自对准magetic轴承可以节省卫星

马萨诸塞州剑桥-想象一下几乎完美平衡的卫星动量轮，轴承永不过热，失去润滑剂，抗旋转或需要维修。美国宇航局做了，结果是一个68牛米秒的动量轮，在一个新的自动调心轴承系统的控制下，在其质心周围以3,500到6,600转的速度旋转。SatCon技术公司是一家主动运动控制公司，开发了克莱斯勒实验性Patriot赛车背后的混合动力推进系统，设计并制造了这种电磁控制的无接触轴颈轴承。项目发言人吉姆唐纳认为这是第一个这样的实用磁性航天器轴承。他将轴承的发展归功于现代紧凑型电子元件和高强度磁性材料。

由于显而易见的原因，轨道航天器中的部件通常是不可修复的。因此，像动量轮轴承一样简单的部件可以是卫星的跟腱。动量轮沿着单个轴提供姿态控制，因此丢失一个可能使卫星瘫痪。尽管它们是精确平衡的，但这些车轮仍然存在一些偏心或残余不平衡。这种缺陷会引起最终磨损机械轴承的振动。

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为了解决这个轴承问题，SatCon建议NASA“顺其自然”并管理动量轮不可避免的不平衡。“我们的想法是允许围绕它想旋转的点旋转(质心)，”SatCon的唐纳说。

方法如下：33.2厘米动量轮的轮毂由铁质材料制成，并由磁轴轴承径向支撑。两组堆叠的专有电磁线圈直接在xy平面内运动，仅施加0.27N以保持车轮绕其质心旋转 - 机械轴承系统将施加4.7N。

在稳态下，线圈施加很小的力或不施加力，因为质心基本上保持固定(并且不加速)。在实践中，当车轮旋转时(这需要19分钟)，并且当驱动动量轮的马达用于传递姿态变化时，瞬时力被施加到轮毂上。

消除瞬态需要主动运动控制方案，该方案使用测量和预测的车轮动态。两个差分对涡流传感器(来自Kaman Instrumentation Corp.，Colorado Springs，CO)为闭环数字控制系统提供位置反馈。德州仪器(TI)TMS320C30 DSP芯片处理这些数据，并指示放大器更新大约3,000 Hz的定位线圈电流。

DSP控制器在存储器中保存动量轮(称为工厂模型)及其干扰动力学的相互关联的动态数学模型。这些模型让DSP预测不平衡如何影响车轮的运动。

“你想要反馈质心位置，但你只知道几何中心，”唐纳坚持说。因此DSP必须估计质心位置。扰动动态模型的输出给出了偏移距离的度量，并且工厂模型的输出给出了质心位置的估计。将它们相加以产生传感器输出的估计值，然后将其与实际传感器输出进行比较。

通过控制工厂和干扰模型的增益，“循环收敛，结果无效。它推动了你应该测量的和你测量的相同的估计，”唐纳说。结果是一个控制器，让车轮围绕其质心旋转。

“这是一项激动人心的创新，”唐纳说道，SatCon已经申请了专利。“在长寿命，低维护，高速运转和轴承紧凑性方面有很多应用，”他补充道。而且因为“磁力轴承原则上与任何类型的电机没有什么不同，”唐纳设想工厂生产出来的那一天，工程师将它们设计成日常的实用产品。在那种情况下，这种类型的轴承可能变得像普通的那样广泛使用并且如今的微型电动机一样广泛使用。