Mikrosystemtechnik/Mikroantriebstechnik

Warum Mikromotoren anders sind

Antriebstechnologie für die Mikrotechnik
Kleine und kleinste elektrische Antriebe finden immer größere Anwendungsfelder. Allerdings ist selbst in Fachkreisen das Wissen um die Unterschiede von Mikromotoren zu Standard-Elektromotoren recht gering. Mikromotoren sind nämlich nicht einfach verkleinerte Normmotoren; sie bilden vielmehr eine eigenständige Antriebssparte. Hier nehmen physikalische und wirtschaftliche Aspekte auf Konstruktion, Herstellung, Ansteuerung und Funktion der Mikromotoren wesentlichen Einfluss.

Je nach Bauart und Ausführung von Mikromotoren treten unterschiedliche Eigenschaften mehr oder weniger in den Vordergrund. Allgemein und für alle Mikromotoren gilt: Gerade beim Übergang von kleinen zu kleinsten Strukturen ist es nicht mehr möglich, alle Prozesse einfach nur zu verkleinern. Im Mikrobereich verändern sich viele – sonst als normal angesehene – Eigenschaften teilweise drastisch. So ist beispielsweise leicht einsehbar, dass die Rohstoffkosten wie das Volumen mit der dritten Potenz des Radius sinken. Aus diesem Grund werden für kleine Motoren meist hochwertige Werkstoffe eingesetzt, um so andere Schwierigkeiten in der Fertigung preisgünstig zu umgehen.

Mechanischer Aufbau

Eines der Probleme kleiner Motoren ist der Korrosionsschutz, denn auch vor kleinsten Komponenten macht Korrosion nicht halt. Herkömmliche Verfahren wie Lackieren oder Galvanisieren scheiden beispielsweise bei Magneten aus: Eine galvanisch aufgetragene Nickelschicht ist normalerweise rund 30 Mikrometer dick. Bei kleinsten Motoren aber ist das schon zuviel, nicht nur aus räumlichen Gründen. So ist zum Beispiel bei einem 1,9-Millimeter-Motor der Eisenrückschluss nur 100 Mikrometer dick. Weil die Nickelschicht ebenfalls magnetisch „aktiv“ ist, würde eine so dicke Schicht die Leistungsdaten des Motors drastisch reduzieren. Ähnliches gilt für die flachen Spulen von Scheibenläuferankern und auch für die Isolierung der dünnen Drähte für Anker- und Statorwicklung. Auch hier müssen die Einflüsse der Miniaturisierung berücksichtigt werden.

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Selbst bei der Lagerung der rotierenden Bauteile des Antriebs geht die Mikromotorenfertigung andere Wege. Neben den konventionellen Lagerungskonzepten wie (Mikro-)Kugel- oder Metallsinterlager setzen Hersteller hier auch „Steinlager“ ein. Sie sind aus sehr verschleißfestem Aluminiumoxid gefertigt (auch als Rubinlager bekannt). Diese Gleitlager übertreffen in Lebensdauer und Präzision alle Alternativen, besonders bei kleinsten Ausführungen.

Die Bohrung in Steinlagern lässt sich sehr präzise herstellen; dadurch wird ein sehr kleines absolutes Lagerspiel erreicht. Entscheidend für den erwünschten hydrodynamischen Betriebszustand, bei dem die Welle auf dem Ölfilm schwimmt, ist aber ein – im Verhältnis zur Baugröße – sehr kleines Lagerspiel. Dieses relative Lagerspiel ist bei Mikroantrieben vergleichsweise groß. Der hydrodynamische Betriebszustand ist darum erst ab 10.000 bis 20.000 Umdrehungen je Minute möglich. Derartige Drehzahlen sind jedoch typisch für Mikromotoren.

Hinzu kommt auch der Einfluss der Molekülgröße des Schmierstoffs. Normalerweise verwendet man eher langkettige Moleküle, die sich aneinander legen und so einen stabilen Film ausbilden. Große Moleküle verdampfen auch nur langsam, bleiben also lange „vor Ort“. Sie benötigen aber auch Raum: eine gewisse Mindestschichtdicke ist notwendig, um eine Gleitlagerstelle aufbauen zu können. Gerade dieser Platz fehlt bei kleinsten Lagern. Kleinere Moleküle dagegen haben einen höheren Dampfdruck, dadurch sinkt unter Umständen die Lebensdauer des Lagers, weil der Schmierstoff einfach abdampft. Um dennoch eine zuverlässige Schmierung zu erhalten, ist ein besonderes Detailwissen gefragt. Die einfache Übertragung aus dem makroskopischen Bereich ist schlicht unmöglich.

Heute werden fast durchweg nur hochenergetische Neodymmagneten – so genannte Seltenerden-Magnete – verwendet. Neodymmagnete haben etwa das siebenfache Energieprodukt von Hartferritmagneten und liegen etwa ein Drittel über dem Wert der Cobalt-Samarium-Werkstoffe. Damit sind sie für Mikroanwendungen besonders geeignet. Die hohe Energiedichte mildert etwas die Tatsache, dass die Leistung bei Motoren normalerweise mit dem Quadrat des Durchmessers abnimmt. Weil diese Magneten eng toleriert sind, müssen sie fast immer mechanisch bearbeitet oder zumindest nachgearbeitet werden.

Auch bei DC-Mikromotoren übernehmen schleifende Bürsten die Kommutierung. Sie sind aus Materialien gefertigt, die gut elektrisch leiten, sich im Betrieb etwas abreiben und sich somit selbst „schmieren“. Bei größeren Motoren enthalten sie Kohle und Grafit. Bei Kleinstmotoren haben sich dagegen Edelmetalle als Bürstenmaterial bewährt. Damit erreicht man gute Standzeiten und einen über die Lebensdauer gleichbleibend niedrigen Übergangswiderstand. Der Wirkungsgrad bei bürstenkommutierten Mikromotoren kann so trotz der Baugröße bei über 50 Prozent gehalten werden.

Allerkleinste Strukturen

Die Herstellung der nötigen Einzelkomponenten ist ebenfalls anspruchsvoll. So lassen sich konventionelle Herstellungsverfahren (wie die spanende Formgebung bei Getrieberädern) höchstens noch bis zu Größen von etwa 1,5 Millimeter Kopfkreisdurchmesser anwenden. Auch Verfahren wie Draht- oder Gesenkerosion können selbst mit Drahtdurchmessern von 30 Mikrometern nur bedingt eingesetzt werden. Allein der Spalt zwischen Draht und Bauteil beziehungsweise zwischen Gesenk und Bauteil lässt sich aus physikalischen Gründen nicht unter zehn bis 15 Mikrometer senken. Damit ist das Verfahren für allerkleinste Bauteile ungeeignet. Feinschneiden und Ziehen bietet sich für etwas größere Bauteile als günstiges Massenfertigungsverfahren an.

Für extrem kleine Komponenten sind aber all diese herkömmlichen Verfahren ungeeignet. Die Mikromotoren mit ihren 1,9 Millimetern Durchmesser und die zugehörigen Planetengetriebe mit gleichem Durchmesser und 11,6 Millimeter Länge – einschließlich der 1,55 Millimeter langen Abtriebswelle – sind dafür ein gutes Beispiel. Für die Herstellung der Getriebekomponenten wird die LIGA-Technik (Lithografisch-Galvanisch-Abformen) genutzt. Dabei werden gleiche Verfahren verwendet wie bei der Halbleiterfertigung: Lithografisch, das heißt durch Belichten von Substraten über Fotovorlagen, werden Positivformen hergestellt. Galvanisch abgeformt, führen diese Strukturen zu detailgenauen Spritzgussformen für die Getriebeteile. In ihnen werden mit der für Mikrobauteile besonders geeigneten Vakuumspritztechnik die Getriebeteile aus Kunststoff gefertigt. Die fertigen Einzelteile werden dann unter Reinraumbedingungen zusammengebaut, weil naturgemäß jeder noch so kleine Fremdkörper die Funktion stört und die Lebensdauer verkürzt.

Betriebsverhalten

Wegen der nur geringen bewegten Mas­sen ist das dynamische Verhalten der Motoren völlig anders als bei größeren Antrieben. Gleichspannungsmotoren werden meist über das Tastverhältnis der angelegten Spannung gesteuert. Das variable Tastverhältnis der Pulsbreitenmodulation (PWM) bestimmt die mittlere Spannung, die am Motor anliegt und damit dessen Drehzahl und Leistung. Die PWM-Frequenz wird meist auf einen festen Wert eingestellt. Sie sollte der Motorinduktivität angepasst sein. Bei Mikromotoren ist die motoreigene Induktivität oft so gering, dass trotz hoher Frequenzen eine Zusatzinduktivität notwendig ist, um den Strom ausreichend zu filtern und zu glätten. Auch die bei getakteter Regelung und niedrigen Frequenzen auftretenden Drehmomentschwankungen belasten die gesamte Antriebsmechanik zusätzlich, besonders bei Mikromotoren ohne ausgleichende Trägheit. In vielen Fällen ist daher ein Linearregler der sonst üblichen PWM-Regelung vorzuziehen.

Gleiches gilt besonders für die (elektronisch kommutierten) EC-Mikromotoren, da sie wegen fehlendem Kommutator noch kleiner bauen und damit die Massenträgheit weiter sinkt. Auch hier muss die Regelung auf die besonderen Ansprüche der Motoren Rücksicht nehmen. Standardmäßig hat ein EC-Motor drei digitale Hallsensoren, die das magnetische Feld des Rotors abgreifen und so drei digitale Signale liefern, die zueinander um 120 Grad phasenverschoben sind. Um Kosten zu senken, werden EC-Motoren oft auch durch Ausnutzung der rückinduzierten Spannung (Gegen-EMK) angesteuert. Dadurch kann man sich die drei Hallsensoren und die dazu nötige Verdrahtung ersparen. Man erkauft sich diesen Vorteil aber mit der Einschränkung, dass die Elektronik erst beim Hochfahren des Motors herausfinden kann, wo der Rotor gerade steht. Ein Anlauf mit maximaler Geschwindigkeit und maximalen Drehmoment ist so nicht möglich.

Bei den allerkleinsten Motoren sind Hallsensoren zur Erfassung der Rotorposition nicht unterzubringen. Zudem ist auch die rückinduzierte Spannung bei diesen Winzlingen sehr gering. Bisher werden solche Motoren mit einer Synchronansteuerung betrieben, wobei die Spannung analog und sinusförmig vorgegeben wird. Die Synchronansteuerung entspricht einer Schrittmotoransteuerung im Mikroschrittbetrieb; die Motoren haben aber kein Rastmoment. Diese sensorlose Ansteuerung stellt bei derart kleinen Motoren naturgemäß besondere Anforderungen an die Elektronik. Allerdings erlaubt eine angepasste Steuerung bei EC-Mikromotoren Wirkungsgrade bis 90 Prozent. Die Lebensdauer wird hier nur noch durch die Rotorlagerung beschränkt. Matthias Nienhaus, Andreas Zeiff

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