Технология магнитных подшипников обеспечивает контроль окружающей среды при освоении космоса человеком

Jun 16, 2023

Исследование космоса требует надежных, надежных и долговечных технологий, особенно для систем, критически важных для безопасности человека, используемых в расширенных миссиях. Хотя в системах, критически важных для безопасности, традиционно используются простые и надежные, проверенные решения, значительный выигрыш в производительности и SWaP (размере, весе и мощности) может быть достигнут за счет значительного улучшения вычислительной мощности и надежности электроники. в последние несколько десятилетий.

Эти достижения сместили акцент на цифровое и программное управление, что позволило постепенно менять производительность. Гидравлические или пневматические устаревшие системы заменяются электрическими системами, а механические средства управления потоком, такие как клапаны, заменяются двигателями с регулируемой скоростью.

Этот сдвиг в электрификации и оптимизации подчеркивается некоторыми недавними улучшениями в области экологического контроля на Международной космической станции (МКС). Необходимо контролировать состав пригодной для дыхания атмосферы и снижать следовые загрязнения до приемлемого уровня.

Система четырехслойного скруббера углекислого газа (FBCO2), которая в настоящее время находится на стадии разработки и испытаний на МКС, является последней версией системы удаления CO2. Система FBCO2 забирает воздух из кабины и отделяет воду и CO2, которые затем можно повторно использовать для других целей или выбрасывать в отходы. В системе FBCO2 линейный вентилятор/циркулятор Calnetix является механизмом, который обеспечивает поток воздуха через систему.

Система воздуходувки In-Line, которая включает в себя компактный вентилятор на магнитных подшипниках и встроенный двойной контроллер, использует регулируемый высокоскоростной двигатель с постоянными магнитами (PM) и активную пятиосную систему активных магнитных подшипников (AMB). Эта система представляет собой шаг вперед в направлении электрификации и оптимизации. В предыдущих решениях по удалению CO2 использовались пассивные газовые фольгированные подшипники, которые удерживали ротор на слое газа во время вращения ротора.

Хотя это было простое решение с точки зрения средств управления и не требовало никакой электроники для управления системой подшипников, газовые подшипники могут быть чувствительны к загрязнениям в потоке технологического воздуха, склонны к износу при множестве циклов пуска/останова и требуют минимального давления технологического газа. и скорость ротора для работы. И наоборот, AMB требуют относительно сложного электронного и программного управления, но могут работать на очень высоких скоростях, обеспечивают значительно увеличенный срок службы без механических ограничений на циклы, устойчивы к частицам, загрязняющим поток технологического воздуха, и могут работать под воздействием вакуума.

Основная задача при проектировании заключалась в том, чтобы разместить новый вентилятор с магнитными подшипниками в том же пространстве, что и старый вентилятор с газовыми подшипниками. Систему AMB с датчиками положения и опорными подшипниками пришлось сделать миниатюрной, чтобы разместиться в крайне ограниченном пространстве.

Для циркуляции окружающего воздуха через систему FBCO2 воздуходувка использует консольно-радиальную крыльчатку, вращающуюся со скоростью до 60 000 об/мин. От крыльчатки поток направляется через корпус и вокруг центральной части двигателя. Эффективная изоляция двигателя от технологического потока предохраняет двигатель и компоненты подшипников от эрозии или накопления загрязнений.

Технологический поток вокруг двигателя и полости магнитных подшипников также обеспечивает отвод тепла для терморегулирования статора. Опорные подшипники обеспечивают механическую резервную функцию в случае ударных нагрузок, превышающих допустимую нагрузку магнитных подшипников, или в любой момент, когда активная система магнитных подшипников выходит из строя или теряет мощность.

Благодаря преимуществам системы магнитных подшипников без трения двигатель с постоянными магнитами может работать на очень высоких скоростях, обеспечивая улучшенную объемную и весовую плотность мощности. В роторе ПМ с радиальным магнитным потоком для поверхностного монтажа используется втулка из углеродного волокна, обеспечивающая динамическую жесткость ротора и удержание магнита, одновременно обеспечивая улучшенную проницаемость. Поскольку ветер является единственным основным механизмом потерь, КПД такого двигателя может превышать 98 процентов.

С точки зрения управления AMB значительно сложнее, чем устаревшие механические или воздушные подшипники. Датчики скорости и положения в статоре используются для определения скорости и ориентации ротора. Электромагнитные приводы обеспечивают силу центрирования ротора, противодействуют динамическим нагрузкам и безопасно поддерживают положение ротора с помощью пяти осей управления. Постоянные магниты можно использовать для смещения системы AMB, чтобы компенсировать статические нагрузки и уменьшить ток управления.