磁気軸受技術により有人宇宙探査の環境制御が可能に

Jun 16, 2023

宇宙探査には、特に長期にわたるミッションで利用される人間の安全が重要なシステムにとって、堅牢で信頼性が高く、長持ちするテクノロジーが必要です。 セーフティ クリティカルなシステムは従来、シンプルで信頼性の高い実証済みのソリューションを活用してきましたが、コンピューティング能力と電子機器の信頼性の大幅な向上を活用することで、大幅なパフォーマンスと SWaP (サイズ、重量、電力) の向上を実現できます。過去数十年で。

これらの進歩により、焦点はデジタル制御とソフトウェア制御に移り、パフォーマンスの段階的な変化が可能になりました。 油圧または空気圧の従来のシステムは電気システムに置き換えられ、バルブなどの機械的な流量制御手段は可変速モーターに置き換えられます。

この電動化と最適化の変化は、国際宇宙ステーション (ISS) の環境制御における最近の改善によって強調されています。 呼吸可能な雰囲気の構成を管理し、微量汚染を許容レベルまで削減する必要があります。

現在、ISS で高度な開発とテストが行​​われている 4 ベッド二酸化炭素スクラバー (FBCO2) システムは、CO2 除去システムの最新版です。 FBCO2 システムは、キャビンから空気を取り込み、水と CO2 を分離し、他の目的に再利用したり、廃棄物として排出したりできます。 FBCO2 システム内では、Calnetix インライン ブロワー/サーキュレーターがシステム内の空気流を駆動するメカニズムです。

磁気ベアリング上のコンパクトなブロワーと統合されたデュアル コントローラーを含むインライン ブロワー システムは、可変高速永久磁石 (PM) モーターとアクティブ 5 軸アクティブ磁気ベアリング (AMB) システムを活用しています。 このシステムは電動化と最適化に向けた段階的な変化を表しています。 以前の CO2 除去ソリューションでは、ローターが回転するとローターをガス層上に浮かせる受動的ガスフォイルベアリングを利用していました。

これは制御の観点からはシンプルなソリューションであり、ベアリング システムを管理するための電子機器は必要ありませんが、ガス ベアリングはプロセス空気流中の汚染物質の影響を受けやすく、多くの開始/停止サイクルで摩耗しやすく、最小限のプロセス ガス圧力が必要です。と動作するローターの速度。 逆に、AMB は比較的複雑な電子制御とソフトウェア制御を必要としますが、非常に高速で機能し、サイクルに機械的な制限がなく寿命が大幅に向上し、プロセス気流中の粒子汚染物質に耐性があり、真空にさらされても動作できます。

設計上の主な課題は、新しい磁気ベアリング ブロワーをガス ベアリングでサポートされた従来のブロワーと同じスペースに取り付けることでした。 位置センサーとバックアップベアリングを備えた AMB システムは、非常に限られたスペースに収まるように小型化する必要がありました。

FBCO2 システム内で環境空気を循環させるために、ブロワーは最大 60,000 rpm で回転するオーバーハング ラジアル インペラを利用します。 インペラーからの流れは、ハウジングを通って中央に位置するモーターセクションの周りに導かれます。 モーターをプロセスの流れから効果的に密閉した状態に保つことで、モーターとベアリングのコンポーネントが浸食や汚染物質の蓄積から解放されます。

モーターと磁気ベアリングのキャビティ周りのプロセス フローも、ステーターの熱管理のための熱遮断を提供します。 バックアップベアリングは、磁気ベアリングの耐荷重を超える衝撃荷重が加わった場合や、アクティブ磁気ベアリングシステムに障害や電源喪失が発生した場合に、機械的なバックアップ機能を提供します。

摩擦のない磁気軸受システムを活用するため、PM モーターは非常に高速で動作し、体積および重量の出力密度が向上します。 ラジアル磁束表面実装 PM ローターは、カーボンファイバースリーブを利用して、ローターの動的剛性と磁石保持力を提供するとともに、透磁性を向上させます。 風損が唯一の主要な損失メカニズムであるため、このようなモーターの効率は 98% を超える可能性があります。

制御の観点から見ると、AMB は従来のメカニカル ベアリングやエア ベアリングよりも大幅に複雑です。 ステーター内の速度センサーと位置センサーは、ローターの速度と方向を決定するために利用されます。 電磁アクチュエーターは、ローターを中心に置く力を提供し、動的負荷に対抗し、5 軸の制御でローターの位置を安全に維持します。 永久磁石を使用して AMB システムにバイアスをかけて静的負荷を相殺し、制御電流を減らすことができます。