Motori maxon per il funzionamento nel vuoto in condizioni estreme.

In collaborazione con la Instrument Design Technology (IDT), nel giro di pochi mesi maxon motor ha modificato un piccolo motore brushless fino a renderlo adatto al funzionamento nel vuoto nelle condizioni estreme presenti in un acceleratore di particelle (sincrotrone) situato nel Regno Unito.

L'acceleratore di particelle Diamond Light Source (DLS) nell'Oxfordshire inglese è sede dei più svariati progetti di ricerca: qui sono stati condotti studi sugli effetti delle sollecitazioni meccaniche sulle ali degli aerei così come sul comportamento del virus HIV, ed è stato persino possibile analizzare da vicino degli antichi rotoli di pergamena senza danneggiarli. All'interno del sincrotrone, un'infrastruttura di 45.000 m² di superficie concepita per l'analisi delle strutture molecolari, gli elettroni vengono accelerati fino a raggiungere un'energia pari a 3 (GeV) e vengono generati raggi fino a dieci miliardi di volte più luminosi di quelli del sole. Per evitare la perdita di elettroni causata dalla collisione con le molecole d'aria, l'intero processo avviene in condizioni di vuoto, con una pressione residua corrispondente a solo un miliardesimo della pressione atmosferica. La società Instrument Design Technology (IDT) con sede a Widnes, nell'Inghilterra nord-occidentale, rifornisce i principali impianti sincrotrone del mondo e vanta pertanto un ampio know-how in materia.

Le specifiche di Diamond prevedevano che nel monocromatore a doppio cristallo (DCM) utilizzato per la nuova linea B18 di spettroscopia a raggi X, l'importante asse di rotazione di Bragg fosse comandato da un motore DC maxon anziché dal tradizionale motore passo-passo. Paul Murray, direttore generale di IDT, dichiara in proposito: “L’obiettivo era quello di raggiungere una velocità di rotazione più elevata con una temperatura più ridotta del motore, e un funzionamento dell'azionamento più silenzioso rispetto al motore passo-passo impiegato in precedenza. I motori passo-passo sono generalmente piuttosto rumorosi, nonché fonte di vibrazioni. L'eliminazione di questi problemi avrebbe portato a un immediato miglioramento nelle prestazioni del DCM. Il nuovo motore doveva però anche funzionare perfettamente in un vuoto di 10-8 torr.” La IDT ha quindi incaricato Paul Williams, ingegnere capo del settore vendite di maxon motor UK, di collaborare alla soluzione del problema.

Il compito di realizzare una soluzione su misura per questa particolare applicazione rappresentava per i team maxon nel Regno Unito e in Svizzera una sfida importante, accettata fin da subito con entusiasmo. Maxon vanta del resto una lunga storia e numerosi successi nell'adattamento di motori ad alte prestazioni per settori di impiego altrettanto complessi, quali la tecnologia aerospaziale o la robotica chirurgica. Ogni fase del progetto viene seguita da ingegneri altamente esperti. Williams racconta: “Poiché all'interno del sincrotrone deve essere assolutamente mantenuto il vuoto, abbiamo dovuto analizzare con cura ogni singolo componente del motore e dell'intera struttura per individuare possibili fenomeni di degasificazione. La sfida consisteva per noi nel riuscire a sviluppare un motore brushless ad alte prestazioni resistente alle temperature elevate, senza utilizzare né adesivi, né materiali sintetici.”

Il punto di partenza per una soluzione customizzata adatta è stato l'EC 22 HD (Heavy Duty) di maxon. Progettato originariamente per l'impiego nella trivellazione di pozzi petroliferi sotto il livello del mare, questo motore brushless da 22 mm con il suo alloggiamento in acciaio inossidabile saldato a laser, predisposto per l'uso in un ampio range di temperature, soddisfaceva già numerosi requisiti propri dell'impiego in condizioni di vuoto. Come motore DC brushless, inoltre, offriva già di per sé caratteristiche di efficienza, silenziosità e comportamento di risposta superiori rispetto al motore passo-passo precedentemente utilizzato.

In fase di modifica dell'EC 22 HD per l'impiego nel sincrotrone, maxon motor ha dovuto tenere conto di numerosi fattori. Primo fra tutti, il comportamento termico. In condizioni di vuoto i motori non possono trasmettere il calore per convezione come di consueto e sono pertanto più esposti al rischio di surriscaldamento. Per questo è fondamentale scegliere un motore con un'elevata resistenza alle alte temperature. Nei limiti del possibile è inoltre opportuno disporre gli altri componenti in modo da consentire una dissipazione del calore per conduzione termica. Altrettanto importante è la scelta di un riduttore con un rapporto di trasmissione elevato. In condizioni di vuoto spinto di 10-7 torr e superiore, le giunzioni di materiali sintetici e adesivi rilasciano dei gas. Questo problema, detto “degasificazione”, causa una riduzione nelle prestazioni e potrebbe compromettere il vuoto nel sistema. Ogni componente del motore è stato testato singolarmente e modificato dove necessario. Poiché la necessità di evitare il rischio di degasificazione impediva di utilizzare gli adesivi abituali, il motore è stato assemblato prevalentemente mediante microsaldatura a laser.

Grazie all'esperienza accumulata nel corso dei progetti nel settore aerospaziale, gli ingegneri maxon sapevano già come i grassi leggeri usati comunemente nei cuscinetti dei motori reagiscono alle condizioni di bassa pressione. Sapevano che per questa applicazione doveva essere utilizzato un lubrificante altamente inerte, che non rischiasse di vaporizzarsi in presenza di vuoto spinto. Dovevano inoltre tenere conto di tutte le possibili conseguenze del cambio di lubrificante sulle proprietà di funzionamento e sulla durata di vita prevista del motore. Per escludere altre possibili fonti di degasificazione, i motori sono stati esposti per 24 ore a condizioni di vuoto controllato a una temperatura di 120 °C. Il modello EC 22 HD, già concepito per resistere a temperature di 200 °C, si è rivelato in queste circostanze come prodotto finale ideale.

Polvere nei fiocchi di neve

Il monocromatore a doppio cristallo con il suo motore EC di maxon realizzato su misura è ora operativo nella linea B18 di Diamond Light Source e offre quotidianamente i suoi servizi nell'ambito di importanti esperimenti scientifici. Un gruppo di studiosi italiani ha utilizzato la linea B18 per analizzare le polveri presenti in fiocchi di neve caduti circa 800.000 anni fa, all'epoca in cui i primi uomini fecero la loro comparsa sulla Terra. I campioni di perforazione analizzati, provenienti dall'Antartide, sono costituiti da strati di neve ghiacciata vecchi di centinaia di migliaia di anni. In essi sono contenute minuscole particelle di polvere, penetrate nei fiocchi di neve durante la loro caduta dal cielo, che forniscono oggi informazioni fondamentali relative al clima, all'atmosfera e alle attività vulcaniche in corso sulla Terra in quella lontana era. Con l'ausilio della spettroscopia XAS (spettroscopia di assorbimento dei raggi X), i ricercatori sono stati in grado di analizzare la composizione minerale della polvere, di risalire alla sua origine e di trarre conclusioni sulle variazioni nei modelli climatici globali verificatesi nel corso di diverse centinaia di migliaia di anni.

 © maxon motor ag

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