자기 베어링 기술로 인간 우주 탐사를 위한 환경 제어 가능

Jun 16, 2023

우주 탐사에는 강력하고 안정적이며 오래 지속되는 기술이 필요하며, 특히 확장된 임무에 사용되는 인간의 안전이 중요한 시스템의 경우 더욱 그렇습니다. 안전이 중요한 시스템은 전통적으로 간단하고 신뢰할 수 있고 검증된 솔루션을 활용해 왔지만, 컴퓨팅 성능과 전자 장치의 신뢰성이 크게 향상되면 상당한 성능과 SWaP(크기, 무게, 전력) 향상을 실현할 수 있습니다. 지난 수십 년 동안.

이러한 발전으로 초점이 디지털 및 소프트웨어 제어로 전환되어 성능의 단계적 변화가 가능해졌습니다. 유압 또는 공압 레거시 시스템은 전기 시스템으로 교체되고 밸브와 같은 기계적 흐름 제어 수단은 가변 속도 모터로 교체됩니다.

이러한 전기화 및 최적화의 변화는 국제 우주 정거장(ISS)의 환경 제어에 대한 최근 개선 사항을 통해 강조됩니다. 통기성이 있는 대기의 구성을 관리해야 하며, 미량 오염을 허용 가능한 수준으로 줄여야 합니다.

현재 ISS에서 개발 및 테스트 중인 4층 이산화탄소 스크러버(FBCO2) 시스템은 CO2 제거 시스템의 최신 버전입니다. FBCO2 시스템은 객실에서 공기를 끌어와 물과 CO2를 분리한 후 다른 목적으로 재사용하거나 폐기물로 배출할 수 있습니다. FBCO2 시스템 내에서 Calnetix 인라인 송풍기/순환기는 시스템을 통해 공기 흐름을 유도하는 메커니즘입니다.

자기 베어링의 소형 송풍기와 통합 듀얼 컨트롤러를 포함하는 인라인 송풍기 시스템은 가변 고속 영구 자석(PM) 모터와 활성 5축 능동형 자기 베어링(AMB) 시스템을 활용합니다. 이 시스템은 전기화 및 최적화를 향한 단계적 변화를 나타냅니다. 이전의 CO2 제거 솔루션은 로터가 회전할 때 로터를 가스층에 띄우는 패시브 가스 포일 베어링을 활용했습니다.

이는 제어 관점에서 볼 때 간단한 솔루션이었고 베어링 시스템을 관리하는 데 전자 장치가 필요하지 않았지만 가스 베어링은 공정 기류의 오염 물질에 취약할 수 있고 많은 시작/중지 주기로 마모되기 쉬우며 최소 공정 가스 압력이 필요합니다. 그리고 작동할 로터 속도. 반대로, AMB는 상대적으로 복잡한 전자 및 소프트웨어 제어가 필요하지만 매우 빠른 속도로 작동할 수 있고, 주기에 대한 기계적 제한 없이 크게 향상된 수명을 제공하며, 공정 공기 흐름의 입자 오염 물질에 대한 내성이 있고, 진공에 노출되어도 작동할 수 있습니다.

주요 설계 과제는 새로운 자기 베어링 송풍기를 가스 베어링 지원 기존 송풍기와 동일한 공간에 장착하는 것이었습니다. 위치 센서와 백업 베어링을 갖춘 AMB 시스템은 매우 제한된 공간에 맞게 소형화되어야 했습니다.

FBCO2 시스템을 통해 환경 공기를 순환시키기 위해 송풍기는 최대 60,000rpm으로 회전하는 돌출형 방사형 임펠러를 활용합니다. 임펠러에서 흐름은 하우징을 통해 중앙에 위치한 모터 섹션 주위로 전달됩니다. 공정 흐름에서 모터를 효과적으로 밀봉하면 모터와 베어링 구성 요소가 부식되거나 오염 물질이 축적되지 않습니다.

모터 및 자기 베어링 캐비티 주위의 공정 흐름은 고정자의 열 관리를 위한 열 방출도 제공합니다. 백업 베어링은 충격 부하가 자기 베어링의 부하 용량을 초과하는 경우 또는 활성 자기 베어링 시스템에 오류가 발생하거나 전력 손실이 발생할 경우 기계적 백업 기능을 제공합니다.

무마찰 자기 베어링 시스템을 활용하기 위해 PM 모터는 매우 빠른 속도로 작동하여 향상된 체적 및 중량 출력 밀도를 제공합니다. 방사형 플럭스 표면 장착 PM 로터는 탄소 섬유 슬리브를 활용하여 로터 동적 강성과 자석 유지력을 제공하는 동시에 향상된 투자율을 제공합니다. 바람이 손실의 유일한 주요 메커니즘인 경우 이와 같은 모터의 효율성은 98%를 초과할 수 있습니다.

제어 관점에서 볼 때 AMB는 기존 기계식 베어링이나 공기 베어링보다 훨씬 더 복잡합니다. 고정자의 속도 및 위치 센서는 회전자의 속도와 방향을 결정하는 데 사용됩니다. 전자기 액추에이터는 회전자의 중심을 잡는 힘을 제공하고, 동적 부하에 대응하며, 5개의 제어 축을 통해 회전자 위치를 안전하게 유지합니다. 영구 자석을 사용하여 AMB 시스템을 바이어스하여 정적 부하를 상쇄하고 제어 전류를 줄일 수 있습니다.