新一代的步進(jìn)電機(jī)正在允許運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用蓬勃發(fā)展，因?yàn)樗鼈円郧笆遣豢赡艿模蛘?，充其量是非常困難的。原因何在？以前的步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)是針對(duì)工廠中相對(duì)“良性”的條件而開(kāi)發(fā)的。新的步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)——專(zhuān)門(mén)專(zhuān)為電機(jī)惡劣環(huán)境開(kāi)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(jī)是廣泛的新運(yùn)動(dòng)控制機(jī)會(huì)的關(guān)鍵。
真空電機(jī)
在真空中操作電機(jī)所固有的問(wèn)題 - 除氣，污染和溫度 - 是設(shè)計(jì)工程師所熟知的。解決方案鮮為人知。
真空操作的常見(jiàn)要求包括準(zhǔn)確移動(dòng)或定位樣品，產(chǎn)品，鏡子和傳感器的能力。在過(guò)去，這通常是通過(guò)將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)定位在真空室外部來(lái)試圖逃避真空的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用密封聯(lián)軸器和磁性或機(jī)械饋通機(jī)構(gòu)將其運(yùn)動(dòng)傳遞通過(guò)真空室壁。
這種方法的主要問(wèn)題是工程師可以考慮的設(shè)計(jì)配置數(shù)量有限。當(dāng)電機(jī)在室外時(shí)，在真空區(qū)域內(nèi)實(shí)施XY平臺(tái)（其中一個(gè)平臺(tái)在另一個(gè)平臺(tái)上移動(dòng)）可能非常困難，因?yàn)橛糜趯㈦姍C(jī)功率傳遞到頂級(jí)的機(jī)構(gòu)也必須適應(yīng)運(yùn)動(dòng)最底層的。位于真空室內(nèi)的定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，可重復(fù)性和分辨率可能會(huì)嚴(yán)重受損。
相反，將電動(dòng)機(jī)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(jì)布置而不損害腔室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制活動(dòng)。通過(guò)將電機(jī)直接連接到負(fù)載，可以大大提高精度，可重復(fù)性和其他系統(tǒng)規(guī)格。由于機(jī)械饋通非常昂貴，因此具有內(nèi)部放置電機(jī)的系統(tǒng)通常比外部安裝的替代品成本低得多。
普通電機(jī)不能在10 -4 Torr或更低的真空應(yīng)用。原因是軸承潤(rùn)滑劑會(huì)蒸發(fā)，電機(jī)和電纜的絕緣材料會(huì)蒸發(fā)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“放氣”，導(dǎo)致電機(jī)損壞。除氣進(jìn)一步導(dǎo)致汽化材料冷凝在任何精密光學(xué)元件或存在的精密機(jī)械裝置上。在標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)中常見(jiàn)的其他材料中，軸承潤(rùn)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(dòng)機(jī)本身泄漏的空氣是真空電動(dòng)機(jī)操作的另一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。未充分準(zhǔn)備的步進(jìn)電機(jī)在施加真空后很長(zhǎng)時(shí)間會(huì)泄漏空氣分子。捕獲或粘附的氣體分子從電機(jī)疊片，繞組，軸承和金屬表面的微小裂縫中緩慢散發(fā)出來(lái)。如果不處理這些多孔材料，則會(huì)導(dǎo)致不可接受的長(zhǎng)抽空時(shí)間或不充分的真空水平。
真空中的電機(jī)冷卻是另一個(gè)問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)通常通過(guò)對(duì)流進(jìn)入周?chē)諝舛鋮s，并且通過(guò)電動(dòng)機(jī)安裝表面的熱傳導(dǎo)不太明顯。在真空中不能進(jìn)行對(duì)流冷卻。熱量主要通過(guò)最低效的方法消散：通過(guò)安裝結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)。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(dǎo)體可能導(dǎo)致電暈效應(yīng)。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(hù)的高壓導(dǎo)體之間電弧。
真空電機(jī)的新設(shè)計(jì)已經(jīng)解決了所有這些真空電機(jī)問(wèn)題的解決方案 - 除氣，冷卻，泄漏和電暈效應(yīng)。例如，通過(guò)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(yīng)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(xì)選擇潤(rùn)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(jī)中消除，很少有塑料可行，并且必須使用真空潤(rùn)滑劑。在10 -9托時(shí)，幾乎不能使用塑料，并且需要干潤(rùn)滑劑。
嚴(yán)格的電機(jī)清潔限制了除氣問(wèn)題。來(lái)自電機(jī)制造過(guò)程的痕量材料總是存在于各種來(lái)源：切削油用于鋼，當(dāng)從模具擠出時(shí)潤(rùn)滑劑留在塑料上，溶劑與環(huán)氧樹(shù)脂混合。人類(lèi)的手留下油渣。除氣污染在所有應(yīng)用中并不重要，但如果系統(tǒng)組件未經(jīng)過(guò)適當(dāng)清潔，肯定會(huì)產(chǎn)生各種污染物的除氣。
專(zhuān)門(mén)研究真空環(huán)境用電機(jī)的制造商，例如Phytron，將電機(jī)置于清洗過(guò)程中，進(jìn)入蒸汽脫脂無(wú)法進(jìn)入的裂縫，加速材料中的分子變化，否則會(huì)釋放氣體，使其惰性化。真空應(yīng)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(dòng)機(jī)，真空烘烤，加工以提取污染物，然后密封。
高溫度電機(jī)的補(bǔ)救措施包括限制電機(jī)的功率，以及使用高溫材料制造電機(jī)?？梢栽陔姍C(jī)中安裝熱電偶或RTD（電阻溫度計(jì)裝置）來(lái)監(jiān)控溫度。溫度信息用于調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)功率，以便將溫度保持在安全的工作范圍內(nèi)。當(dāng)必須施加大量電力時(shí)，可以考慮冷板或冷卻套。例如，Hughes Aircraft設(shè)計(jì)并安裝了一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用來(lái)自液氮的蒸汽，并由監(jiān)控電機(jī)溫度的反饋系統(tǒng)控制。即使電機(jī)在三個(gè)月的連續(xù)衛(wèi)星測(cè)試中負(fù)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(yīng)，暴露的導(dǎo)體必須用適當(dāng)?shù)耐繉咏^緣，以防止電弧。
步進(jìn)電機(jī)真空應(yīng)用：
衛(wèi)星測(cè)試/衛(wèi)星在裝配過(guò)程中在真空室中的定位
天文臺(tái)儀器/望遠(yuǎn)鏡
用于研究的激光束對(duì)準(zhǔn)
聚變研究中的光束對(duì)準(zhǔn)
半導(dǎo)體制造業(yè)
廣泛的潔凈室應(yīng)用，用于研究和測(cè)試
飛機(jī)部件測(cè)試
超導(dǎo)體研究
離子沉積設(shè)備
電子束焊機(jī)
電子顯微鏡
材料檢測(cè)設(shè)施
輻射密集型環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)控制是工程師可能面臨的最困難的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)的步進(jìn)和微步進(jìn)電動(dòng)機(jī)易受高能γ輻射粒子的影響，這些粒子會(huì)攻擊非金屬材料。結(jié)果，潤(rùn)滑劑，清漆，層壓粘合和電纜絕緣都會(huì)隨著時(shí)間的推移而惡化并最終破碎。此外，許多輻射應(yīng)用包括額外的環(huán)境問(wèn)題，例如腐蝕性流體。
然而，輻射硬化步進(jìn)電機(jī)極大地?cái)U(kuò)展了高放射性環(huán)境中的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)。位于田納西州橡樹(shù)嶺的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）最近的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用程序提供了這些新設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的可能性的一個(gè)很好的例子，即使在環(huán)境中存在多個(gè)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(guò)程中的一個(gè)重要步驟是通過(guò)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(lái)。ORNL負(fù)責(zé)核燃料后處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)，最近與日本動(dòng)力反應(yīng)堆和核燃料開(kāi)發(fā)公司（PRN）合作開(kāi)發(fā)了一種新的概念，用于執(zhí)行這一分離過(guò)程。
ORNL設(shè)計(jì)的新概念是一種“多級(jí)連續(xù)旋轉(zhuǎn)溶解器”，它是一種連續(xù)而非批量的過(guò)程。新設(shè)計(jì)提供了逆流的硝酸，不斷強(qiáng)制最高酸濃度對(duì)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(jī)設(shè)計(jì)，來(lái)自Empire Magnetics的輻射硬化混合永磁步進(jìn)電機(jī)。帝國(guó)電機(jī)是一款“零間隙”型號(hào)，采用直列式87對(duì)1擺線針輪減速機(jī)，這種設(shè)計(jì)特點(diǎn)可在不降低電機(jī)壽命的情況下提高電機(jī)輸出扭矩。輻射硬化的無(wú)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(jī)，變速箱和旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在引線盒內(nèi)，以增強(qiáng)現(xiàn)有的抗輻射性。
ORNL項(xiàng)目成功設(shè)計(jì)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(jìn)電機(jī)應(yīng)用：
融合研究
物料搬運(yùn)
清理
X光機(jī)
燃料再加工
快速增殖反應(yīng)堆
反應(yīng)堆檢查
光束研究
擴(kuò)展的溫度步進(jìn)電機(jī)
擴(kuò)展溫度步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用提供一些特別極端的操作條件。例如，當(dāng)衛(wèi)星在軌道上旋轉(zhuǎn)時(shí)，它的電機(jī)在幾秒鐘內(nèi)從烈日（+ 200°C）移動(dòng)到冰凍（-200°C）時(shí)會(huì)經(jīng)歷令人難以置信的溫度波動(dòng)。沒(méi)有非常專(zhuān)業(yè)的電機(jī)，電機(jī)不可能在400°溫度循環(huán)下運(yùn)行。其他應(yīng)用程序可能同樣具有敵意。在紅外天文臺(tái)安裝中，定位要求非常精確，電機(jī)和相鄰儀器可以用液氮冷卻。對(duì)于超導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)可以浸沒(méi)在液氦（20°開(kāi)爾文?。┲校⑶倚枰蜏仉姍C(jī)設(shè)計(jì)。在火箭應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)可以泵送液氧。當(dāng)然，也有高溫應(yīng)用同樣充滿(mǎn)敵意。最近的一個(gè)高溫示例是用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的自動(dòng)化遠(yuǎn)程節(jié)氣門(mén)執(zhí)行器，其經(jīng)歷超過(guò)100°C的溫度，具有極強(qiáng)的振動(dòng)和嚴(yán)格的安全要求。
低溫電動(dòng)機(jī)/低溫電動(dòng)機(jī)
金屬部件的收縮和非金屬部件的硬化是使得步進(jìn)電機(jī)在低溫下不起作用的兩個(gè)主要因素。在收縮的情況下，如果具有臨界尺寸的電動(dòng)機(jī)部件以不同的速率收縮，則可能導(dǎo)致鎖定的電動(dòng)機(jī)。由此產(chǎn)生的應(yīng)力可以使金屬部件通過(guò)過(guò)冷而變脆。為了對(duì)抗這些影響，必須選擇特殊合金用于低溫電機(jī)，并且所有金屬部件必須具有相當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)。
電纜絕緣和軸承潤(rùn)滑脂都易于在低溫下硬化。可能需要干潤(rùn)滑，必須仔細(xì)選擇絕緣聚合物，以通過(guò)低溫循環(huán)保持分子完整性。
以下案例歷史在應(yīng)用環(huán)境中結(jié)合了兩個(gè)獨(dú)立的惡劣條件，代表了使用低溫應(yīng)用的設(shè)計(jì)工程師面臨的典型挑戰(zhàn)。
低溫電機(jī)案列歷史
在最近的一項(xiàng)低溫應(yīng)用中， 中國(guó)空軍基地的工程師被指派在低溫溫度下識(shí)別和鑒定適用于真空室的電機(jī)。該規(guī)范要求 在液氫溫度（24 ° Kelvin）下在10 -7 Torr 的真空中運(yùn)行的小型電動(dòng)機(jī)。角位置反饋是適應(yīng)閉環(huán)速度和位置控制的要求。
這類(lèi)應(yīng)用中存在兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)問(wèn)題。第一個(gè)涉及低壓下的潤(rùn)滑和絕緣材料的除氣。第二個(gè)問(wèn)題與電機(jī)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(yīng)力會(huì)降低由常規(guī)材料制造的電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性。
57 mm直徑的步進(jìn)電機(jī)與反饋旋轉(zhuǎn)變壓器相結(jié)合，以滿(mǎn)足應(yīng)用的獨(dú)特要求。兩種器件都安裝在一個(gè)特殊的鎳鉻鋼合金框架中，選擇耐熱應(yīng)力和尺寸穩(wěn)定性。由于旋轉(zhuǎn)變壓器組件與電機(jī)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(xì)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(dòng)機(jī)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(xì)檢查了電動(dòng)機(jī)的每個(gè)金屬部件。選擇AlNiCo（鋁鎳鈷）磁體有利于稀土組合，因?yàn)锳lNiCo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(rùn)滑的不銹鋼滾珠軸承。所有機(jī)械加工的金屬零件都經(jīng)過(guò)了應(yīng)力消除。結(jié)果是設(shè)計(jì)可以在低溫溫度下并且在真空室的范圍內(nèi)操作而不會(huì)蒸發(fā)電機(jī)材料。
低溫的應(yīng)用
衛(wèi)星控制
天線控制
天文臺(tái)儀器
液氧泵
超導(dǎo)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(jī)
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(gè)問(wèn)題，通常規(guī)定額定溫度為180°C的高溫電磁線。當(dāng)應(yīng)用涉及超過(guò)200°C的溫度時(shí)，使用受特殊絕緣材料保護(hù)的非銅磁線。干潤(rùn)滑用于避免材料損失。
高溫的應(yīng)用：
爐操作
工業(yè)烘焙
發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試
步進(jìn)電機(jī)不再僅僅是步進(jìn)電機(jī)：越來(lái)越多的應(yīng)用要求其固有設(shè)計(jì)反映出現(xiàn)有的運(yùn)行條件。雖然這些可靠的電機(jī)仍然是許多通用運(yùn)動(dòng)控制需求的主力，但它們的范圍也擴(kuò)展到惡化的應(yīng)用環(huán)境中，這些環(huán)境已經(jīng)擴(kuò)展了它們的價(jià)值，為設(shè)計(jì)工程師提供了一種新的“舊”工具。
浙公網(wǎng)備案33010802010418 