Motores maxon compatíveis com vácuo, para condições extremas.

Em poucos meses, a maxon em cooperação com a Instrument Design Technology (IDT) modificou um motor sem escovas e pequeno, para que ele pudesse ser aplicado sob condições extremas em vácuo num acelerador de partículas (sincrotrão) na Grã-Bretanha.

O motor maxon EC 22 HD modificado no acelerador de partículas DLS © Diamond Light Source

1/2

Os mais variados projetos de investigação são levados a cabo no acelerador de partículas Diamond Light Source (DLS) no Oxfordshire britânico. Os efeitos da carga em superfícies de porta-aviões foram aqui investigadas, assim como o comportamento do vírus HIV e mesmo rolos de pergaminho históricos foram aqui analisados sem serem danificados. Nos 45 000 metros quadrados do sincrotrão analisam-se estruturas moleculares, acelerando eletrões até os 3 gigaeletrão-volt (GeV), e geram-se raios de luz até dez mil milhões de vezes mais brilhantes que o sol. Para que os eletrões não colidam com moléculas de ar, o processo decorre em vácuo, em que apenas existe um milésimo milionésimo da pressão atmosférica. A empresa Instrument Design Technology (IDT) de Widnes, no noroeste da Inglaterra, fornece os sistemas de sincrotrões mais avançados do mundo e tem o correspondente know-how tecnológico.

O importante eixo de rotação de Bragg do monocromador de cristal duplo (DCM), utilizado para a nova linha de radiação B 18 de espetroscopia de raios X, deveria ser acionado, conforme as premissas da Diamond, por um motor DC maxon em vez do habitual motor passo a passo. Paul Murray, Diretor-Executivo da IDT, explica: “Nós queríamos atingir velocidades mais elevadas a temperaturas mais baixas e com um funcionamento mais silencioso do que com os motores passo a passo utilizados até agora. Os motores passo a passo são em geral barulhentos e muitas vezes fontes de vibração. A resolução destes problemas melhorou de imediato os resultados do DCM. No entanto, o novo motor tinha de funcionar sem falhas num vácuo de 10-8 Torr.” A IDT contratou Paul Williams, engenheiro de vendas superior da maxon motor UK, para ajudar a resolver o problema.

Desenvolvimento de um motor sem escovas de elevada potência e resistente ao calor

Conseguir uma solução feita à medida foi para as equipas maxon na Grã-Bretanha e na Suíça um desafio, ao qual se lançaram com entusiasmo. Afinal, a maxon podia contar com uma longa história de muitos sucesso na adaptação de motores potentes a domínios de aplicação tão exigentes como viagens espaciais e robôs cirúrgicos. Cada fase do projeto é atribuída a engenheiros experientes. Williams esclarece: "Como o vácuo do sistema não pode ser perturbado, tivemos de analisar cada possível fonte de emanações em cada componente do motor e da estrutura. O desafio foi o desenvolvimento de um motor de alta potência sem escovas sem susbstâncias adesivas, sem plástico e com uma elevada resistência a temperaturas extremamente elevadas."

O ponto de partida para uma solução específica para o cliente foi o EC 22 HD (Heavy Duty) da maxon. Apesar de ter sido desenvolvido para a aplicação em explorações petrolíferas abaixo do nível do mar, o motor sem escovas de 22 mm, com a sua carcaça de aço inoxidável soldada a laser e vasta gama de temperaturas, já cumpria a exigências para a aplicação em vácuo. Sendo um motor DC sem escovas, este é de origem mais eficiente e silencioso, e dispõe de um melhor comportamento de resposta em relação ao motor passo a passo, seu predecessor.

Ao modificar o EC 22 HD para a aplicação no sincrotrão, a maxon teve de prestar atenção a numerosos fatores. O primeiro foi o comportamento térmico. Em vácuo, os motores não podem dissipar calor por convecção, como habitualmente e são, por isso, mais sujeitos a sobreaquecimento. Assim, é importante escolher um motor com uma elevada resistência térmica. Se possível, os outros componentes devem ser dispostos de forma a reduzir a temperatura por condução térmica. Igualmente fundamental, era um redutor com uma elevada relação de transmissão. Num alto vácuo de 10-7 Torr e superior, são exalados gases das interfaces de materiais, como plástico e adesivos. Este problema, as chamadas emanações, leva a perda de potência e limitaria o vácuo possível. Cada componente do motor foi por isso testado e, se necessário, melhorado. Devido ao perigo de desgaseificação, não foi possível utilizar os materiais aderentes habituais. Por isso, grande parte do motor foi unida por microsoldadura a laser.

Graças ao trabalho feito em projetos aeroespaciais, os engenheiros da maxon já sabiam como as massas lubrificantes finas usadas nos mancais dos motores reagiam em condições de baixa pressão. Por isso, foi preciso utilizar um lubrificante extremamente pouco reativo, para que não evaporasse em condições de alto vácuo — e, além disso, foi preciso considerar as alterações das características de funcionamento daí resultantes e o tempo de funcionamento do motor. Para eliminar outras fontes de emissões, os motores foram expostos a condições controladas de vácuo a 120 ºC durante 24 horas. O EC 22 HD já concebido para temperaturas de 200 ºC, revelou-se por isso um produto de partida ideal.

Poeira em flocos de neve

O monocromador de cristal duplo, com o seu motor maxon EC personalizado, encontra-se já em atividade na linha de radiação B18 do Diamond Light Source e oferece diariamente os seus serviços a experiências importantes. Um grupo de cientistas italianos utilizou esta linha de radiação B18, para investigar poeira em flocos de neve caídos há cerca de 800 000 anos – aproximadamente o tempo em que as primeiras formas da espécie humana apareceram na terra. Núcleos tubulares de gelo antártico são constituídos por camadas de neve congelada com centenas de milhares de anos e partículas de poeira que foram enclausuradas assim que a neve caiu do céu, e contêm informações fundamentais acerca do clima, a atmosfera e atividade vulcânica na terra dessa época. Com o auxílio da espetroscopia de absorção de raios X, os investigadores puderam analisar a composição da poeira, determinar a sua origem e retirar conclusões sobre as alterações climatéricas globais ao longo de várias centenas de milhares de anos.