극한의 조건을 위한 진공용 맥슨 모터

맥슨 모터가 Instrument Design Technology (IDT)와 함께 전자 가속 장치(싱크로트론)의 초고진공 환경에서 구동이 가능한 소형 브러시리스 모터를 개발하였습니다

영국 옥스퍼드셔 다이아몬드 광원과학 연구업체Diamond Light Source (DLS)의 입자 가속기는 항공기 날개 하중으로 인한 영향, 에이즈 바이러스의 연구 및 고대 문자의 해독 등 다양한 프로젝트에 사용되고 있습니다. 45,000 m2의 가속기는 분자구조의 이해를 위해 전자를 최대 3기가전자볼트(GeV)까지 가속시키고, 태양광보다 100억 배까지 밝은 방사광을 만들어냅니다. 전자가 공기 분자와의 충돌로 손실되지 않도록 모든 과정은 대기압의 10억분의 1에 해당하는 진공 상태에서 진행됩니다. 서북 잉글랜드의 위드너스에 위치한 IDT는 세계적인 가속기 공급업체로, 이 분야에서 매우 전문화된 지식을 갖추고 있습니다.

새로운 X선 분광 빔라인 B18을 사용한 DCM (Double crystal monochromator)은 일반적으로 사용되어오던 스테퍼 모터 대신 DC 모터로 Bragg 회전축을 구동합니다. IDT사의 경영자인 폴 머레이는 “우리는 고속에서도 낮은 온도를 유지하고, 이전에 사용했던 스테퍼 모터보다 더욱 부드럽게 구동하는 모터를 원했습니다. 또한 스테퍼 모터는 일반적으로 소음이 크고 진동이 발생하기 때문에, DCM의 성능 향상을 위해서 새로운 모터는 이러한 단점을 보완해야 하며 10-8 torr의 높은 진공 상태에서도 완벽하게 작동해야만 합니다.“라고 말합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 IDT사는 맥슨 모터 영국 지사의 시니어 세일즈 엔지니어 폴 윌리엄스의 도움을 요청했습니다.

방열이 뛰어난 고성능 브러시리스 모터의 개발
맥슨 모터 영국 지사와 스위스 본사의 숙련된 엔지니어들은 항공우주 산업 및 수술 로봇과 같은 까다로운 조건의 애플리케이션을 위한 고객 맞춤 사양의 고성능 모터를 개발해온 경험을 바탕으로 이 프로젝트의 모든 단계를 핸들링 하였습니다. 윌리엄스는 “모터의 모든 부품과 그 구조는 발생할 수 있는 아웃개싱(outgassing)에 대해서 철저히 분석되어 가속기 내의 진공 상태에 영향을 미쳐서는 안됩니다. 따라서 접착제와 플라스틱을 사용하지 않으면서 내열성이 우수한 고성능 브러시리스 모터를 개발하는 것이 우리의 목표였습니다.“ 라고 설명합니다.

고객 맞춤 모터의 개발은 맥슨 EC 22 HD (Heavy Duty)로부터 시작되었습니다. 심해의 석유 추출을 위해 개발된 이 모터는 레이저 용접된 스테인리스강의 하우징과 초고진공에서의 사용을 위한 넓은 온도범위를 갖습니다. 높은 효율을 갖는 이 브러시리스 DC 모터는 저소음인 동시에 스테퍼 모터보다 반응속도가 빠릅니다.

맥슨은 가속기에서 사용할 EC 22 HD의 맞춤 제작을 위해 몇 가지 요소를 고려해야 했습니다. 그 중 첫 번째는 온도 조건으로, 진공 상태에서의 모터는 정상적으로 열을 발산할 수 없어 과열되기 쉽기 때문입니다. 따라서 고온 및 대기에서도 구동이 가능한 모터의 선택이 매우 중요하며 또한 다른 부품들은 가능하다면, 열 방출로 온도가 낮아질 수 있도록 배치되어야 합니다. 높은 감속비를 가진 기어 또한 매우 중요합니다. 10-7 torr의 고진동에서는 플라스틱이나 접착제와 같은 재료로부터 많은 가스 혼합물이 발생하며, 이는 성능 저하를 초래할 뿐 아니라 아웃개싱(outgassing)과 같이 진공도에도 영향을 미칩니다. 이에 따라 모터의 모든 부품들은 테스트 후 필요에 따라 개선되었습니다. 한 예로, 표준형 PVC 케이블 코팅은 화학적 가스를 덜 발생시키는 비활성화 캡톤 버전으로 대체되었습니다. 맥슨 EC 22 HD는 플라스틱 대신 스테인리스강이 사용되었으며 가스 방출 위험으로 인해 접착제 대신 레이저 용접 처리되었습니다.

맥슨 모터는 항공우주 산업 프로젝트의 경험을 통해, 모터 베어링에 일반적으로 사용되는 윤활유가 낮은 압력에서 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있었습니다. 이를 방지하기 위해 초고진공 조건에 적합한 비활성 윤활제를 사용해야 했으며 모터 구동의 특성 변화 및 예상 수명을 고려해야 했습니다. 그럼에도 존재하는 아웃개싱(outgassing)의 위험을 완벽히 없애기 위해 모터를 120 °C 온도의 진공 조건 하에서 24시간 동안 테스트를 하였으며, 이미 200 °C의 온도 범위를 견디어 내는 맥슨 EC 22 HD 모터는 진공조건에 이상적인 제품으로 증명되었습니다.

눈송이 속의 먼지

특수 제작된 맥슨 EC 모터를 탑재한 DCM은 현재 DLS의 빔라인 B18에서 주요 실험을 위해 사용되고 있습니다. 그 예로, 이탈리아의 과학자들은 빔라인 B18로 지구상에 인류가 처음 등장한 80만년 전에 내렸던 눈송이 속의 먼지를 분석하고 있습니다. 얼어붙은 눈이 쌓여 이루어진 남극의 빙핵은 수천 년에 걸쳐 생성되었으며, 이 때 얼음 속에 포함된 초미세 먼지를 통해 그 당시 지구의 기후, 대기 및 화산 활동에 대해 알아낼 수 있습니다. X선 흡수 분광법을 통해 과학자들은 먼지의 광물 조성과 그 근원을 비롯하여 수십만 년에 걸친 지구의 기후 변화에 대해 연구할 수 있었습니다.

 © maxon motor ag

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