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JUNG ANTRIEBSTECHNIK U. AUTOMATION GMBH - Felswg 18 - D-35435 Wettenberg - Tel.: 0641-480170 - Fax: 0641-4801715 - eMail: [email protected] - www.ja2-gmbh.de
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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
Die Weitergabe dieses Dokumentes in Papierform oder als Datei, auch auszugsweise, ist ohne unsere ausdrckliche Ge nehmigung
nicht gestattet!
Alle nicht angegebenen Bild- u. Grafikquellen: www.w ikipedia.org
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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)!
Bild: E.R. Laithwaite
Historie
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Erste Patentanmeldung fr einen Schiffchen-Antrieb eines Webstuhles (1895)!
Bild: E.R. Laithwaite
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!
Bild: E.R. Laithwaite
Historie
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Auch W. Curchill wirft einen Blick auf den Versuchs trger 1914!
Bild: E.R. Laithwaite
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)
Stator mit Wicklungen
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Stator mit Wicklungen
Rotor mit Magneten
Prinzip Drehstrom -Synchronmaschine
Grafik: JA GmbH
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Stator mit Wicklungen
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
Wicklungen(Primrteil,eisenbehaftet)
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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
JUNG ANTRIEBSTECHNIK U. AUTOMATION GMBH - Felswg 18 - D-35435 Wettenberg - Tel.: 0641-480170 - Fax: 0641-4801715 - eMail: [email protected] - www.ja2-gmbh.de
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Prinzip LinearmotorBauform Asynchronmaschinetubular
Eisen-Rckschluss
Eisenjoch
Metallstab oder Rohr (Sekundrteil)
Wicklungen(Primrteil,eisenbehaftet)
Reaktions-Krfte
Grafik: JA GmbH
Wicklungen(Primrteil,eisenbehaftet)
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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 Asynchronmaschinetubular
Bild: Vogel Verlag
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Typ. Anwendung LinearmotorBauform Asynchronmaschinetubular, eisenlos
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Prinzip LinearmotorBauform Synchronmaschineflach, eisenbehaftet
Eisen-Rckschluss
Magnete (Sekundrteil)
Eisen-Rckschluss
Wicklungen(Primrteil,eisenbehaftet)
Reaktions-Krfte
Grafik: JA GmbH
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Magnete(Sekundrteil)
Lagerung
Wegmesssensorik(Inkrementalgeber)
Wicklungen(Primrteil)
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
Magnete(Sekundr-teil)
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
Magnete(Sekundr-teil)
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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