能適應極端條件:用於真空的maxon馬達

maxon馬達花了幾個月的時間與英國的 Instrument Design Technology(IDT)合作訂製一小型無刷馬達,本文主要著重於設計上的挑戰。

英國牛津郡 Diamond Light Source(DLS)已分析鑽石光源粒子加速器用於飛機機翼的應用及影響、研究HIV病毒,甚至以不損壞的前提下對古字母進行觀察。在同步加速器45000平方米中,為研究電子結構,將電子加速到3千兆電子伏特,產生比太陽亮度更高百億倍的光線。為使電子不因與空氣分子碰撞而遺失,整個過程是在真空下進行的,只有大氣壓的十億分之一。位於英國威德尼斯的 Instrument Design Technology(IDT)企業提供領先全球的同步加速器,並以相應技術支持研究。

根據 Diamond 研究所的要求,其新的X射線光譜儀光束線 B18 的雙晶分光儀(DCM)使用 maxon 直流馬達驅動重要的布拉格旋轉軸,取代往常的步進馬達。IDT 經理 Paul Murray 先生解释:“我們希望降低馬達溫度及噪音、達到更高轉數並運轉平穩。改善步進馬達噪音大、振動的缺點。排除這些問題讓雙晶分光儀(DCM)達到更好的效果。新型馬達必須在 10-8 托的真空下正常運轉。”IDT 特別從 maxon motor UK 請到經驗豐富的銷售工程師保羅‧威廉斯先生協助解決問題。

開發具耐熱性的高功率無刷馬達
量身訂制的解決方案,對於英國和瑞士的maxon團隊來說是一項挑戰。這些挑戰使 maxon 企業能回顧悠久歷史及開發各種高性能馬達的許多成功經驗。例如於外太空和外科手術機器人等嚴苛應用,每個項目均由經驗豐富的工程師協助。Williams 先生解釋:“由於同步加速器在真空中不允許受到破壞,我們必須分析馬達的每個獨立配件及設計,檢查是否可能有釋氣的情況。我們面臨的挑戰是研發一台高性能無刷馬達,無黏合劑、無塑料且具高耐熱的特性。”

客製馬達的基礎為 maxon 的 EC 22 HD(Heavy Duty)馬達。起初是針對海底石油開發所研發而成,但此 22 毫米的無刷馬達以其不鏽鋼焊接外殼以及能適應溫度範圍大的特性,符合於真空使用要求。從一開始就比步進馬達性能更強、安靜且反應靈敏。

針對EC 22 HD使用在同步加速器的改良應用,maxon motor 公司必須考慮到多種因素。首先是溫度管理,在真空中無法像往常通過熱對流散熱,容易產生過熱現象。故選擇耐高溫的馬達十分重要。其他零件則應盡可能的安置在能通過熱傳導降溫的位置。同樣地,具有高減速比的齒輪也極為重要。在 10-7 托或更高的真空下,塑料及黏合接頭會造成釋氣現象。這個問題會導致性能損失,並影響到真空環境。因此每個零件皆須單獨測試,如有必要則進行改善。由于釋氣問題無法使用黏著劑,所以馬達組裝主要用微激光焊接而成。

透過航天的應用,maxon 了解到在低壓環境下,在馬達中的潤滑油會受到影響。因此,需使用一種惰性極強的潤滑劑,在高真空環境下不被蒸發。此外,還需考慮到馬達操作特性及預期持續時間的相對變化。為進一步消除洩氣源,馬達還被暴露在 120 °C 的可控真空環境中 24 小時。針對 200 °C 高溫設計的 EC 22 HD 馬達證實為最理想的初始產品。

雪花狀粉塵
雙晶分光儀(DCM)及其量身訂做的 maxon EC 馬達目前在 Diamond Light Source 的光束 B18 中,於重要試驗中展現其作用。一組義大利科學家利用此種光束研究大约 80 萬年前落下的雪花狀粉塵-約相當於人類最初出現在地球上的時期。南極冰芯由數十萬年雨雪冰凍和降雪時包裹住的微小灰塵顆粒組成。包含氣候、大氣和火山活動的訊息。借助X光線吸收光譜,研究人員能檢查灰塵的礦物成分,確定來源並得出結論,以說明幾十萬年間全球氣候的變化模式。

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