Dittrich, Peter, FH Jena, Tatzendpromenade 1b, 07745 Jena

Kurzfassung aus "Feinwerktechnik Mikrotechnik Mikroelektronik" Jahrg. 107 (1999) 12, S. 14-18

In der Feinwerktechnik werden die klassischen Antriebsprinzipien des Gleichstrommotors, des Synchronmotors (ausgeführt als Schrittmotor oder AC-Servo Motor) und des Induktionsmotors sowie eine Vielzahl spezieller Aktoren wie Piezoantriebe eingesetzt. Alle diese Prinzipien können als Linearmotor ausgeführt werden [z.B.: 3]. Betrachtet man speziell Linearmotoren kleiner Baugröße mit Vorschubkräften im Bereich von 10 N, stellt man fest, daß hier kaum Induktionsmotoren zur Anwendung kommen. Diese Motoren haben aber den Vorteil eines einfachen, robusten und kompakten Aufbaus. Es ist die Frage, inwieweit man diese Vorteile auch bei Kleinantrieben umsetzen kann, insbesondere hinsichtlich preiswerter und zuverlässiger Systeme.

Der geblechte Induktor mit den Abmessungen 46 x 40 x 30 mm³ (Länge x Breite x Höhe) besitzt 2 Wicklungen in 4 Nuten und 5 Zähne. Die Polteilung beträgt 21 mm. Unter dem Induktor ist das Sekundärteil angeordnet, das aus massivem Stahl mit einer homogenen Kupferauflage besteht. Die Führung ist nicht dargestellt.

Die beiden Wicklungen werden mit etwa 90° phasenverschobenen Strömen betrieben, womit ein magnetisches Wanderfeld aufgebaut wird. In der vom magnetischen Feld durchsetzten Kupferauflage werden elektrische Spannungen induziert, die wiederum Ströme antreiben. In der Wechselwirkung von magnetischem Feld und Strömen im Sekundärteil entstehen Lorentz-Kräfte, die als Vorschubkräfte wirken.

Bild 1: Aufbau des Induktionsmotors (Bildgenerierung: Weiss)

Bezüglich der eingangs gestellten Frage zur Nutzung der Vorteile des translatorischen Induktionsmotors für Kleinantriebe lassen sich folgende Antworten geben:

· Der Motor allein erreicht im Dauerbetrieb eine Flächenschubkraft (Vorschubkraft je aktiver Induktorfläche) von ca. 0,3 N/cm². Im Kurzzeitbetrieb sind Werte von 1 N/cm² und mehr möglich, wobei dann aber mechanische Schwingungen in Normalenrichtung auftreten. In [5] wird gezeigt, daß damit der untersuchte Motor im Erwartungsbereich liegt, wenn man berücksichtigt, daß die Effizienz der Motoren prinzipbedingt mit der Verkleinerung abnimmt.

Mit der Verkleinerung des Motors gewinnen parasitäre Randeffekte eine zunehmende Bedeutung. Die Steuerung muß deshalb so ausgelegt werden, daß mechanische Schwingungen nach Möglichkeit nicht angeregt werden.

· Der Motor besitzt einen mechanisch einfachen Aufbau (homogenes Sekundärteil, keine Permanentmagnete). Die mechanischen Randbedingungen erhalten aber mit der Miniaturisierung eine zunehmende Bedeutung. So gewährleistet die einseitige Miniaturührung eine gute Zugänglichkeit zum Läufer, setzt aber mechanischen Schwingungen in der Normalenrichtung nur eine relativ niedrige mechanische Steifigkeit entgegen. Der Rollwiderstand der Führung, Zuleitungen und einzusetzende Kabelketten besitzen einen großen Einfluß.

· Die räumlich enge Nachbarschaft von Motor (Induktor) und Meßkopf führt zu einer starken thermischen Kopplung, die leistungsbegrenzend wirkt.

· Die Motoren sollten dort eingesetzt werden, wo die Nutzmasse die Motormasse nicht wesentlich überschreitet [3], wo im Kurzzeit- und Aussetzbetrieb der mit dem niedrigen Wirkungsgrad verbundene hohe Energieverbrauch zu vertreten ist und wo Wert auf einen preiswerten Aufbau, bedeutungsvoll bei großen Verfahrwegen, gelegt wird.

Die erreichbare Positioniergenauigkeit wird durch das Meßsystem im Zusammenspiel mit einer Regelung bestimmt. Vorteilhaft ist, daß in Verbindung mit dem homogen aufgebauten Sekundärteil keine Modulation der Vorschubkraft auftritt.

[1] Budig, P.: Drehstromlinearmotoren. Verlag Technik 1978

[2] Luda, G.: Drehstrom-Asynchron-Linearantriebe. Vogel Verlag 1981

[3] Dittrich, P.; Döring, G.; Schatter, G.: Schrittantriebe in Positioniersystemen der Gerätetechnik. Feingerätetechnik 32(1983)1,S. 6-11; 2,S. 51-54

[4] Will, F.: Auslegung und Gestaltung von Antriebssystemen für Stückgut-Sortieranlagen. VDI-Fortschrittsberichte Reihe 13, Nr. 47 1998

[5] Dittrich,P.; Pöch, G.; Schulz, R.: Translatorische Induktionsmotoren kleiner Leistung. SPS/IPC/DRIVES Nürnberg ’98, S.698, 699