Laufruhe, Geschwindigkeit und Präzision für bewegte Skulpturen

Lineare DC-Servomotoren für dynamische Bewegungen

Eingebettet in ein konzentrisches Raumkonzept entstand für jede der Marken ein kinetisch-digitales Exponat, das die Vorstellungskraft des Betrachters anregen soll. Bild: Faulhaber

Geradlinige Bewegungen werden in vielen Anwendungen indirekt erzeugt; d. h. ein drehender Elektromotor liefert die Vorschubkraft, die über ein Getriebe in eine rein translatorische Bewegung umgesetzt wird. Im Gegensatz dazu ermöglichen es Linearmotoren, die translatorische Bewegung direkt zu erzeugen. Elektromotorische Linearantriebe verbinden so die schnelle und einfache Regelung eines elektrischen Systems mit dem einfachen Aufbau pneumatischer Zylinder und eignen sich für viele Anwendungsbereiche. Inzwischen sind leistungsstarke, gleichzeitig aber kompakte Linearantriebe auf dem Markt, die dank ihrer innovativen Konstruktion vor allem durch Schubkraft und Dynamik bei gleichzeitiger Laufruhe überzeugen.

Der Linearmotor liefert trotz der kompakten Statorabmessungen von 20 x 20 x 70 mm (B x H x L) beachtliche mechanische Kennzahlen. Die Dauerkraft des Läuferstabes beträgt 9,2 N, als Spitzen- bzw. Stoßkraft stehen sogar bis zu 27,6 N zur Verfügung. Bild: Faulhaber

Der Linearmotor liefert trotz der kompakten Statorabmessungen von 20 x 20 x 70 mm (B x H x L) beachtliche mechanische Kennzahlen. Die Dauerkraft des Läuferstabes beträgt 9,2 N, als Spitzen- bzw. Stoßkraft stehen sogar bis zu 27,6 N zur Verfügung.

Grundsätzlich lassen sich rotative Elektromotoren aller Prinzipien in Linearmotoren umsetzen, indem man den runden Luftspalt auf eine Gerade abbildet. Die ursprünglich kreisförmig angeordneten elektrischen Erregerwicklungen werden dazu quasi auf ebener Strecke abgewickelt. Das Magnetfeld zieht dann den Läufer über die Fahrstrecke. Es gibt jedoch auch noch andere Möglichkeiten. Die DC-Linearantriebe der Serie „Quickshaft“ aus dem Hause FAULHABER beispielsweise sind nicht als solche „Oberflächenläufer“ mit Schlitten und Führung aufgebaut. Stattdessen wird der Läuferstab innerhalb einer selbsttragenden Dreiphasenspule geführt.

Prinzipielle Aufbau der linearen DC-Servomotoren. Bild: Faulhaber

Prinzipielle Aufbau der linearen DC-Servomotoren.

Durch diese innovative Konstruktion ergeben sich ein ausgesprochen gutes lineares Kraft-/Stromverhältnis und eine hohe Dynamik. Außerdem gibt es keine Rastmomente, wodurch sich die Linearmotoren für den Einsatz in Mikropositioniersystemen besonders gut eignen. Typische Anwendungen reichen von Handling- und Positioniersystemen bis hin zu Scanning-Applikationen beispielsweise in der Mikroskopie. Inzwischen haben sich die kompakten DC-Linearantriebe aber auch in eher ungewöhnlichen Einsatzbereichen bewährt, wie das folgende Beispiel zeigt:

Visionäre Ideen technisch umsetzen

Die Komplexität der modernen Welt einfach zu erklären und dabei noch einen Erlebniswert zu schaffen, ist der Ansatz der MKT AG in Olching. „Unsere Stärke ist es, technisch aufwendige und komplizierte Sachverhalte auf den Punkt zu bringen und sie buchstäblich begreifbar zu machen“, erläutert der Vorstand Axel Haschkamp. Für das Jubiläum der BMW Group im Jahr 2016 galt es, die Mobilität in die Zukunft weiterzudenken. Exponate für die vier Kernmarken BMW, MINI, Rolls-Royce und BMW Motorrad sollten dabei die visionären Ideen der Entwickler zum zukünftigen Fahrgefühl transportieren. Eingebettet in ein konzentrisches Raumkonzept entstand für jede der Marken ein kinetisch-digitales Exponat, das die Vorstellungskraft des Betrachters anregen soll.

Im Markenraum von BMW beispielsweise ermöglicht eine kinetische Skulptur dem Besucher einen Blick in die Zukunft der Mobilität. Hunderte hauchdünner Carbon-Schuppen, in einer Kugelform angeordnet, können unterschiedliche Formen darstellen. Sie bewegen sich elegant und fließend und stehen für die Agilität, die die zukünftigen Fahrzeuge auszeichnen soll.

Fließend elegante Bewegungen

Exponat mit 92 Linearmotoren. Bild: Faulhaber

Exponat mit 92 Linearmotoren.

Insgesamt wurden für die Ausstellung „Iconic Impulses“, die 2016 die Besucher in München, Peking, London und Los Angeles begeisterte, zwei unterschiedliche Formwandler-Skulpturen entwickelt. Bis Ende 2017 sind die Exponate noch im Doppelkegel der BMW Welt in München zu sehen. Die Anzahl der in den Skulpturen eingesetzten Antriebe ist beachtlich: Bei einen Exponat sorgen 92 lineare DC-Servomotoren für die fließend eleganten Bewegungen, beim anderen 42. „Die komplexen Bewegungsabläufe sollten geräuschlos und sehr agil funktionieren“, erläutert Axel Haschkamp. „Wir hatten eine genaue Vorstellung von schönen, dynamischen Bewegungen. Die Wahl fiel schließlich auf die „Quickshaft“-Linearantriebe von FAULHABER, weil uns deren Leistungsfähigkeit überzeugte.“

Die Steuerung wurde mit CANopen Motion Controllern des gleichen Herstellers realisiert. „In Zusammenarbeit mit unseren Motion-Control-Experten konnten die Zykluszeiten des Gesamtsystems optimiert und faszinierend fließende Bewegungen erzielt werden“, so Andreas Eiler, der beim Hersteller für dieses Projekt verantwortlich war. Die Durchmesser der beiden Formwandler verändern sich beim 42er-Exponat von 300 und 400 Millimeter, beim 92er-Modell von 350 bis 430 Millimetern.

Lineare DC-Servomotoren mit selbsttragender Dreiphasenspule

CANopen-Motion-Controller steuern die Bewegungsabläufe. BIld: Faulhaber

CANopen-Motion-Controller steuern die Bewegungsabläufe.

Die „Quickshaft“ DC-Linearmotoren, die die treibende Kraft der visionären Exponate sind, bestehen im Prinzip aus nur drei Einheiten: dem Stator (Motor), dem Stecker mit Kabel und einem Präzisions-Metallgleitstab als Läufer. Ein nichtmagnetisches Stahlgehäuse nimmt die selbsttragende Drehstromspulenwicklung sowie die Gleitlagerung des Läufers auf. Unter der oberen Abdeckung finden noch eine Platine mit einer gedruckten Schaltung für drei Hall-Sensoren zur Positionsbestimmung und der Steckeranschluss Platz. Der Läuferstab ist mit äußerst starken Permanentmagneten bestückt. Der rechteckige, leicht anflanschbare Stator lässt sich gut in die unterschiedlichsten Anwendungen integrieren.

Die in den kinetischen Skulpturen eingesetzten Linearmotoren vom Typ LM 2070 liefern trotz der kompakten Statorabmessungen von 20 x 20 x 70 mm (B x H x L) beachtliche mechanische Kennzahlen. Die Dauerkraft des Läuferstabes beträgt 9,2 N, als Spitzen- bzw. Stoßkraft stehen sogar bis zu 27,6 N zur Verfügung. Die Hublängen liegen standardmäßig bei 40, 80, 120, 160 oder 220 mm. Je nach Belastungsfall lässt sich bei der 40-mm-Hub-Variante eine Beschleunigung von maximal 93,9 m/s2 erreichen, was fast 10 g entspricht. Bei 220 mm Hub beträgt die maximal mögliche Beschleunigung immer noch 36,8 m/s² oder knapp 4 g. Die robuste Gleitlagerung des Läuferstabes verkraftet problemlos Geschwindigkeiten bis 2,8 m/s. Der zulässige Betriebstemperaturbereich des Antriebs von -20 bis +125 °C deckt alle gängigen Anwendungsbereiche ab. Trotz dieser Leistungswerte ist der Linearmotor feinfühlig regelbar. Die Wiederholgenauigkeit liegt zwischen 100 µm bei 40 mm Hub und 120 µm bei 120 mm Hub.

Die leistungsstarken linearen DC-Servomotoren werden außerdem noch in zwei kleineren Varianten angeboten. Der LM 1247 mit Statorabmessungen von 12 x 12 x 49,4 mm (B x H x L) arbeitet ebenfalls mit 40 bis 120 mm Hub; die mit Statorabmessungen von 8 x 8 x 33 mm (B x H x L) noch kleinere Ausführung wird mit 15 oder 40 mm Hub angeboten. Damit lässt sich für Anwendungen, die kompakte, dynamische und laufruhige Antriebe brauchen, eine passende Lösung finden.

Über Faulhaber
FAULHABER ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu etwa 250 Watt Abgabeleistung. Dazu zählt die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten wie bürstenlose Motoren, DC-Kleinstmotoren, Encoder und Motion Controller. Die Marke FAULHABER gilt weltweit als Zeichen für hohe Qualität und Zuverlässigkeit in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie Medizintechnik, Fabrikautomation, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik. Vom leistungsstarken DC-Motor mit 224 mNm Dauerdrehmoment bis zum filigranen Mikroantrieb mit 1,9 Millimetern Außendurchmesser umfasst das FAULHABER Standardportfolio mehr als 25 Millionen Möglichkeiten, ein optimales Antriebssystem für eine Anwendung zusammenzustellen. Dieser Technologiebaukasten ist zugleich die Basis für Modifikationen, um auf besondere Kundenwünsche für Sonderausführungen eingehen zu können.

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Dipl Ing. (BA) Andreas Seegen

Leiter Marketing bei FAULHABER

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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