Werfen Sie einen Blick auf die verschiedenen verfügbaren Linearmotoren und erfahren Sie, wie Sie den optimalen Typ für Ihre Anwendung auswählen.
Der folgende Artikel gibt einen Überblick über die verschiedenen verfügbaren Linearmotortypen, einschließlich ihrer Funktionsprinzipien, der Entwicklungsgeschichte von Permanentmagneten, Konstruktionsmethoden für Linearmotoren und Industriesektoren, in denen jeder Linearmotortyp verwendet wird.
Bei der Linearmotortechnologie kann es sich um lineare Induktionsmotoren (LIM) oder permanentmagnetische lineare Synchronmotoren (PMLSM) handeln.PMLSM kann einen Eisenkern oder ein eisenloses Material haben.Alle Motoren sind in Flach- oder Rohrausführung erhältlich.Hiwin ist seit 20 Jahren führend in der Entwicklung und Herstellung von Linearmotoren.
Vorteile von Linearmotoren
Ein Linearmotor wird verwendet, um eine lineare Bewegung bereitzustellen, dh eine bestimmte Nutzlast mit einer vorgegebenen Beschleunigung, Geschwindigkeit, Verfahrstrecke und Genauigkeit zu bewegen.Bei allen Bewegungstechnologien außer dem Antrieb durch Linearmotoren handelt es sich um eine Art mechanischer Antrieb, um eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln.Der Antrieb solcher Bewegungssysteme erfolgt über Kugelumlaufspindeln, Riemen oder Zahnstange und Ritzel.Die Lebensdauer all dieser Antriebe hängt stark vom Verschleiß der mechanischen Komponenten zur Umwandlung der Drehbewegung in eine Linearbewegung ab und ist relativ kurz.
Der Hauptvorteil von Linearmotoren besteht darin, dass sie eine lineare Bewegung ohne mechanisches System ermöglichen, da Luft das Übertragungsmedium ist. Daher handelt es sich bei Linearmotoren im Wesentlichen um reibungsfreie Antriebe mit theoretisch unbegrenzter Lebensdauer.Da zur Erzeugung einer linearen Bewegung keine mechanischen Teile verwendet werden, sind sehr hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten möglich, bei denen andere Antriebe wie Kugelumlaufspindeln, Riemen oder Zahnstangengetriebe an ihre Grenzen stoßen.
Lineare Induktionsmotoren
Abb. 1
Der lineare Induktionsmotor (LIM) war der erste, der erfunden wurde (US-Patent 782312 – Alfred Zehden im Jahr 1905).Es besteht aus einer „Primärseite“, die aus einem Stapel von Elektroblechlamellen und mehreren Kupferspulen besteht, die mit einer Dreiphasenspannung versorgt werden, und einer „Sekundärseite“, die im Allgemeinen aus einer Stahlplatte und einer Kupfer- oder Aluminiumplatte besteht.
Wenn die Primärspulen erregt werden, wird die Sekundärspule magnetisiert und im Sekundärleiter entsteht ein Wirbelstromfeld.Dieses sekundäre Feld interagiert dann mit der primären Gegen-EMK, um Kraft zu erzeugen.Die Bewegungsrichtung folgt Flemings Linke-Hand-Regel, d. h.Die Bewegungsrichtung verläuft senkrecht zur Stromrichtung und zur Feld-/Flussrichtung.
Abb. 2
Lineare Induktionsmotoren bieten den Vorteil sehr geringer Kosten, da die Sekundärseite keine Permanentmagnete verwendet.NdFeB- und SmCo-Permanentmagnete sind sehr teuer.Lineare Induktionsmotoren verwenden für ihre Sekundärseite sehr gängige Materialien (Stahl, Aluminium, Kupfer) und eliminieren dieses Versorgungsrisiko.
Der Nachteil der Verwendung linearer Induktionsmotoren ist jedoch die Verfügbarkeit von Antrieben für solche Motoren.Während es sehr einfach ist, Antriebe für Permanentmagnet-Linearmotoren zu finden, ist es sehr schwierig, Antriebe für lineare Induktionsmotoren zu finden.
Abb. 3
Permanentmagnet-Linear-Synchronmotoren
Permanentmagnet-Linear-Synchronmotoren (PMLSM) haben im Wesentlichen die gleiche Primärwicklung wie lineare Induktionsmotoren (d. h. einen Satz Spulen, die auf einem Stapel von Elektroblechlamellen montiert sind und von einer dreiphasigen Spannung angetrieben werden).Die Sekundärseite ist unterschiedlich.
Anstelle einer auf einer Stahlplatte montierten Aluminium- oder Kupferplatte besteht die Sekundärseite aus Permanentmagneten, die auf einer Stahlplatte montiert sind.Die Magnetisierungsrichtung jedes Magneten wechselt gegenüber der vorherigen, wie in Abb. 3 dargestellt.
Der offensichtliche Vorteil der Verwendung von Permanentmagneten besteht darin, dass in der Sekundärseite ein Permanentfeld erzeugt wird.Wir haben gesehen, dass auf einem Induktionsmotor durch die Wechselwirkung des Primärfelds und des Sekundärfelds eine Kraft erzeugt wird, die erst verfügbar ist, nachdem durch den Luftspalt des Motors ein Wirbelstromfeld in der Sekundärseite erzeugt wurde.Dies führt zu einer Verzögerung, die als „Schlupf“ bezeichnet wird, und zu einer Bewegung der Sekundärwicklung, die nicht synchron mit der Primärspannung ist, die der Primärwicklung zugeführt wird.
Aus diesem Grund werden Induktionslinearmotoren als „asynchron“ bezeichnet.Bei einem Permanentmagnet-Linearmotor ist die Sekundärbewegung immer synchron mit der Primärspannung, da das Sekundärfeld immer und ohne Verzögerung verfügbar ist.Aus diesem Grund werden permanente Linearmotoren als „synchron“ bezeichnet.
Auf einem PMLSM können verschiedene Arten von Permanentmagneten verwendet werden.In den letzten 120 Jahren hat sich das Verhältnis der einzelnen Materialien verändert.Derzeit verwenden PMLSMs entweder NdFeB-Magnete oder SmCo-Magnete, die überwiegende Mehrheit verwendet jedoch NdFeB-Magnete.Abb. 4 zeigt die Geschichte der Permanentmagnetentwicklung.
Abb. 4
Die Magnetstärke wird durch ihr Energieprodukt in Megagauss-Oersted (MGOe) charakterisiert.Bis Mitte der achtziger Jahre waren nur Stahl, Ferrit und Alnico verfügbar und lieferten Produkte mit sehr niedrigem Energieverbrauch.SmCo-Magnete wurden in den frühen 1960er Jahren auf der Grundlage von Arbeiten von Karl Strnat und Alden Ray entwickelt und später in den späten 1960er Jahren kommerzialisiert.
Abb. 5
Das Energieprodukt von SmCo-Magneten war zunächst mehr als doppelt so hoch wie das Energieprodukt von Alnico-Magneten.1984 entwickelten General Motors und Sumitomo unabhängig voneinander NdFeB-Magnete, eine Verbindung aus Neodynium, Eisen und Bor.Ein Vergleich von SmCo- und NdFeB-Magneten ist in Abb. 5 dargestellt.
NdFeB-Magnete entwickeln eine viel höhere Kraft als SmCo-Magnete, reagieren jedoch wesentlich empfindlicher auf hohe Temperaturen.SmCo-Magnete sind außerdem deutlich widerstandsfähiger gegen Korrosion und niedrige Temperaturen, aber auch teurer.Wenn die Betriebstemperatur die maximale Temperatur des Magneten erreicht, beginnt der Magnet zu entmagnetisieren, und diese Entmagnetisierung ist irreversibel.Wenn der Magnet seine Magnetisierung verliert, verliert der Motor an Kraft und kann die Spezifikationen nicht mehr erfüllen.Wenn der Magnet 100 % der Zeit unterhalb der Maximaltemperatur arbeitet, bleibt seine Stärke nahezu unbegrenzt erhalten.
Aufgrund der höheren Kosten von SmCo-Magneten sind NdFeB-Magnete für die meisten Motoren die richtige Wahl, insbesondere angesichts der höheren verfügbaren Kraft.Bei einigen Anwendungen, bei denen die Betriebstemperatur sehr hoch sein kann, ist es jedoch vorzuziehen, SmCo-Magnete zu verwenden, um die maximale Betriebstemperatur zu vermeiden.
Design von Linearmotoren
Ein Linearmotor wird im Allgemeinen mithilfe der elektromagnetischen Finite-Elemente-Simulation entworfen.Es wird ein 3D-Modell erstellt, das den Blechstapel, die Spulen, die Magnete und die Stahlplatte, die die Magnete trägt, darstellt.Luft wird sowohl um den Motor als auch im Luftspalt modelliert.Anschließend werden Materialeigenschaften für alle Komponenten eingegeben: Magnete, Elektroband, Stahl, Spulen und Luft.Anschließend wird ein Netz mit H- oder P-Elementen erstellt und das Modell gelöst.Dann wird der Strom an jede Spule im Modell angelegt.
Abb. 6 zeigt das Ergebnis einer Simulation, bei der der Fluss in Tesla angezeigt wird.Der wichtigste Ausgabewert, der für die Simulation von Interesse ist, ist natürlich die Motorkraft und wird verfügbar sein.Da die Endwindungen der Spulen keine Kraft erzeugen, ist es auch möglich, eine 2D-Simulation durchzuführen, indem ein 2D-Modell (DXF oder ein anderes Format) des Motors einschließlich Blechlamellen, Magneten und der die Magnete tragenden Stahlplatte verwendet wird.Das Ergebnis einer solchen 2D-Simulation kommt der 3D-Simulation sehr nahe und ist genau genug, um die Motorkraft zu beurteilen.
Abb. 6
Ein linearer Induktionsmotor wird auf die gleiche Weise modelliert, entweder über ein 3D- oder ein 2D-Modell, aber die Lösung wird komplizierter sein als bei einem PMLSM.Dies liegt daran, dass der magnetische Fluss der PMLSM-Sekundärseite sofort nach Eingabe der Magneteigenschaften modelliert wird. Daher ist nur eine Lösung erforderlich, um alle Ausgabewerte einschließlich der Motorkraft zu erhalten.
Der Sekundärfluss des Induktionsmotors erfordert jedoch eine transiente Analyse (d. h. mehrere Lösungen in einem bestimmten Zeitintervall), damit der magnetische Fluss der LIM-Sekundärseite aufgebaut und erst dann die Kraft ermittelt werden kann.Die für die elektromagnetische Finite-Elemente-Simulation verwendete Software muss in der Lage sein, eine transiente Analyse durchzuführen.
Linearmotortisch
Abb. 7
Die Hiwin Corporation liefert Linearmotoren auf Komponentenebene.In diesem Fall werden nur der Linearmotor und die Sekundärmodule geliefert.Bei einem PMLSM-Motor bestehen die Sekundärmodule aus Stahlplatten unterschiedlicher Länge, auf denen Permanentmagnete montiert werden.Hiwin Corporation liefert auch komplette Stufen, wie in Abb. 7 dargestellt.
Eine solche Bühne umfasst einen Rahmen, Linearlager, den Motorprimär, die Sekundärmagnete, einen Schlitten, auf dem der Kunde seine Nutzlast befestigen kann, den Encoder und eine Kabelschiene.Ein Linearmotortisch ist bei Lieferung betriebsbereit und erleichtert das Leben, da der Kunde keinen Tisch entwerfen und herstellen muss, wofür Expertenwissen erforderlich ist.
Lebensdauer des Linearmotortisches
Die Lebensdauer eines Linearmotortisches ist erheblich länger als die eines Tisches, der über Riemen, Kugelumlaufspindel oder Zahnstange und Ritzel angetrieben wird.Die mechanischen Komponenten indirekt angetriebener Stufen sind in der Regel die ersten Komponenten, die aufgrund der Reibung und des Verschleißes, denen sie ständig ausgesetzt sind, ausfallen.Ein Linearmotortisch ist ein Direktantrieb ohne mechanischen Kontakt oder Verschleiß, da das Übertragungsmedium Luft ist.Daher sind die einzigen Komponenten, die bei einem Linearmotortisch ausfallen können, die Linearlager oder der Motor selbst.
Typischerweise haben die Linearlager eine sehr lange Lebensdauer, da die Radialbelastung sehr gering ist.Die Lebensdauer des Motors hängt von der durchschnittlichen Betriebstemperatur ab.Abbildung 8 zeigt die Lebensdauer der Motorisolation als Funktion der Temperatur.Es gilt die Regel, dass sich die Lebensdauer pro 10 Grad Celsius, um die die Betriebstemperatur über der Nenntemperatur liegt, halbiert.Beispielsweise läuft ein Motor der Isolationsklasse F 325.000 Stunden bei einer Durchschnittstemperatur von 120 °C.
Daher ist davon auszugehen, dass ein Linearmotortisch bei konservativer Auswahl des Motors eine Lebensdauer von mehr als 50 Jahren haben wird, eine Lebensdauer, die mit Riemen-, Kugelumlaufspindel- oder Zahnstangenantriebstischen niemals erreicht werden kann.
Abb. 8
Anwendungen für Linearmotoren
Lineare Induktionsmotoren (LIM) werden hauptsächlich in Anwendungen mit langen Verfahrwegen eingesetzt, bei denen eine sehr hohe Kraft bei gleichzeitig sehr hohen Geschwindigkeiten erforderlich ist.Der Grund für die Wahl eines linearen Induktionsmotors liegt darin, dass die Kosten für die Sekundärseite erheblich niedriger sind als bei Verwendung eines PMLSM und dass der Wirkungsgrad des linearen Induktionsmotors bei sehr hoher Geschwindigkeit sehr hoch ist, sodass nur wenig Leistung verloren geht.
Beispielsweise verwenden EMALS (Electromagnetic Launch Systems), die auf Flugzeugträgern zum Starten von Flugzeugen eingesetzt werden, lineare Induktionsmotoren.Das erste derartige Linearmotorsystem wurde auf dem Flugzeugträger USS Gerald R. Ford installiert.Der Motor kann ein 45.000 kg schweres Flugzeug auf einer 91 Meter langen Strecke mit 240 km/h beschleunigen.
Ein weiteres Beispiel für Fahrgeschäfte in einem Vergnügungspark.Die in einigen dieser Systeme verbauten linearen Induktionsmotoren können sehr hohe Nutzlasten in 3 Sekunden von 0 auf 100 km/h beschleunigen.Lineare Induktionsmotortische können auch auf RTUs (Robot Transport Units) verwendet werden.Die meisten RTUs verwenden Zahnstangenantriebe, aber ein linearer Induktionsmotor kann eine höhere Leistung, geringere Kosten und eine viel längere Lebensdauer bieten.
Permanentmagnet-Synchronmotoren
PMLSMs werden typischerweise bei Anwendungen mit viel kleineren Hüben, niedrigeren Geschwindigkeiten, aber hoher bis sehr hoher Genauigkeit und intensiven Arbeitszyklen eingesetzt.Die meisten dieser Anwendungen finden sich in der AOI (automatisierte optische Inspektion) sowie in der Halbleiter- und Lasermaschinenindustrie.
Die Auswahl linearmotorgetriebener Tische (Direktantrieb) bietet erhebliche Leistungsvorteile gegenüber indirekten Antrieben (Tische, bei denen eine lineare Bewegung durch Umwandlung einer Drehbewegung erzielt wird), für langlebige Konstruktionen und ist für viele Branchen geeignet.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 06.02.2023