航空制造需求驱动新的低温真空电机制造技术

标准电机的额定工作环境温度在50摄氏度到-20摄氏度之间，这满足了大多数用途，有些应用要求电机在高于或低于标准电机允许的温度范围内工作，在这些温度范围之外的任何地方操作标准电机都会导致性能不佳。通常情况下，环境温度降至约 -20℃ [4℉]时无需进行任何修改。对于低于此温度的环境，首先要考虑的是润滑，对于润滑脂润滑的轴承，确保润滑脂适合周围环境。当环境温度降至-25℃[-13℉]以下时，必须额外考虑制造过程中使用的材料类型。

最常见的材料变化是风扇、轴、框架和端部支架，风扇可能需要从塑料改为钢或磷青铜。轴材料可能会从标准材料（如AISI1040）改为高强度合金（如AISI4140）。由于灰铸铁在低环境条件下的脆性，铸铁框架和端部支架通常会从灰铸铁改为球墨铸铁，根据标准材料和应用情况，需要在-25℃和-60℃[-13℃和-60℃之间的不同环境范围内进行这些材料变化。

低温电机的选择

低温和真空条件使电机的选择成为一个难题，主要有两种选择：步进电机或直流伺服电机，步进电机有一定数量的相位，通常从2到5，当控制器以协调的方式给不同的相位组合通电时，它们会分步移动。这会产生电机轴的半连续运动。只有一个独特的同步速度，将允许继续运动。这种电机可以利用来自控制器的步进信号提供定位反馈，但不能直接从电机的实际位置提供定位反馈。

步进电机在低温领域得到了广泛的应用，有一些制造商专门制造用于真空和低温条件的电机，它们非常昂贵，一些仪器开发商购买高质量的步进电机，并为低温操作做好准备用抛光的金属表面代替铸造零件，以防止挥发，并将轴承更换为特殊的干式低温轴承，其成本降低可以降低到原来的十分之一。

低温电机驱动器

目前有两种主要类型的驱动器在低温下使用，一种是有一个驱动源位于低温环境之外。它具有高输出功率，但执行器系统需要很大的空间，这使得它很难维持极端的环境条件。另外一种执行器很小，完全位于低温环境中，它被用于微定位工作台，但应用有限。

直流伺服电机基本上以控制器施加的电压的函数速度旋转，在这种情况下，位置未知，需要光学编码器或其他定位设备来确定驱动器的位置，这方面在低温条件下尤其困难，因为光学编码器和感应传感器在这种环境下不能很好地工作。

另一个需要考虑的重要因素是步进电机的转矩是运行速度和温度的函数，电机的运行速度越快，其传递的扭矩就越小。此外，冷操作会降低电机的扭矩。控制器或电机上的相位损失导致转矩从标称值A减小，从而导致阶跃损失，尽管有一个良好的校准驱动器，因此导致阶跃计数定位错误。步进电机与反馈旋转变压器相结合，以满足应用的独特要求，这两个装置都被安置在一个奇特的镍铬钢合金框架中，用于抗热应力和尺寸稳定性。由于旋转变压器元件与电机元件的相似性，反馈系统选用旋转变压器技术。

润滑和绝缘材料挥发

第一个问题是润滑和绝缘材料在低压下挥发，第二个问题与电机材料在极低温度下的性能有关，大的温度变化、低温脆性和不同材料收缩率的应力会降低由传统材料制造的电机的结构完整性。为了减少低温挥发，绝缘材料由选定的聚合物制成，磁铁和引线材料经过仔细指定，以避免挥发或断裂，通常用于制造电机的粘合剂被热膨胀系数接近相邻钢构件的粘合剂取代。

AlNiCo（铝-镍-钴）磁体的选择有利于稀土组合，因为AlNiCo在低温下能更好地保持磁性，使用干膜润滑的不锈钢滚珠轴承也是出于同样的原因。所有机加工金属零件均应力消除，其结果是一种设计，可以在低温下，在真空室的限制下运行，而不会蒸发电机的材料。

金属部件的收缩和非金属部件的硬化是导致步进电机在低温下无法工作的两个主要因素。在收缩的情况下，如果具有临界尺寸的电机部件以不同的速率收缩，则可能导致电机锁定。由此产生的应力会使过冷脆化的金属零件产生裂纹。

为了克服这些影响，低温电机必须选用特殊合金，所有金属部件必须具有可比的热膨胀系数。电缆绝缘和轴承润滑脂在低温下都容易硬化，可能需要干润滑，必须仔细选择绝缘聚合物，以通过低温循环保持分子完整性。

结论

通过使用更高等级、特殊配方的材料，电机可设计用于极端温度，远远超出标准电机所能承受的范围。在极端温度条件下影响电机使用的其他因素包括负载施加的频率。大多数标准电机额定值是用于连续工作，但如果负载循环规格低于连续，它将影响电机应用过程。