Anspruchslos im Nichts

So trotzen Piezomotoren dem Vakuum

25. Mai 2020, 13:00 Uhr   |  medical design

So trotzen Piezomotoren dem Vakuum
© PiezoMotor

Der LR17 ist mit Materialien aus Edelstahl und Keramik ebenfalls vakuumtauglich lieferbar

Für herkömmliche Motoren wird Vakuum zum Ausschlusskriterium, Piezomotoren überwinden die Nachteile.

Vakuum meint den Zustand eines Gases in einem Volumen bei Druck, der deutlich geringer ist als der normale Atmosphärendruck. Dadurch entsteht ein Raum, der weitgehend partikelfrei ist. Das Vakuum unterscheiden Wissenschaftler nach der Menge der verbleibenden Materie und des vorherrschenden Gasdrucks – von Grobvakuum mit 300 bis 1 mbar bis hin zu Ultrahochvakuum mit bis 10-10 mbar, was in etwa den Verhältnissen im erdnahen Weltraum und im Teilchenbeschleuniger entspricht.

Vakuum wird zum Problem für den Elektromotor

Für herkömmliche Elektromotoren sind das unwirtliche Bedingungen – sie sind für Vakuum weitestgehend ungeeignet und kommen nur unter enormen Anpassungsaufwand der verwendeten Materialien in Betracht. Die Motorkomponenten gasen im Vakuum aus und zerstören die Funktionalitäten, die austretenden Materialien schlagen sich an den umliegenden Wänden und Komponenten nieder. »Viele Öle und Fette, die ein DC-Motor im Kugellager beispielsweise benötigt, verdampfen im Vakuum«, erklärt Pontus Fischer von Suna Precision GmbH. Das Hamburger Unternehmen ist eine Ausgliederung des Forschungszentrums Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) und spezialisiert auf Nanopositionierung, Automatisierung und Synchrotronstrahlung.

Zusätzlich zur Zerstörung des Motors führt die Ausgasung zur Verschmutzung der optischen Präzisionskomponenten und empfindlichen Materialien im Vakuum. »Wir arbeiten mit Elektronen oder Röntgenlicht, und Luft streut das Messsignal wie ein Scheinwerfer im Nebel. Elektronen würden mit Luftmolekülen kollidieren und es käme kein Signal zu den Sensoren – die Elektronen würden in einem Ein-Millimeter-Bereich gestreut.« Auch aus den Motorblechen, Wicklungen und Metalloberflächen des Motors können noch Luftmoleküle austreten, sofern die Oberflächen nicht entsprechend behandelt wurden. Diese möglichen Leckagen haben einerseits lange Abpumpzeiten zur Folge und können andererseits langfristig zu unzureichendem Vakuum führen. Unerwünschte Koronaeffekte sind zu guter Letzt die Folge von Stromfluss zwischen ungeschützten Hochspannungsleitern durch ionisierte Luft.

Einen Motor im Vakuum zu betreiben, ist für Ingenieure demnach eine besondere Herausforderung. Um Proben, Spiegel oder Sensoren in Vakuumkammern zu bewegen und zu positionieren, wurden Motoren und Antriebsmechanismen in der Vergangenheit meist außerhalb installiert. So können durch ungeeignete Motoren verursachte Ausgasung und Verunreinigung vermieden werden. Das Problem: Die externe Steuerungslösung bringt viele Nachteile mit sich und bedeutet für Positioniersysteme Einschränkungen in Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Auflösung. Die externen Motoren treiben mittels Achsdurchführung die Mechanik im Kammerinneren an – spätestens bei mehrdimensionalen Bewegungen wird das kompliziert, hier werden Umlenk-Kupplungen und aufwändige Mechanik benötigt, die den ohnehin meist raren Platz verbrauchen. Da die Dichtung der Durchführung ein Verschleißteil ist, könnte sie selbst das Vakuum zerstören.

Piezoeffekt hebelt Nachteile aus

Aus diesen Gründen werden für Vakuumanwendungen zunehmend spezielle Motoren verwendet, die diesen einzigartigen Umgebungsbedingungen trotzen und unmittelbar in der Kammer installiert werden können. Diese In-Vakuum-Technologien sind aufwändig und verlangen eine deutlich bessere Temperaturbeständigkeit als Standardmotoren, da die typische Konvektionskühlung entfällt. Piezomotoren indes sind prädestiniert dafür, im Vakuum zu arbeiten. Sie benötigen keine Schmiermittel, verursachen keinen Abrieb und keine Verlustwärme. Was aber macht die Motoren zu solchen Wunderkindern? Des Rätsels Lösung ist Piezoelektrizität: die Änderung der elektrischen Polarisation durch mechanische Belastung. Um eine Bewegung zu erzeugen, kommt der so genannte inverse piezoelektrische Effekt zum Zuge, indem an piezoelektrisches Material eine äußere Spannung angelegt wird. Diesem Wirkprinzip bedienen sich die von der PiezoMotor Uppsala AB, Uppsala (Schweden) entwickelten Piezo-Legs. Die Beine aus Keramik können so sowohl verlängert als auch seitlich gebogen werden. Entsprechende Antriebssignale bewirken eine synchronisierte Bewegung der paarweise angeordneten Beine. Dadurch startet eine Bewegung im Submikrometer- bis Nanometerbereich, welche die Linear- und rotierenden Motoren antreibt.

Die meisten Motoren von PiezoMotor sind vakuumtauglich, weil sie weder Schmiermittel benötigen noch Abrieb verursachen. Dazu gehören unter anderem der Linearmotor LT20, LT40 sowie der LR17 (Bild oben). Für Anwendungen im Vakuum lassen sich mehrere Piezomotoren kombinieren, um größtmögliche Bewegungsfreiheit in alle Richtungen zu erhalten. Die Bewegung im Piezomotor wird erzeugt, indem an ein piezoelektrisches Material eine äußere Spannung angelegt wird. Die Beine aus Keramik beginnen dann schmiermittel- und abriebfrei zu laufen.

Vakuum- und weltraumtauglich

»Wir haben vor neun Jahren angefangen, mit PiezoMotor zu arbeiten«, sagt Fischer. Sein Unternehmen fungiert als Systemintegrator und bietet die Implementierung der Miniaturmotoren samt Motion Control in die jeweilige Anwendung an. Suna Precision stellt unter anderem Verschiebe- und Drehtische her, die für Anwendungen im Vakuum geeignet sind. »Piezomotoren im geschlossenen Regelkreis sind die idealen Stellglieder für die Stufen an Vakuum, die wir benötigen«, so Fischer.

»Wir bauen die Motoren mit Materialien, die dem Vakuum entsprechen, und stellen sie so sauber wie möglich her«, erklärt Mats Bexell, Unternehmensgründer von PiezoMotor. Sie bestehen aus Edelstahl und Keramik, die vakuum- und weltraumtauglich ist. So gewährleisten die Vollkeramik-Isolieraktoren Ausgasungsfreiheit und hohe Ausheiztemperaturen – optimale Voraussetzungen für den Einsatz im Ultrahochvakuum. Ohne bewegliche Teile wie Zahnräder oder Lager, sind sie außerdem verschleißfrei. Langzeituntersuchungen haben die Tauglichkeit bestätigt.

Über PiezoMotor

Das 1998 gegründete Unternehmen PiezoMotor ist ein weltweit tätiger Entwickler und Hersteller von Mikromotoren auf Basis piezoelektrischer Materialien.  Am Hauptsitz in Schweden betreibt Unternehmen eine eigene Entwicklungs- und Produktionsstätte und beschäftigt 35 Mitarbeiter. Die Insgesamt 60 Patente stammen aus den Bereichen Diagnose, Halbleiterindustrie und Photometrie.

Mehr Informationen finden Sie unter piezomotor.com

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