LINEAIRE MOTOR combineert SNELHEID en ACCURAATHEID

Borstelloze uitvoering vermijdt slijtage

Ook lineaire bewegingen ontsnappen niet aan de heersende trends in de industrie. Alles moet sneller, nauwkeuriger en energie-efficiënter, terwijl de gewenste belastingen groter worden. Als het even kan, moet ook de prijs laag gehouden worden, terwijl ook de inbouwmaten beperkt moeten blijven en de onderhoudsnood klein moet zijn. Een quasi onmogelijke combinatie, maar gelukkig evolueert de techniek snel en kunnen er mits de juiste oplossing mooie resultaten geboekt worden.

GROTE BELASTING, HOGE SNELHEID

Want dat er ook in de lineaire geleidingen in sneltempo geïnnoveerd wordt, is meer dan zomaar een open deur intrappen. De laatste 10-15 jaar zijn de prestaties in termen van belasting, stijfheid en accuraatheid zo goed geworden dat er zelfs bij grote snelheden zeer goede resultaten geboekt worden. En dit, bovendien aan een performante prijs-kwaliteitverhouding. Ook verbeteringen in de lineaire encodertechnologie laten steeds grotere snelheden toe, terwijl ook daar de prijs in dalende lijn zit. Als zowel de mechanica als de sturing grote belastingen en snelheden aankan en tegelijk de nauwkeurigheid zeer goed is, rest nog slechts één beperkende factor: de aandrijving zelf.

KOGELOMLOOPSPINDELS & TANDRIEMEN

Vandaag wordt er vaak voor spindels of tandriemen geopteerd in motionapplicaties. Een verdedigbare keuze. Kogelomloopspindels combineren een goede nauwkeurigheid met een hoge uitvoeringssnelheid. Tandriemen worden geprezen om de hoge repeatability (herhaalbaarheid - de mate waarin meerdere identieke verplaatsingsopdrachten, onder telkens dezelfde omstandigheden, resulteren in hetzelfde resultaat) en snelheden die tot een stuk boven de 5 meter per seconde kunnen. Maar niet voor alle motiontoepassingen zijn deze geschikt, voornamelijk als de eisen naar snelheid en nauwkeurigheid beide zeer hoog liggen, kan men op beperkingen stoten. Hier kan een aandrijving met een lineaire motor soelaas bieden, dankzij de snelle reactietijd en de prima slijtage-eigenschappen.

OPBOUW LINEAIRE MOTOR

Het idee achter een lineaire motor is eenvoudig: neem een traditionele roterende servomotor en rol hem als het ware uit. De stator beweegt zich dan voort over de rotor, die nu eigenlijk niks anders is dan een lange magneetkern. In deze opbouw staat de belasting in rechtstreeks contact met de motor, waardoor de lineaire beweging gerealiseerd wordt zonder extra omzetting van een rotatieve naar een lineaire beweging.

 

MET BORSTELS OF BRUSHLESS?

Lineaire motoren zijn niet nieuw, ze bestaan al een tijd ook als lineaire stappenmotor of in een uitvoering met borstels. De borstelloze uitvoering wint echter steeds vaker het pleit omdat de hogere onderhoudskosten en de hogere storingsgevoeligheid van de koolborstels toch een hinderpaal betekenen.

Bij lineaire motoren met borstels zit de kern in de lineaire rail, terwijl de magneten zich in de forcer bevinden. De beweging wordt bereikt dankzij een lineaire commutatorcomponent die over de borstels in de forcer van de motor beweegt. De kostprijs van deze uitvoering is evenwel ook niet min en bovendien wordt de snelheid beperkt door de interactie tussen de commutatiebar en de koolborstels. Bij lineaire stappenmotoren zitten zowel de windingen als de magneet in de forcer, maar hier zijn er beperkingen naar snelheid en koppel toe, omdat de tanden van de tandlat voor een zekere inertie zorgen.

Borstelloze uitvoeringen hebben niet de beperkingen die spelen bij lineaire stappenmotoren en uitvoeringen met borstels. De forcer bestaat enkel nog uit de windingen, terwijl de stator de magneten bevat. De beweging wordt nu elektronisch overgedragen via Halleffectsensoren of met een sinusvomige stuurspanning. De Halleffectsensoren op de forcer worden geactiveerd door de magneten in de stator. Via versterking wordt het signaal aangepast om de fase te activeren. Bij de sinusvormige stuurspanningen wordt er gebruikgemaakt van een terugkoppeling van het encodersignaal naar de motor. Vaak worden beide systemen in combinatie gebruikt, waarbij de Halleffectsensoren de start van de beweging op zich nemen om vervolgens over te schakelen op de andere vorm. In beide gevallen is de overdrachtssnelheid niet langer de beperkende factor.

DRIE HOOFDTYPES

Ironcore

Bij een ironcore uitvoering beweegt de forcer zich voort op één rail. De primaire koperen windingen zijn rond een metalen kern gewikkeld. De secundaire is meestal een stationaire magnetische rail. Ze worden frequent toegepast in spuitgiet- en persmachines omdat ze continu een grote kracht kunnen leveren dankzij de directe magnetische koppeling tussen de ijzeren kern en de magneten van de stator. De ironcore types zijn wel vatbaar voor het zogenaamde coggingeffect (zie verder).

Ironless

Bij een ironless uitvoering is er niet één, maar zijn er twee magnetische rails en wordt er geen gebruik gemaakt van een metalen kern, maar van epoxy. De meeste hebben een U-vorm. Het grote voordeel van dit type is dat het coggingeffect hier uitblijft, maar de prijs is wel een stuk duurder door de grotere hoeveelheid benodigde magneten. Ook kan de warmteafgifte hier groter zijn, wat sommige oplossen door deze types te overdimensioneren.

Slotless ironless

Bij de slotless ironless uitvoering zijn de kernen op een aluminium basisplaat geplaatst. Omdat er op de forcer geen metaal gebruikt wordt, is er hier eveneens geen sprake van cogging, net zoals bij de U-vormige ironless types. Dit soort motoren wordt frequent gebruikt in toepassingen waarbij een vloeiende beweging nodig is, zoals scanapplicaties. De output is wel beperkt, dus voor echte zware belastingen zijn ze minder in trek.

VOORDELEN

De borstelloze lineaire motor heeft enkele markante voordelen die er een populaire oplossing van maken. De eerder aangehaalde combinatie van snelheid (10 m/s is geen uitzondering) met een precisie in het µm-bereik klinkt uiteraard als muziek in de oren van de machinebouwer. De hoge precisie is mogelijk door de terugkoppeling via de encoder. Dat er daarnaast geen askoppeling meer nodig is tussen belasting en motor, draagt bij aan de bedrijfszekerheid en de robuustheid van dit type aandrijving. Ook is er geen backlash zoals dat wel het geval is bij reductiekasten, spindels of tandriemen. De beweging verloopt dus vloeiend en met een minimale wrijving. Omdat de beweging direct wordt overgezet, is ook de responstijd van lineaire borstelloze motoren zeer groot.

NADELEN

Zeldzame aardmetalen

Een van de voornaamste nadelen van een lineaire motor is zijn kostprijs. De achterliggende oorzaak hier zijn de gebruikte aardmetalen voor de magneten. Deze zijn steeds zeldzamer aan het worden, wat repercussies heeft op het prijsniveau. Zeker voor toepassingen met grotere lengtes wordt dit soort motor dan een grote kost. Ook de kostprijs van een lineaire encoder is groot in vergelijking met een encoder voor een draaimotor.

Opwarming

De rechtstreekse overzetting betekent dat ook warmte, opgewekt door de motor, direct overgedragen wordt op de belasting. Als deze warmtegevoelig is, moeten er dus koelmaatregelen (lucht/water) getroffen worden.

Cogging

Bij de ironcore uitvoeringen kan er cogging optreden. Dit is een verschijnsel dat zijn oorsprong vindt in de magnetische kracht die de secundaire op de primaire uitvoert, terwijl die over de magneetrail passeert. Daardoor kan de beweging als wat schokkend worden ervaren. Bij toepassingen waarbij een vloeiende beweging een absolute voorwaarde is, wordt er dus voor ironless motoren gekozen. Fabrikanten gaan cogging tegen door de magneten wat schuin te plaatsen, zodat hun invloed afgevlakt wordt. 

 

DE MAGLEVTREIN: EEN SPECIALE TOEPASSING VAN DE LINEAIRE MOTOR

Een 'zwevende' trein die snelheden haalt tot liefst 500 km/h. Het leek lang een sciencefictionverhaal te blijven, maar ondertussen zijn er toch al drie commercieel uitgebate lijnen in werking en staan er heel wat nieuwe projecten in de steigers.

Het werkingsprincipe van de Maglev (MAGnetic LEVitation) is een toepassing van een lineaire motor. Het zweven van de trein wordt bekomen door inductie, waarbij de afstotende kracht van de baan exact gelijk is aan die van de spoelen in de trein.

Via regelelektronica worden de magneten zo geregeld dat de trein in beweging komt en hij tegelijkertijd over de baan zweeft. Door de afwezige rolweerstand is er weinig geluidsoverlast en slijtage, want de wielen worden enkel gebruikt bij het starten en afremmen.

Helaas is de bestaande railinfrastructuur niet compatibel met de Maglevtechnologie, dus moet er een aparte baan aangelegd worden. De dure kost van de infrastructuur is dé verklaring waarom tot nog toe enkel lijnen van beperkte lengte operationeel zijn, alhoewel men nu wel in Japan begonnen is aan de aanleg van de lijn tussen Tokio en Nagoya. De afstand van 286 km zou in iets meer dan een halfuur afgelegd worden.