Tecnologia de rolamento magnético permite controle ambiental para exploração espacial humana

A exploração espacial requer tecnologias robustas, confiáveis ​​e duradouras, especialmente para sistemas críticos para a segurança humana utilizados em missões prolongadas. Embora os sistemas críticos para a segurança tenham tradicionalmente aproveitado soluções simples, confiáveis ​​e testadas e comprovadas, ganhos significativos de desempenho e SWaP (tamanho, peso e potência) podem ser alcançados aproveitando as vastas melhorias no poder de computação e na confiabilidade dos eletrônicos nas últimas décadas.

Esses avanços mudaram o foco para controles digitais e de software, permitindo mudanças radicais no desempenho. Os sistemas legados hidráulicos ou pneumáticos são substituídos por sistemas elétricos e meios mecânicos de controle de fluxo, como válvulas, são substituídos por motores de velocidade variável.

Esta mudança de eletrificação e otimização é destacada por algumas das recentes melhorias nos controlos ambientais na Estação Espacial Internacional (ISS). A composição da atmosfera respirável deve ser controlada e a contaminação residual deve ser reduzida a níveis aceitáveis.

O sistema de purificação de dióxido de carbono de quatro leitos (FBCO2), atualmente em desenvolvimento avançado e testes na ISS, é a mais recente iteração do sistema de remoção de CO2. O sistema FBCO2 retira o ar da cabine e separa a água e o CO2, que podem então ser reutilizados para outros fins ou ventilados como resíduos. Dentro do sistema FBCO2, o soprador/circulador em linha Calnetix é o mecanismo que impulsiona o fluxo de ar através do sistema.

O sistema de soprador em linha, que inclui um soprador compacto sobre rolamentos magnéticos e um controlador duplo integrado, utiliza um motor de ímã permanente (PM) variável de alta velocidade e um sistema ativo de rolamento magnético ativo (AMB) de cinco eixos. Este sistema representa uma mudança radical em direção à eletrificação e otimização. As soluções anteriores de remoção de CO2 utilizavam rolamentos passivos de folha de gás que flutuavam o rotor sobre uma camada de gás quando o rotor estava girando.

Embora esta seja uma solução simples do ponto de vista dos controles e não exija nenhum sistema eletrônico para gerenciar o sistema de rolamento, os rolamentos a gás podem ser suscetíveis a contaminantes na corrente de ar do processo, são propensos a desgaste com muitos ciclos de partida/parada e exigem uma pressão mínima do gás de processo. e velocidade do rotor para operar. Por outro lado, os AMBs exigem controles eletrônicos e de software relativamente complexos, mas podem funcionar em velocidades muito altas, proporcionar vida útil significativamente melhorada sem limites mecânicos nos ciclos, são tolerantes a partículas contaminantes na corrente de ar do processo e podem operar quando expostos ao vácuo.

O principal desafio do projeto foi encaixar o novo soprador de rolamento magnético no mesmo espaço que o soprador tradicional suportado por rolamento de gás. O sistema AMB com sensores de posição e rolamentos de reserva teve que ser miniaturizado para caber em um espaço altamente restrito.

Para circular o ar ambiente através do sistema FBCO2, o soprador utiliza um impulsor radial suspenso girando a até 60.000 rpm. A partir do impulsor, o fluxo é direcionado através da carcaça e ao redor da seção do motor localizada centralmente. Manter o motor efetivamente vedado contra o fluxo do processo mantém o motor e os componentes do rolamento livres de erosão ou acúmulo de contaminantes.

O fluxo do processo ao redor do motor e da cavidade dos rolamentos magnéticos também fornece rejeição de calor para gerenciamento térmico do estator. Os rolamentos de reserva fornecem uma função de backup mecânico no caso de cargas de choque que excedem a capacidade de carga dos rolamentos magnéticos ou sempre que o sistema de rolamento magnético ativo sofrer uma falha ou perda de energia.

Para aproveitar as vantagens do sistema de rolamentos magnéticos sem atrito, o motor PM pode operar em velocidades muito altas, proporcionando melhor densidade de potência volumétrica e gravimétrica. O rotor PM de montagem em superfície de fluxo radial utiliza uma luva de fibra de carbono para fornecer rigidez dinâmica do rotor e retenção magnética, ao mesmo tempo que proporciona melhor permeabilidade. Com o vento como o único mecanismo importante de perda, um motor como este pode exceder 98% de eficiência.

Do ponto de vista dos controles, o AMB é significativamente mais complexo do que os rolamentos mecânicos ou pneumáticos legados. Sensores de velocidade e posição no estator são utilizados para determinar a velocidade e a orientação do rotor. Atuadores eletromagnéticos fornecem força para centralizar o rotor, neutralizar cargas dinâmicas e manter a posição do rotor com segurança com cinco eixos de controle. Ímãs permanentes podem ser usados ​​para polarizar o sistema AMB para compensar cargas estáticas e reduzir a corrente de controle.