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Grundlagen Linearmotoren Linearmotor: Der „abgewickelte“ Rotationsmotor

| Autor/ Redakteur: Andreas Mühlbauer / Stefanie Michel

Wenn in der Automatisierungs- oder Handhabungstechnik hohe Dynamik beim translatorischen Vortrieb gefragt ist, sind Linearmotoren die Antriebe der Wahl. Diese Direktantriebe sind nicht neu, doch erst nach und nach setzten sie sich in der Lineartechnik durch. Insbesondere bei hoch dynamischen Positionieraufgaben bewähren sie sich.

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Linearachse, in die ein Linearmotor verbaut ist.
Linearachse, in die ein Linearmotor verbaut ist.
(Bild: Hiwin)

Der Linearmotor leitet sich vom Rotationsmotor ab und wurde bereits Mitte des 19. Jahrhunderts realisiert. In den 1950er- und 60er-Jahren entwickelte der englische Ingenieur Eric Laithwaite den Linearmotor weiter und brachte das Prinzip sogar in Form der Magnetschwebebahn (Maglev – magnetic levitation) in einem Prototypen zur Anwendung.

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Aufbau eines Linearmotors

Im Gegensatz zum Rotationsmotor ist der Stator, also die Magnete beziehungsweise Elektromagnete, beim Linearmotor nicht kreisfömig um den Läufer angeordnet, sondern – wie der Name sagt – linear. Somit ist der Linearmotor praktisch ein abgewickelter Rotationsmotor. Dabei kann der Verfahrweg prinzipiell beliebig lang sein und auch kurvenförmig verlaufen. Aus diesem Grund eignet sich der Linearmotor auch zum Antrieb von Zügen.

Wie beim Rotoationsmotor besteht der Linearmotor in den meisten Fällen aus einer Kombination von wechselstrombetriebenen Elektromagneten sowie Permanentmagneten. Dabei lassen sich Beschleunigung und Geschwindigkeit stufenlos über die Frequenz der Wechselspannung regeln. Liegen die Elektromagnete im Stator, spricht man von einem magnetischen Wanderfeld, das den Läufer mit sich führt. Leicht versetzte Spulen ermöglichen es, die Laufrichtung zu wechseln.

Man unterscheidet zwei Konstruktionssysteme: Entweder mit feststehenden Permanentmagneten und bewegten Spulen (Moving Coil Motor) oder mit feststehenden Elektromagneten, wobei die Komponente mit den Permanentmagneten bewegt wird (Moving Magnet Motor). Bei letzterem vereinfacht sich die Wartung dadurch, dass keine Stromzuführung mit dem beweglichen Teil mitgeführt werden muss. Dies kann auch die Lebensdauer verlängern. Jedoch lassen sich mit dem Moving-Coil-System längere Verfahrwege realisieren.

Allen Bauarten von Linearmotoren ist gemeinsam, dass sie neben dem eigentlichen Antrieb eine Führung für den Läufer sowie ein Messsystem zur Positionsbestimmung benötigen.

Eigenschaften der Linearmotoren

Im Vergleich zu anderen Arten von Linearantrieben haben Linearmotoren einige herausragende Eigenschaften. So kommen sie ohne eine Umwandlung von der Dreh- zur Linearbewegung aus. Daher spricht man vom Direktantrieb. Dadurch kommt es zu geringeren mechanischen Verlusten einerseits, andererseits erlaubt der Linearmotor auch kurvenförmige Bewegungen. Dies lässt sich beispielsweise mit Zahnriemenantrieben oder Kugelgewindetrieben nicht realisieren. Bei den indirekten Antrieben ist letztlich auch der Verfahrweg begrenzt. Zwar erreichen Zahnriemenantriebe ähnliche Geschwindigkeiten wie Direktantriebe, jedoch haben sie bei der Beschleunigung und insbesondere der Präzision deutlich das Nachsehen.

Für Anwendungen, in denen gerade Vorschübe bei mittleren Verfahrwegen und mittlerer Präzision gefordert sind, haben Zahnriemenantriebe jedoch einen entscheidenden Vorteil gegenüber Linearmotoren: Sie sind deutlich kostengünstiger. Insbesondere, wenn eine sehr hohe Präzision bei der Positionierung gefragt ist, kommt beim Linearmotor zum Tragen, dass günstige Magnetsysteme zur Positionsbestimmung durch optische Systeme ersetzt werden müssen – was die Kosten erhöht. Zudem steigt der Preis für die Magnetsysteme mit zunehmendem Verfahrweg.

Anwendung: Magnetschwebebahnen Die größten Ausführungen von Linearmotoren werden in Magnetschwebebahnen verbaut. Hier dient in der Regel das magnetische Prinzip einerseits der Führung des Zuges, andererseits dem Antrieb. Der Zug selbst oder ein Teil davon stellt den Läufer dar. Zumeist sind bei Magnetschwebebahnen die Strom führenden Wechselstrom-Magneten in der Führungstrasse verbaut, da ansonsten der Zug selbst induktiv mit der notwendigen Spannung versorgt werden muss.
Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts wurden Modelle von Magnetschwebebahnen entwickelt. 1934 meldete der deutsche Ingenieur Hermann Kemper ein Patent auf eine Magnetschwebebahn an. Umgesetzt wurde das System jedoch erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. In den 1970ern entwickelte Eric Laithwaite mit dem „Magnetic River“ eine neue Anordnung, die es ermöglichte, die Führung in der Schiene und den Vortrieb mit einem Linearmotor umzusetzen. Das erste kommerzielle Schwebebahnsystem wurde 1984 in Birmingham eröffnet. Seither gab es viele Prototypen und Versuchsfahrzeuge.
Großflächig kommerziell durchgesetzt hat sich die Magnetschwebebahn jedoch nur in Japan mit dem Shinkansen. Dieser erreichte 2015 einen Geschwindigkeitsrekord von erstmals über 600 km/h. Auch in Südkorea ist seit 1993 ein Schwebebahnsystem im Einsatz. Weitere bekannte Typen sind der ebenfalls japanische JR-Maglev sowie der deutsche Transrapid. Neue Entwicklungen sind unter anderem in Südkorea geplant.

Auftretende Materialerwärmung bei der Konstruktion berücksichtigen

Da sich Linearmotoren bei Spitzenlasten stark erwärmen können, muss die dabei auftretende Materialerwärmung berücksichtigt werden, denn sie führt einerseits zu Ungenauigkeiten in der Positionierung, wobei den Positionssensoren wiederum eine große Bedeutung zukommt. Andererseits führt die Erwärmung zu Spannungen im Material oder auf der Plattform, auf der der Motor sitzt.

Linearmotoren erlauben neben ihrer hohen Positioniergenauigkeit im Bereich von 1 µm Verfahrgeschwindigkeiten von mehr als 10 m/s und Beschleunigungen bis zu 250 m/s². Dies stellt auch entsprechende Anforderungen an die Tragestruktur, als an die jeweilige Maschine. Insbesondere wenn größere Massen bewegt werden, treten sehr hohe Beschleunigungskräfte auf, welche die Struktur sicher abfangen muss.

Hohe Ansprüche stellen Linearmotoren je nach Ausführung auch an die Lagerung und Führung des Läufers. Neben Gleitschienen kommen Wälzlagerungen oder Räder auf der mechanischen Seite infrage. Um den Abstand zur Magnetschiene zu halten, finden auch Luftkissen Anwendung. Beim Transrapid beispielsweise wird der Zug, welcher den Läufer des Linearmotorsystems darstellt, nahezu reibungsfrei alleine durch Magnete in der Führung gehalten.

Typen von Linearmotoren

Je nach Anwendung und Anforderung kommen unterschiedliche Bauformen von Linearmotoren zum Einsatz. Beispielsweise lässt sich in einem Umfeld mit sensibler Elektronik ein starkes durch den Motor verursachtes äußeres Magnetfeld vermeiden, indem der Stator aus einer zylindrischen Magnetwickung besteht, in dem sich ein Permanentmagnet bewegt. Neben dem geringen äußeren Magnetfeld zeichnet sich dieser so genannte Patronenmotor durch eine hohe Leistungsdichte aus.

Eine häufige Bauform ist die des Flachbettmotors. Insbesondere der permanenterregte Flachbett-Linearmotor hat eine hohe Leistungsdichte. Dabei bewegt sich der Läufer mit dem Wanderfeld in einer Schiene, die mit Permanentmagneten ausgestattet ist. Wichtig ist hierbei eine robuste Lagerung des Läufers, die diesen innerhalb der starken Magnetfelder stabil halten muss. Je nach Umgebung müssen diese zudem nach außen hin abgeschirmt werden.

Als weitere Bauform gibt es noch die eisenlosen Linearmotoren: Zwischen zwei Magnetbahnen liegt als bewegliches Element eine Spule ohne Eisenkern. Durch die geringe Masse des Läufers ermöglicht diese Bauform extrem hohe Beschleunigungen. Allerdings stellt hierbei die Wärmeabfuhr ein Problem dar, sodass keine hohen Dauerkräfte möglich sind.

Linearmotoren im Einsatz

Wie erwähnt, finden Linearmotoren häufig dort Verwendung, wo hohe Dynamik oder hohe Präzision gefordert sind. In Handhabungssystemen können sie durch die hohen Geschwindigkeiten beispielsweise Taktzeiten verkürzen und dadurch zur Kosteneinsparung beitragen. Hier amortisieren sich die Anschaffungskosten oft in kurzer Zeit. Präzise Positionierung ist wiederum in Werkzeugmaschinen gefragt. Aber auch in Festplatten kommt diese Eigenschaft von Linearmotoren zum Verfahren der Schreib-/Leseköpfe zum Tragen. Da Linearmotoren wenige oder gar keine mechanisch reibenden Komponenten enthalten, finden sie häufig in Reinräumen Anwendung – ein Aspekt, der ebenfalls für die Festplatte relevant ist. Die Kombination von Präzision und Geschwindigkeit ist beispielsweise beim Laser-, Wasser- oder Plasmaschneiden relevant, wo Linearmotoren die Positionierung und Führung der Schneideinheit übernehmen.

Literatur:

Berardinelli, Anamaria (2008): Über den Entwurf eines permanentmagneterregten Linearmotors. Shaker Verlag, ISBN 978-3832276461

Schepp, Frank (2002): Linearmotorgetriebene Pressen für die Stanztechnik. Berichte aus Produktion und Umformtechnik. Shaker Verlag, ISBN 978-3826599309

Funktionsprinzip und Anwendungsmöglichkeiten von Linearmotoren

Links zu Herstellern und Anbietern:

Linearmotoren von Festo

Linearmotoren von Linmot

Linearmotoren von Hiwin

Direktantriebe von IEF-Werner

Stangengeführte Linearmotoren von Dunkermotoren

Zylindrische Linearmotoren von Anca Motion

* Andreas Mühlbauer ist freier Journalist in Heidelberg.

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