4 mm arbeitet ebenfalls mit 40 bis 120 mm Hub; die mit Statorabmessungen von 8 × 8 × 33 mm noch kleinere Ausführung wird mit 15 oder 40 mm Hub angeboten. Damit lässt sich für Anwendungen, die kompakte, dynamische und laufruhige Antriebe brauchen, eine Lösung finden.
Infoservice
Faulhaber Minimotor SA
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