在極端條件下工作的真空兼容電機(jī)

Maxon 電機(jī)公司和儀器設(shè)計(jì)技術(shù)公司(IDT)特別研制了一種用于同步加速器的極端真空環(huán)境中的小型無刷電動(dòng)機(jī)，如圖3 所示。

圖3 真空無刷電動(dòng)機(jī)及內(nèi)部圖

牛津大學(xué)的鉆石光源粒子加速器已經(jīng)廣泛用于各種項(xiàng)目，例如分析機(jī)翼的張力效果、研究艾滋病毒的特性，甚至是閱讀未打開的古老的信件。為避免電子和大氣分子相撞，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在真空中進(jìn)行，其壓力低于大氣壓的10 億倍，因此需要研發(fā)出可在惡劣環(huán)境下正常工作的設(shè)備。

粒子加速器光束線的雙重晶體單色器要求使用直流電動(dòng)機(jī)而不是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)軸。相比以前使用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速、更低的電機(jī)溫度和更平穩(wěn)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身就有噪聲，還有一些振動(dòng)。采用直流電動(dòng)機(jī)，可以消除或改善這些問題。但是新電機(jī)必須要在1.33 ×10-6Pa 的真空環(huán)境中運(yùn)行。

Maxon 公司為其定制的電機(jī)基于EC22 電機(jī)開發(fā)。盡管這個(gè)22 mm 的無刷電動(dòng)機(jī)最初應(yīng)用在探測(cè)海底石油的設(shè)備上，但是它采用激光焊接的不銹鋼結(jié)構(gòu)和寬溫度范圍已經(jīng)符合了高真空應(yīng)用的部分要求，而且無刷直流電動(dòng)機(jī)要比以前的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)更有效率、更安靜，反應(yīng)更快。

開發(fā)時(shí)對(duì)以下一些問題進(jìn)行了考慮。首先是對(duì)溫度的管理。在真空中，電機(jī)不能以正常的方式通過傳遞散熱，所以有可能導(dǎo)致過熱，因而選擇耐高溫的電機(jī)，在空氣中保持其內(nèi)在的額定性能就非常重要。另外，在可能的情況下以某種方式安置其他的部件來傳導(dǎo)散熱。高比率的齒輪頭也是同樣重要的。1.33 ×10-5Pa 以下的高真空會(huì)使如塑料和膠水等材料氣化，降低了性能，又污染了真空，帶來除氣問題。

電機(jī)的每個(gè)部件都單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，必要部件進(jìn)行升級(jí)。例如，標(biāo)準(zhǔn)的PVC 電纜涂料升級(jí)為更惰性的卡普頓版本。所以EC22 重載電機(jī)不用塑料而用不銹鋼材料制成?？紤]到除氣問題，科研人員不能使用普通的膠水和環(huán)氧樹脂，而是用大范圍的微型激光焊接技術(shù)裝配電機(jī)。Maxon 公司有和太空和航天項(xiàng)目合作的經(jīng)驗(yàn)，知道在低氣壓環(huán)境下，電機(jī)軸承上要使用何種標(biāo)準(zhǔn)、稠薄的潤(rùn)滑脂。選擇一種極其惰性的潤(rùn)滑劑非常重要，因?yàn)檫@種潤(rùn)滑劑有足夠的厚度來防止其在高真空的環(huán)境下蒸發(fā)——這可用來解釋電機(jī)運(yùn)行特性及其預(yù)期的壽命周期。電機(jī)要在120℃的真空環(huán)境下烘制24 h，以最終避免任何遺留的除氣威脅問題。