Relevante Energieformen
| Endenergieform | Nutzenergieform | Nebenenergieform(en) |
| Elektrische Energie | Mechanische Energie | Thermische Energie (Wärme) |
Kurzbeschreibung
Linearmotoren wandeln die elektrische Energie direkt in eine Linearbewegung um ohne vorher eine Rotationsbewegung zu erzeugen. Anders als bei rotierenden Antrieben entfällt die Notwendigkeit von mechanischen Übertragungselementen wie z.B. Leitspindeln oder Zahnriemen. Beim Linearmotor gibt es keinen Kontakt zwischen den sich bewegenden Teilen und der Verschleiß wird auf ein Minimum reduziert.
Wesentliche Bestandteile sind der Primärteil (bewegter Motorteil) der aus einem ferromagnetischen Paket mit drei versetzt angeordneten Wicklungen besteht sowie der Sekundärteil (feststehender Motorteil) mit den Permanentmagneten.
Prinzipiell lässt sich der Linearmotor als ein aufgeschnittener und aufgeklappter Synchronmotor verstehen. Weniger oft wird die asynchrone Bauweise verwendet bei derer der Sekundärteil mit Kurzschlussstäben versehen wird. Die asynchrone Bauweise wird häufig bei besonders langen Hüben eingesetzt, da hier die teuren Permanentmagnete entfallen. Jedoch sinkt der Wirkungsgrad durch die doppelte Bestromung. Ein exakt justierter Linearmaßstab sichert die Positionsgenauigkeit in der sich der Motor bewegen kann.
Funktionsskizze
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
Beim Synchron-Linearmotor ist der Wirkungsgrad deutlich höher als bei Asynchron-Linearmotoren. Wirkungsgrad zwischen 80 – 92 %.
Betriebs-Charakteristika
| Bauart | Linearmotor | Linearschrittmotor |
| Funktionsprinzip und Aufbau | Bei Zugabe des Drehstroms auf die Wicklungen bildet sich ein wanderndes Magnetfeld das mit dem abwechselnd gepolten Permanentmagnet oder den Kurzschlussstäben in Wechselwirkung steht. Durch ein Zug- bzw. Druckverhältnis der Magnetfelder entstehen Kräfte und der Läufer bewegt sich in der Führung in translatorischer Richtung. | Linearschrittmotoren funktionieren ähnlich wie konventionelle Linearmotoren, sind aber deutlich einfacher aufgebaut. Er wird durch ein PC oder Mikrorechner gesteuert. Schrittmotoren haben einen minimalen Schrittwinkel in ihrer Genauigkeit beschränkt. Der Rechner gibt dem Motor die Anzahl der zu fahrenden Schritte vor. |
| Typische Lastprofile | Taktend | Taktend |
| Maximale Schalthäufigkeiten | hoch | hoch |
| Regelbarkeit | Stufenlos | Schrittwinkel |
| Einschaltdauer | 100% | 90–100% |
| Wartungsaufwand | Gering Kein mechanischer Verschleiß |
Gering Kein mechanischer Verschleiß |
| Partikelempfindlichkeit | Hoch Alle Linearmotoren müssen durch die magnetische Anziehung der Bauteile vollständig von Verschmutzung und Metallpartikel geschützt werden. |
Hoch Alle Linearmotoren müssen durch die magnetische Anziehung der Bauteile vollständig von Verschmutzung und Metallpartikel geschützt werden. |
Energetische Kennwerte
| Bauart | Linearmotor | Linearschrittmotor |
| Verfügbare Leistungsklassen (Vorschubkräfte) |
Bis 6750 N | Bis 800 N |
| Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung | 80–92% | 80–90% |
| Nutzbarer Anteil der Verlustleistung | Schwierig anzugeben | Angeben was möglich ist |
| Weitere energetische Kennwerte | z. B. Temperaturdifferenz zu mech. Leistung etc.; Mindesttemperatur, Energieeffizienzklasse bzw. Kennwerte | |
Wirtschaftliche Kennwerte
| Bauart | Linearmotor | Linearschrittmotor |
| Kosten | Hoch | Mittel |
| Platzbedarf / kW | Hoch Im Vergleich zu den elektromechanischen Antrieben benötigen Linearmotoren einen großen Bauraum |
Mittel Kompakte Bauweise |
| Wartungs- und Instandhaltungskosten | Gering Kein mechanischer Verschleiß |
Gering Kein mechanischer Verschleiß |
| Typische Lebensdauer / h | 50.000–100.000 h | 5.000–20.000 h |
Technologische Kennwerte
| Bauart | Linearmotor | Linearschrittmotor |
| Ökobilanz | Keine gefährlichen Stoffe aber energieintensiver Herstellungsprozess bei der Magnetherstellung sowie Verwendung von seltenen Erden | |
| Gefährdungspotenzial | Keine Gefährdung | |
| Systemkomplexität | Aufgrund der komplizierten Bauweise hohes technisch Verständnis notwendig. Wartung muss von Fachpersonal durchgeführt werden | |
| Geschwindigkeit max. | 5–17 m/s | 2–10 m/s |
| Beschleunigung | 50–1.000 m/s2 | 5–100 m/s2 |
| Hublänge | 100–4.000 m | 40–600 mm |
| Positioniergenauigkeit (externer Sensor) |
0,001 mm | 5–41 ym/Schritt |
| Wiederholgenauigkeit (externer Sensor) |
0,001 mm | k.A. |
Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
| Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
| Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
| Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
| Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Energetischer Impact | Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger)) | ||
| Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | |||
| Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
| Grad der Prozessentkopplung | Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess) | |||
| Möglichkeit des Energieträgerwechsels | Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein) | |||
| Umrüstaufwand | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
| Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
| Wirtschaftlichkeit | Erschließungskosten der Maßnahme | Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden) | ||
| Spezifische Wandlerkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch) | |||
| Abrufkosten der Maßnahme | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) | sehr stark fallabhängig |
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Die Vorteile des Linearmotors liegen in der guten Dynamik mit sehr hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten.
Die Positioniergenauigkeit übertrifft alle elektromechanischen Lösungen. Aufgrund des geringen Verschleißes lassen sich die Wartungskosten sowie die Ausfallzeiten auf ein Minimum reduzieren.
Aufgrund des sehr hohen Anschaffungspreises werden häufig elektromechanische Lösungen eingesetzt.
Anwendungsbeispiele
Linearmotoren finden ihren Einsatz bei Anwendungen, die eine besonders hohe Präzision erfordern und hohe dynamische Ansprüche stellen. Einsatz in Maschinenachsen, bei denen kurzzeitig hohe Kräfte erforderlich sind oder bei häufigen Beschleunigungswechseln mit hohen Gewichtskräften. Einsatz z.B. im hochdynamischen und flexiblen Werkzeug- und Produktionsmaschinenbau, bei Laserbearbeitungen oder bei „High End“-SMD-Bestückungsmaschinen zur Platzierung von Bauelementen auf der Leiterplatte oder bei Waferscannern zur Schaltkreisstrukturierung auf Silizium.
Literaturverzeichnis
- hiwin.de: Linearachsen, zuletzt geprüft am 27.07.2019
- Ja2 Gmbh: Historie des Linearmotors (PDF-Download), zuletzt geprüft am 27.07.2019
- moogbrno.cz: DE_LIN-INFO_020909 (PDF-Download), zuletzt geprüft am 27.07.2019
- servowatt.de: Linearmotor, zuletzt geprüft am 27.07.2019
- TU Berlin: Das Vorschubsystem (PDF-Download), zuletzt geprüft am 27.07.2019