LINEARE HYBRID-AKTUATOREN: TECHNISCHER ÜBERBLICK
Die Umwandlung der Drehbewegung eines Schrittmotors in eine lineare Bewegung kann durch verschiedene mechanische Mittel erreicht werden, einschließlich Zahnstange und Ritzel, Riemen und Riemenscheiben und andere mechanische Verbindungen. Alle diese Konstruktionen erfordern verschiedene mechanische Komponenten. Der effektivste Weg, um diese Umwandlung zu erreichen, ist innerhalb des Linearaktuators selbst.
Beschreibung
Der einfache Schrittmotor erzeugt eine Drehbewegung eines Magnetrotorkerns durch Impulse und elektromagnetische Felder, die um den Kern herum verlaufen. Linearaktuatoren wandeln diese Drehbewegung in eine lineare Bewegung um, und zwar genau abhängig vom Schrittwinkel des Rotors und dem gewählten Verfahren, um die Umwandlung zu bewerkstelligen. Der lineare Schrittmotor oder Linearaktuator wurde erstmals 1968 unter der Patentnummer 3,402,308 von William Henschke vorgestellt. Seit dieser Zeit hat der Linearaktuator seinen Weg in viele kritische Applikationen gefunden. Einige Applikationen umfassen Fertigungsapplikationen, Präzisionsausrichtung und Präzisions-Flüssigkeitsdosierung, um nur einige zu nennen.
Bei Linearaktuatoren, die eine Spindel verwenden, ist die Genauigkeit von der Gewindeteilung abhängig. Im Rotor eines Linearaktuators befindet sich eine Mutter in der Mitte des Rotors. Eine entsprechende Spindel ist im Eingriff mit der Mutter. Damit sich die Spindel axial bewegen kann, muss die Spindel daran gehindert werden, sich mit der Baugruppe Mutter/Rotor zu drehen. Mit einer Verdrehsicherung der Spindel wird eine lineare Bewegung erreicht, wenn sich der Rotor dreht. Eine Verdrehsicherung wird typischerweise entweder im Inneren mit einer Arretierung einer Spindel oder extern mit einer Mutter auf der Spindel erreicht, die irgendwie an der Drehung gehindert wird, jedoch in ihrer axialen Richtung frei beweglich ist.
Für eine Vereinfachung der Konstruktion ist es offensichtlich sinnvoll, die Umwandlung von Dreh- in Linearbewegung direkt im Motor durchzuführen. Diese Herangehensweise vereinfacht die Konstruktion vieler Applikationen erheblich, indem ein „Einbaumotor“ ermöglicht wird, der zu einer präzisen linearen Bewegung fähig ist, ohne dass externe mechanische Verbindungen installiert werden müssen.
Der erste Linearaktuator verwendete eine Kugelmutter-Spindel-Kombination. Die Kugelgewindespindel bietet typischerweise einen Wirkungsgrad von mehr als 90%, während Acme-Gewinde typischerweise Wirkungsgrade zwischen 20% und 70% abhängig von den Gewindebedingungen bieten.
Obwohl Kugelgewindespindeln ein hocheffizientes Mittel zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung sind, ist die Kugelmutter für die Ausrichtung empfindlich, voluminös und teuer. Daher ist die Kugelmutter für die meisten Applikationen keine praktische Lösung.
Die meisten Geräteentwickler sind mit dem Linearaktuator mit Hybrid-Schrittmotor vertraut. Dieses Produkt gibt es schon seit einigen Jahren, und genau wie jedes andere Gerät hat es seine Stärken und Grenzen. Einige der Vorteile sind inhärente Einfachheit der Konstruktion, Kompaktheit, bürstenloser Betrieb (daher keine Lichtbogenbildung), unglaubliches Last-Kraft-Verhältnis, konstruktive Flexibilität und Zuverlässigkeit. In einigen Fällen können diese Linearaktuatoren jedoch für bestimmte Vorrichtungen nicht eingebaut werden, da sie ohne routinemäßige Wartung nicht langlebig sind.
Es gibt jedoch Möglichkeiten, solche Hindernisse zu überwinden und Linearaktuatoren bereitzustellen, die äußerst langlebig sind und eine lange Lebensdauer ohne Wartung aufweisen. Aufgrund der bürstenlosen Bauweise der Schrittmotoren sind die Rotorlager und der Gewindeeingriff der Gewindespindel/Mutter-Baugruppe die einzigen verschleißbehafteten Bauteile. Jahrelange Fortschritte bei Kugellagern haben bereits zur Verfügbarkeit von Typen mit langen Lebensdauereigenschaften geführt. In letzter Zeit gab es Verbesserungen in der Lebensdauer und Haltbarkeit der Gewindespindel/Mutter-Kombination.
Erhöhte Haltbarkeit
Zunächst ist es notwendig, einen Blick auf das Konstruktionsprinzip zu werfen. Ein gutes Modell für eine Fallstudie ist der Motor der Größe 17, der sich am kleineren Ende des Hybrid-Schrittmotor-Größenbereichs befindet. Herkömmlicherweise wird ein Linearaktuator hergestellt, indem eine hohle Welle aus einem metallischen Werkstoff mit Lagerqualität, wie Bronze, bearbeitet wird. Diese Hohlwelle weist ein Innengewinde auf, das wiederum in das Gewinde einer Gewindespindel eingreift. Die Hohlwelle ist entlang der Rotorachse installiert. Eine beliebte Wahl für das Gewindespindelmaterial ist rostfreier Stahl, der auch eine gewisse Korrosionsbeständigkeit bietet. In den meisten Fällen handelt es sich bei den verwendeten Gewindetypen um Maschinengewinde (wie z.B. Nr. 10-32), die je nach der im Stellglied gewünschten Auflösung und Geschwindigkeit einfach oder mehrfach gestartet werden können.
Das Maschinengewinde, allgemein als „V“ -Gewinde bekannt, wird gewählt, weil es relativ leicht zu bearbeiten und zu walzen ist. Obwohl es eine geeignete Wahl für die Herstellung ist, ist es eine schlechte Wahl für die Kraftübertragung. Ein viel besseres Gewinde ist das Acme-Gewinde. Dafür gibt es einige Gründe.
Der Acme-Gewinde ist aufgrund seiner Konstruktion effizienter. Das Acme-Gewinde hat konstruktiv bedingt einen besseren Wirkungsgrad als Ergebnis von geringeren Verlusten, einschließlich Reibung, was wiederum weniger Verschleiß und letztendlich eine längere Lebensdauer bedeutet. Anhand der Grundgeometrie der Spindel lässt sich dies leicht erklären. Ein „V“-Gewinde hat einen Winkel von 60 Grad zwischen gegenüberliegenden Flächen, während das Acme nur 29 Grad hat.
Unter der Annahme, dass Reibung, Drehmoment und Steigungswinkel gleich sind, liefert ein „V“ -Gewinde nur ungefähr 85% der Kraft eines Acme-Gewindes. Für die Verwendung von Gewinden mit einer V-Form wird der Wirkungsgrad unter Verwendung der Gleichung 1 oder 2 abhängig von der Belastungsrichtung bestimmt. Das Verhältnis wird einfach berechnet, indem der Wirkungsgrad der 60°-Gewinde durch den der 29°-Gewinde dividiert wird.
Die Wirkungsgradberechnungen berücksichtigen nicht, dass der Oberflächendruck auf das „V“-Gewinde viel höher ist, wodurch die Verluste weiter erhöht werden.
Trapezgewinden werden in der Regel für die Kraftübertragung hergestellt, so dass der Oberflächengüte, der Genauigkeit und den Toleranzen viel mehr Aufmerksamkeit geschenkt wird. „V“-Gewinde werden hauptsächlich als Befestigungsgewinde verwendet, so dass die Oberflächenbeschaffenheit und Geradheit nicht genau kontrolliert werden.
Von gleicher, wenn nicht sogar größerer Bedeutung ist die Mutter, die die Spindel antreibt. Diese Mutter ist oft in den Motorrotor eingebettet. Der traditionelle Mutterwerkstoff ist eine Bronze mit Lagerqualität, die sich für die erforderliche Bearbeitung der Innengewinde eignet. Es war ein geeigneter Kompromiss zwischen physikalischer Stabilität und Schmierfähigkeit. Kompromisse sind natürlich das Schlüsselwort, da er sich für beide Faktoren nicht auszahlt. Ein besseres Material für eine Kraftmutter in dem Linearaktuator ist ein geschmiertes thermoplastisches Material. Dies liegt daran, dass bei neuen technischen Kunststoffen die Spindelgewinde mit einem niedrigeren Reibungskoeffizienten bewegt werden können. Abbildung 3 stellt die Reibungseigenschaften der Rotorgewindematerialien gegenüber.
Mit diesen Informationen ist die folgende Frage naheliegend: Warum nicht eine Kunststoffmutter verwenden? Leider ist der Kunststoff für die Rotorzapfen eines Hybridmotors nicht so stabil wie für die Gewinde. Bei einer möglichen Erhöhung der Motortemperatur um 57 °C während des Motorbetriebs könnte sich der Kunststoff in diesem Fall bis zu 0,1 mm ausdehnen. Wohingegen zum Beispiel Messing sich unter gleichen thermischen Bedingungen nur 0.0254 mm ausdehnen kann. Siehe Abbildung 4.
Die Lagerzapfen sind in der Hybridmotorkonstruktion kritisch. Die Hybridmotorkonstruktion muss einen Luftspalt von nur einigen hundertstel Millimetern für optimale Leistung beibehalten. Der Luftspalt ist definiert als der Abstand zwischen dem äußeren Durchmesser des Rotormagneten und dem inneren Durchmesser des Stators. Wenn die Rotoranordnung ihre konzentrische Beschaffenheit verliert, würde sie gegen die Statorwand reiben. Durch die Materialauswahl möchte ein Konstrukteur Materialvorteile sowohl für eine lange Gewindelebensdauer als auch für die Lagerzapfenstabilität haben. Durch das Verwenden von mit Spritzguss hergestellten Kunststoffgewinden in einer metallischen Rotoranordnung wird dieser gegenseitige Vorteil der Eigenschaften erreicht (Abbildung 5).
Das Ergebnis ist ein extrem verbessertes Produkt bei leisem Betrieb, höherem Wirkungsgrad und höherer Lebensdauer. Die erwartete Lebensdauer kann bei identischen Betriebsbedingungen um Größenordnungen höher sein als bei einer Bronzemutter (Bild 6).
