低温电机及其应用的四个关键问题

通常人们不会考虑低温情况下的电机或运动控制，但有许多情况需要在非常低的温度下进行运动。例如，用于火箭发动机的携带液化气体（如氢气和氧气）的燃料阀不仅必须能够打开和关闭，而且还必须能够在低温下调节流量。质量控制工程师需要能够复制太空环境，以确保为卫星设计的设备在进入太空之前能够可靠地运行。同样，使用过冷设备捕获恒星光谱图像的天文台需要扫描仪和其他具有复杂控制系统的设备，这些设备至少部分在低温条件下运行。

与所有运动控制问题一样，有必要在覆盖环境项目之前定义基本要求：负载质量、运动速度、总行程、加速度、位置精度和速度控制是其中的几个任何运动控制应用程序都必须回答的问题。对于低温应用，还有几个额外的关键问题。

1. 工作温度和非工作温度之间的范围是多少？

由于大多数应用程序都受到尺寸和重量的限制，因此指定要在其中工作的可用参数非常重要。 电机在正常温度范围内运行，但设备在不运行时可能会受到低温的情况，并不意味着标准电机即使在升温时也能按预期运行。 受温度循环影响的金属会经历相变，并且它们也会释放应力，这两者都会导致翘曲和其他尺寸变化。 即使电机从未开启，结果也可能是故障。 为了避免这种情况，有必要对零件进行粗加工，消除应力，然后加工成最终尺寸。 如果从一台完成的电机开始，这个过程是不切实际的； 取而代之的是，为了成功，必须考虑整个构建的每个组件和每个步骤。

由于金属在低温下会变脆，因此我们认为理所当然的事情并不总是有效：-250°C 时齿轮齿的断裂点是多少？电机扭矩是否足以在低温下折断轴？为了解决强度损失的问题，电机或齿轮设计者通常会通过添加更多材料来使物品变大。然而，重量对于空间应用来说是一项昂贵的项目，因此挑战变得更加复杂。另一个考虑因素是通常灵活的物品，如弹簧，变得不那么灵活；在某些情况下，它们会破裂而不是像预期的那样弯曲，或者它们需要更大的力才能在低温下弯曲。

一个主要的设计问题是材料在温度范围内膨胀或收缩的差异。例如，铜的收缩速度比钢快。随着温度下降，如果电机绕组像往常一样紧紧缠绕，电线可能会在某些时候折断、缩颈或简单地切开绝缘层以与铁结构短路，从而导致故障仅由于低温度。

2. 温度变化率是多少？

热膨胀系数 (CTE) 很重要，但发生热传递的速率也会影响电机。一个例子是将磁铁粘合到转子上的环氧树脂。环氧树脂的 CTE 与两种金属不同，但热传递速率也不同，因此加热装置过快会导致将电机固定在一起的粘合剂断裂。通常，我们将温度变化率限制为每分钟 10°C 作为最大值。

另一个受温度影响的项目是轴承类型和润滑。真空应用中使用的典型润滑脂不适用于低温应用。真空润滑脂，在 -60°C 左右变得非常坚硬，在 -90°C 时是必不可少的固体。当您在 -249°C 或 24K 条件下拍摄时，这种方法显然行不通。另一种选择是干膜润滑——二硫化钼是一种常见的干润滑材料，但还有其他几种。虽然所有干式润滑油材料不尽相同，但轴承的具体结构和应用方法对轴承寿命的影响比材料选择更大。

3. 设备会处于真空状态，还是会结冰？

大多数情况下，电机系统在真空中运行。在这种情况下，需要定义真空度，并需要指定除气或颗粒控制的需要。与在管道上操作阀门相比，将电机靠近天基望远镜上的光学器件需要不同的小心程度。

然而，水冰并不是冰的唯一形式。一些气体在可能高于系统工作温度的温度下变成固体。充满二氧化碳的腔室会在 -56°C 形成冰，如果冷却剂是 -196°C 的液氮，则很容易达到这个温度。除了简单地用固体冰堵塞机械装置外，某些材料还会引起腐蚀或污染其他东西，例如干润滑。

4. 系统的预期寿命是多少？

运行寿命为 6 秒的火箭与期望运行寿命为 20 年的太空任务需要不同的技术答案。重要的是要了解，没有一种商用现成电机会在低温条件下长时间运行——材料选择错误、金属没有消除应力、绕组绝缘不当并且通常会放气。材料的 CTE 不兼容，设计它们的人试图弄清楚如何再节省 0.001% 的生产成本以提高利润。