Aktoren Mikromotor Seite 1 von 18

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2 Inhaltsverzeichnis Einleitung Unterscheidung mikrotechnischer und feinwerktechnischer Systeme Motorgrundlagen Aufbau des s Faulhaberprinzip Aufbau des Getriebes Anwendungsbeispiele Praktische Projektphase Alternative: Mikroturbine Quellenangabe Seite 2 von 18

3 Einleitung Mikrosystemen wird für die Zukunft eine hohe wirtschaftliche Bedeutung zugeschrieben. Beispiele hierfür sind stark miniaturisierte Antriebe, die Voraussetzung für leistungsfähige Lösungen sind. Bei Antrieben liegt bei einem Durchmesser von etwa 2mm eine Grenze in der Fertigungstechnik vor. Größere Antriebe lassen sich noch ausschließlich mit feinwerktechnischen Methoden produzieren, während bei den kleinen Systemen Mikrotechniken für einzelne Komponenten unverzichtbar sind. Der Schlüssel zum Erfolg ist dabei die Kombination feinwerk- und mikrosystemtechnischer Fertigungsverfahren. Für den Bau von en werden zum Einen Fertigungstechniken und Bauteile aus der Uhrenindustrie eingesetzt, zum Anderen müssen bestehende Verfahren der Motorfertigung verfeinert werden. Zahnräder für ein Mikrogetriebe lassen sich zum Beispiel nicht mehr mit feinwerktechnischen Verfahren in der notwendigen Präzision fertigen. Die LIGA Technik bietet hier die Möglichkeit der Herstellung von Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhalten. Seite 3 von 18

4 Unterscheidung mikrotechnischer und feinwerktechnischer Systeme Mikrosystem ist seit einigen Jahren einer der häufig verwendeten Fachbegriffe, dessen Bedeutung jedoch ganz unterschiedlich definiert wird. Um zumindest in der Antriebstechnik Klarheit zu schaffen, wurde daher folgende geometrische Grenze zwischen mikrotechnischen und feinwerktechnischen Antrieben definiert: Antriebe mit einem Durchmesser von 2 mm und kleiner fallen in die Kategorie Mikrosysteme, weil sie nur noch mit Hilfe von mikrotechnischen Verfahren hergestellt werden können. Antriebe mit einem Durchmesser größer 2 mm lassen sich noch mit feinwerktechnischen Methoden produzieren und zählen somit nicht zu den Mikrosystemen. Der Übergang von feinwerktechnischen zu mikrosystemtechnischen Antrieben lässt sich am besten an Hand eines kurzen historischen Rückblicks verdeutlichen: Die Geschichte der kleinen Präzisionsantriebe begann in den fünfziger Jahren, als Fritz Faulhaber mit seiner patentierten Glockenankerwicklung den feinwerktechnischen Antrieben entscheidende Impulse gab. Auch andere Motorenhersteller reduzierten ihre Motor und Getriebeabmessungen erfolgreich, so dass heute die kleinsten Durchmesser für feinwerktechnische Kommutatormotoren bei rund 8mm liegen. Anfang der neunziger Jahre scheiterte der Versuch eines japanischem Motorherstellers, einen 2,8mm Schrittmotor auf den Markt zu bringen. Auch in Europa, wo dieser Motor unter der Bezeichnung Maxon µ- Motor vertrieben wurde, war dieser Motor nur kurze Zeit verfügbar. Den derzeit letzten Schritt in der Entwicklung feinwerktechnischer Antriebe stellen zwei Neuentwicklungen der Firma RMB aus der Schweiz dar. Seit kurzem produziert RMB Motoren mit einem Durchmesser von 3mm und 5mm, jeweils mit dazu passenden Getrieben. Bei den mikrotechnischen Antrieben kamen wesentliche Impulse aus der Grundlagenforschung hinzu (Forschungszentrum Karlsruhe). Ein weiterer Schritt war dann ein LIGA Motor auf elektromagnetischer Basis. Aber dieser Motor konnte sich nicht durchsetzen, da der Aufbau der Spulen als Kombination von LIGA und Bondtechnik für die industrielle Herstellung zu kompliziert war. Außerdem hatte dieser Motor trotz seiner großflächigen Struktur nur ein geringes Drehmoment. Seite 4 von 18

5 Ein wichtiger Denkanstoß auf dem Weg zu einem praxisnahen kam dann 1993 vom Institut für Mikrotechnik in Mainz. Dort wurde ein Reluktanzmotor entwickelt, der bei einem Außendurchmesser von 2mm als erster LIGA Motor nennenswerte Drehmomente erreichte. Und im Gegensatz zu früheren Vorschlägen aus der Grundlagenforschung löste dieser Prototyp den Start für die Entwicklung eines industriellen Mikroantriebes aus. Bei dieser Entwicklung kooperierten zwei Partner, was letztendlich zu einem weltweit einzigartigen mikrotechnischen Antrieb führte (Institut für Mikrotechnik in Mainz/Firma Faulhaber). Ziel der gemeinsamen Entwicklung war es, einen Motor zu konzipieren mit einem nutzbaren Drehmoment von mehr als 5µNm. Ferner sollte ein leistungsmäßig passendes Getriebe gebaut werden. Beide Antriebskomponenten mußten als mikrotechnisches System ausgelegt sein, der Durchmesser durfte also nur maximal 2mm betragen. Das Entwicklungsergebnis war ein Motor mit 7,5 µnm Drehmoment bei einem Durchmesser von 1,9mm und einer Länge von 5,5mm. Im Folgendem wird dieser Synchronmotor und das passende Getriebe näher behandelt und dargestellt. Motorgrundlagen Der arbeitet als 3-Phasen-Synchronmotor mit einem Permanentmagneten als Rotor. Kurz zur Erinnerung: In einen Stator sind räumlichversetzte Spulen eingelassen. In diesem Stator befindet sich der Rotor, der aus einem Permanentmagneten besteht. Werden nun die Spulen von einem Drehstrom durchflossen, so wird ein sich drehendes Magnetfeld induziert dem der Rotor folgt. Seite 5 von 18

6 Aufbau des s Der unterscheidet sich grundlegend von der Mehrzahl der angebotenen Gleichstrommotoren. Die Konzeption der eisenlosen Schrägwicklungen der Ankerspule verleiht dem Motor besondere Eigenschaften und Vorteile, die einerseits komplexe Antriebslösungen ermöglichen und anderseits bei Standardanwendungen die Motoreigenschaften wesentlich verbessern. Der besteht aus verschiedenen Komponenten: Das Herzstück des s bildet hierbei der Kommutator aus Antriebswelle, Magnet und Spule. Die Antriebswelle besteht aus Stahl, der Magnet aus Selten-Erd Material (in diesem Fall NdFeB) und die Spule aus Kupferdrähten. Die Spule zeichnet sich durch die Wicklungsart aus. Es handelt sich hier um eine dreiphasen Schrägwicklung aus mehreren Kupferdrähten, die freitragend sind, das sogeannte Faulhaberprinzip. Dies hat eine gute Wärmeabfuhr zufolge, wodurch größere Stromdichten möglich sind. Seite 6 von 18

7 Die Symmetrische Wicklung hat den Vorteil, daß eine hohe Laufruhe erzeugt wird. Durch das direkte Anlegen der Spule an den Magnet, entsteht eine sehr kurze Hochlaufzeit, d.h. kleines Massenträgheitsmoment. Es wird ein hoher Wirkungsgrad und ein hohes Leistungs/Volumen - Verhältnis erzeugt. Die Welle mit Kommutator, ist auf Gleitlagern gelagert, die bei Drehzahlen von mehr als /min eine Lebensdauer von mehreren tausend Stunden erreichen. Es wurden auch Versuche mit Kugellagern durchgeführt, bei denen aber ein zu großer Reibverlust auftrat, so dass diese nicht in Frage kamen. Faulhaberprinzip Die Idee war es, einen herzustellen, der in der Lage war, in kurzer Zeit hohe Drehzahlen zu erreichen, ohne große Unwucht zu erzeugen. Die Idee lag darin eine eisenkernlosen Spule zu verwenden, die Platz spart und die oben genannten Eigenschaft aufweist. Das Problem dabei ist aber die Stabilität der Ankerspule. Normalerweise sind die Kupferdrähte der Ankerspule um einen Eisenkern herumgewickelt, der das tragende Element der Spule darstellt. Bei einer eisenkernlosen Spule fehlt aber dieses Element. Die Lösung ist, dass die Spulendrähte so gewickelt werden müssen, dass sie sich selbst tragen und eine stabile Form bilden. Dies ist durch Strägwicklung der einzelnen Kupferdrähte möglich und auch realisiert. Durch diese Art der Wicklung eine symmetrische Wicklung wird eine hohe Laufruhe (geringste Unwucht) des Motors erreicht. Seite 7 von 18

8 Aufbau des Getriebes In der Regel wird in der Antriebstechnik eher ein großes Drehmoment als eine hohe Drehzahl benötigt. Getriebe sind bei einem solchen Anforderungsprofil das ideale Instrument, um das Drehmoment zu vervielfachen. Dies gilt sowohl für den Großmaschinenbau als auch für die Mikrosystemtechnik. Für den Aufbau eines Mikrogetriebes wurden zunächst die in der Feinwerktechnik üblichen Bauformen Stirnradgetriebe und Planetengetriebe untersucht. Man entschied sich für das Planetengetriebe, da dieses die zu übertragende Leistung auf mehrere Zahneingriffe verteilt und das Getriebe dadurch eine höhere Leistungsdichte bieten kann. Um größere Drehmomente zu erzeugen, wurde also ein Planetengetriebe zum Anbau an den entwickelt. Es ermöglicht bei einer Übersetzung von 47:1 und dem gleichen Außendurchmesser von 1,9mm ein Dauerdrehmoment von bis zu 150µNm. Seite 8 von 18

9 Allerdings liegt die maximale Drehzahl dieses Getriebes bei /min, wodurch dem Motor nur die halbe Leistung abverlangt wird, dafür aber eine höheres Drehmoment erzeugt werden kann. Der prinzipielle Aufbau entspricht dem der größeren Getriebe. Sämtliche Bauteile, außer der Antriebswelle, dem Antriebslager und dem Sicherungsring bestehen aus Kunststoff. Um ein möglichst hohes Arbeitsdrehmoment zu ermöglichen, ist der Planetenträger zweigeteilt. Anwendungsbeispiele Arterienfräse mit Hierbei handelt es sich um einen mit Fräskopf (Mini U- Boot). Der Motor besteht aus Acrylpolymer. Als Schiffsschraube wird ein Enzym (ATP-ase) verwendet, das die Eigenart hat zu rotieren und so das U-Boot vorantreibt. Im Laborversuch wurde eine Fahrt von 40 Minuten erreicht. Das Ganze System befindet sich noch in der Testphase. Seite 9 von 18

10 Der Mini-Hubschrauber Länge: 24 mm Breite: 4 mm Höhe:8 mm Gewicht: 400 mg Antrieb: 2 en Übersetzung: - keine - Hierbei handelt es sich um den kleinsten fliegenden Hubschrauber der Welt, der als erstes Mikrospielzeug den Impuls für die Gründung des Vereins Micro Toys gab und mittlerweile im Guinness Buch der Rekorde registriert ist. Seite 10 von 18

11 Der "Linde H008" Länge:33,5 mm Breite:16,3 mm Höhe:24 mm Antrieb:2 Die Entwicklung des Mikro-Gabelstaplers "Linde H008" war, im Rahmen des Anerkennungsprozesses von Micro Toys e.v. ein Projekt für die EXPO2000. Im Hubmast kann man den Schriftzug Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH lesen. Die Schrift mit einer Höhe von 0,4 mm wurde mit einem Laser eingebrannt. Seite 11 von 18

12 Der Mini-Bagger Länge:45-63 mm Breite:21 mm Höhe:27 mm Gewicht:12 g Antrieb:3 en Der Mini-Rennwagen Länge:25 mm Breite: 16 mm Höhe: 7 mm Gewicht: 3,6 g Antrieb:1 Übersetzung: 3-stufiges Planetengetriebe Seite 12 von 18

13 Der Mini-Radfahrer Länge:25 mm Breite:10,5 mm Höhe:25 mm Gewicht: 4 g Antrieb: 1 Übersetzung: 3-stufiges Planetengetriebe Praktische Projektphase Die Idee war ein publikumswirksames Modell aus dem zu konstruieren, um dessen Fähigkeiten zu demonstrieren. Mit der Zeit kamen einige Vorschläge zusammen: Ein Auto, das im Kreis fährt, ein Kran, der eine Last anhebt oder ein Hubschrauber, der fliegt. Wir entschieden uns für den Hubschrauber. Für einen Hubschrauber werden aber zwei Motoren benötigt, um eine Eigendrehung zu verhindern. Da aber nur ein zur Verfügung stand, benutzten wir ein dreiachsiges Führungsgestell als Widerlager, um eine Eigenrotation des Motors zu verhindern. Seite 13 von 18

14 Ein weiteres Problem, das auftrat, war, dass sich der Motor leicht vom Getriebe zu lösen begann, sobald eine gewisse Drehzahl erreicht war. Dies wurde durch zwei Lösungen behoben. Zum Einen wurde ein Stück Silikonschlauch über Motor und Getriebe gestülpt, zum Anderen wurde der Motor kopfüber montiert, so dass er sich nicht hochziehen, sondern hochdrücken sollte. Einen Rotor, wie er für unsere spezielle Anwendung benötigt wurde, war nicht zu organisieren. Deshalb formten wir aus einem dünnen Stück Aluminiumblech, nach einer Vorlage, einen eigenen Rotor. Zur Kraftübertragung zwischen Rotor und Welle wurde ebenfalls ein Stück Silikonschlauch verwendet. Seite 14 von 18

15 Alternative: Mikroturbine Eine Alternative zum bilden Mikroturbinen. Sie werden vor allem dann eingesetzt, wenn Sicherheitsaspekte (z.b. gefährliche Arbeitsumgebung) oder aber auch große Drehmomente bei großen Drehzahlen (ohne Übersetzung) gefordert sind. Das Problem, das sich aber dabei stellt, ist, dass auf Grund der kleinen Detailabmessungen eine Einschränkung in der Formgebung erforderlich ist. Dies führt zu recht unkonventionellen Turbinenkonzepten. Aufbau und Funktionsweise einer Mikroturbine Das Antriebsmedium (z.b. Wasser, Gas, Kochsalzlösung) wird durch einen Schlauch zum Rotor hin- und wieder abgeführt. Dieser planare Rotor ist auf einer Welle montiert, an der die Leistung abgegriffen wird. Er ist von einer ringförmigen Platte, die düsenähnliche Umlenkprofile aufweist, umgeben. Durch einen äußeren Kanal wird das Arbeitsmedium zugeführt. Es tritt durch die Düsen und trifft in einem definierte Winkel auf die Rotorblätter. Dort wird das Fluid axial umgelenkt und durch den inneren Kanal zurückgeführt. Seite 15 von 18

16 Geometrie und Fertigung Außendurchmesser: 2,5 mm Gehäuse: Spritzguss aus Metall (z.b. Zahngold) oder Plexiglas (PMMA) in einer feinwerktechnisch gefertigten Gussform Turbinenrotor: Im LIGA-Verfahren hergestellt (Röntgentiefenlithographie und Nickelgalvanik). Durchmesser: 1,5 mm 17 oder 25 Rotorblätter mit Dicke 50µm Düsenplatte: Plexiglas; Strukturen durch Röntgentiefenlithographie Düsenweite: µm Anwendung im Herzkatheter Seite 16 von 18

17 Kurze Erklärung: Die Herzkatheterisierung ist ein Verfahren, bei dem unter Röntgenkontrolle ein dünner, steriler Katheter (Schlauch) über ein Blutgefäß (Arterie oder Vene) in das Herz eingeführt wird. Die Technik wird angewendet, um einen angeborenen Herzfehler oder eine koronare Herzkrankheit zu diagnostizieren oder deren Ausmaß festzustellen. Sie dient auch der Diagnose und der Behandlung einiger Erkrankungen der Herzklappen. Der Herzkatheter erlaubt Druckmessungen, Gewebeentnahmen an der Innenhaut des Herzens, Blutentnahme zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts und das Einspritzen eines Kontrastmittels zur Röntgendarstellung der Herzräume. Die Mikroturbine soll in die (distale) Spitze des Katheters integriert werden und dort einen Fräskopf zum Abtrag von Gefäßablagerungen antreiben. Der Anschluss erfolg über Polimid-Mikroschläuche. Am gegenüberliegenden Endedes Katheters ist ein Adapter mit zwei Zugängen angebracht. Der gerade verlaufende Zugang wird zum Einführen eines Führungsdrahtes benutzt (dient zur Positionierung am Operationsort). Der abgewinkelte Zugang ist zur Fluidzuführung. Seite 17 von 18

18 Hier wird aus medizinischen Gründen eine Kochsalzlösung verwendet. Zur Demonstration der Leistungsfähigkeit wurde ein Katheter mit einem Schneidwerkzeug ausgestattet. Im Labor wurde ein frei präpariertes, stark kalzifiziertes Stück koronarer Ablagerung, das in Epoxidharz eingebettet war, mit großem Erfolg abgetragen. Auch in Kreide und Gips konnte erfolgreich gebohrt werden. Fazit Neben der Anwendung auf Herzkathetern können diese Turbinen auch zur Reinigung dünner Rohre und Kapillaren eingesetzt werden. Neben der Möglichkeit zum Antrieb von Bohr- und Fräsköpfen lassen sie sich auch einsetzen, um gefährliche Flüssigkeiten zu pumpen. Gerade dann, wenn es sich um explosive Medien handelt, wo keine elektrischen Pumpen eingesetzt werden können. Quellen Verschiedene Informationsbroschüren der Firma Faulhaber F&M Sonderausgabe 11/97-02/98 F&M Seite 18 von 18