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    低溫電機及其應用的四個關鍵問題

    通常人們不會考慮低溫情況下的電機或運動控制,但有許多情況需要在非常低的溫度下進行運動。例如,用于火箭發動機的攜帶液化氣體(如氫氣和氧氣)的燃料閥不僅必須能夠打開和關閉,而且還必須能夠在低溫下調節流量。質量控制工程師需要能夠復制太空環境,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掃描儀和其他具有復雜控制系統的設備,這些設備至少部分在低溫條件下運行。

    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是其中的幾個任何運動控制應用程序都必須回答的問題。對于低溫應用,還有幾個額外的關鍵問題。


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    1. 工作溫度和非工作溫度之間的范圍是多少?

    由于大多數應用程序都受到尺寸和重量的限制,因此指定要在其中工作的可用參數非常重要。 電機在正常溫度范圍內運行,但設備在不運行時可能會受到低溫的情況,并不意味著標準電機即使在升溫時也能按預期運行。 受溫度循環影響的金屬會經歷相變,并且它們也會釋放應力,這兩者都會導致翹曲和其他尺寸變化。 即使電機從未開啟,結果也可能是故障。 為了避免這種情況,有必要對零件進行粗加工,消除應力,然后加工成最終尺寸。 如果從一臺完成的電機開始,這個過程是不切實際的; 取而代之的是,為了成功,必須考慮整個構建的每個組件和每個步驟。

    由于金屬在低溫下會變脆,因此我們認為理所當然的事情并不總是有效:-250°C 時齒輪齒的斷裂點是多少?電機扭矩是否足以在低溫下折斷軸?為了解決強度損失的問題,電機或齒輪設計者通常會通過添加更多材料來使物品變大。然而,重量對于空間應用來說是一項昂貴的項目,因此挑戰變得更加復雜。另一個考慮因素是通常靈活的物品,如彈簧,變得不那么靈活;在某些情況下,它們會破裂而不是像預期的那樣彎曲,或者它們需要更大的力才能在低溫下彎曲。

    一個主要的設計問題是材料在溫度范圍內膨脹或收縮的差異。例如,銅的收縮速度比鋼快。隨著溫度下降,如果電機繞組像往常一樣緊緊纏繞,電線可能會在某些時候折斷、縮頸或簡單地切開絕緣層以與鐵結構短路,從而導致故障僅由于低溫度。

    2. 溫度變化率是多少?

    熱膨脹系數 (CTE) 很重要,但發生熱傳遞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,但熱傳遞速率也不同,因此加熱裝置過快會導致將電機固定在一起的粘合劑斷裂。通常,我們將溫度變化率限制為每分鐘 10°C 作為最大值。

    另一個受溫度影響的項目是軸承類型和潤滑。真空應用中使用的典型潤滑脂不適用于低溫應用。真空潤滑脂,在 -60°C 左右變得非常堅硬,在 -90°C 時是必不可少的固體。當您在 -249°C 或 24K 條件下拍攝時,這種方法顯然行不通。另一種選擇是干膜潤滑——二硫化鉬是一種常見的干潤滑材料,但還有其他幾種。雖然所有干式潤滑油材料不盡相同,但軸承的具體結構和應用方法對軸承壽命的影響比材料選擇更大。

    3. 設備會處于真空狀態,還是會結冰?

    大多數情況下,電機系統在真空中運行。在這種情況下,需要定義真空度,并需要指定除氣或顆??刂频男枰?。與在管道上操作閥門相比,將電機靠近天基望遠鏡上的光學器件需要不同的小心程度。

    然而,水冰并不是冰的唯一形式。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會在 -56°C 形成冰,如果冷卻劑是 -196°C 的液氮,則很容易達到這個溫度。除了簡單地用固體冰堵塞機械裝置外,某些材料還會引起腐蝕或污染其他東西,例如干潤滑。

    4. 系統的預期壽命是多少?

    運行壽命為 6 秒的火箭與期望運行壽命為 20 年的太空任務需要不同的技術答案。重要的是要了解,沒有一種商用現成電機會在低溫條件下長時間運行——材料選擇錯誤、金屬沒有消除應力、繞組絕緣不當并且通常會放氣。材料的 CTE 不兼容,設計它們的人試圖弄清楚如何再節省 0.001% 的生產成本以提高利潤。


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