新一代的步進電機正在允許運動控制應用蓬勃發(fā)展，因為它們以前是不可能的，或者，充其量是非常困難的。原因何在？以前的步進電機設(shè)計是針對工廠中相對“良性”的條件而開發(fā)的。新的步進電機設(shè)計——專門專為電機惡劣環(huán)境開發(fā)——可以可靠地承受輻射、真空操作以及極高和低溫等條件。因此，這些電機是廣泛的新運動控制機會的關(guān)鍵。
真空電機
在真空中操作電機所固有的問題 - 除氣，污染和溫度 - 是設(shè)計工程師所熟知的。解決方案鮮為人知。
真空操作的常見要求包括準確移動或定位樣品，產(chǎn)品，鏡子和傳感器的能力。在過去，這通常是通過將驅(qū)動機構(gòu)和電動機定位在真空室外部來試圖逃避真空的影響來實現(xiàn)的。驅(qū)動機構(gòu)使用密封聯(lián)軸器和磁性或機械饋通機構(gòu)將其運動傳遞通過真空室壁。
這種方法的主要問題是工程師可以考慮的設(shè)計配置數(shù)量有限。當電機在室外時，在真空區(qū)域內(nèi)實施XY平臺（其中一個平臺在另一個平臺上移動）可能非常困難，因為用于將電機功率傳遞到頂級的機構(gòu)也必須適應運動最底層的。位于真空室內(nèi)的定位系統(tǒng)的準確性，可重復性和分辨率可能會嚴重受損。
相反，將電動機直接放入真空中允許工程師考慮更多數(shù)量的物理設(shè)計布置而不損害腔室內(nèi)的運動控制活動。通過將電機直接連接到負載，可以大大提高精度，可重復性和其他系統(tǒng)規(guī)格。由于機械饋通非常昂貴，因此具有內(nèi)部放置電機的系統(tǒng)通常比外部安裝的替代品成本低得多。
普通電機不能在10 -4 Torr或更低的真空應用。原因是軸承潤滑劑會蒸發(fā)，電機和電纜的絕緣材料會蒸發(fā)，這種現(xiàn)象稱為“放氣”，導致電機損壞。除氣進一步導致汽化材料冷凝在任何精密光學元件或存在的精密機械裝置上。在標準電動機中常見的其他材料中，軸承潤滑脂，紙槽襯墊，保形涂層，繞組絕緣和多種粘合劑在真空中蒸發(fā)。
從電動機本身泄漏的空氣是真空電動機操作的另一個常見問題。未充分準備的步進電機在施加真空后很長時間會泄漏空氣分子。捕獲或粘附的氣體分子從電機疊片，繞組，軸承和金屬表面的微小裂縫中緩慢散發(fā)出來。如果不處理這些多孔材料，則會導致不可接受的長抽空時間或不充分的真空水平。
真空中的電機冷卻是另一個問題。標準電動機通常通過對流進入周圍空氣而冷卻，并且通過電動機安裝表面的熱傳導不太明顯。在真空中不能進行對流冷卻。熱量主要通過最低效的方法消散：通過安裝結(jié)構(gòu)傳導。結(jié)果，真空操作可能需要特殊的冷卻裝置和更高的溫度操作。
最后，暴露的高壓導體可能導致電暈效應。在某些真空水平下，稀薄的空氣容易電離，并且電流可以在未受保護的高壓導體之間電弧。
真空電機的新設(shè)計已經(jīng)解決了所有這些真空電機問題的解決方案 - 除氣，冷卻，泄漏和電暈效應。例如，通過選擇蒸汽壓低的材料可以防止脫氣。鐵氟龍是一種這樣的穩(wěn)定材料。大多數(shù)金屬也適合在真空中使用（例外包括鎘和鋅）。不銹鋼是真空應用中特別好的材料。
在大氣壓和10 -4托之間，材料除氣率通常不顯著。在此范圍內(nèi)，可以使用許多商業(yè)塑料，但通常需要仔細選擇潤滑劑。在接近10 -7 Torr的真空吸塵器中，大多數(shù)天然材料必須在電機中消除，很少有塑料可行，并且必須使用真空潤滑劑。在10 -9托時，幾乎不能使用塑料，并且需要干潤滑劑。
嚴格的電機清潔限制了除氣問題。來自電機制造過程的痕量材料總是存在于各種來源：切削油用于鋼，當從模具擠出時潤滑劑留在塑料上，溶劑與環(huán)氧樹脂混合。人類的手留下油渣。除氣污染在所有應用中并不重要，但如果系統(tǒng)組件未經(jīng)過適當清潔，肯定會產(chǎn)生各種污染物的除氣。
專門研究真空環(huán)境用電機的制造商，例如Phytron，將電機置于清洗過程中，進入蒸汽脫脂無法進入的裂縫，加速材料中的分子變化，否則會釋放氣體，使其惰性化。真空應用的靈敏度通常要求使用由非揮發(fā)性材料構(gòu)成的電動機，真空烘烤，加工以提取污染物，然后密封。
高溫度電機的補救措施包括限制電機的功率，以及使用高溫材料制造電機?？梢栽陔姍C中安裝熱電偶或RTD（電阻溫度計裝置）來監(jiān)控溫度。溫度信息用于調(diào)節(jié)電動機功率，以便將溫度保持在安全的工作范圍內(nèi)。當必須施加大量電力時，可以考慮冷板或冷卻套。例如，Hughes Aircraft設(shè)計并安裝了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用來自液氮的蒸汽，并由監(jiān)控電機溫度的反饋系統(tǒng)控制。即使電機在三個月的連續(xù)衛(wèi)星測試中負載很重，該系統(tǒng)也能可靠地將溫度保持在安全水平。
最后，為了防止高壓產(chǎn)生的電暈效應，暴露的導體必須用適當?shù)耐繉咏^緣，以防止電弧。
步進電機真空應用：
衛(wèi)星測試/衛(wèi)星在裝配過程中在真空室中的定位
天文臺儀器/望遠鏡
用于研究的激光束對準
聚變研究中的光束對準
半導體制造業(yè)
廣泛的潔凈室應用，用于研究和測試
飛機部件測試
超導體研究
離子沉積設(shè)備
電子束焊機
電子顯微鏡
材料檢測設(shè)施
輻射密集型環(huán)境中的運動控制是工程師可能面臨的最困難的設(shè)計挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)的步進和微步進電動機易受高能γ輻射粒子的影響，這些粒子會攻擊非金屬材料。結(jié)果，潤滑劑，清漆，層壓粘合和電纜絕緣都會隨著時間的推移而惡化并最終破碎。此外，許多輻射應用包括額外的環(huán)境問題，例如腐蝕性流體。
然而，輻射硬化步進電機極大地擴展了高放射性環(huán)境中的設(shè)計機會。位于田納西州橡樹嶺的橡樹嶺國家實驗室（ORNL）最近的運動控制應用程序提供了這些新設(shè)計所產(chǎn)生的可能性的一個很好的例子，即使在環(huán)境中存在多個惡劣條件的情況下也是如此。
輻射案例歷史
燃料再循環(huán)過程中的一個重要步驟是通過將氧化物溶解在硝酸中而將廢燃料氧化物從其包層中分離出來。ORNL負責核燃料后處理技術(shù)的開發(fā)，最近與日本動力反應堆和核燃料開發(fā)公司（PRN）合作開發(fā)了一種新的概念，用于執(zhí)行這一分離過程。
ORNL設(shè)計的新概念是一種“多級連續(xù)旋轉(zhuǎn)溶解器”，它是一種連續(xù)而非批量的過程。新設(shè)計提供了逆流的硝酸，不斷強制最高酸濃度對抗燃料針的最難溶解區(qū)域。
ORNL能夠找到一種能夠承受累積輻射劑量108且具有所有所需性能規(guī)格的電機設(shè)計，來自Empire Magnetics的輻射硬化混合永磁步進電機。帝國電機是一款“零間隙”型號，采用直列式87對1擺線針輪減速機，這種設(shè)計特點可在不降低電機壽命的情況下提高電機輸出扭矩。輻射硬化的無刷旋轉(zhuǎn)變壓器連接到變速箱輸出軸。旋轉(zhuǎn)變壓器提供角度定位能力，分辨率為每轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)鼓4,096步。電機，變速箱和旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在引線盒內(nèi)，以增強現(xiàn)有的抗輻射性。
ORNL項目成功設(shè)計的關(guān)鍵在于正確選擇材料。最關(guān)鍵的是特定聚合物的規(guī)格，不僅適用于電磁線和電纜絕緣，還適用于軸和閥體密封。最后，抗輻射聚合物涂料的厚涂層提供了防止?jié)庀跛嵴魵獾耐鈱印?/span>
抗輻射步進電機應用：
融合研究
物料搬運
清理
X光機
燃料再加工
快速增殖反應堆
反應堆檢查
光束研究
擴展的溫度步進電機
擴展溫度步進電機應用提供一些特別極端的操作條件。例如，當衛(wèi)星在軌道上旋轉(zhuǎn)時，它的電機在幾秒鐘內(nèi)從烈日（+ 200°C）移動到冰凍（-200°C）時會經(jīng)歷令人難以置信的溫度波動。沒有非常專業(yè)的電機，電機不可能在400°溫度循環(huán)下運行。其他應用程序可能同樣具有敵意。在紅外天文臺安裝中，定位要求非常精確，電機和相鄰儀器可以用液氮冷卻。對于超導體實驗，系統(tǒng)可以浸沒在液氦（20°開爾文?。┲?，并且需要低溫電機設(shè)計。在火箭應用中，電動機可以泵送液氧。當然，也有高溫應用同樣充滿敵意。最近的一個高溫示例是用于噴氣發(fā)動機測試的自動化遠程節(jié)氣門執(zhí)行器，其經(jīng)歷超過100°C的溫度，具有極強的振動和嚴格的安全要求。
低溫電動機/低溫電動機
金屬部件的收縮和非金屬部件的硬化是使得步進電機在低溫下不起作用的兩個主要因素。在收縮的情況下，如果具有臨界尺寸的電動機部件以不同的速率收縮，則可能導致鎖定的電動機。由此產(chǎn)生的應力可以使金屬部件通過過冷而變脆。為了對抗這些影響，必須選擇特殊合金用于低溫電機，并且所有金屬部件必須具有相當?shù)臒崤蛎浵禂?shù)。
電纜絕緣和軸承潤滑脂都易于在低溫下硬化。可能需要干潤滑，必須仔細選擇絕緣聚合物，以通過低溫循環(huán)保持分子完整性。
以下案例歷史在應用環(huán)境中結(jié)合了兩個獨立的惡劣條件，代表了使用低溫應用的設(shè)計工程師面臨的典型挑戰(zhàn)。
低溫電機案列歷史
在最近的一項低溫應用中， 中國空軍基地的工程師被指派在低溫溫度下識別和鑒定適用于真空室的電機。該規(guī)范要求 在液氫溫度（24 ° Kelvin）下在10 -7 Torr 的真空中運行的小型電動機。角位置反饋是適應閉環(huán)速度和位置控制的要求。
這類應用中存在兩個主要的設(shè)計問題。第一個涉及低壓下的潤滑和絕緣材料的除氣。第二個問題與電機材料在極低溫度下的行為有關(guān)。不同材料的大的溫度變化，低溫脆性和變化的收縮率的應力會降低由常規(guī)材料制造的電動機的結(jié)構(gòu)完整性。
57 mm直徑的步進電機與反饋旋轉(zhuǎn)變壓器相結(jié)合，以滿足應用的獨特要求。兩種器件都安裝在一個特殊的鎳鉻鋼合金框架中，選擇耐熱應力和尺寸穩(wěn)定性。由于旋轉(zhuǎn)變壓器組件與電機組件的相似性，選擇了旋轉(zhuǎn)變壓器技術(shù)用于反饋系統(tǒng)。
為了減少低溫下的除氣，絕緣材料由選定的聚合物制成。仔細規(guī)定了磁鐵和引線材料，以避免排氣或破裂。通常用于制造電動機的粘合劑用具有接近相鄰鋼部件的熱膨脹系數(shù)的粘合劑代替。
詳細檢查了電動機的每個金屬部件。選擇AlNiCo（鋁鎳鈷）磁體有利于稀土組合，因為AlNiCo在低溫下保持更好的磁性。出于同樣的原因，使用了用干膜潤滑的不銹鋼滾珠軸承。所有機械加工的金屬零件都經(jīng)過了應力消除。結(jié)果是設(shè)計可以在低溫溫度下并且在真空室的范圍內(nèi)操作而不會蒸發(fā)電機材料。
低溫的應用
衛(wèi)星控制
天線控制
天文臺儀器
液氧泵
超導體研究
等離子處理
冷凍食品處理
造紙廠
鋼成型
金屬涂層
高溫電機
在高溫下，主要的失效模式是繞組絕緣失效以及由此產(chǎn)生的短路。為了解決這個問題，通常規(guī)定額定溫度為180°C的高溫電磁線。當應用涉及超過200°C的溫度時，使用受特殊絕緣材料保護的非銅磁線。干潤滑用于避免材料損失。
高溫的應用：
爐操作
工業(yè)烘焙
發(fā)動機測試
步進電機不再僅僅是步進電機：越來越多的應用要求其固有設(shè)計反映出現(xiàn)有的運行條件。雖然這些可靠的電機仍然是許多通用運動控制需求的主力，但它們的范圍也擴展到惡化的應用環(huán)境中，這些環(huán)境已經(jīng)擴展了它們的價值，為設(shè)計工程師提供了一種新的“舊”工具。
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