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真空電機低溫下四個關鍵問題及其應用
發布時間:2018-09-30 作者來源:摩森機電 訪問次數:1383

通常人們不會考慮低溫情況下的電機運動控制,但是有很多情況需要在非常低的溫度下進行運動。例如,攜帶用于火箭發動機的液化氣體(例如氫氣和氧氣)的燃料閥必須不僅能夠打開和關閉,而且還能夠在低溫下調節流速。質量控制工程師需要能夠復制空間環境,以確保為衛星設計的設備在進入太空之前能夠可靠地運行。同樣,使用過冷設備捕獲恒星光譜圖像的天文臺需要具有復雜控制系統的掃描儀和其他設備,這些控制系統至少部分的在低溫條件下運行。


與所有運動控制問題一樣,有必要在覆蓋環境項目之前定義基本要求:負載質量,運動速度,總行程,加速度,位置精度和速度控制等等。任何運動控制應用必須回答的問題。對于低溫應用,還有一些額外的關鍵問題。


1.運行溫度和非運行溫度之間的范圍是多少?

由于大多數應用程序都受到大小和重量的限制,因此指定可用的參數非常重要。電機在正常溫度范圍內運行但在不運行時機組可能承受低溫的情況并不意味著標準電機即使在預熱時也能按要求運行。經受溫度循環的金屬經歷相變,并且它們也應力消除,這兩者都導致翹曲和其他尺寸變化。即使電機從未打開,結果也可能是失敗的。為了避免這種情況,有必要粗加工機器零件,應力消除它們然后加工到最終尺寸。如果從成品電機開始,這個過程是不實際的; 代替,


由于金屬在低溫下會變脆,我們認為理所當然的事情并不總是有效的:齒輪齒在-250°C時的斷裂點是多少?電機扭矩是否足以使軸在低溫下折斷?為了解釋強度的損失,電動機或齒輪設計者通常會通過添加更多材料來使物品更大。然而,重量對于空間應用而言是昂貴的項目,因此挑戰變得更加復雜。另一個考慮因素是,通常彈性物品,如彈簧,變得不那么靈活; 在某些情況下,它們會像預期的那樣破裂和斷裂而不是彎曲,或者它們需要更大的力來在低溫下彎曲。


一個主要的設計問題是材料在溫度范圍內的膨脹或收縮的差異。例如,銅以比鋼更快的速度收縮。隨著溫度的降低,如果電機繞組像往常一樣緊密纏繞,電線可能會在某些位置咬合,頸縮或僅僅切斷絕緣層以短路到鐵結構,導致故障僅由于低溫度。


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2.溫度變化率是多少?

熱膨脹系數(CTE)很重要,但熱傳遞發生的速率也會影響電機。一個例子是將磁鐵粘合到轉子上的環氧樹脂。環氧樹脂的CTE與兩種金屬不同,但熱轉移速率也不同,因此過快加熱該單元會導致破壞將電機保持在一起的粘合劑粘合。通常,我們將溫度變化率限制在每分鐘10°C的最大值。


受溫度影響的另一個項目是軸承類型和潤滑。真空應用中使用的典型潤滑脂對低溫應用無用。真空潤滑脂,在-60°C左右變得非常堅硬,在-90°C時是必需的固體。當你拍攝-249°C或24K時,很明顯這種方法不起作用。替代方案是干膜潤滑 - 二硫化鉬是一種常見的干潤滑材料,但還有其他幾種。雖然所有干潤滑材料都不相同,但軸承的具體結構和應用方法對軸承壽命的影響要大于材料選擇。


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3.裝置是真空還是會結冰?

大多數情況下,電動機系統在真空中運行。在這種情況下,需要確定真空度,并且需要指定除氣或微??刂频男枰?。在基于太空的望遠鏡上使用靠近光學器件的電動機需要與在管道上操作閥門不同的護理水平。

然而,水冰不是冰的唯一形式。一些氣體在可能高于系統工作溫度的溫度下變成固體。充滿二氧化碳的腔室將在-56°C下形成冰,如果冷卻劑是-196°C的液氮,則很容易達到該溫度。除了用固體冰塊簡單地堵塞機械裝置外,一些材料還會導致腐蝕或污染其他干燥潤滑劑。

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4.系統的預期壽命是多少?

使用壽命為6秒的火箭需要不同的技術答案,而不是具有20年使用壽命的太空任務。重要的是要理解,在低溫條件下,沒有任何商用現貨電機可以長時間運行 - 材料選擇錯誤,金屬沒有消除應力,并且繞組不正確絕緣并且通常會脫氣。材料的CTE不兼容,設計它們的人試圖找出如何節省另外.001%的生產成本以提高利潤。

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在低溫下發生的事情在常溫下不會發生(例如,青銅襯套或螺母以比不銹鋼更快的速度收縮)。在-20和-60℃之間的溫度下,電動機驅動的組件可能停止移動,并且有趣的是,系統凍結的溫度通常是高度可重復的。青銅或黃銅開始時,軸或螺釘上方的一小部分間隙開始收縮,足以夾住鋼板。例如,我接到了航天計劃工程師的電話,他在軌道上有一顆衛星。一旦圍繞地球每轉一圈,系統就會停止工作。我問這是否發生在衛星處于地球陰影下時,它會接近-200°C。當然,答案是肯定的。通過在運動系統上節省幾美元,他們有一顆1億美元的衛星只能工作一半時間??梢韵胂?,對衛星的服務呼叫是棘手的,而且非常昂貴!

 

應用說明:實驗室

在實驗室的科學家正在解決一個問題 - 他們需要在低溫下操作機械組件。負載由曲柄臂驅動,因此扭矩和速度隨正弦波的變化而變化。為了獲得他們想要的結果,他們需要加載速度恒定。為了實現這一目標,他們需要一種能夠調節實時速度和扭矩以在負載上產生恒定速度的電機系統。然而,電機的小物質在24K的真空中運行。


科學家們轉向Empire Magnetics,為他們提供無刷電機和旋轉變壓器,可以在360度旋轉的絕對位置模式下操作。電機由選定的材料制成,可在室溫和24K下運行,同時最大限度地減少真空除氣。作為實時伺服系統,控制器被編程為提供可變扭矩和恒定速度。電機組件的設計符合客戶要求。Empire Magnetics建造并運輸了該裝置,據項目工程師按預期執行。


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