Motores maxon aptos para vacío y para condiciones extremas.

En pocos meses de cooperación con Instrument Design Technology (IDT). maxon motor modificó un pequeño motor brushless y lo hizo apto para aplicaciones en vacío para las condiciones extremas que reinan en un acelerador de partículas (sincrotrón) en Gran Bretaña.

El acelerador de partículas Diamond Light Source de Oxfordshire, Gran Bretaña, se emplea para los más diversos proyectos de investigación. Aquí se investigaron los efectos de los esfuerzos mecánicos mecánicas sobre las alas de los aviones o el comportamiento del virus HIV y se examinaron a fondo históricos rollos de pergamino sin dañarlos. Con fines de investigación de estructuras moleculares, en el sincrotrón de 45 000 m² se aceleran los electrones hasta 3 gigaelectronvoltios (GeV) y se generan rayos diez mil millones de veces más brillantes que la luz del sol. Para no perder electrones por colisión con moléculas de aire, todo el proceso tiene lugar en condiciones de vacío, con una presión de apenas una milmillonésima de la presión atmosférica. La empresa Instrument Design Technology (IDT) afincada en Widnes, noroeste de Inglaterra, suministra los sistemas sincrotrón líderes en el mundo y posee el correspondiente know-how tecnológico.

Según las especificaciones de Diamond, en el monocromador de doble cristal (DCM) empleado para la nueva línea B18 de espectroscopia de rayos X, el importante eje de rotación Bragg debería moverlo un motor CC de maxon en lugar de un motor paso a paso, que era lo habitual. Paul Murray, Director Ejecutivo de IDT, nos explica: “Queríamos disponer de altas velocidades de giro a bajas temperaturas del motor y una estabilidad de marcha más suave en la transmisión que la del motor paso a paso utilizado hasta la fecha. Los motores pasos a paso suelen ser ruidosos y, con frecuencia, también una fuente de vibraciones. Subsanando estos problemas se mejorarían inmediatamente los resultados del DCM. En todo caso, el nuevo motor tendría que funcionar sin errores en condiciones de vacío de 10-8 Torr.” IDT encargó a Paul Williams, Ingeniero Comercial Jefe de maxon motor UK, que les ayudase a solucionar el problema.

Desarrollo de un motor brushless de altas prestaciones resistente al calor
La creación de una solución a la medida fue para los equipos británico y suizo de maxon un gran desafío que aceptaron con entusiasmo. No en vano maxon acredita una larga trayectoria repleta de éxitos en la adaptación de motores de altas prestaciones para semejantes campos de aplicación tan exigentes como la robótica quirúrgica y el sector aeroespacial. Cada fase del proyecto se encomienda a experimentados ingenieros. Williams comenta: “Como el vacío reinante en el sincrotrón no debía sufrir ningún menoscabo, tuvimos que analizar posibles desgasificaciones en cada componente del motor sin escobillas y de su diseño. Nuestro desafío consistía en desarrollar un motor dc brushless de altas prestaciones sin utilizar adhesivos ni plásticos y a prueba de temperaturas extremadamente altas.”

El punto de partida para la solución específica del cliente fue el modelo EC 22 HD (Heavy Duty) de maxon. Aunque este se desarrolló originalmente para la extracción de petróleo submarina, el motor brushless de 22 mm cumplía ya numerosos requisitos de utilización bajo condiciones de vacío gracias a su carcasa soldada por láser hecha de acero inoxidable y su amplio rango de temperaturas de uso. Como motor dc sin escobillas es de por sí más eficaz, más silencioso y con un mejor comportamiento de respuesta que el motor paso a paso que se venía empleando.

A la hora de modificar el EC 22 HD para integrarlo en el sincrotrón, maxon motor tuvo que tener en cuenta numerosos factores. El primero de ellos fue el comportamiento térmico. En condiciones de vacío los motores dc no pueden disipar el calor por convección como es habitual, con lo que están más expuestos a sufrir sobrecalentamiento. Por tanto, es importante elegir un motor brushless que soporte bien las altas temperaturas. Los demás componentes deberían colocarse, en la medida de lo posible, de forma favorable para disipar el calor por conducción térmica. Un reductor con alta relación de transmisión era asimismo un criterio fundamental.

En condiciones de alto vacío del orden de 10-7 Torr se desgasifican las uniones de materiales tales como plásticos y adhesivos. Este problema, conocido como desgasificación, provoca pérdidas de prestaciones en alto vacío. Cada componente del motor brushless tuvo, por tanto, que comprobarse y adecuarse por separado. El peligro de desgasificación hacía imposible utilizar los adhesivos habituales. El motor se ensambló mayoritariamente mediante microsoldaduras por láser.

Por su experiencia en aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales, los ingenieros de maxon sabían ya cómo suelen reaccionar frente a condiciones de baja presión las grasas ligeras empleadas en los rodamientos de los motores dc. Estaban obligados a utilizar un lubricante lo más inerte posible que no se desgasificase ni siquiera en condiciones de vacío extremas, sin olvidar la variación que ello podría provocar en las propiedades de uso y en la previsión de la vida útil del motor dc. Para descartar toda fuente de desgasificación, los motores brushless se sometieron durante 24 horas a condiciones de vacío controladas a 120°C de temperatura. El modelo EC 22 HD, concebido para temperaturas de 200 °C, demostró ser el producto ideal como punto de partida.

Polvo en los copos de nieve

El monocromador de doble cristal con su motor EC maxon hecho a medida se encuentra actualmente en activo en la línea B18 de Diamond Light Source y cumple diariamente con su cometido en importantes experimentos. Un grupo de científicos italianos utilizó la línea B18 para examinar el polvo contenido en copos de nieve de 800 000 años atrás, la época en que aparecieron los primeros seres humanos en la tierra. Las muestras de perforación del hielo antártico constan de capas de nieve congelada de cientos de miles de años de antigüedad que contienen minúsculas partículas de polvo atrapadas en la nieve al caer esta. Las mismas revelan informaciones fundamentales relativas al clima, la atmósfera y la actividad volcánica del planeta en aquella época. Con ayuda de la espectroscopia de absorción de rayos X, los investigadores pueden examinar la composición mineral del polvo, determinar su origen y llegar a conclusiones sobre los cambios climáticos mundiales a lo largo de varios cientos de miles de años.

 © maxon motor ag

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