linearmotor historie prinzip - JA² GmbH u... · den Firmen MBB (heute EADS), Krauss-Maffei (Transrapid) und Siemens. 1984 wurde die Transrapid-Versuchsanlage im Emsland in Betrieb

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Lineare Direktantriebe

Historie, Grundlagen und technischer Stand

Revision: 03.11.2013

Autor: Dipl.-Physiker W. Jung

JUNG ANTRIEBSTECHNIK U. AUTOMATION GMBH

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Inhaltsangabe- Historie des Linearmotors

- rotative Antriebe Basiswissen

- Linearmotorbauformen

- Vom rotativen Motor zum Linearmotor

- Gebruchliche Wirkprinzipien, technischer Aufbau, industrielle Umsetzung und typische Anwendungen von Linearmotoren

- Vor- und Nachteile der Linearmotortechnik


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Historie des Linearmotors


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James Clerc Maxwell1831 1879

PhysikerEngland

Maxwellsche Gleichungenals Grundlage der

Elektrizittslehre unddes Magnetismus

Hendrik Antoon Lorentz1853 1928

Mathematiker u. Physiker Holland

u. a. math. Beschreibung

der Lorentz-Kraft

Michael Faraday1791 1867

Physiker u. ChemikerEngland

Entdeckung der magnetischen Induktion

Grundlagen


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Korkenzieher Regel rechte Hand Regel fr dieLorentz Kraft

Diesen Herren verdanken wir die Grundlagen unserer modernen elektrischen Antriebstechnik!

Grundlagen


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Historisches Ziel fr die Erfinder und Entwickler v on Linearmotoren war es,fr den Ersatz von Dampfmaschinen ein elektrisches Schubsystem zu realisieren!

(Auszug aus der Patentschrift von Moritz Hermann v. Jacobi St. Petersburg 1801 - 1874)

Bild: E.R. Laithwaite

Historie


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1838 konstruierte Charles Crafton Page USA (1812 - 1 868) einenelektromagnetischen 'Kolbenmotor', der bereits mit einem Kommutator ausgestattet

war und eine lineare oszillierende Bewegung zum Ant rieb eines Kurbeltriebes erzeugte!

Historie


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Unabhngig hiervon baute 1850 Charles Crafton Page USA (1812 - 1868) eine vergleichbare Elektrolokomotive mit elektrischem 'K olbenmotor'. Bei einer Probefahrt 1851 konnte eine Geschwindigke it von 31 km/h erreicht werden. Die Energieversorgung erfolgte ebenfalls durch Batt erien.

1842 baute der Schotte Robert Davidson (1804 - 1894) eine Lokomotive mit Namen 'Galvani', die mit einem ebensolchen elektrischen ' Kolbenmotor' angetrieben wurde. Die Energieversorgung erfolgte durch Batterien. Sie war die erste Elektrolok, die unter freiem Himmel auf einer realen Bahnstreck e erprobt wurde!

Beide Erfinder arbeiteten vllig unabhngig voneinender, ohne dass sie voneinender wussten.Ein Erfolg war ihnen nicht beschieden, da die verwendete Batterietechnik zur damaligen Zeit zu leistungsschwach und zu teuer war.

Historie


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Erstes bekanntes Foto eines flachen Linearmotors vo n 1845(Charles Wheatstone England 1802 - 1875)!


Historie


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Erste Patentanmeldung fr einen Schiffchen-Antrieb eines Webstuhles (1895)!


Historie


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Bilder: E.R. Laithwaite

Im Jahre 1914 erregte in London der Franzose Emile Bachelet mit einer 'sensationellen Erfindung' ungeheures Aufsehen. In seinem Labor wurde erstmals ein Linearmotor als Labormuster vorgestellt, der fr den Antrieb von Schnellbahnen und Schiffchen in Websthlen geeignet sein sollte.Bereits zu dieser Zeit wurde von Bachelet postulier t, dass der Antrieb auch zum magnetischen Schweben benutzt werden knne.

Bei der Vorstellung dieses neuen Antriebes wurden bereits fr die Anwendung als Schnellbahn eine Geschwindigkeit von 300 Meilen in der Stunde angegeben. Eine zeppelinhnliche Gondel sollte magnetisch schweben und mit Linearmotor vorangetrieben werden.

Drehstromanschluss!!!

Historie


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Bilder: The International Maglev

Board e.V.

Emile Bachelet mit seinem Versuchsmuster und sein U S-Patent von 1912!

Historie


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Hochgestellte Personen aus Adel und Presse inspizie ren den Versuchstrger 1914!


Historie


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Auch W. Curchill wirft einen Blick auf den Versuchs trger 1914!


Historie


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Patentanmeldung von 1918 vomfranzsischen Erfinder Louis Octave Fauchon-Villepleefr einen 'elektrischen Apparat zum Antreiben von Projektilen'!

Historie


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Im Juni 1932 erscheint in dem Magazin 'Modern Mechanics and Inventions' von Dr. Kapitza, damals Dozent an der Cambridge University GB, dieser Artikel!Aus heutiger Sichttechnischer Unsinn!

Historie


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Erste Entwicklungen zu linearmotorgetriebenen Magne tschwebebahnen wurden1922 von Hermann Kemper (1892 - 1977) im Deutschen R eich begonnen, jedoch kriegsbedingt wieder eingestellt. Ein Deutsc hes Reichspatent wurde erteilt.

Bilder: The International Maglev

Board e.V.

Historie


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Erster kommerziell eingesetzter Linearmotor der Wel t!Damals wohl auch der schnellste Linearmotor der Wel t!

1946 stellte Westinghouse (USA) den 'Electropult' a lsKatapultantrieb mit einer Bahnlnge von 450 m und einer Vortriebskraft von 500 kN vor! Die max. Spitzengeschwindigkeit betrug ca. 200 km/h!Die Technik kam aber ber 2 Erprobungstrger nicht hinaus, da Dampfkatapulte sich als konomischereLsung fr die Anwendung auf Flugzeugtrgern erwiesen!

Historie

Bilder: E.R. Laithwaite


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Erst 1967 wurde in der Bundesrepublik die Weiterent wicklung der Magnetschwebebahnvon dem Physiker Gtz Heidelberg und von Prof. Herb ert Weh wieder aufgenommen.Mit staatlicher Frderung entstanden zwischen 1971 u. 1979 erste Versuchstrger von den Firmen MBB (heute EADS), Krauss-Maffei (Transra pid) und Siemens.1984 wurde die Transrapid-Versuchsanlage im Emsland in Betrieb genommen. 2004 ging der erste Transrapid in Shanghai in Betri eb. Der Unfall im Emsland und die Flugpreisentwicklung fhrte ab 2006 zur Stagnationder weiteren Entwicklung!

Nahe Historie


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Technischer Stand Gaussgewehr 2008:Geschossmasse sehr kleinAustrittsgeschwindigkeit ca. 5 km/sderzeit keine konkrete militrische Umsetzung,private Projekte

Aktuelles und Verwandtes -das Gaussgewehr


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Aktuelles und Verwandtes -die Railgun


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Technischer Stand Railgun 2011:Geschossmasse 18 kgAustrittsgeschwindigkeit 2,5 km/smilitrische Forschungsprojekte

Aktuelles und Verwandtes -die Railgun


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Aktuelles und Verwandtes -Visionen

Visonen 2012:Zukunft des Linearmotors in der Militrtechnik


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Visonen 2008:Zukunft des Linearmotors in der Raumfahrt

Aktuelles und Verwandtes -Visionen


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Wieder zurck zur Realitt!


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Rotative Antriebe Basiswissen


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Prinzip permanent erregter Gleichstrommotor

N S

Grafik: JA GmbH

Bild: Bosch GmbH


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Prinzip Elektromotor mitNebenschlusserregung

Grafik: JA GmbH

Gebruchlicher Name:

- Gleichstrommotor- Nebenschlussmotor

Bild: ABB GmbH


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Prinzip Elektromotor mitReihenschlusserregung

Verschiedene gebruchliche Namenfr das gleiche Prinzip:

- Universalmotor (Gleich- u. Wechselstrom)- Allstrommotor- Reihenschlussmotor- Einphasenreihenschlussmotor

Grafik: JA GmbH

Bild: JA GmbH


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Prinzip permanent erregter Gleichstrommotor

N S

Anker fremderregt Anker permanenterregt

Tauschvon Anker- u.

Stnder-erregung

Grafik: JA GmbH Grafik: JA GmbH


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Prinzip permanent erregter Gleichstrommotorelektronisch kommutiert

Verschiedene gebruchliche Namenfr das gleiche Prinzip:

- elektronisch kommutierter Motor- brstenloser Motor- Elektronikmotor- EC-Motor (electronical commutated)- brushless DC motor

Sensorik

Elektronik

Bild: Faulhaber GmbH

Grafik: JA GmbH


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Prinzip permanent erregter Schrittmotor

Verschiedene gebruchliche Namenfr das gleiche Prinzip:- Schrittmotor- Stepper- Stepper Motor- Hybrid Schrittmotor

Verschiedene Ansteuerverfahren:- Vollschritt- Halbschritt- Microstep

Bild: Orientalmotor GmbH


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PrinzipDrehstromerzeugung

180 36090 270

1

0,5

- 0,5

- 1

0

Phasen-Spannungen Up ber Phasenwinkel

Grafik: JA GmbH


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Prinzip Elektromotor mitDrehstromwicklungDrehfelderzeugung

Abfolge und Grennderung der phasenversetzten Magnetfelder der Einzelspulen

Darstellung der geometrischen Addition von den einzelnen Magnetfeldern. Die uerste Zeigerspitze beschreibt eine umlaufende exakte Kreisbahn.


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Prinzip Drehstrom -Asynchronmaschine

Rotor als Kfiglufer ausgebildet (Kurzschlusslufer)

Stator mit Wicklungen

Verschiedene gebruchliche Namen fr das gleiche Prinzip:

- Drehstrommotor- Asynchronmotor- Normmotor- IEC-Normmotor- Induktionsmaschine- Kfiglufermotor- Kurzschlusslufer Motor

Grafik: JA GmbH

Bild: Nord GmbH


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Technische Ausfhrung Drehstrom -Asynchronmaschine

Rotor als Kfiglufer ausgebildet (Kurzschlusslufer)



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Rotor mit Magneten

Prinzip Drehstrom -Synchronmaschine

Grafik: JA GmbH


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Rotor mit CFKarmierten Magneten

Prinzip und technische AusfhrungAC-Servoantrieb

Bild: JA GmbH

Resolver als Rotorlagegeber

Rotor mit Magneten

Verschiedene gebruchliche Namen fr das gleiche Prinzip:

- AC-Servomotor- brstenloser Servomotor- Synchron Servomotor

Rotorlagegeber

Bild: Baldor GmbH

Grafik: JA GmbH


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Gebruchliche inkrementelleRotorlagegeber

Bilder: JA GmbH

optischer Inkrementalgeberhochauflsend

Codierscheibe eines optischenInkrementalgebers mit Kommutierungs-, Inkrementalgeber- undNullpunktspur(von innen nach auen)


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Gebruchliche absolute Rotorlagegeber

Bilder: JA GmbH

Resolver singleturn

optischerAbsolutgebersingleturn

magnetischerAbsolutgebermultiturn


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Nun zum Linearmotor!


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Meilensteine der industriellen

Markteinfhrung von Linearantrieben und deren Stammbaum


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Meilensteine der industriellen Markteinfhrung von Linearantrieben

Grafik: JA GmbHBildquellen: Vogel-Verlag,Danfoss, Copley, NTI AG,Oswald, Indramat

Erstesverffent-lichtes Foto eines Linearmotors!

1845 1980

Mannesmann-DEMAG-Frdetertechnik stellt eineBaureihe vontubularen u. flachen Asynchronlinear-motoren vor!Anwendung: Frdertechnik

19931992

Siemens u. Indramat stellen Linearmotor-Baureihen mit flachen Synchron-und Asynchron-motorsystemen vor!Anwendung: Werkzeugmaschinen

Die ersten tubularen linearen Synchron-motoren werden von Oswald und Indramatvorgestellt!Anwendung: Textilmaschinen

1997

LinMot (CH) und LinearDrives (GB) stellen Linearmotor-Baureihen mit kleinen tubularen Synchronmotoren und integrierter Wegmesssensorik vor!Anwendung: Handhabungstechnik

Erste Wechselrichterin Tyristortechnik!

1968

heute

KostengnstigeHochleistungs-Magnetwerkstoffeaus NbFeB!

1985


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Stammbaum Linearantriebe

Linearmotor

Asynchron-maschine

Synchron-maschine

permanent erregt

eisenlos eisen-behaftet

tubular flach, U-frmig flachtubular

Grafik: JA GmbHBildquellen: Vogel-Verlag, Antrima, NPM, TECNOTION, NTI AG

flachtubular


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Vom rotativen Motor zum Linearmotor


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Von der Drehstrom -Synchronmaschinezum flachen und runden Linearmotor

- aufschneiden - in die Flche legen

tubularerLinearmotor

rotativerSynchronmotor

- kippen- ineinander schieben

flacher Linearmotor

Grafiken: JA GmbH


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Gebruchliche Wirkprinzipien,technischer Aufbau,

industrielle Umsetzung und

typische Anwendungen von Linearmotoren


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Prinzip LinearmotorBauform Asynchronmaschineflach, Doppelkamm

Eisen-Rckschluss

Eisenjoch

Metallplatte als Schwert (Sekundrteil)

Wicklungen(Primrteil,eisenbehaftet)

Reaktions-Krfte

Grafik: JA GmbH



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Wicklungen(Primrteil)

Positiv:- sehr hohe Vorschubkrfte- sehr robust- kleiner Luftspalt

Negativ:- groe magnetische Anziehungskrfte- schlechter Wirkungsgrad- offene Bauform

Techn. Ausfhrung LinearmotorBauform Asynchronmaschineflach, Doppelkamm

BausatzmotorBilder: ANTRIMA GmbHu. coastersandmore.de

pass. Sekundrteilmit 3 Schwerter


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Typ. Anwendung LinearmotorBauform Asynchronmaschineflach, Doppelkamm

Bilder: coastersandmore.de


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Prinzip LinearmotorBauform Asynchronmaschinetubular

Eisen-Rckschluss

Eisenjoch

Metallstab oder Rohr (Sekundrteil)


Reaktions-Krfte

Grafik: JA GmbH



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Positiv:- sehr hohe Vorschubkrfte- sehr robust- kleiner Luftspalt

Negativ:- groe magnetische Anziehungskrfte- schlechter Wirkungsgrad- offene Bauform

Techn. Ausfhrung LinearmotorBauform Asynchronmaschinetubular

Bild: Vogel Verlag


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Typ. Anwendung LinearmotorBauform Asynchronmaschinetubular, eisenlos

Es liegen keine Daten und Fotos vontechnischen Ausfhrungen vor!


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Prinzip LinearmotorBauform Synchronmaschineflach, eisenbehaftet

Eisen-Rckschluss

Magnete (Sekundrteil)

Eisen-Rckschluss


Reaktions-Krfte

Grafik: JA GmbH


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Magnete(Sekundrteil)

Lagerung

Wegmesssensorik(Inkrementalgeber)


Kabelschlepp

Bild: Parker GmbH

Positiv:- sehr hohe Vorschubkrfte- guter Wirkungsgrad- kleiner Luftspalt- gute thermische Kapazitt- hohe Kraftdichte

Negativ:- groe magnetische Anziehungskrfte

(bis 5fach der Nutzkraft)- starkes Cogging (Pohlfhligkeit)- offene Bauform

Techn. Ausfhrung LinearmotorBauform Synchronmaschineflach, eisenbehaftet

BausatzmotorBild: TECNOTION B.V.


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Bild: JA GmbH

Typ. Anwendung LinearmotorBauform Synchronmaschineflach, eisenbehaftet


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Prinzip LinearmotorBauform SynchronmaschineU-frmig, eisenlos

Magnete(Sekundr-teil)

Wicklungen(schwertfrmigesPrimrteil,eisenlos)

Eisen-Rckschluss

Eisen-Rckschluss

Reaktions-Krfte

Grafik: JA GmbH


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Positiv:- keine Anziehungskrfte- geringe bewegte Massen- sehr hohe Beschleunigungen- kein Cogging (Pohlfhligkeit)- extrem guter Gleichlauf

Negativ:- geringe thermische Kapazitt- hohe Kosten fr Magnete- offene Bauform- mittlerer Wirkungsgrad

gegenberliegendeMagnete(Sekundrteil)

Lagerung

Wegmesssensorik (Inkrementalgeber)

Wicklungen (Primrteil)

Kabelschlepp

Techn. Ausfhrung LinearmotorBauform SynchronmaschineU-frmig, eisenlos

BausatzmotorBild: Parker GmbH

Bild: TECNOTION B.V.


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Bild: JA GmbH

Typische Anwendung LinearmotorBauform SynchronmaschineU-frmig, eisenlos


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Prinzip LinearmotorBauform Synchronmaschinetubular, eisenbehaftet


Wicklungen

Eisen-Rckschluss

Reaktions-Krfte

Grafik: JA GmbH


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Eisen-Rckschluss

Magnete(Lufer)

Wicklungen(Stator)

Wegmesssensorik(Inkrementalgeber)

Gleitlager

Grafik: NTI AG LinMot

Techn. Ausfhrung LinearmotorBauform Synchronmaschinetubular, eisenbehaftet


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Techn. Ausfhrung LinearmotorBauform Synchronmaschinetubular, eisenbehaftet

Lufer

Stator

Positiv:- keine Anziehungskrfte- geringes Cogging (Pohlfhligkeit)- integrierte Sensorik- gute thermische Kapazitt- sehr robuste gekapselte Bauform- nur ein Anschluss- integriertes Lager

Negativ:- mittlerer Wirkungsgrad

Gleitlager

integrierte Positionssensorik (Inkrementalgeber)

Bild: NTI AG LinMot

Anschluss fr Leistung u. Sensorik


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Bilder: JA GmbH u. NTI AG LinMot

Typische Anwendung LinearmotorBauform Synchronmaschinetubular, eisenbehaftet


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Prinzip LinearmotorBauform Synchronmaschinetubular, eisenlos


Wicklungen

Reaktions-Krfte

Grafik: JA GmbH


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Grafik: Faulhaber GmbH

Gehuse aus Edelstahl

Positiv:- keine Anziehungskrfte- kein Cogging- integrierte Sensorik- gute thermische Kapazitt- sehr robuste gekapselte Bauform- nur ein Anschluss- integriertes Lager

Negativ:- niedriger Wirkungsgrad

Bild: JA GmbH

Techn. Ausfhrung LinearmotorBauform Synchronmaschinetubular, eisenlos


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Bild: JA GmbH

Typische Anwendung LinearmotorBauform Synchronmaschinetubular, eisenlos


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Bilder: JA GmbH

optischer Inkrementalgeberreflexiv hochauflsend

Hallsensoren zur Abtastungder Antriebsmagnete

Gebruchliche Wegsensorenfr Linearantriebe

magnetischerInkrementalgeber

Bild: Siko GmbH


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Vor- und Nachteile der Linearmotortechnik


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Substitutionspotential der Linearmotortechnik

Bild und Grafik: NTI AG LinMot


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Vor- und Nachteile der Linearmotortechnik

Positiv:- Direktantrieb ohne Spiel und Torsion- teilweise extrem guter Gleichlauf- hchste Dynamik bei sehr guter

Positioniergenauigkeit- steife Regelung- teilweise robuste Bauform- teilweise einfaches Konstruktionselement- geringere mechanische Komponenten- guter Wirkungsgrad- Verschleifreiheit

Negativ:- Kosten steigen mit der

Hublnge proportional an- sehr steife Mechanikanbindungen

erforderlich- teilweise nicht robuste offene Bauform- empfindlich gegen Verschmutzung

durch Fe-Staub


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JUNG ANTRIEBSTECHNIK U. AUTOMATION GMBH

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Alle nicht angegebenen Bild- u. Grafikquellen: www.w ikipedia.org

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