Lösung von 4 Herausforderungen an Schrittmotoren für die Raumfahrt

Die raue Umgebung von Vakuum und Mikrogravitation stellt eine Herausforderung für Komponenten dar und erfordert Fähigkeiten, die auf der Erde nicht üblich sind. Dies gilt insbesondere für Bewegungssteuerungssysteme, deren Hauptfunktion die Bewegung ist. Motoren benötigen zum Betrieb viel Strom, können übermäßige Hitze erzeugen, unerwünschte Vibrationen verursachen und Verunreinigungen erzeugen.

Die Bekämpfung dieser Probleme ist mit Kosten verbunden. Höhere Stromanforderungen erfordern größere Stromsysteme, die mehr Wärme erzeugen, und erfordern größere Kühlsysteme. Dies kann zu unerwünschten Vibrationen führen, die robustere Dämpfungssysteme erfordern, und Verunreinigungen können zu Schäden an Instrumenten und anderen Bordkomponenten führen. Zusätzliche Komplexität kann zu Komponenten- oder Systemausfällen führen, was bei Raumfahrtanwendungen nicht akzeptabel ist. Es ist wichtig, mit einem Unternehmen wie Lin Engineering zusammenzuarbeiten, das Erfahrung mit den Anforderungen der Raumfahrt hat und Hybrid-Schrittmotoren entwickelt, die für den Einsatz in rauen Umgebungen und den damit verbundenen Problemen der Bewegungssteuerung im Weltraum ausgelegt sind. Die Motoren werden gemäß den AS9100-Standards zusammengebaut, wobei der Ursprung jeder Komponente zurückverfolgt wird, um eine strenge Kontrolle von der Herstellung bis zum Endprodukt sicherzustellen.

Um die Herausforderungen anzugehen:

Bei Raumfahrtanwendungen ist die Leistung von entscheidender Bedeutung – jedes Watt, das durch ein nicht optimiertes System verschwendet wird, kostet wertvolle Ressourcen. Die Optimierung des Stromverbrauchs umfasst die Anpassung der Motorwicklungen, um ein dynamisches Spitzendrehmoment bei der gewünschten Betriebsgeschwindigkeit zu liefern. Dies erfordert die ordnungsgemäße Integration hochpräziser Komponenten, wie z. B. Rotoren mit geringer Trägheit und hohem Wirkungsgrad. Abhängig von der Anwendung passen Ingenieure jeden Motor so an, dass er die erforderliche Leistung liefert und gleichzeitig Leistungsbeschränkungen im System berücksichtigt. Mithilfe proprietärer, bewährter Algorithmen optimiert Lin Engineering Drehmoment und Drehzahl, Geräuschreduzierung, Wärmeerzeugung oder -verlust sowie Leistungsoptimierung.

Zwei kritische Temperaturprobleme, die sich auf Hybrid-Schrittmotoren im Weltraum auswirken, sind der Temperaturbereich und die erzeugte Wärmemenge. Satelliten und andere Raumfahrzeuge arbeiten bei extremen Temperaturen und erfordern robuste Designs für extern montierte Systeme.

Hitze beeinflusst beispielsweise die Stärke der im Rotor eingebetteten Magnete. Mit zunehmender Wärme nimmt die Motorleistung ab. Eine Lösung – Permanentmagnete. Sie bestehen aus Seltenerd-Samarium-Kobalt- oder Neodym-Legierungen und bieten eine größere Magnetkraft bei höheren und niedrigeren Temperaturen.

Hitze wirkt sich auch auf die Lebensdauer der in Motoren verwendeten Lager aus und verkürzt die Lebensdauer des gesamten Systems. Die Verwendung von Lagern mit Fett, das Temperaturen von -80 °C bis 200 °C standhält, einschließlich Trockenschmierung oder Nichtschmierung, ist erforderlich. Es können auch Hochtemperaturlager ohne Ausgasung konstruiert werden.

Die vom Motor erzeugte übermäßige Wärme kann ein Problem darstellen, da in einer Vakuumumgebung keine Atmosphäre vorhanden ist, um die Wärme vom Motor oder Fahrzeug abzuleiten. Auf der Erde leitet die Luft die erzeugte Wärme vom Schiff weg, aber im Weltraum erfordert die Ableitung der Wärme andere Methoden, die dem Raumschiff oder Satelliten oft unerwünschtes Gewicht, erhöhte Masse und unnötige Baukomplexität verleihen. Darüber hinaus kann die von einem Schrittmotor erzeugte Wärme benachbarte Instrumente und Komponenten beeinträchtigen, insbesondere in isolierten Bereichen. Um die Wärme zu reduzieren, optimieren Sie die Wicklung des Schrittmotors. Durch den Einbau von Leiterbahnen mit wärmeleitenden Materialien wird die Wärmeableitung zwischen dem Isolator (Kleber) und den Motorendglocken gewährleistet und so das Temperaturmanagement unterstützt.

Der Start eines Raumfahrzeugs in die Umlaufbahn ist heftig, da die Komponenten Vibrationen mit hoher und niedriger Amplitude sowie Stößen aus mehreren Richtungen ausgesetzt sind. Darüber hinaus erzeugen Schrittmotoren im normalen Betrieb Vibrationen.

Durch die Optimierung der Motorwicklungen wird die Resonanzfrequenz minimiert, die sich bei bestimmten Betriebsgeschwindigkeiten entwickelt. Durch die Verwendung von Komponenten, die mit hoher Konzentrizität und Maßgenauigkeit bearbeitet werden, wird sichergestellt, dass Rotoren oder Wellen keine unerwünschten Vibrationen in das System einleiten.

Im Weltraum müssen Vibrationen vermieden werden, da sie die Sensoren und Instrumente an Bord beeinträchtigen können. Geringe Schwingungen können die Qualität von Messsensoren und Bildgebungsgeräten beeinträchtigen. Da sich das Raumschiff oder der Satellit im Weltraum befindet, wo keine Energie übertragen werden kann, ist die Dämpfung von Vibrationen eine Herausforderung. Jeder für den Weltraum konzipierte Schrittmotor erfordert eine strukturelle Integrität des Materials, um die erwarteten Kräfte bewältigen zu können, ohne die Maßhaltigkeit oder mechanische Integrität zu beeinträchtigen.

Auf mikroskopischer Ebene sind Gase und Flüssigkeiten in Farben, Beschichtungen, Fetten und Materialien eingeschlossen. Im Vakuum des Weltraums können sich diese im Motor eingeschlossenen Gase ausdehnen oder kondensieren und Flüssigkeiten verdampfen, wodurch unerwünschte Verunreinigungen in die Umgebung gelangen. Wenn sich diese Verunreinigungen auf bildgebenden Sensoren oder Messgeräten festsetzen, können sie die Gesamtleistung beeinträchtigen oder diese unbrauchbar machen.

Motoren können so konstruiert werden, dass die Ausgasung minimiert wird, wenn alle Schrittmotorkomponenten – Endkappen, Stator, Rotor, Schrauben – aus Materialien mit geringer Ausgasung hergestellt werden. Die meisten Komponenten der Motoren bestehen aus Metalllegierungen, die ohne Lackierung für den Einsatz im Vakuum ausgelegt sind. Kunststoffmaterialien sollten aus nicht ausgasendem Polyamid oder Nylon bestehen. Es sind auch abgedichtete Lager erhältlich, die mit ausgasungsarmen Schmierstoffen gefüllt sind. Alle Komponenten werden gründlich gereinigt und vakuumgebacken. Anschließend wird jeder Schrittmotor in einem Reinraum zusammengebaut und vakuumversiegelt, um eine Kontamination zu verhindern. Verwenden Sie zum Korrosionsschutz spezielle vakuum- und weltraumtaugliche Beschichtungen für Eisenteile oder Aluminium.

Die Gewährleistung der Langlebigkeit von Komponenten, die in den Weltraum fliegen, ist ein Faktor des Zeit- und Arbeitsaufwands, der in die ordnungsgemäße Konstruktion der Komponenten und deren Endmontage unter Verwendung modernster Materialien, die in einer Reinraumanlage hergestellt werden, investiert wird. Raumfahrt- und Satellitenanwendungen erfordern ein ausgeprägtes Gespür für die Probleme, die mit ihrer Betriebsumgebung verbunden sind. Lin Engineering, das kundenspezifische Motoren für verschiedene Anwendungen bereitgestellt hat, verfügt über das Fachwissen, einen Schrittmotor für jede raue Umgebung, einschließlich des Weltraums, zu entwickeln.

Lin Engineering Inc.http://www.linengineering.com

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