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Spezial SPS IPC Drives

Spindelmotoren – Eigentlich treiben die FDB-Motoren von PM DM Festplatten an, jetzt werden sie aufgrund ihrer besonderen Fähigkeiten für neue Einsatzfelder entdeckt.

06. November 2017

Es ist äußerst zufriedenstellend für Unternehmen und Konstrukteure, wenn sich eine vorhandene Technologie in andere Bereiche transferieren lässt. Dies gelingt der Precision Motors Deutsche Minebea GmbH (PM DM) aus dem japanischen Minebea-Mitsumi-Konzern in zunehmendem Maße mit ihren FDB-Spindelmotoren für Festplatten. Diese erobern in jüngster Zeit neue, spannende Anwendungsbereiche wie Laserscanning und Laser-Tracking im Bereich Virtual Reality, spielen ihre Stärken also immer dann aus, wenn hohe Akribie und Genauigkeit gefragt sind.

Auch im Bereich Light detection and ranging (LiDAR) könnte die Motortechnologie Vorteile schaffen. Der FDB-Motor von PM DM kombiniert dabei die positiven Eigenschaften eines 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 Lebensdauer.

Vermessung per Laser

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. Laserscanning ist eine extrem leistungsfähige und zudem kostengünstige Art der Vermessung. Der Laserscanner erzeugt hierbei ein schnelles Aufmaß von Landschaften und Bauwerken sowie deren Einrichtungen und Installationen.

Laserscanner werden aber auch für die 3D-Vermessung beziehungsweise die Erfassung von großen Bauteilen und komplexen Strukturen benutzt. Typische Anwendungen sind das verformungsgerechte Aufmaß, das Fassadenaufmaß, die Schadenskartierung und die Gebäudedokumentation. Aus den Scan-Ergebnissen lassen sich beispielsweise Volumen, Flächen, Grundrisse und Schnitte, vollständige und vor allem aktuelle Pläne und Ansichten ableiten.

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. Gerade bei der Modernisierung, der Produktionserweiterung, aber auch für die Produktionsoptimierung ist dieses leistungsfähige Verfahren für das industrielle Aufmaß einmalig. Auch die Vermessung von Schiffen und Flugzeugen vereinfacht sich durch den Einsatz von Laserscannern.

Effizient scannen

Je effizienter der Scanvorgang, desto genauer sind die Abbildungen oder Darstellungen der Objekte. Hier leistet der FDB-Motor von PM DM laut Hersteller Erstaunliches. Kugelgelagerte Motoren weisen verstärkt Taumelfehler auf, deren Ursachen das Achs- beziehungsweise Lagerspiel, die Unrundheiten der Kugeln sowie im Achslager oder am Achszapfen, das Durchbiegen der Kugellagerachsen oder einfach nur eine unregelmäßige Verteilung des Schmierfetts sein können.

Ein Taumelfehler wirkt sich mit etwa einer Bogenminute auf die gemessenen Horizontalrichtungen aus, aber auch auf die Vertikalwinkel und Distanzen. Bei Präzisionsmessungen werden sie im Zuge der Ausgleichrechnung minimiert, wenn die Achsfehler von zufällig-unregelmäßiger Natur sind.

Taumelfehler vermeiden

Die Taumelfehler, die erst gar nicht auftreten, sind naturgemäß die Besten. Der FDB-Motor besitzt darum eine besonders steife Achsstabilität und verringert die Taumelfehleranzahl bei unterschiedlichen Frequenzen erheblich. Die Winkelveränderungen gehen sogar in der Bestimmungsgenauigkeit der Mess- und Auswertverfahren unter.

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 dadurch zwar eine gewisse Achsstabilität sichergestellt, die Stromaufnahme steigt jedoch durch die verstärkte Reibung in den Lagern.

Ein anderes Ergebnis zeigt der FDB-Motor: Ausgewuchtet treten kaum Taumelfehler auf und auch mit verschiedenen Frequenzen gibt es keine signifikanten Änderungen. Der Rundlauf ist gegeben.

Maßgeblich für den Einsatz des FDB-Motors in der Laserscanner-Technologie sind die jahrzehntelangen Erfahrungen, die PM DM in der Festplattenindustrie mitbringt. Wer präzise messen will, braucht den richtigen Antrieb in seiner Applikation.

Entscheidungskriterien für die Wahl sind Eigenschaften wie extrem leiser Lauf, hohe Drehzahlen, sehr geringe Vibrationen, der niedrige nicht wiederholbare Schlag unter 40 Nanometern, eine geringe Taumelfehlerquote, die lange Lebensdauer und der niedrige Stromverbrauch.

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. Der FDB-Motor ist kundenspezifisch, das heißt, er kann individuell an die Applikation angepasst werden. mk

Hintergrund

Spindelmotoren

• Spindelmotoren mit FDB-Technologie sind besondere BLDC-Motoren, deren Lagertechnologie nicht aus Kugeln besteht, sondern aus Flüssigkeiten in Form von spezifischen Ölen. Fluid Dynamic Bearings nennt die Fachwelt diese Lager.

• In den letzten 15 Jahren haben sich Motoren mit diesem Lagersystem ausschließlich in der Festplattenindustrie etabliert.

• Den positiven Eigenschaften dieser Antriebstechnologie ist 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 derzeit nicht.

• Bereits in die Entwicklungsphase sind zahlreiche Testläufe integriert, um einen optimalen Rund- und Planlauf zu gewähren sowie den nicht wiederholbaren Schlag so niedrig wie möglich zu halten.

• Der Lagerspalt zwischen Welle und Buchse liegt im unteren einstelligen Mikrometerbereich. 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 ein hohes Maß an Präzision und findet in Reinräumen statt.

Erschienen in Ausgabe: 08/2017