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FDB-Motoren Wie Elektromotoren neue Felder erobern

| Redakteur: Karin Pfeiffer

Wer präzise messen will, braucht den richtigen Antrieb: Der Motorenhersteller PM DM kombiniert die Charakteristika flüssiggelagerter FDB-Motoren mit denen bürstenloser Gleichstrommotoren – und senkt Taumelfehler & Co. auch beim Laser Scanning auf ein Minimum.

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In der Festplattendindustrie längst etabliert, erobert der FDB-Motor jetzt auch präzise Anwendungen wie im Laser Scanning.
In der Festplattendindustrie längst etabliert, erobert der FDB-Motor jetzt auch präzise Anwendungen wie im Laser Scanning.
(Bild: PM DM)

FDB-Motoren sind besondere Elektromotoren, deren Lagertechnologie nicht aus Kugeln besteht, sondern aus Flüssigkeiten in Form von spezifischen Ölen. Fluid Dynamic Bearings nennt die Fachwelt die innovativen Lager. In den letzten 15 Jahren haben sich Motoren mit diesem Lagersystem hauptsächlich in der Festplattenindustrie etabliert, heißt es bei Precision Motors Deutsche Minebea GmbH (PM DM). PM DM mit Sitz in Villingen-Schwenningen ist das größte Motoren-Entwicklungszentrum im internationalen Verbund der japanischen Minebea Mitsumi. Den positiven Eigenschaften dieser Antriebstechnologie seit es zu verdanken, dass die Festplattenhersteller ihre Speicherkapazitäten immer weiter steigern konnten und heute bei bis zu 12 Terabyte pro Festplatte stehen. Eine bessere Antriebslösung gibt es nach Ansicht der PM DM derzeit nicht.

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Bereits in die Entwicklungsphase sind zahlreiche Testläufe integriert, um einen optimalen Rundlauf und Planlauf zu gewähren und den nicht wiederholbaren Schlag so niedrig wie möglich zu halten. Der Lagerspalt zwischen Welle und Buchse liegt im unteren einstelligen μm-Bereich. In diesem Spalt zirkuliert ein Spezialöl. Die Buchse selbst besteht aus einem speziellen Material, um Verschleiß und Reibung vorzubeugen, wodurch sich die Lebensdauer erheblich verlängert. Zudem muss die Bauteilequalität und -genauigkeit höchsten Standards für die Massenproduktion entsprechen. Die Fertigung solcher Motoren erfordert also ein hohes Maß an Präzision und findet in Reinräumen statt.

Hatte bislang vor allem die Festplattenindustrie vom FDB-Motor profitiert, sind sie inzwischen auch in anderen Bereichen, in denen hohe Akribie und Genauigkeit gefragt sind, gerne gesehen. So zum Beispiel im Laser Scanning oder Laser Tracking im Bereich Virtual Reality, auch bei LiDAR (Light Detection and Ranging) könnte die Motortechnologie Vorteile schaffen. In der Sicherheits- und Überwachungstechnik können Geräte mit flüssigkeitsgelagerten Motoren stationär oder auch mobil eingesetzt werden, zum Beispiel in Fahrzeugen, Flugzeugen oder Drohnen.

Eigenschaften eines BLDC-Motors mit der FDB-Lagerung kombiniert

Der FDB-Motor von PM DM kombiniert die positiven Eigenschaften eines BLDC-Motors (bürstenlosen Gleichstrommotors) mit der modernen Technologie der FDB-Lagerung. Er eliminiert unter anderem die begrenzte Präzision von kugelgelagerten Motoren, reduziert den nicht wiederholbaren Schlag auf ein absolutes Minimum, senkt den akustischen Geräuschpegel und verbessert die Zuverlässigkeit sowie die Präzision über die Lebensdauer.

Bei der Vermessung mit einem Laserscanner wird ein Laserstrahl über einen Umlenkspiegel abgelenkt und in Rotation versetzt. Dieser Vorgang kann dabei einige hunderttausendmal in der Sekunde erfolgen. Das vom Scanner empfangene Laserlicht wird dann entsprechend ausgewertet. Laser Scanning gilt als extrem leistungsfähige Art der Vermessung. Laserscanner werden auch für die 3D-Vermessung beziehungsweise für das Erfassen großer Bauteile und komplexer Strukturen benutzt. Für das Aufmaß in der Industrie, wie zum Beispiel in der Fabrikplanung und im Anlagenbau, werden Laserscanner für die effiziente und vollständige Vermessung von Produktionshallen, der technischen Gebäudeausstattung, Stahlkonstruktionen, Fertigungsstraßen beziehungsweise produzierenden Maschinen verwendet. Laserscanner vermessen nicht nur Objekte sondern sorgen auch für die Sicherheit in gefährdeten Bereichen oder tracken in virtuellen Welten den Gamer anhand Sensoren auf dem Headset und dem Controller.

Taumelfehler der Elektromotoren reduzieren

Je effizienter der Scanvorgang, desto genauer sind die Abbildungen oder Darstellungen der Objekte. Und hier kommt der FDB-Motor von PM DM zum Zuge. Denn kugelgelagerte Motoren weisen verstärkt Taumelfehler auf. Ursachen können das Achs- beziehungsweise Lagerspiel ebenso sein wie Unrundheiten der Kugeln und im Achslager oder am Achszapfen, das Durchbiegen der Kugellagerachsen oder einfach nur eine unregelmäßige Verteilung des Schmierfetts.

Ein Taumelfehler wirkt sich auf die gemessenen Horizontalrichtungen aus, aber auch auf die Vertikalwinkel und Distanzen. Präzisionsmessungen minimieren sie im Zuge der Ausgleichrechnung, wenn die Achsfehler von zufällig-unregelmäßiger Natur sind. Die Taumelfehler, die erst gar nicht auftreten, sind naturgemäß die besten. Der FDB-Motor besitzt laut PM DM eine besonders optimierte Balance aus Steifigkeit und Dämpfung und somit eine sehr gute Achsstabilität über einen großen Frequenzbereich. Die Winkelveränderungen sollen sogar in der Bestimmungsgenauigkeit der Mess- und Auswertverfahren untergehen.

Rundlauf bei verschiedenen Frequenzen

Motoren mit unverspannten Lagern verzeichnen zu viele Taumelfehler und sind für den speziellen Einsatz schwierig zu handhaben. Verspannt man dagegen die Lager, die Rede ist vom sogenannten Preload, so wird zwar eine gewisse Achsstabilität sichergestellt, die Stromaufnahme steigt jedoch durch die verstärkte Reibung in den Lagern. Anders der FDB-Motor: Ausgewuchtet treten kaum Taumelfehler auf, auch mit verschiedenen Frequenzen gibt es keine signifikanten Änderungen. Der Rundlauf ist gegeben. Unterm Strich zählen zu den positiven Eigenschaften laut PM DM leiser Lauf, geringe Vibrationen, der niedrige nicht wiederholbare Schlag unter 40 nm, eine geringe Taumelfehlerquote, lange Lebensdauer und niedriger Stromverbrauch. Aber wie ist PM DM auf das neue Anwendungsfeld für FDB-Motoren gekommen? Jahrzehntelange Erfahrung in der anspruchsvollen Festplattenindustrie hat die Schwaben darauf gebracht. „Wer präzise messen will, braucht den richtigen Antrieb in seiner Applikation“, heißt es bei PM DM.]

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