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Vakuumtaugliche maxon-Motoren für extreme Bedingungen.
In wenigen Monaten modifizierte maxon motor in Kooperation mit Instrument Design Technology (IDT) einen kleinen, bürstenlosen Motor so, dass er für den Vakuumeinsatz unter den extremen Bedingungen in einem Teilchenbeschleuniger (Synchrotron) in Grossbritannien einsatzbereit wurde.
Im Teilchenbeschleuniger Diamond Light Source (DLS) im britischen Oxfordshire werden verschiedenste Forschungsprojekte durchgeführt. Die Auswirkung der Belastung von Flugzeugtragflächen wurde hier genauso untersucht wie das Verhalten des HI-Virus, und selbst historische Pergamentrollen wurden hier unter die Lupe genommen, ohne sie zu beschädigen. Im Synchrotron mit seinen 45'000 Quadratmetern werden zur Untersuchung von Molekularstrukturen Elektronen bis auf 3 Gigaelektronenvolt (GeV ) beschleunigt und Lichtstrahlen generiert, die bis zu zehn Milliarden mal heller strahlen als die Sonne. Damit die Elektronen nicht durch Kollision mit Luftmolekülen verlorengehen, findet der gesamte Prozess in einem Vakuum statt, in dem nur ein Milliardstel des atmosphärischen Drucks herrscht. Das Unternehmen Instrument Design Technology (IDT) aus Widnes in Nordwestengland beliefert die führenden Synchrotron-Anlagen der Welt und hat demensprechendes technologisches Know-how.
Nach den Vorgaben von Diamond sollte der für die neue Röntgenspektroskopie-Strahllinie B18 verwendete Doppelkristall-Monochromator (DCM) die wichtige Bragg-Rotationsachse statt wie üblich per Schrittmotor über einen maxon DC-Motor antreiben. Paul Murray, Geschäftsführer von IDT, erklärt dazu: "Wir wollten höhere Drehzahlen erreichen bei geringerer Motortemperatur und grösserer Laufruhe im Antrieb, als es mit dem bisher verwendeten Schrittmotor der Fall ist. Schrittmotoren sind generell laut und oft auch Vibrationsquellen. Die Beseitigung dieser Probleme würde die Ergebnisse des DCM sofort verbessern. Der neue Motor musste jedoch in einem Vakuum mit 10-8 Torr fehlerfrei funktionieren." IDT engagierte Paul Williams, den leitenden Verkaufsingenieur von maxon motor UK, um bei der Lösung des Problems behilflich zu sein.
Entwicklung eines bürstenlosen 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 maxon 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.
Bei der Modifizierung des EC 22 HD für den Einsatz im Synchrotron musste maxon motor 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 Über-setzung. Im Hochvakuum von 10-7 Torr und mehr gasen Verbindungen aus Materialien wie Kunststoffen und Klebstoffen aus. Dieses Problem, das sogenannte 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 maxon-Ingenieure, wie die in Motorlagern normalerweise verwendeten Leichtfette auf Niederdruckbedingungen reagieren. Daher musste ein extrem reaktionsträges Schmiermittel verwendet werden, dass es 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 maxon 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 winzige 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.
© maxon motor uk ltd