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Der Einsatz von Motoren direkt im Vakuum bringt viele Vorzüge mit sich, stellt aber auch besondere Anforderungen an die Antriebe Bild: Phytron-Elektronik
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Motoren im Vakuum betreiben

Text: Dirk Thomschke, Phytron-Elektronik
Schon heute findet eine Vielzahl industrieller Prozesse unter Vakuumbedingungen statt. Lineare und rotative Verstellmechanismen müssen dort hochpräzise und zuverlässig arbeiten, dabei wartungsarm und wenig störanfällig sein. Dabei muss der Anwender beim Einsatz von Motoren im Vakuum so einiges beachten.

Wer Vakuumprozesse automatisieren möchte, kommt mit Standardkomponenten leider nicht weit. Gewöhnliche Motoren kontaminieren das Vakuum mit Partikeln und molekularen Abscheidungen. Die Ausgasungen der organischen Substanzen wie Schmiermittel, Klebstoff, Isolierungs- und Platinenmaterial kondensieren auf den in der Vakuumkammer bearbeiteten Werkstücken oder empfindlichen Messinstrumenten. Als vermeintlich günstige Lösung werden hier oft Standardmotoren außerhalb der Vakuumkammer installiert. Diese treiben mittels Achsdurchführung die Mechanik im Kammerinneren an. Das spart auf den ersten Blick Platz. Schwierig wird es allerdings schon, wenn es darum geht, mehrdimensionale Bewegungen zu automatisieren. Wird hier umständlich mit Umlenkketten und aufwändiger Mechanik gearbeitet, ist der Platzgewinn schnell verloren. Die Arbeit mit Standardmotoren und Achsdurchführungen birgt darüber hinaus ein erhebliches Risiko. Die Dichtung der Durchführung selbst ist eine Verschleißstelle. So wird im schlimmsten Fall das Vakuum unkontrolliert gestört und dabei die gesamte Produktcharge zerstört. Als Folge ist nicht nur der Austausch der undichten Durchführung notwendig – auch das Vakuum in der Kammer muss neu aufgebaut werden.

Mehrachsmechaniken einfach realisieren

In der internationalen Forschung setzt man seit Jahrzehnten auf In-Vakuum-Technologie. Die Motoren werden dabei im Vakuum betrieben, was Achsdurchführungen überflüssig und Ausfälle unwahrscheinlich macht. In der großen Vakuum-Anlage am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik zum Beispiel zwingt der enge Zeitplan der Forschungsanlage zur Verwendung ausfallsicherer Lösungen. Dass dies nun auch für die Industrie interessant wird, ist nicht zuletzt eine Kostenfrage. So werden Anlagendesign und -montage deutlich vereinfacht, die vermiedenen Ausfall- und Wartungskosten sind beträchtlich. Mit In-Vakuum-Motoren sind selbst komplexe Mehrachsmechaniken einfach zu realisieren, wie sie zum Beispiel in Elektronenmikroskopen zum x,y,z-Verfahren der zu untersuchenden Proben verwendet werden. Der Einsatz direkt im Vakuum bringt viele Vorzüge mit sich, stellt aber auch besondere Anforderungen an die Antriebe. Die Motoren müssen ausgasarm, robust und hochpräzise arbeiten. Daher eignen sich insbesondere hochauflösende Hybrid-Schrittmotoren. Diese können ohne ausgasende Feedback-Elektronik exakt und dynamisch positionieren und sind durch ihre robuste Konstruktion auf extreme Umweltbedingungen vorbereitet. Um eine hohe Lebensdauer und geringste Ausgasraten zu ermöglichen, werden hochwertige Materialien für die Isolation sowie spezielle Schmierstoffe eingesetzt. Je nach Vakuumklasse und geplantem Duty-Cycle bieten einige Hersteller darüber hinaus optimierte Konditionierungsprozesse.

Temperaturmanagement im Vakuum

Ein besonderes Augenmerk gilt dem Temperaturmanagement im Vakuum. Wärme entsteht im Motor zum einen durch die ohmschen und induktiven Verluste in der Wicklung, zum anderen auf Grund der Eisen- und Kupferverluste durch das Ummagnetisieren. Je mehr Drehmoment oder Drehzahl gefordert wird, desto höher ist die Verlustwärme im Motor. Vakuummotoren müssen daher eine deutlich bessere Temperaturbeständigkeit aufweisen als Standardmotoren. Spezielle Materialien und ein intelligentes Wärmekonzept sind unbedingt notwendig. Die beliebten Neodym-Magnete sind wegen ihrer niedrigen Curie-Temperatur ungeeignet, da sie sich im typischen Temperaturbereich von Vakuumanwendungen bereits entmagnetisieren. Da keine Luft als Kühlmedium zur Verfügung steht, wird die anfallende Verlustenergie – abgesehen von der Wärmestrahlung – nur per Wärmeleitung durch die angebundene Mechanik abgeführt. Für das Einhalten der Limits sorgt die Überwachung mittels eines direkt in die Wicklung integrierten Temperatursensors. Von diesen optimierten Eigenschaften profitieren besonders Anwender von Beschichtungsverfahren. Zum Beispiel herrschen in Sputtering-Anlagen der OLED-Fertigung oft Temperaturen von 500 °C und mehr, die Ausgasraten müssen minimal und die Rotationsbewegung extrem präzise und gleichmäßig sein. Ein richtig konfektionierter In-Vakuum-Schrittmotor, eingesetzt direkt dort wo das Drehmoment gebraucht wird, bietet mit Hilfe einer geeigneten Steuerung eine elegante Lösung für komplizierte Anforderungen.

Vakuumanwendungen designen

Um Vakuumanwendungen zuverlässig und performant zu designen ist eine Vielzahl von Aspekten zu berücksichtigen: Vom Vermeiden kritischer Achsdurchführungen über die Auswahl geeigneter Kugellager, Schmierstoffe und temperaturbeständiger Magnetsysteme, bis hin zu integrierten Temperatursensoren und der Möglichkeit diese zu überwachen. Hier kann auch für industrielle Anwendungen auf bewährte Technologie aus Forschung und Raumfahrt zurückgegriffen werden. In-Vakuum-Motoren sind für diese hohen Anforderungen ausgelegt, idealer Weise bereits durch den Hersteller konditioniert und damit sofort einsatzbereit. Der Markt bietet Schrittmotor-Steuerungen, die neben den passenden Endstufen über integrierte Temperatur- und Resolverüberwachungsmodule verfügen und so höchste Präzision und Lebensdauer gewährleisten. Bietet der Hersteller auch einen Kugellager-Service für die Motoren an, sind der Lebensdauer der Anwendung praktisch keine Grenzen gesetzt.

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