通常人們不會(huì)考慮低溫情況下的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制，但是有很多情況需要在非常低的溫度下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。例如，攜帶用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(guān)閉，而且還能夠在低溫下調(diào)節(jié)流速。質(zhì)量控制工程師需要能夠復(fù)制空間環(huán)境，以確保為衛(wèi)星設(shè)計(jì)的設(shè)備在進(jìn)入太空之前能夠可靠地運(yùn)行。同樣，使用過冷設(shè)備捕獲恒星光譜圖像的天文臺(tái)需要具有復(fù)雜控制系統(tǒng)的掃描儀和其他設(shè)備，這些控制系統(tǒng)至少部分的在低溫條件下運(yùn)行。
與所有運(yùn)動(dòng)控制問題一樣，有必要在覆蓋環(huán)境項(xiàng)目之前定義基本要求：負(fù)載質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)速度，總行程，加速度，位置精度和速度控制等等。任何運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用必須回答的問題。對(duì)于低溫應(yīng)用，還有一些額外的關(guān)鍵問題。
1.運(yùn)行溫度和非運(yùn)行溫度之間的范圍是多少？
由于大多數(shù)應(yīng)用程序都受到大小和重量的限制，因此指定可用的參數(shù)非常重要。電機(jī)在正常溫度范圍內(nèi)運(yùn)行但在不運(yùn)行時(shí)機(jī)組可能承受低溫的情況并不意味著標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)即使在預(yù)熱時(shí)也能按要求運(yùn)行。經(jīng)受溫度循環(huán)的金屬經(jīng)歷相變，并且它們也應(yīng)力消除，這兩者都導(dǎo)致翹曲和其他尺寸變化。即使電機(jī)從未打開，結(jié)果也可能是失敗的。為了避免這種情況，有必要粗加工機(jī)器零件，應(yīng)力消除它們?nèi)缓蠹庸さ阶罱K尺寸。如果從成品電機(jī)開始，這個(gè)過程是不實(shí)際的; 代替，
由于金屬在低溫下會(huì)變脆，我們認(rèn)為理所當(dāng)然的事情并不總是有效的：齒輪齒在-250°C時(shí)的斷裂點(diǎn)是多少？電機(jī)扭矩是否足以使軸在低溫下折斷？為了解釋強(qiáng)度的損失，電動(dòng)機(jī)或齒輪設(shè)計(jì)者通常會(huì)通過添加更多材料來使物品更大。然而，重量對(duì)于空間應(yīng)用而言是昂貴的項(xiàng)目，因此挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜。另一個(gè)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(huì)像預(yù)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(gè)主要的設(shè)計(jì)問題是材料在溫度范圍內(nèi)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(jī)繞組像往常一樣緊密纏繞，電線可能會(huì)在某些位置咬合，頸縮或僅僅切斷絕緣層以短路到鐵結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致故障僅由于低溫度。
2.溫度變化率是多少？
熱膨脹系數(shù)（CTE）很重要，但熱傳遞發(fā)生的速率也會(huì)影響電機(jī)。一個(gè)例子是將磁鐵粘合到轉(zhuǎn)子上的環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂的CTE與兩種金屬不同，但熱轉(zhuǎn)移速率也不同，因此過快加熱該單元會(huì)導(dǎo)致破壞將電機(jī)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(gè)項(xiàng)目是軸承類型和潤(rùn)滑。真空應(yīng)用中使用的典型潤(rùn)滑脂對(duì)低溫應(yīng)用無用。真空潤(rùn)滑脂，在-60°C左右變得非常堅(jiān)硬，在-90°C時(shí)是必需的固體。當(dāng)你拍攝-249°C或24K時(shí)，很明顯這種方法不起作用。替代方案是干膜潤(rùn)滑 - 二硫化鉬是一種常見的干潤(rùn)滑材料，但還有其他幾種。雖然所有干潤(rùn)滑材料都不相同，但軸承的具體結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方法對(duì)軸承壽命的影響要大于材料選擇。
3.裝置是真空還是會(huì)結(jié)冰？
大多數(shù)情況下，電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在真空中運(yùn)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(yuǎn)鏡上使用靠近光學(xué)器件的電動(dòng)機(jī)需要與在管道上操作閥門不同的護(hù)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(tǒng)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(dá)到該溫度。除了用固體冰塊簡(jiǎn)單地堵塞機(jī)械裝置外，一些材料還會(huì)導(dǎo)致腐蝕或污染其他干燥潤(rùn)滑劑。
4.系統(tǒng)的預(yù)期壽命是多少？
使用壽命為6秒的火箭需要不同的技術(shù)答案，而不是具有20年使用壽命的太空任務(wù)。重要的是要理解，在低溫條件下，沒有任何商用現(xiàn)貨電機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行 - 材料選擇錯(cuò)誤，金屬?zèng)]有消除應(yīng)力，并且繞組不正確絕緣并且通常會(huì)脫氣。材料的CTE不兼容，設(shè)計(jì)它們的人試圖找出如何節(jié)省另外.001％的生產(chǎn)成本以提高利潤(rùn)。
在低溫下發(fā)生的事情在常溫下不會(huì)發(fā)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的組件可能停止移動(dòng)，并且有趣的是，系統(tǒng)凍結(jié)的溫度通常是高度可重復(fù)的。青銅或黃銅開始時(shí)，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(jì)劃工程師的電話，他在軌道上有一顆衛(wèi)星。一旦圍繞地球每轉(zhuǎn)一圈，系統(tǒng)就會(huì)停止工作。我問這是否發(fā)生在衛(wèi)星處于地球陰影下時(shí)，它會(huì)接近-200°C。當(dāng)然，答案是肯定的。通過在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上節(jié)省幾美元，他們有一顆1億美元的衛(wèi)星只能工作一半時(shí)間。可以想象，對(duì)衛(wèi)星的服務(wù)呼叫是棘手的，而且非常昂貴！
應(yīng)用說明：實(shí)驗(yàn)室
在實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正在解決一個(gè)問題 - 他們需要在低溫下操作機(jī)械組件。負(fù)載由曲柄臂驅(qū)動(dòng)，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(jié)果，他們需要加載速度恒定。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們需要一種能夠調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)速度和扭矩以在負(fù)載上產(chǎn)生恒定速度的電機(jī)系統(tǒng)。然而，電機(jī)的小物質(zhì)在24K的真空中運(yùn)行。
科學(xué)家們轉(zhuǎn)向Empire Magnetics，為他們提供無刷電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器，可以在360度旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置模式下操作。電機(jī)由選定的材料制成，可在室溫和24K下運(yùn)行，同時(shí)最大限度地減少真空除氣。作為實(shí)時(shí)伺服系統(tǒng)，控制器被編程為提供可變扭矩和恒定速度。電機(jī)組件的設(shè)計(jì)符合客戶要求。Empire Magnetics建造并運(yùn)輸了該裝置，據(jù)項(xiàng)目工程師按預(yù)期執(zhí)行。
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