Vakuumtaugliche Motoren für extreme Bedingungen

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Entwicklung eines hitzeresistenten Hochleistungsmotors

Die Schaffung einer massgeschneiderten Lösung stellte für die Maxon-Teams in Grossbritannien und der Schweiz eine Herausforderung dar, der sie sich begeistert stellten. Schliesslich blickt der Antriebsspezialist aus Sachseln auf eine lange Geschichte und viele Erfolge in der Anpassung von Hochleistungsmotoren für solch anspruchsvolle Einsatzgebiete wie Raumfahrt und chirurgische Robotik zurück. Jede Projektphase wird von erfahrenen Ingenieuren betreut. Williams erklärt: «Da das Vakuum im Synchrotron nicht beeinträchtigt werden darf, mussten wir jedes einzelne Bauteil des Motors und der Konstruktion auf mögliche Ausgasungen analysieren. Die Herausforderung für uns bestand in der Entwicklung eines bürstenlosen Hochleistungsmotors ohne Klebstoffe, ohne Kunststoff und mit einer extrem hohen Temperaturbeständigkeit.»

Der Ausgangspunkt für die kundenspezifische Lösung war der EC 22 HD (Heavy Duty) von Maxon. Obwohl er ursprünglich für den Einsatz in der Ölförderung unter dem Meeresspiegel entwickelt wurde, erfüllte der bürstenlose 22-mm-Motor mit seinem lasergeschweissten Gehäuse aus rostbeständigem Stahl und grossem Temperaturbereich bereits eine Vielzahl der Anforderungen für den Einsatz im Vakuum. Als bürstenloser DC-Motor ist er von Haus aus effizienter, leiser und verfügt über ein besseres Ansprechverhalten als der vorher verwendete Schrittmotor.

Schweissen statt kleben

Bei der Modifizierung des EC 22 HD für den Einsatz im Synchrotron musste Maxon zahlreiche Faktoren berücksichtigen. Der erste davon war das Wärmeverhalten. In einem Vakuum können Motoren die Wärme nicht wie üblich durch Konvektion abgeben und sind dadurch anfälliger gegen Überhitzen. Daher ist es wichtig, einen Motor mit einer hohen Temperaturverträglichkeit auszuwählen. Nach Möglichkeit sollten andere Komponenten so platziert werden, dass über Wärmeleitung eine Temperaturabgabe erfolgen kann. Ebenfalls von grundlegender Bedeutung war ein Getriebe mit hoher Übersetzung. Im Hochvakuum von 10-7 Torr und mehr gasen Verbindungen aus Materialien wie Kunststoffen und Klebstoffen aus. Dieses Problem, das Ausgasen, führt zu Leistungseinbussen und würde das Vakuum beeinträchtigen. Jedes Bauteil des Motors wurde daher einzeln geprüft und bei Bedarf verbessert. Aufgrund der Gefahr des Ausgasens konnten die üblichen Klebstoffe nicht verwendet werden. So wurde der Motor zum grössten Teil durch Mikro-Laserschweissen zusammengefügt.

Von der Arbeit an Projekten in der Luft- und Raumfahrt wussten die Ingenieure, wie die in Motorlagern normalerweise verwendeten Leichtfette auf Niederdruckbedingungen reagieren. Daher musste ein extrem reaktionsträges Schmiermittel verwendet werden, welches unter Hochvakuumbedingungen nicht ausdampft – und zusätzlich mussten die damit einhergehenden Veränderungen bei den Betriebseigenschaften und der vorgesehenen Laufzeit des Motors in Betracht gezogen werden. Um noch vorhandene Quellen für Ausgasungen zu eliminieren wurden die Motoren unter kontrollierten Vakuumbedingungen 24 Stunden lang bei 120 °C ausgesetzt. Der bereits auf Temperaturen von 200 °C ausgelegte EC 22 HD erwies sich daher als ideales Ausgangsprodukt.

Staub in Schneeflocken

Der Doppelkristall-Monochromator mit seinem massgeschneiderten EC-Motor befindet sich nun im aktiven Einsatz in der Strahllinie B18 von Diamond Light Source und verrichtet täglich seinen Dienst bei wichtigen Experimenten. Eine Gruppe italienischer Wissenschaftler nutzte diese Strahllinie B18, um den Staub in Schneeflocken zu untersuchen, die vor rund 800 000 Jahren gefallen sind – ungefähr zu der Zeit, als die ersten menschlichen Wesen auf der Erde auftauchten. Bohrkerne aus dem antarktischen Eis bestehen aus Schichten von gefrorenem Schnee, die Hunderttausende von Jahren alt sind, und winzigen Staubteilchen, die eingeschlossen wurden, als der Schnee vom Himmel fiel, enthalten grundlegende Informationen zum Klima, der Atmosphäre und vulkanischen Aktivitäten auf der Erde zu dieser Zeit. Mithilfe der Röntgenabsorptionsspektroskopie konnten die Forscher die mineralische Zusammensetzung des Staubs untersuchen, seinen Ursprung ermitteln und Rückschlüsse auf die Änderungen in globalen Klimamustern über mehrere Hunderttausend Jahre ziehen. <<

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