Linearmotoren sind Geräte, die elektrische Energie direkt und ohne zwischengeschaltete Umwandlungsmechanismen in lineare mechanische Bewegung umwandeln. Man kann sie sich als rotierende Motoren vorstellen, die radial geschnitten und zu einer flachen Ebene aufgefaltet wurden.
Sie werden auch als Linearmotoren oder Linearaktuatoren bezeichnet. Die gängigsten Typen sind Flachbett-, U-Kanal- und Rohrmotoren. Die typische Spulenkonfiguration ist dreiphasig, wobei die bürstenlose Phasenumschaltung über Hall-Effekt-Sensoren erfolgt.
Linearmotoren werden oft einfach als abgewickelte Rotationsmotoren bezeichnet, die nach dem gleichen Prinzip funktionieren. Der Antrieb (Rotor) wird durch das Zusammenpressen von Spulen mit Epoxidmaterial hergestellt; die Magnetbahn besteht aus Magneten (in der Regel hochenergetische Seltenerdmagnete), die auf Stahl befestigt sind.
Der Forcer des Motors umfasst Spulenwicklungen, Hall-Effekt-Sensorplatinen, Thermoregler (Temperatursensoren zur Überwachung der Temperatur) und elektronische Schnittstellen. Bei Rotationsmotoren benötigen der Forcer und der Stator Drehlager, um den Forcer zu stützen und den Luftspalt der beweglichen Teile aufrechtzuerhalten. In ähnlicher Weise benötigen Linearmotoren Linearführungen um die Position des Zwingers in dem von der Magnetbahn erzeugten Magnetfeld zu halten.
Wie die auf den Wellen von rotierenden Servomotoren montierten Encoder zur Positionsrückmeldung benötigen Linearmotoren lineare Encoder zur direkten Messung der Position der Last, wodurch die Positionierungsgenauigkeit der Last verbessert wird.
Die Steuerung von Linearmotoren ist ähnlich wie die von Rotationsmotoren. Wie bei den bürstenlosen Rotationsmotoren sind Forcer und Stator mechanisch nicht miteinander verbunden (bürstenlos).
Im Gegensatz zu Rotationsmotoren, bei denen sich der Rotor dreht und der Stator feststeht, kann sich bei Linearmotorsystemen entweder die Magnetbahn oder die Druckspule bewegen (die meisten Positioniersysteme haben eine feste Magnetbahn und eine bewegliche Druckspule). Bei Motoren mit beweglichen Druckspulen ist das Gewicht der Druckspule und der Last sehr gering.
Dies erfordert jedoch hochflexible Kabel und deren Führungssysteme. Bei Motoren mit beweglichen Magnetbahnen muss nicht nur die Last, sondern auch das Gewicht der Magnetbahn getragen werden, wodurch ein Kabelmanagementsystem überflüssig wird.
Sowohl in Linear- als auch in Rotationsmotoren kommen ähnliche elektromechanische Prinzipien zum Einsatz. Die gleichen elektromagnetischen Kräfte, die bei Rotationsmotoren ein Drehmoment erzeugen, erzeugen bei Linearmotoren einen linearen Schub.
Daher verwenden Linearmotoren die gleichen Steuerungs- und Programmierkonfigurationen wie Drehmotoren. Die Form der Linearmotoren kann flach, U-förmig oder rohrförmig sein, je nach den spezifischen Anforderungen und der Arbeitsumgebung der Anwendung.
Die Funktionsprinzipien von Linearmotoren lassen sich in zwei Haupttypen unterteilen: Bei dem einen bewegt sich der Läufer (das bewegliche Teil) in einem Magnetfeld, dem so genannten Magnetschwebebahn-Linearmotor, und bei dem anderen bleibt der Läufer im Magnetfeld stehen und wird durch elektromagnetische Kraft angetrieben, dem so genannten elektromagnetischen Schub-Linearmotor.
(1) Magnetschwebebahn-Linearmotor
Das Prinzip des Magnetschwebebahn-Linearmotors beruht auf der Nutzung von Magnetfeldern zur Aufhängung des Antriebs in der Luft, wodurch eine berührungslose, reibungsfreie Bewegung erreicht wird. Zu dieser Art von Linearmotoren gehören vor allem Permanentmagnet-Synchron-Linearmotoren (PMSLMs) und elektromagnetisch aufgehängte Linearmotoren (EMSLMs).
PMSLMs nutzen die Wechselwirkung zwischen dem von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeld und dem Magnetfeld des Stators, um den Antrieb zu halten. Die Hauptvorteile von PMSLMs sind ihr einfacher Aufbau, ihre geringen Kosten und ihr stabiler Betrieb.
Die Intensität des Magnetfelds ist jedoch aufgrund der Dauermagnete begrenzt, was zu einer relativ geringen Schubkraft und Geschwindigkeit führt.
EMSLMs nutzen die durch elektromagnetische Felder erzeugte magnetische Schwebekraft, um den Mover zu halten. Ihr Hauptvorteil ist die höhere Magnetfeldintensität, die zu einer relativ größeren Schubkraft und Geschwindigkeit führt. EMSLMs haben jedoch eine komplexere Struktur und höhere Kosten.
(2) Elektromagnetischer Linearmotor mit Schubkraft
Der Linearmotor mit elektromagnetischem Antrieb arbeitet mit elektromagnetischer Kraft, um den Läufer in einem Magnetfeld zu bewegen. Zu dieser Kategorie gehören hauptsächlich Wechselstrom-Linearmotoren (ACLMs) und Gleichstrom-Linearmotoren (DCLMs).
ACLMs werden durch die elektromagnetische Kraft angetrieben, die durch Wechselstrom erzeugt wird, um den Läufer zu bewegen. Die Hauptvorteile von ACLMs sind ihre Einfachheit, ihre geringen Kosten und ihr stabiler Betrieb. Die Eigenschaften des Wechselstroms begrenzen jedoch ihre Schubkraft und Geschwindigkeit.
DCLMs nutzen die durch Gleichstrom erzeugte elektromagnetische Kraft, um den Läufer zu bewegen. Der Hauptvorteil von DCLMs ist ihre höhere Schubkraft und Geschwindigkeit, aber sie haben eine komplexere Struktur und sind teurer in der Umsetzung.
Bevor es praktische und erschwingliche Linearmotoren gab, mussten alle linearen Bewegungen von rotierenden Maschinen mit Hilfe von Kugelumlaufspindeln, Rollenumlaufspindeln, Riemen oder Riemenscheiben umgesetzt werden. Für viele Anwendungen, insbesondere solche mit schweren Lasten und vertikalen Antriebswellen, sind diese Methoden immer noch die besten.
Linearmotoren haben jedoch viele einzigartige Vorteile gegenüber mechanischen Systemen, z. B. sehr hohe und sehr niedrige Geschwindigkeiten, hohe Beschleunigung, praktisch keine Wartung (keine Kontaktteile), hohe Präzision und kein Spiel.
Die Vervollständigung der linearen Bewegung mit nur einem Motor, ohne Getriebe, Kupplungen oder Riemenscheiben, ist für viele Anwendungen sinnvoll, da diese unnötigen Teile, die die Leistung verringern und die mechanische Lebensdauer verkürzen, wegfallen.
1) Einfache Struktur.
Rohrförmige Linearmotoren erzeugen direkt lineare Bewegungen ohne zwischengeschaltete Umwandlungsmechanismen, was die Struktur stark vereinfacht, die Bewegungsträgheit verringert und die Dynamik und Positioniergenauigkeit erheblich verbessert. Dies erhöht auch die Zuverlässigkeit, spart Kosten und vereinfacht die Herstellung und Wartung. Die Primär- und Sekundärteile können direkt in den Mechanismus integriert werden, eine einzigartige Kombination, die diese Vorteile noch weiter unterstreicht.
2) Geeignet für lineare Hochgeschwindigkeitsbewegungen.
Da die Zentrifugalkraft keine Einschränkungen mit sich bringt, können normale Materialien höhere Geschwindigkeiten erreichen. Wenn außerdem Luft- oder Magnetkissen verwendet werden, um den Spalt zwischen Primär- und Sekundärteil aufrechtzuerhalten, gibt es während der Bewegung keinen mechanischen Kontakt und somit keine Reibung oder Geräusche. Das bedeutet, dass die Übertragungsteile nicht verschleißen, was die mechanischen Verluste stark reduziert und Geräusche von Kabeln, Stahlseilen, Zahnrädern und Riemenscheiben vermeidet, wodurch die Gesamteffizienz erhöht wird.
3) Hohe Auslastung der Primärwicklungen.
Bei röhrenförmigen Asynchronmotoren sind die Primärwicklungen pfannkuchenförmig und haben keine Endwicklungen, was zu einer hohen Auslastung der Wicklungen führt.
4) Keine Querkanteneffekte.
Unter Quereffekten versteht man die Abschwächung des Magnetfelds an den Grenzen durch Querbrüche. Zylindrische Linearmotoren haben keine Querunterbrechungen, so dass das Magnetfeld gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt ist.
5) Einfache Überwindung einseitiger magnetischer Anziehung.
Die radialen Anziehungskräfte heben sich gegenseitig auf, wodurch das Problem der einseitigen magnetischen Anziehungskraft praktisch eliminiert wird.
6) Einfach einzustellen und zu kontrollieren.
Durch Anpassung der Spannung oder Frequenz oder durch Änderung des Sekundärmaterials können unterschiedliche Geschwindigkeiten und elektromagnetische Schübe erzielt werden, die sich für langsame Hin- und Herbewegungen eignen.
7) Hohe Anpassungsfähigkeit.
Der Primärkern des Linearmotors kann mit Epoxidharz eingekapselt werden, was eine gute Korrosions- und Feuchtigkeitsbeständigkeit gewährleistet und ihn für den Einsatz in feuchten, staubigen und schädlichen Gasumgebungen geeignet macht. Darüber hinaus kann er in verschiedenen Strukturen gestaltet werden, um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden.
8) Hohe Beschleunigung.
Dies ist ein wesentlicher Vorteil von Linearmotorantrieben im Vergleich zu anderen Spindeln, Synchronriemenund Zahnstangenantriebe.
Linearmotoren, die für ihre Effizienz, Präzision und hohe Geschwindigkeit bekannt sind, werden in den verschiedensten Bereichen eingesetzt.
Im Transportsektor werden Linearmotoren hauptsächlich in Hochgeschwindigkeitszügen, U-Bahnen und Aufzügen eingesetzt. In den deutschen Magnetschwebebahnen werden beispielsweise Linearmotoren mit Magnetschwebetechnik eingesetzt, was zu höheren Geschwindigkeiten und geringeren Geräuschpegeln führt.
Außerdem können Linearmotoren in die Antriebssysteme von Elektrofahrzeugen integriert werden, um deren Leistung zu steigern.
In der industriellen Fertigung werden Linearmotoren vor allem eingesetzt in CNC-Maschine Werkzeugen und Robotern. Zum Beispiel sind die Werkzeugvorschubsysteme in CNC-Werkzeugmaschinen werden von Linearmotoren angetrieben und bieten eine höhere Bearbeitungsgenauigkeit und schnelle Reaktionszeiten.
Darüber hinaus können Linearmotoren an Förderbändern und Handhabungsrobotern in automatisierten Produktionslinien eingesetzt werden und so die Produktivität steigern.
Im medizinischen Bereich werden Linearmotoren hauptsächlich in medizinischen Bildgebungsgeräten wie CT-Scannern und MRT-Geräten eingesetzt. Diese Geräte erfordern eine präzise Steuerung des Scanbereichs und der Geschwindigkeit für Röntgenstrahlen oder Magnetfelder, und Linearmotoren bieten eine hohe Präzision und Geschwindigkeitskontrolle, was die Genauigkeit und Effizienz von Diagnosen verbessert.
In der wissenschaftlichen Forschung werden Linearmotoren vor allem in Teilchenbeschleunigern und astronomischen Teleskopen eingesetzt. So werden beispielsweise in den Beschleunigerringen des Large Hadron Collider (LHC) Linearmotoren eingesetzt, die eine höhere Beschleunigung und stabilere Betriebsleistung ermöglichen.
Darüber hinaus können Linearmotoren in automatischen Fokussierungssystemen astronomischer Teleskope eingesetzt werden, um die Präzision und Effizienz der Beobachtungen zu verbessern.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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