Laminierung liefert Leistung

Linearmotoren - Direkt angetriebene Linearmotoren verdrängen immer öfter traditionelle rotative Antriebslösungen. Laminierung der Motoren mit Faserverbundstoffen -verbessert die elektrischen und mechanischen Eigenschaften und eröffnet neue Leistungsbereiche. Was steckt hinter der Verbesserung durch die Laminierungstechnik?

04. Juli 2005

Die Anforderungen der Automatisierungstechnik an lineare Bewegungen werden immer höher vor allem bei Anwendungen mit relativ kurzen Verfahrwegen, die mit hoher Dynamik und Präzision umgesetzt werden müssen. Konventionelle lineare Antriebslösungen aus einem rotativen Motor und einem mechanischen Übertragungselement stoßen hier zunehmend an ihre Grenzen, schließlich reduziert hier schon die Übersetzung mittels verschiedener Spezialgetriebe die Leistungsfähigkeit. Eine geeignete Alternative bieten dagegen lineare Direktantriebe: Sie übertragen die prinzip-bedingten Vorteile der Direktantriebstechnik, wie die steife Verbindung zwischen Motor und Last und die daraus resultierende Eliminierung des mechanischen Spiels, auf die applikationsspezifische lineare Bewegung. Um diesen Vorteil des Direktantriebs zu nutzen, wird der Linearmotor direkt in die Achse zwischen dem festen und dem zu verfahrenden Maschinenteil integriert. Die direkte Krafterzeugung erübrigt dabei verschleißanfällige Antriebskomponenten wie Getriebe und Zahnriemen und reduziert so nicht zuletzt auch den Serviceaufwand.

Eine Schwäche von linearen Antrieben ist jedoch bisweilen die offene Bauweise der Motorenkomponenten, die deshalb oft durch mechanische Bauteile wie Hauben und Verkleidungen geschützt werden müssen. Diese Schutzvorrichtungen werden jedoch überwiegend als separate Bauteile konstruiert und beschränken die Möglichkeiten der linearen Direktantriebe hinsichtlich ihrer Dynamik, ihrer elektrischen wie thermischen Eigenschaften sowie der Möglichkeiten ihrer Fertigung. Eine Möglichkeit, das Potential linearer Antriebe voll auszuschöpfen, hat jetzt die Baumüller-Gruppe entwickelt: Die Nürnberger Antriebsspezialisten versehen den Primär- und Sekundärteil ihrer Linearantriebe mit einer Laminierung mit Faserverbundwerkstoffen. Als Laminierungsmaterial dient dabei Kohlefaser, gegebenenfalls Glasfaser, die einzeln oder in Kombination eingesetzt werden können.

Der Faserverbundwerkstoff ist generell robuster als jeder mechanische Schutz und macht deshalb bei den unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen und äußeren Einflüssen eine Haube oder sonstige Verkleidungen unnötig. Die Laminierung ist zudem nicht nur widerstandsfähiger und leichter als jede mechanische Lösung, sondern ermöglicht zugleich auch eine Leistungssteigerung der Motoren: Die sehr geringe Materialstärke erlaubt nämlich bei gleichem Luftspalt einen schmaleren magnetischen Spalt zwischen Primär- und Sekundärteil und ermöglicht damit eine höhere Vorschubkraft. Das geringe spezifische Gewicht der eingesetzten Faserverbundwerkstoffe erlaubt zudem eine höhere Dynamik.

Die Kombination der unterschiedlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften der Fasern ermöglicht es zudem, den Motor für die jeweilige Anwendung individuell zu optimieren. So erlaubt die gute Wärmeleitfähigkeit der Laminierung beispielsweise eine höhere Dauerbelastung, während separate mechanische Schutzverkleidungen stets die Wärmeabfuhr behindern und dadurch zwangsläufig die Leistung des Motors einschränken. Zudem erhöht die Laminierung des Primär- und Sekundärteils die mechanische Steifigkeit des Motors. Bei gleicher Baugröße erlaubt das Verfahren deshalb eine um etwa fünf bis acht Prozent höhere Dauerkraft im Vergleich zu bisherigen Lösungen. Derartig ausgerüstete Linearmotoren überstehen schadlos Beschleunigungen von bis zu 40 g.

Eine erste Applikation mit einer regelmäßigen Beschleunigung des Primärteils von 35 g wurde bereits realisiert. Zum Einsatz kommt die neue Technologie dabei bei einem System zur Kompensation von Walzenschwingungen in der Papierherstellung, das die Eras GmbH in Göttingen entwickelt hat. Das niedersächsische Unternehmen ist spezialisiert auf adaptive Dämpfungssysteme für verschiedene Maschinentypen in den unterschiedlichsten Branchen, etwa in der Papierindustrie, Druckindustrie und der Blechverarbeitung. Ein Problem bei Anlagen dieser Größe sind häufig maschineneigene Vibrationen und Schwingungen, die durch das Antriebssystem erzeugt werden. Diese permanenten Schwingungen erhöhen einerseits den Verschleiß der einzelnen Maschinenkomponenten und erfordern andererseits eine angepaßte Konstruktion, die eine optimale Produktionsgeschwindigkeit oder -qualität verhindert.

Das adaptive Dämpfungssystem zur Kompensation der maschineneigenen Schwingung besteht aus vier Einheiten mit je zwei Linearmotoren der Reihe LSE 1 K 1610 von Baumüller, die über mechanische Verbindungen in die Anlagenarchitektur integriert werden. Diese vier Einheiten setzen sich zusammen aus je zwei Linearmotoren, die übereinander aufgehängt sind. Die Sekundärteile der Antriebe sind dabei gegeneinander aufgehängt, jedoch nicht miteinander verbunden, so daß sich beide Motoren unabhängig voneinander bewegen können. In der Führungsschiene fixiert werden die liegenden kohlefaserlaminierten Primärteile über Federn, die somit den maximalen Verfahrweg des Primärteils vorgeben. Der Linearmotor läßt sich deshalb ohne den Einsatz eines Längenmeßsystems betreiben. Im Betrieb erfaßt eine Meßeinheit in der Anlage die Schwingungen der Maschine, berechnet die notwendige Gegenschwingung, die der Linearmotor zu ihrer Kompensation erzeugen muß und übergibt die entsprechen-- den Signale an die übergeordnete Bewegungssteuerung. Die Kommunikation mit den Reglern der Linearmotoren erfolgt über eine CAN-open-Verbindung.

Realisieren lassen sich solche Schwingungsdämpfungssysteme zwar auch mittels rotativer Antriebe, allerdings stoßen konventionelle Lösungen gerade bei hochfrequenten Schwingungen schnell an ihre Lei-stungsgrenzen. Denn im Fall der Papierherstellungsmaschine entstehen Schwingungen im Bereich von 50 bis 200 Hertz in einer Größenordnung, die nicht nur rotative Antriebssysteme überfordert, sondern sich bisher auch mit linearen Direktantrieben nicht befriedigend lösen ließ schließlich erfordert dieser Einsatz regelmäßige Beschleunigungen, die ein unbeschichtetes Primärteil nicht ertragen würde. Die laminierten Primärteile der acht Linearmotoren von Baumüller dagegen verfahren in der realisierten Anwendung mit einer Beschleunigung von 350 m/s² bei einem maximalen Verfahrweg von +/-3; Millimetern und durchfahren damit pro Stunde etwa 720.000 Zyklen.

Eva Koch, Baumüller

Erschienen in Ausgabe: 05/2004