Voor vacuüm geschikte maxon motoren onder extreme omstandigheden.

In samenwerking met Instrument Design Technology (IDT) ontwikkelde maxon motor binnen enkele maanden een gemodificeerde borstelloze motor zodanig dat deze voor gebruik in vacuüm onder extreme omstandigheden in de Diamond Light Source deeltjesversneller (synchrotron) in Groot-Brittannië geschikt was. 

De gemodificeerde EC 22 HD maxon-motor in de deeltjesversneller DLS. © Diamond Light Source

1/2

In de deeltjesversneller Diamond Light Source (DLS) in het Britse Oxfordshire worden verschillende researchprojecten uitgevoerd. Zo wordt de uitwerking van de belasting van vliegtuigvleugels hier onderzocht, evenals de eigenschappen van het HI-virus en zelfs historische perkamentrollen zijn onder de loep genomen zonder deze te beschadigen. Het synchrotron beslaat 45.000 vierkante meter. Hier worden voor het onderzoek naar moleculaire structuren elektronen tot 3 giga-elektronvolt (GeV) versnelt en lichtstralen gegenereerd die tot tien miljard keer helderder stralen dan de zon. Om verlies van elektronen door botsing met luchtmoleculen te voorkomen, wordt het gehele proces uitgevoerd in een vacuüm waarin slechts een miljardste van de atmosferische druk heerst. De onderneming Instrument Design Technology (IDT) uit Widnes in Noord-West-Engeland levert de toonaangevende synchrotroninstallaties wereldwijd en beschikt over de benodigde knowhow.

Overeenkomstig de instructies van Diamond moest de voor de nieuwe röntgenspectroscopiestraallijn B18 gebruikte dubbelkristalmonochromator (DCM) de belangrijke Bragg-rotatieas - in plaats van zoals gebruikelijk door een maxon DC stappenmotor - aandrijven. Paul Murray, bedrijfsleider van IDT, licht toe: ”Wij wilden hogere toerentallen bereiken bij geringere motortemperatuur en een rustigere loop van de aandrijving dan met de tot nu toe gebruikte stappenmotor. Stappenmotoren zijn minder stil en veroorzaken vaak ook trillingen. Het oplossen van deze problemen verbeterde de resultaten van de DCM onmiddellijk. De nieuwe motor moet dan in een vacuüm met 10-8 torr foutloos functioneren.” IDT nodigde Paul Williams, de leidende verkoopingenieur van maxon motor UK, uit om te helpen bij het oplossen van dit probleem.

Ontwikkeling van een borstelloze, hittebestendige hoogvermogen motor

Deze op maat gemaakte oplossing vormde voor de maxon-teams in Groot-Brittannië en Zwitserland een uitdaging die ze graag aannamen. maxon heeft immers veel ervaring in klantspecifieke aanpassingen bij hoogvermogenmotoren. Elke projectfase wordt begeleid door ervaren ingenieurs. Williams licht toe: “Omdat het vacuüm in het synchrotron niet mag worden beïnvloed, moesten we elke afzonderlijke component van de motor en de constructie op eventuele ontgassing analyseren. De uitdaging voor ons was de ontwikkeling van een borstelloze  hittebestendige motor zonder kleefmiddelen enzonder kunststof.”

Het uitgangspunt voor deze klantspecifieke oplossing was de EC 22 HD (Heavy Duty) van maxon: een borstelloze 22-mm-motor met lasergelaste behuizing van roestvaststaal en grote temperatuurbereik. Met deze basiskwalificaties voldeed de motor al aan veel eisen voor het gebruik in een vacuümomgeving. Als borstelloze DC-motor is hij van huis uit efficiënter, geluidsarmer en reageert hij beter dan de eerder gebruikte stappenmotor.

Bij de modificatie van de EC 22 HD voor gebruik in het synchrotron moest maxon motor met talrijke factoren rekening houden. De eerste waren de warmte-eigenschappen. In een vacuüm kunnen motoren de warmte niet zoals gebruikelijk door convectie afvoeren en ze kunnen daardoor sneller oververhitten. Daarom is het belangrijk om een motor met een hoge temperatuurverdraagzaamheid te selecteren en moeten componenten zodanig worden gepositioneerd dat de temperatuur via warmtegeleiding kan worden gereduceerd. In een ultrahoogvacuüm van 10-7 torr en meer, ontgassen verbindingen van materialen als kunststof en kleefmiddelen. Dit leidt tot vermogensbeperkingen en beïnvloeding van het vacuüm. Elk component van de motor werd daarom afzonderlijk getest en indien nodig verbeterd. Vanwege eventuele ontgassing konden de gebruikelijke kleefmiddelen niet worden gebruikt en werd gebruik gemaakt van micro-laserlasverbindingen.

Door onze ervaring in lucht- en ruimtevaart wisten de maxon ingenieurs al hoe de in de motorlagers normaal gebruikte lichte vetten op lagedrukomstandigheden reageren. Daarom moest een extreem inert smeermiddel worden gebruikt waarbij onder hoogvacuümomstandigheden geen emissies ontstaan – en bovendien moest met de hierbij optredende veranderingen van de functionele eigenschappen en de beoogde levensduur van de motor rekening worden gehouden. Om nog overgebleven bronnen van gasemissies te elimineren, werden de motoren onder gecontroleerde vacuümomstandigheden gedurende 24 uur bij 120 °C blootgesteld. De voor temperaturen tot 200 °C ontworpen EC 22 HD bleek daarbij een optimale start..

Stof in sneeuwvlokken

De dubbelekristal-monochromator met zijn op maat gemaakte maxon EC-motor wordt nu actief gebruikt in de straallijn B18 van Diamond Light Source als ondersteuning van belangrijke experimenten. Zo gebruikte een groep Italiaanse wetenschappers deze straallijn om stof in sneeuwvlokken te onderzoeken die ca. 800.000 jaar geleden gevallen zijn – ongeveer de tijd van de eerste menselijke wezens op aarde. Uit het antarctische ijs zijn monsters geboord die bestaan uit lagen van bevroren sneeuw die honderdduizenden jaren oud zijn. De minuscule stofdeeltjes die werden ingesloten toen de sneeuw viel, bevatten belangrijke informatie over het klimaat, de atmosfeer en vulkanische activiteiten op aarde gedurende deze periode. Met behulp van röntgenabsorptie-spectroscopie konden de onderzoekers de minerale samenstelling van het stof onderzoeken, de oorsprong ervan vaststellen en conclusies trekken over klimaatveranderingen over een periode van honderdduizend jaren.