新一代的步进电机正在允许运动控制应用蓬勃发展，因为它们以前是不可能的，或者，充其量是非常困难的。原因何在？以前的步进电机设计是针对工厂中相对“良性”的条件而开发的。新的步进电机设计——专门专为电机恶劣环境开发——可以可靠地承受辐射、真空操作以及极高和低温等条件。因此，这些电机是广泛的新运动控制机会的关键。

真空电机

在真空中操作电机所固有的问题 - 除气，污染和温度 - 是设计工程师所熟知的。解决方案鲜为人知。

真空操作的常见要求包括准确移动或定位样品，产品，镜子和传感器的能力。在过去，这通常是通过将驱动机构和电动机定位在真空室外部来试图逃避真空的影响来实现的。驱动机构使用密封联轴器和磁性或机械馈通机构将其运动传递通过真空室壁。

这种方法的主要问题是工程师可以考虑的设计配置数量有限。当电机在室外时，在真空区域内实施XY平台（其中一个平台在另一个平台上移动）可能非常困难，因为用于将电机功率传递到顶级的机构也必须适应运动最底层的。位于真空室内的定位系统的准确性，可重复性和分辨率可能会严重受损。

相反，将电动机直接放入真空中允许工程师考虑更多数量的物理设计布置而不损害腔室内的运动控制活动。通过将电机直接连接到负载，可以大大提高精度，可重复性和其他系统规格。由于机械馈通非常昂贵，因此具有内部放置电机的系统通常比外部安装的替代品成本低得多。

普通电机不能在10 -4 Torr或更低的真空应用。原因是轴承润滑剂会蒸发，电机和电缆的绝缘材料会蒸发，这种现象称为“放气”，导致电机损坏。除气进一步导致汽化材料冷凝在任何精密光学元件或存在的精密机械装置上。在标准电动机中常见的其他材料中，轴承润滑脂，纸槽衬垫，保形涂层，绕组绝缘和多种粘合剂在真空中蒸发。

从电动机本身泄漏的空气是真空电动机操作的另一个常见问题。未充分准备的步进电机在施加真空后很长时间会泄漏空气分子。捕获或粘附的气体分子从电机叠片，绕组，轴承和金属表面的微小裂缝中缓慢散发出来。如果不处理这些多孔材料，则会导致不可接受的长抽空时间或不充分的真空水平。

真空中的电机冷却是另一个问题。标准电动机通常通过对流进入周围空气而冷却，并且通过电动机安装表面的热传导不太明显。在真空中不能进行对流冷却。热量主要通过最低效的方法消散：通过安装结构传导。结果，真空操作可能需要特殊的冷却装置和更高的温度操作。

最后，暴露的高压导体可能导致电晕效应。在某些真空水平下，稀薄的空气容易电离，并且电流可以在未受保护的高压导体之间电弧。

真空电机的新设计已经解决了所有这些真空电机问题的解决方案 - 除气，冷却，泄漏和电晕效应。例如，通过选择蒸汽压低的材料可以防止脱气。铁氟龙是一种这样的稳定材料。大多数金属也适合在真空中使用（例外包括镉和锌）。不锈钢是真空应用中特别好的材料。

在大气压和10 -4托之间，材料除气率通常不显着。在此范围内，可以使用许多商业塑料，但通常需要仔细选择润滑剂。在接近10 -7 Torr的真空吸尘器中，大多数天然材料必须在电机中消除，很少有塑料可行，并且必须使用真空润滑剂。在10 -9托时，几乎不能使用塑料，并且需要干润滑剂。

严格的电机清洁限制了除气问题。来自电机制造过程的痕量材料总是存在于各种来源：切削油用于钢，当从模具挤出时润滑剂留在塑料上，溶剂与环氧树脂混合。人类的手留下油渣。除气污染在所有应用中并不重要，但如果系统组件未经过适当清洁，肯定会产生各种污染物的除气。

专门研究真空环境用电机的制造商，例如Phytron，将电机置于清洗过程中，进入蒸汽脱脂无法进入的裂缝，加速材料中的分子变化，否则会释放气体，使其惰性化。真空应用的灵敏度通常要求使用由非挥发性材料构成的电动机，真空烘烤，加工以提取污染物，然后密封。

高温度电机的补救措施包括限制电机的功率，以及使用高温材料制造电机。可以在电机中安装热电偶或RTD（电阻温度计装置）来监控温度。温度信息用于调节电动机功率，以便将温度保持在安全的工作范围内。当必须施加大量电力时，可以考虑冷板或冷却套。例如，Hughes Aircraft设计并安装了一个系统，该系统使用来自液氮的蒸汽，并由监控电机温度的反馈系统控制。即使电机在三个月的连续卫星测试中负载很重，该系统也能可靠地将温度保持在安全水平。

最后，为了防止高压产生的电晕效应，暴露的导体必须用适当的涂层绝缘，以防止电弧。

步进电机真空应用：

• 卫星测试/卫星在装配过程中在真空室中的定位

• 天文台仪器/望远镜

• 用于研究的激光束对准

• 聚变研究中的光束对准

• 半导体制造业

• 广泛的洁净室应用，用于研究和测试

• 飞机部件测试

• 超导体研究

• 离子沉积设备

• 电子束焊机

• 电子显微镜

• 材料检测设施

辐射硬化步进电机

辐射密集型环境中的运动控制是工程师可能面临的最困难的设计挑战之一。传统的步进和微步进电动机易受高能γ辐射粒子的影响，这些粒子会攻击非金属材料。结果，润滑剂，清漆，层压粘合和电缆绝缘都会随着时间的推移而恶化并最终破碎。此外，许多辐射应用包括额外的环境问题，例如腐蚀性流体。

然而，辐射硬化步进电机极大地扩展了高放射性环境中的设计机会。位于田纳西州橡树岭的橡树岭国家实验室（ORNL）最近的运动控制应用程序提供了这些新设计所产生的可能性的一个很好的例子，即使在环境中存在多个恶劣条件的情况下也是如此。

辐射案例历史

燃料再循环过程中的一个重要步骤是通过将氧化物溶解在硝酸中而将废燃料氧化物从其包层中分离出来。ORNL负责核燃料后处理技术的开发，最近与日本动力反应堆和核燃料开发公司（PRN）合作开发了一种新的概念，用于执行这一分离过程。

ORNL设计的新概念是一种“多级连续旋转溶解器”，它是一种连续而非批量的过程。新设计提供了逆流的硝酸，不断强制最高酸浓度对抗燃料针的最难溶解区域。

ORNL能够找到一种能够承受累积辐射剂量108且具有所有所需性能规格的电机设计，来自Empire Magnetics的辐射硬化混合永磁步进电机。帝国电机是一款“零间隙”型号，采用直列式87对1摆线针轮减速机，这种设计特点可在不降低电机寿命的情况下提高电机输出扭矩。辐射硬化的无刷旋转变压器连接到变速箱输出轴。旋转变压器提供角度定位能力，分辨率为每转旋转鼓4,096步。电机，变速箱和旋转变压器安装在引线盒内，以增强现有的抗辐射性。

ORNL项目成功设计的关键在于正确选择材料。最关键的是特定聚合物的规格，不仅适用于电磁线和电缆绝缘，还适用于轴和阀体密封。最后，抗辐射聚合物涂料的厚涂层提供了防止浓硝酸蒸气的外层。

抗辐射步进电机应用：

• 融合研究

• 物料搬运

• 清理

• X光机

• 燃料再加工

• 快速增殖反应堆

• 反应堆检查

• 光束研究

扩展的温度步进电机

扩展温度步进电机应用提供一些特别极端的操作条件。例如，当卫星在轨道上旋转时，它的电机在几秒钟内从烈日（+ 200°C）移动到冰冻（-200°C）时会经历令人难以置信的温度波动。没有非常专业的电机，电机不可能在400°温度循环下运行。其他应用程序可能同样具有敌意。在红外天文台安装中，定位要求非常精确，电机和相邻仪器可以用液氮冷却。对于超导体实验，系统可以浸没在液氦（20°开尔文！）中，并且需要低温电机设计。在火箭应用中，电动机可以泵送液氧。当然，也有高温应用同样充满敌意。最近的一个高温示例是用于喷气发动机测试的自动化远程节气门执行器，其经历超过100°C的温度，具有极强的振动和严格的安全要求。

低温电动机/低温电动机

金属部件的收缩和非金属部件的硬化是使得步进电机在低温下不起作用的两个主要因素。在收缩的情况下，如果具有临界尺寸的电动机部件以不同的速率收缩，则可能导致锁定的电动机。由此产生的应力可以使金属部件通过过冷而变脆。为了对抗这些影响，必须选择特殊合金用于低温电机，并且所有金属部件必须具有相当的热膨胀系数。

电缆绝缘和轴承润滑脂都易于在低温下硬化。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。

以下案例历史在应用环境中结合了两个独立的恶劣条件，代表了使用低温应用的设计工程师面临的典型挑战。

低温电机案列历史

在最近的一项低温应用中， 中国空军基地的工程师被指派在低温温度下识别和鉴定适用于真空室的电机。该规范要求 在液氢温度（24 ° Kelvin）下在10 -7 Torr 的真空中运行的小型电动机。角位置反馈是适应闭环速度和位置控制的要求。

这类应用中存在两个主要的设计问题。第一个涉及低压下的润滑和绝缘材料的除气。第二个问题与电机材料在极低温度下的行为有关。不同材料的大的温度变化，低温脆性和变化的收缩率的应力会降低由常规材料制造的电动机的结构完整性。

57 mm直径的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。两种器件都安装在一个特殊的镍铬钢合金框架中，选择耐热应力和尺寸稳定性。由于旋转变压器组件与电机组件的相似性，选择了旋转变压器技术用于反馈系统。

为了减少低温下的除气，绝缘材料由选定的聚合物制成。仔细规定了磁铁和引线材料，以避免排气或破裂。通常用于制造电动机的粘合剂用具有接近相邻钢部件的热膨胀系数的粘合剂代替。

详细检查了电动机的每个金属部件。选择AlNiCo（铝镍钴）磁体有利于稀土组合，因为AlNiCo在低温下保持更好的磁性。出于同样的原因，使用了用干膜润滑的不锈钢滚珠轴承。所有机械加工的金属零件都经过了应力消除。结果是设计可以在低温温度下并且在真空室的范围内操作而不会蒸发电机材料。

低温的应用

• 卫星控制

• 天线控制

• 天文台仪器

• 液氧泵

• 超导体研究

• 等离子处理

• 冷冻食品处理

• 造纸厂

• 钢成型

• 金属涂层

高温电机

在高温下，主要的失效模式是绕组绝缘失效以及由此产生的短路。为了解决这个问题，通常规定额定温度为180°C的高温电磁线。当应用涉及超过200°C的温度时，使用受特殊绝缘材料保护的非铜磁线。干润滑用于避免材料损失。

高温的应用：

• 炉操作

• 工业烘焙

• 发动机测试

步进电机不再仅仅是步进电机：越来越多的应用要求其固有设计反映出现有的运行条件。虽然这些可靠的电机仍然是许多通用运动控制需求的主力，但它们的范围也扩展到恶化的应用环境中，这些环境已经扩展了它们的价值，为设计工程师提供了一种新的“旧”工具。