重裝上陣 :黑金與 maxon 馬達

原油是地球的黑金-要獲得這項寶藏,必須依賴採集原油和天然氣的創新現代化科技。鑽井技術對於器具材質的要求極度嚴苛:200度高溫、震動和極度高壓;面對各種考驗,maxon馬達毫不畏縮,因此被廣泛運用於閥門控制、觸發機構和測量儀器。

現今生活中,幾乎所有的汽車都依賴燃料才能運行;許多採暖系統也是利用原油才得以運轉。簡而言之:全球超過85% 的能源消耗全仰賴石化燃料,例如原油、天然氣和煤礦。為了開採這一珍貴的地球資源,必須不斷地往地底深鑽:然而,這絕對不是一項簡單的任務。鑽井技術(在油氣探勘領域被稱為Downhole Drilling)使從超過地底深度2500公尺處獲得原油和天然氣變得可能。與定向鑽挖技術(動態瞄準)結合,鑽井深度可深達約5000 公尺,鑽井長度更長達11000公尺,創造鑽井史上前所未有的紀錄。

原油是地球上儲量有限的能原載體,但卻是現今生活中不可或缺的物質,因此,人們在地球上許多地區不斷地從地底開採這項珍貴的黑金。例如在美國、蘇俄、英國、中國以及中東地區的油氣探井,不論位於陸上或海底,每天都開採出數千桶的原油和天然氣。當今世上最長且尚在服役中的油井(至2008年2月)長度達 11680 公尺(資料來源:維基百科)。它成立於2007年,也就是庫頁島(蘇俄)東北海岸的Chayuo油田的開發期間。Chayuo油田位於約地表下約2500公尺深處,但離海岸線有數公里之遠。最主要的開發方式是從本土陸地上進行定向鑽挖。

淤泥提供傳動力量
所有的鑽井工程有一項共同點:對於所採用的器具材質要求非常高。尤其是鑽頭,更是必須能夠承受極度的作業環境條件。地表深處的溫度以及壓力,加上鑽挖過程中所產生的強烈震動,即使採用電動傳動裝置,仍是極為嚴苛的挑戰。在地殼下數公里處的環境條件,不是一般技術器具所能承受的。所使用的材質必須絕對堅固,即使在溫度高達200度的環境也能100%可靠地運作。

maxon motor 的EC 22 HD (Heavy Duty) 正是一具能夠符合這些極端環境要求的馬達。此款電子換向馬達專為鑽井技術的極高挑戰所研發,能夠承受「普通」馬達無法負荷的惡劣環境條件。電子設備和傳動裝置的發展不斷進步,使在深鑽作業中的許多功能調節和操作更加容易:例如透過泥漿流來傳動鑽井工具的渦輪機。透過磁耦合將馬達的作用變為發電機,以便為各種傳動功能供輸電能。拜這套自給式系統之賜,便不用再依賴費用高昂且對環境危害甚高的鋰電池。藉由EC 22 HD可在鑽挖過程中對鑽頭位置進行動態測量 (MWD / Measurement While Drilling) 和瞄準。測量作業中使用加速度測量儀、傾斜感應器和其他儀器,以精確顯示鑽頭位置。但要如何將測量所得的數值傳輸回地表?這時候,MWD技術會將數據轉換成脈衝,與鑽井平臺進行通訊。此系統則透過電磁石或HD 馬達進行傳動。而多種鑽井工具中的液壓閥門或活門也是受到電磁傳動裝置操控。

針對EC 22 HD亦提供合適的減速機:GP 22 HD(圖3)。在許多應用場合中,特別是鑽井,都需要堅固可靠的減速機以便精確地達成任務。現今大部份的應用都要求非常高的扭矩,有時還必須在短暫運轉時間內就達到(例如閥門控制、活門運行)。此款減速機所具有的特色便是其內建式穿孔,使油能夠不受阻礙的流過,因為此款減速機-和馬達一樣-同樣能夠在油液中運行。EC 22的各種系列產品是特別為在空氣或油液中(沉浸在液壓油中)的運行所優化設計。

馬達製作過程中不使用黏貼物,且不採用機械式換向系統。如此一來,馬達能夠承受極端的溫度環境,即使在特高真空工作空間也能輸出穩定的功率。標準功率與周圍環境介質有關,在空氣中為80瓦特,在油液中則是240瓦特(散熱效果較佳)。馬達專為超過200 °C的環境溫度設計,且可承受高達1700 bar的氣壓。若使用機油為馬達降溫,則馬達甚至可承受高達+240 °C 的高溫。另外,此直徑為22 mm 的馬達亦可抵抗高達25 Grms的振動以及高於100 G重力加速度的碰撞和衝擊。在此可舉例作為比較:方程式一號賽車為約2 G,戰鬥機約為13 G。人類所能夠承受的重力加速度約為10 G,也就是本身體重的10 倍。但這也已經是非常極端的數值,一般來說,只有太空人和飛行員能夠在特定時間內承受如此的身體負荷。

地底深處仍維持高功率

在地底惡劣環境條件中,maxon的HD馬達不但有極佳的抵抗能力,還同時能夠持續發揮極高功率。馬達在空氣裡可發揮高達88% 的功率,在油液中則可達到70%。憑藉著這些特性,EC 22在無數領域中都能充份發揮其功能--即使是在外太空的極端環境條件裡。由於在運轉時不會產生頓轉轉矩,此款馬達具備出色的調節性能,即使處於低轉速的狀態下,也可用於外太空中的高精密定位任務。因此在未來將應用於金星任務--美國太空總署正在計劃此飛行任務。在金星上,馬達必須承受高達480 °C的高溫。用於極端條件的精密馬達跟隨科技的腳步,不斷地向前發展。

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