Eisenlose Linearantriebe

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1 Systemhus für Antriebstechnik Motoren Regler Steuerungen Eisenlose Linerntriebe Funktionsweise & Auswhl un Auslegung Bil 1: Ironless Linermotor AUM Der größte Anteil ller Antriebsufgben in moernen Mschinen erforert eine linere Bewegung. Ausgelöst urch en Tren zu immer kleineren bewegten Mssen un hochynmischer Positionierung stößt ie klssische Lösung - rottive Bewegung wir mechnisch in eine linere Bewegung umgewnelt - immer öfter n ihre physiklischen Grenzen. Stbile Regelkreise lssen sich bei Anforerungen, bei enen gleichzeitig Genuigkeit un Dynmik geforert sin, nur mit spielfreien Direktntrieben erreichen. Der Ironcore (eisenbehftete) Linermotor, bei em ohne mechnische Umsetzung eine linere Bewegung irekt erzeugt wir, ht sich im Mrkt etbliert. Die Ironless (eisenlose)-technologie ist ie konsequente Weiterentwicklung es Synchron-Linermotortyps un bietet lle Vorteile eines Direktntriebes ohne störene Nebeneffekte. Dmit ist ieser Antrieb iel, um kleine Mssen hochynmisch un genu zu positionieren. Der folgene Beitrg erläutert un vergleicht iese Technologien. Anforerungen n moerne Antriebe Steigerung er Prouktivität ist heute in llen Inustriebereichen s entscheiene Them. Leistungsfähigere un kompktere Mschinen forern von er Antriebstechnik: Mximle Geschwinigkeiten un Beschleunigungen Punktgenue Positionierung - kein Überschwingen Optimle Mssennpssung - Regelkreisstbilität Höchster Wirkungsgr - geringe Betriebskosten

2 Diese Forerungen weren ohne Einschränkung urch Direktntriebe erfüllt. Kombiniert mit hochuflösenen irekten Linermßbänern un leistungsfähigen Digitlreglern setzen iese Antriebspkete neue Mßstäbe in Punkto Geschwinigkeit, Steifigkeit un Genuigkeit! Typische Anwenungen finen sich im Bereich Elektronik, Bestückungstechnik un Fertigungstechnik, wo kleinste Mssen mit imlen Tktzeiten bewegt weren müssen, bzw. für en Fertigungsprozess eine hohe Gleichlufgüte notwenig ist. Aber uch in neren Bereichen wie er Werkzeugmschineninustrie, er Druckinustrie un gnz besoners im Bereich Messtechnik erlngen ie Vorzüge ieser Technologie strtegische Beeutung. Bil : Wfer-Stepper, er mit einem Beleuchtungsgerät usgerüstet ist, s es erlubt, ie Auflösung uf unter 0,5 µm zu erweitern, ohne ie hervorrgene Nchbilung un ie hohe Prouktivität zu beeinträchtigen. Diese hohe Genuigkeit konnte nur urch Verwenung von eisenlosen EC-Linermotoren erzielt weren, wourch eren heutige große Beeutung in er Antriebstechnik einrucksvoll unterstrichen wir. Elektrische Linermotoren (Synchronmotoren) Beknntlich besteht ein Rottionsmotor us einem zylinrischen Sttor mit einer Wicklung, in em konzentrisch er Rotor läuft. Stellt mn sich iesen Rottionsmotor nun ufgeschnitten un in er Ebene bgewickelt vor, so erhält mn s Prinzip es Linermotors. Wie es beim Rottionsmotor zwei Elemente gibt, nämlich en Sttor un en Rotor, so besteht er Linermotor ebenflls us zwei Elementen, ie ls Primär- un Sekunärelement bezeichnet weren. Primärelement (führt Bewegung us) N S N S N S Sekunärelement (fest) Bil 3: Linermotor Typischerweise bewegt sich s Primärteil un s Sekunärteil ist fest montiert. Der Aufbu knn ber uch umgekehrt erfolgen. Bsieren uf en gennnten beien Ausführungsmöglichkeiten Wicklungsläufer un Wicklungssttor können verschieene Typen von Linermotoren gebut weren, von enen im hier vorliegenen Fll nur ie lineren elektronisch kommutierten Motoren von Interesse sin. D Asynchronmotoren beingt urch ihre Konstruktion eine nur geringe Steifigkeit ufweisen, weren sie huptsächlich im Bereich Trnsporttechnik eingesetzt, bei er ie usschlggebene Größe er Verfhrweg ist. A-Drive Technology GmbH Ziegelhüttenweg Tunusstein Germny Tel.: +49 (0) Fx: +49 (0) info@-rive.e

3 Bürstenlose Linermotoren Ironcore* un Ironless* Bei beien Motortypen hnelt es sich um permnenterregte Synchronmotoren. Als Mgnetmteril weren usschließlich hochkoerzitive Neoyn-Mgnete eingesetzt, ie zum Korrosionsschutz vernickelt sin. Beim Ironless Linermotor (Bil 3), besteht s Sekunärteil (Sttor) us einem U-förmigen Profil, s uf beien Seiten mit Mgneten bestückt ist. Die Nor- un Süpole sin bwechseln ngeornet, mit sich ein sinusförmiger Verluf er Flussichte über er Länge es Sekunärteils ergibt. Mn spricht eshlb beim Ironless Linermotor uch von einem Motor mit zweiseitiger Mgnetnornung. COILS IN NON-MAGNETIC CARRIER PERMANENT MAGNETS AIRGAPS MAGNETPLATES (U-SHAPE IN SIDEVIEW) Bil 4: Ironless Linermotor Der eisenlose Läufer besteht us einer reiphsigen Wicklung, ie in Epoxihrz eingegossen ist un von einem Stnr-Servoregler ngesteuert weren knn. Entscheien für ie Leistungsfähigkeit es eisenlosen Läufers ist ie Wärmebfuhr un er Schutz vor Überhitzung. Moernste Mterilien un ptentierte Technologien erluben heute en zuverlässigen Einstz von eisenlosen Motoren. Ds Kommutierungssignl für en Strom wir entweer urch ein Längenmesssystem geliefert oer urch rei Hllsensoren erzeugt, ie in en Läufer integriert sin. Bei ieser Motorkonstruktion ergibt sich er mgnetische Wierstn us er Dicke er Mgnete, em Luftsplt un er Dicke es Primärteils. Dieser reltiv hohe Wierstn resultiert in einer geringeren Flussichte ls beim Ironcore Motor. Durch weren nur mittlere Spitzenkräfte un nierige Duerkräfte erzielt. Auch ist bei ieser Konstruktion ie Wärmebfuhr n ie Umgebung ufgrun es fehlenen Eisens sehr gering. Ein Ausgleich wir urch s symmetrische Design mit Bil 5: Linereinheit SGL gegenüberliegenen Mgneten un s Fehlen von mgnetischem Mteril im Primärteil geschffen. Hierurch ht er Motor keinerlei mgnetische Anziehungskrft, ws einen einfchen mechnischen Aufbu erlubt un keinerlei Rstmoment, ws im Stromregelkreis zu einem konkurrenzlosen Gleichluf führt. Die einzige Krft, ie erzeugt wir, ist eine Vorschubkrft Durch en hohen mgnetischen Wierstn ist ie Inuktivität in er Spule miniml. Durch weren imle Strom-/Krftnstiegsgeschwinigkeiten möglich für schnellste Bewegungen un höchste Steifigkeit gegenüber Störkräften. Um ie Leistungsfähigkeit ieses Antriebes voll uszunutzen, sin schnelle Servoregler mit hoher Bnbreite erforerlich. Die hohen Mgnetkosten begrenzen en Einstz uf Anwenungen mit geringem Hub. *Ironless eisenlos *Ironcore eisenbehftet Demgegenüber besitzt er Ironcore Linermotor nur eine einseitige Mgnetnornung. Hier besteht er Läufer ebenflls us einer reiphsigen Wicklung, ie jeoch in ie Nuten eines Blechlmints eingelegt un vergossen ist. A-Drive Technology GmbH Ziegelhüttenweg Tunusstein Germny Tel.: +49 (0) Fx: +49 (0) info@-rive.e 3

4 Der Sttor ist hier eine flche ferromgnetische Sthlpltte, uf er ie Permnentmgnete ufgeklebt sin un ie ls mgnetischer Rückschluss ient. Ntürlich ist uch hier eine exkte Führung es Läufers uf em Sttor erforerlich, mit stets ein konstnter Luftsplt zwischen Primär- un Sekunärteil gewährleistet ist. Der Ironcore Linermotor mit seinem hohen Anteil n mgnetischem Mteril un einem geringen Luftsplt erzeugt höchste Linerkräfte. Vereinfcht : F Φ A (Felstärke Fläche) Beingt urch ie Geometrie wir ber nur ein bestimmter Prozentstz in Vorschubkrft umgesetzt. Die Anziehungskrft zwischen Primär- un Sekunärteil liegt meistens um en Fktor über er Vorschubkrft. Dies ist bei em mechnischen Aufbu zu berücksichtigen. Dieser Motortyp ht ein je nch Konstruktionstyp ein nicht zu vernchlässigenes Rstmoment. IRON CORE COILS PERMANENT MAGNETS AIRGAP MAGNETPLATE Auch hier wir ie 3-phsige Wicklung urch einen Servoregler ngesteuert, un uch ie Kommutierung es Spulenstroms erfolgt uf ie gleiche Weise wie beim Ironless Motor. D er wesentlich höhere Kräfte erzeugen knn ls er Ironless Motor un sich ie Wicklung her stärker erwärmt, knn er Läufer uch mit einem ptentierten Kühlsystem geliefert weren. Durch knn ie Effektivkrft es Linermotors um bis zu 100% erhöht weren. Dies ist von entscheiener Beeutung für ynmische Anwenungen mit hoher Einschltuer oer beim Einstz in Präzisionsmschinen zur Reuzierung es thermischen Einflusses urch en Motor. Leistungsmerkmle von Ironcore* un Ironless* Linermotoren Beie Technologien zeichnen sich urch bestimmte Eigenschften us, ie - richtig ppliziert - zum optimlen Ergebnis führen! In er nchfolgenen Tbelle sin ie wesentlichen Eigenschften gegenübergestellt, im oberen Teil er Tbelle sin ie typischen Kennwerte für en Einstz es jeweiligen Motortypes ufgeführt. 4 A-Drive Technology GmbH Ziegelhüttenweg Tunusstein Germny Tel.: +49 (0) Fx: +49 (0) info@-rive.e

5 Ironless Linermotor bewegte Mssen <5 kg Beschleunigung 10 G Duerkrft <500 N Geschwinigkeit 7 m/s Verfhrweg 0,5 m Genuigkeit 0,5 µm keine Anziehungskräfte kein Rstmoment nierige Duerleistung minimle bewegte Msse Ironcore Linermotor bewegte Mssen >50 kg Beschleunigung G Duerkrft >1000 N Geschwinigkeit 3 m/s Verfhrweg m Genuigkeit 5 µm Anziehungskrft > x F Rstmomente Gute Duerleistung / Kühlung! Hohe bewegte Msse Ironcore Linermotoren weren verstärkt beispielsweise für en Antrieb er Huptchsen von Werkzeugmschinen eingesetzt. Ironless Linermotoren hingegen weren für schnelle un hochgenue Anwenungen, beispielsweise für Bestückungsmschinen eingesetzt. Um im Wechselspiel von höchster Linerkrft un geringstem Läufergewicht en Linermotor optiml n ie gestellte Aufgbe npssen zu können, liefert A-Drive Technology sowohl Ironless ls uch Ironcore Linermotoren in verschieenen Bureihen un Leistungsklssen. Der Motortyp VPL ist in iesem Progrmm er ynmischste Motor mit er geringsten Läufermsse un en kleinsten Abmessungen. D er mit 30 mm extrem schml ist, ist er iel für mehrere Antriebe uf engstem Rum un ie Bestückung elektronischer Buteile. Auslegung eines Linerntriebes Bil 6: Linereinheit VPL 30 Entscheien für ie ynmische Positionierung sin : Beschleunigungsphse in er Zeit t, Bewegung bei konstnter (oer imler) Geschwinigkeit in er Zeit t c Bremsphse in er Zeit t, Mn unterscheiet zwischen zwei Verfhrprofilen : Geschwinigkeitsprofil (Trpez), lnge Bewegung! Iel sinusförmig A-Drive Technology GmbH Ziegelhüttenweg Tunusstein Germny Tel.: +49 (0) Fx: +49 (0) info@-rive.e 5

6 Geschwinigkeitsprofil (Dreieck), kurze Bewegung Gleichungen zur Berechnung er kinemtischen Zusmmenhänge: Die verweneten Formelzeichen sin in er Tbelle (siehe Textene) zusmmengestellt. Die Geschwinigkeit v nch er Beschleunigungsphse ergibt sich zu: v 1 v t t un weiter: x, t, x c c t c x v c X x v x Aus iesen Gleichungen können zwei prktische Beziehungen bgeleitet weren, nämlich einml für ie Abschätzung er Zeit für eine kurze Bewegung, wenn lso ie Höchstgeschwinigkeit nicht erreicht wir: x X v, t, 4 un für eine lnge Bewegung: t c + v Für ie Kräfte ergibt sich: F, r F M r r F + F l,, f ( F F ) F 0 l f ( ti Fti ) ( tl Ft + t Ft + t3 F...) i T T i t Frms Wenn mn nun ie zu bewegene Msse kennt un einen bestimmten Linermotor usgewählt ht, knn mit er folgenen Beziehung ie Beschleunigung bgeschätzt weren: 3 F 4 M pek Die Verlustwärme ergibt sich zu: F Q 1,3 S rms 5 Die mittlere Krftkonstnte es Motors: F K rms I rms cont Abschätzung es benötigten höchsten Stroms: I pek 1,1 K [ F ] rms tot 6 A-Drive Technology GmbH Ziegelhüttenweg Tunusstein Germny Tel.: +49 (0) Fx: +49 (0) info@-rive.e

7 Berechnungsbeispiel: Ein Greifer pltziert Komponenten un bewegt sich kontinuierlich hin un her über einen Weg X 0,6 m. Die Duer einer einzelnen Bewegung über iese 0,6 m rf höchstens 0,5 s betrgen. An beien Enen er Bewegung weren 0,5 s für en Abschluss er Bewegung un ie Tätigkeit es Greifers benötigt. Weitere Prmeter sin: Msse er zu bewegenen Lst: M 0,5 kg + 1,0 kg Schlittengewicht Reibungskrft: F f 5 N Luftkühlung große Kühlfläche Genuigkeit: c. 0,005 mm Höchstgeschwinigkeit: v 5 m/s Im ersten Schritt wir er Fll es schwierigsten Arbeitsspiels usgesucht, s bei er Anwenung uftreten knn. Im Allgemeinen tritt ies in zwei Situtionen uf wenn er Motor eine hohe Hltekrft ufbringen muss wenn er Motor kontinuierlich beschleunigt un gebremst wir ( kurze Bewegung ) mit nur kurzer Stillstnszeit Jetzt müssen ie Größen währen es schwierigsten Arbeitsspiels bestimmt weren. Im vorliegenen Fll gibt es nur ein Arbeitsspiel. Es wir ein Motor mit einer Spitzenkrft von 160 N usgewählt. Die. Beschleunigung ieses Motors ergibt sich zu N F pek 106,7m / s 4 M 4 1,5kg Die Gleichung für ie Zeit zum Zurücklegen er gewünschten Strecke hängt von b, ob er Linermotor seine Höchstgeschwinigkeit v währen er Bewegung erreicht. Im Fll einer kurzen Bewegung (v wir nicht erreicht): x 0,6 t 0, 075s 106m/ s In iesem Fll ist ie Geschwinigkeit nch er Zeit t : v t 106m / s 0,075s 8m / s Die berechnete Geschwinigkeit v übersteigt ie für ie Anwenung geforerte Höchstgeschwinigkeit (v 5 m/s). Es ist offensichtlich, ss er gewählte Linermotor ie Höchstgeschwinigkeit irgenwo währen es Vorgngs erreicht. In iesem Fll muss ie währen einer "lngen Bewegung" benötigte Zeit berechnet weren: t X v 0, , s c v A-Drive Technology GmbH Ziegelhüttenweg Tunusstein Germny Tel.: +49 (0) Fx: +49 (0) info@-rive.e 7

8 Symbol Einheit Bezeichnung t s Zeit t,t,t t c Dt T benötigte Zeit für Beschleunigung; Abbremsen oer beie benötigte Zeit für ie Strecke bei konstnter Geschwinigkeit geringe Zeitifferenz Gesmtzeit v m/s Geschwinigkeit v v Anfhrtgeschwinigkeit nch Stillstn Höchstgeschwinigkeit m/s Beschleunigung x m Wegstrecke x, x, x c X Weg bei Beschleunigung, Bremsen un konstnter Geschw. Gesmtstrecke bei kombinierter Bewegung F N Krft F, F, F F l F pek F cont F f F rms Krft für Beschleunigungs-/Bremsvorgng urch ie Lst usgeübte Krft Spitzenkrft Duerkrft Reibungskrft mittlere Krft währen einer längeren Perioe M kg Msse er Lst Q W Verlustleistung S 5 N /W Motorkonstnte bei 5 C S TW Motorkonstnte bei Arbeitstempertur K N/A Krftkonstnte es Motors K rms mittlere Krftkonstnte (vom Strom bhängig) I A Strom I pek I cont Spitzenstrom Duerstrom R th C/W thermischer Wierstn T w C Arbeitstempertur 8 A-Drive Technology GmbH Ziegelhüttenweg Tunusstein Germny Tel.: +49 (0) Fx: +49 (0) info@-rive.e

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