Faulhaber Quickshaft: Anwenderbericht - Bewegte Skulpturen symbolisieren bewegende Ideen

Im Markenraum von BMW symbolisiert eine kinetische Skulptur die Zukunft der Mobilität: Hunderte hauchdünner Carbon-Schuppen, in einer Kugelform angeordnet, können unterschiedliche Formen darstellen. Sie bewegen sich elegant und fließend und stehen für die Agilität, die die zukünftigen Fahrzeuge auszeichnen soll.

„Unsere Stärke ist es, technisch aufwendige und komplizierte Sachverhalte auf den Punkt zu bringen und sie buchstäblich begreifbar zu machen“, gibt MKT-Vorstand Axel Haschkamp über ein Unternehmen Auskunft, das weltweit bekannt ist für die Entwicklung und Realisation von kinetischen und interaktiven Exponaten und Skulpturen. Für die Ausstellung „Iconic Impulses“, die im vergangenen Jahr Besucher in München, Peking, London und Los Angeles begeisterte, wurden zwei unterschiedliche Formwandler-Skulpturen entwickelt. Bis Ende 2017 sind diese noch im Doppelkegel der BMW Welt in München zu sehen. Die Anzahl der in den Skulpturen eingesetzten Antriebe ist beachtlich: Bei einem Exponat sorgen 92 lineare DC-Servomotoren für fließend elegante Bewegungen, beim anderen 42. „Die komplexen Bewegungsabläufe sollten geräuschlos und sehr agil funktionieren“, erläutert Axel Haschkamp. „Wir hatten eine genaue Vorstellung von schönen, dynamischen Bewegungen. Die Wahl fiel schließlich auf die „Quickshaft“-Linearantriebe von Faulhaber, weil uns deren Leistungsfähigkeit überzeugte“, ergänzt er.

Die Steuerung wurde mit CANopen Motion Controllern des gleichen Herstellers realisiert. „In Zusammenarbeit mit unseren Motion-Control-Experten konnten die Zykluszeiten des Gesamtsystems optimiert und faszinierend fließende Bewegungen erzielt werden“, betont Andreas Eiler, der beim Hersteller für dieses Projekt verantwortlich war. Die Durchmesser der beiden Formwandler verändern sich beim 42er-Exponat von 300 und 400 mm, beim 92er-Modell von 350 bis 430 mm.

92 lineare DC-Servomotoren sorgen bei diesem Exponat für fließend elegante Bewegungen.

Visionäre Ideen technisch umsetzen

Grundsätzlich lassen sich rotative Elektromotoren aller Prinzipien in Linearmotoren umsetzen, indem man den runden Luftspalt auf eine Gerade abbildet. Die ursprünglich kreisförmig angeordneten elektrischen Erregerwicklungen werden dazu quasi auf ebener Strecke abgewickelt. Das Magnetfeld zieht dann den Läufer über die Fahrstrecke. Es gibt jedoch auch noch andere Möglichkeiten: Die DC-Linearantriebe der Serie „Quickshaft“ aus dem Hause Faulhaber beispielsweise sind nicht als solche „Oberflächenläufer“ mit Schlitten und Führung aufgebaut. Stattdessen wird der Läuferstab innerhalb einer selbsttragenden Dreiphasenspule geführt. Durch diese innovative Konstruktion ergeben sich ein ausgesprochen gutes lineares Kraft-/Stromverhältnis und eine hohe Dynamik. Außerdem gibt es keine Rastmomente, wodurch sich die Linearmotoren für den Einsatz in Mikropositioniersystemen besonders gut eignen. Die typischen Anwendungen reichen von Handling- und Positioniersystemen über Scanning-Applikationen – beispielsweise in der Mikroskopie – bis hin zu eher ungewöhnlichen Einsatzbereichen, wie das BMW-Beispiel zeigt.

Lineare DC-Servomotoren mit selbsttragender Dreiphasenspule

Die „Quickshaft“ DC-Linearmotoren, die als die treibende Kraft der visionären Exponate gelten, bestehen im Prinzip aus nur drei Einheiten: dem Stator (Motor), dem Stecker mit Kabel und einem Präzisions-Metallgleitstab als Läufer. Ein nichtmagnetisches Stahlgehäuse nimmt die selbsttragende Drehstromspulenwicklung sowie die Gleitlagerung des Läufers auf. Unter der oberen Abdeckung finden noch eine Platine mit einer gedruckten Schaltung für drei Hall-Sensoren zur Positionsbestimmung und der Steckeranschluss Platz. Der Läuferstab ist mit äußerst starken Permanentmagneten bestückt. Der rechteckige, leicht anflanschbare Stator lässt sich gut in die unterschiedlichsten Anwendungen integrieren.

Die in den kinetischen Skulpturen eingesetzten Linearmotoren vom Typ LM 2070 liefern trotz der kompakten Statorabmessungen von 20 x 20 x 70 mm (B x H x L) beachtliche mechanische Kennzahlen. Die Dauerkraft des Läuferstabs beträgt 9,2 N, als Spitzen- bzw. Stoßkraft stehen sogar bis zu 27,6 N zur Verfügung. Die Hublängen liegen standardmäßig bei 40, 80, 120, 160 oder 220 mm. Je nach Belastungsfall lässt sich bei der 40-mm-Hub-Variante eine Beschleunigung von max. 93,9 m/s² erreichen, was fast 10 g entspricht. Bei 220 mm Hub beträgt die maximal mögliche Beschleunigung immer noch 36,8 m/s² oder knapp 4 g.

Die robuste Gleitlagerung des Läuferstabs verkraftet problemlos Geschwindigkeiten bis 2,8 m/s. Der zulässige Betriebstemperaturbereich des Antriebs von -20° bis +125° C deckt alle gängigen Anwendungsbereiche ab. Trotz dieser Leistungswerte ist der Linearmotor feinfühlig regelbar. Die Wiederholgenauigkeit liegt zwischen 100 µm bei 40 mm Hub und 120 µm bei 120 mm Hub.