La tecnología de rodamientos magnéticos permite el control ambiental para la exploración espacial humana

Jun 16, 2023

La exploración espacial requiere tecnologías sólidas, confiables y duraderas, especialmente para los sistemas críticos para la seguridad humana utilizados en misiones prolongadas. Si bien los sistemas críticos para la seguridad tradicionalmente han aprovechado soluciones simples y confiables, probadas y verdaderas, se pueden lograr ganancias significativas de rendimiento y SWaP (tamaño, peso y potencia) aprovechando las grandes mejoras en la potencia informática y la confiabilidad electrónica. en las últimas décadas.

Estos avances han cambiado el enfoque hacia los controles digitales y de software, permitiendo cambios radicales en el rendimiento. Los sistemas heredados hidráulicos o neumáticos se reemplazan por sistemas eléctricos y medios mecánicos de control de flujo, como válvulas, se reemplazan por motores de velocidad variable.

Este cambio de electrificación y optimización se destaca por algunas de las recientes mejoras en los controles ambientales en la Estación Espacial Internacional (ISS). Se debe gestionar la composición de la atmósfera respirable y se deben reducir los rastros de contaminación a niveles aceptables.

El sistema de depuración de dióxido de carbono de cuatro lechos (FBCO2), actualmente en desarrollo y pruebas avanzadas en la ISS, es la última versión del sistema de eliminación de CO2. El sistema FBCO2 extrae aire de la cabina y separa el agua y el CO2, que luego pueden reutilizarse para otros fines o eliminarse como residuo. Dentro del sistema FBCO2, el soplador/circulador en línea Calnetix es el mecanismo que impulsa el flujo de aire a través del sistema.

El sistema de soplador en línea, que incluye un soplador compacto sobre cojinetes magnéticos y un controlador dual integrado, aprovecha un motor de imán permanente (PM) de alta velocidad variable y un sistema de cojinete magnético activo (AMB) activo de cinco ejes. Este sistema representa un paso adelante hacia la electrificación y la optimización. Las soluciones anteriores de eliminación de CO2 utilizaban cojinetes de lámina de gas pasivos que hacían flotar el rotor sobre una capa de gas una vez que el rotor estaba girando.

Si bien esta fue una solución simple desde la perspectiva de los controles y no requiere componentes electrónicos para administrar el sistema de rodamientos, los rodamientos de gas pueden ser susceptibles a contaminantes en la corriente de aire del proceso, son propensos a desgastarse con muchos ciclos de arranque/parada y requieren una presión mínima del gas de proceso. y velocidad del rotor para operar. Por el contrario, los AMB requieren controles electrónicos y de software relativamente complejos, pero pueden funcionar a velocidades muy altas, proporcionar una vida útil significativamente mejorada sin límites mecánicos en los ciclos, son tolerantes a partículas contaminantes en la corriente de aire del proceso y pueden funcionar cuando se exponen al vacío.

El principal desafío de diseño fue colocar el nuevo soplador con cojinete magnético en el mismo espacio que el soplador tradicional soportado por gas. El sistema AMB con sensores de posición y rodamientos de respaldo tuvo que miniaturizarse para caber en un espacio muy reducido.

Para hacer circular el aire ambiental a través del sistema FBCO2, el soplador aprovecha un impulsor radial en voladizo que gira a hasta 60 000 rpm. Desde el impulsor, el flujo se dirige a través de la carcasa y alrededor de la sección del motor ubicada centralmente. Mantener el motor efectivamente sellado del flujo del proceso mantiene el motor y los componentes del rodamiento libres de erosión o acumulación de contaminantes.

El flujo del proceso alrededor del motor y la cavidad de los cojinetes magnéticos también proporciona rechazo de calor para la gestión térmica del estator. Los rodamientos de respaldo brindan una función de respaldo mecánica en el caso de cargas de impacto que exceden la capacidad de carga de los rodamientos magnéticos, o en cualquier momento en que el sistema de rodamiento magnético activo experimente una falla o pérdida de energía.

Para aprovechar el sistema de cojinetes magnéticos sin fricción, el motor PM puede funcionar a velocidades muy altas, proporcionando una densidad de potencia volumétrica y gravimétrica mejorada. El rotor PM de montaje en superficie de flujo radial utiliza una funda de fibra de carbono para proporcionar rigidez dinámica del rotor y retención del imán al tiempo que proporciona una permeabilidad mejorada. Con la resistencia al viento como el único mecanismo importante de pérdida, un motor como este puede superar el 98 por ciento de eficiencia.

Desde la perspectiva de los controles, el AMB es significativamente más complejo que los rodamientos mecánicos o los rodamientos neumáticos heredados. Los sensores de velocidad y posición en el estator se utilizan para determinar la velocidad y la orientación del rotor. Los actuadores electromagnéticos proporcionan la fuerza para centrar el rotor, contrarrestar las cargas dinámicas y mantener de forma segura la posición del rotor con cinco ejes de control. Se pueden usar imanes permanentes para polarizar el sistema AMB para compensar cargas estáticas y reducir la corriente de control.

El controlador electrónico dual Calnetix une todo esto, tomando entradas de los sensores, impulsando la velocidad del motor y controlando la posición relativa del rotor. La complejidad adicional viene con las ventajas de la capacidad de ajustar activamente el rendimiento del motor, el monitoreo del estado del motor en tiempo real y el monitoreo de pronóstico del estado del soplador, así como del sistema conectado.

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La presencia humana a largo plazo en el espacio o en otros planetas requerirá soluciones eficientes, robustas y altamente confiables para el procesamiento de la atmósfera respirable y otros sistemas críticos para la salud. “La NASA instaló con éxito el exclusivo sistema de soplado en la ISS y ha estado funcionando de forma continua desde febrero de 2023”, dijo Vatche Artinian, director ejecutivo de Calnetix Technologies.

“Esta es la primera vez que se pone en servicio un sistema de levitación magnética de cinco ejes para su uso en una aplicación orbital y se muestra prometedor como tecnología, que puede usarse en muchas otras aplicaciones, como bombas de fluido, ruedas de reacción y giroscopios que desafiar las tecnologías de rodamientos convencionales”, añadió Artinian.

Tras la fase de validación en el sistema actual de la ISS, el AMB y las tecnologías de motores PM de alta velocidad relacionadas podrían seguir utilizándose en futuras misiones espaciales, como las misiones Artemis, Orbital Reef y Marte.

Este artículo fue escrito por Matthew Farides, Director de Desarrollo Comercial, Calnetix Technologies (Cerritos, CA). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de agosto de 2023 de la revista Tech Briefs.

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