(57)【要約】      （修正有）【課題】制御モーメントジャイロスコープに使用する運動量交換組立体および内部ジンバル組立体を提供する。【解決手段】固定子筐体と固定子筐体の中でシャフト１４２上に配設されたスピンモータ１３４とを含むタイプの内部ジンバル組立体１０２が提供される。内部ジンバル組立体１０２は、シャフト１４２に取り付けられた第１のスピン軸受１４４、１４６と、第１のスピン軸受１４４、１４６を実質的に囲む軸受カートリッジ１５４とを備え、軸受カートリッジ１５４は、第１の端部空洞部１６０を部分的に画定する第１端部と、第１の中間空洞部１５９、１６１を部分的に画定する第２端部と、第１の端部空洞部１６０、１９４と第１の中間空洞部１５９、１６１との間に流れ連通をもたらす軸受カートリッジ溝とを有する。【選択図】図２
2011189926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部筐体と、
前記外部筐体の中に配設された内部ジンバル組立体（１０２、５０２）とを備える運動量交換組立体において、前記内部ジンバル組立体（１０２、５０２）が、
固定子筐体と、
前記固定子筐体の中に少なくとも部分的に配設された回転子組立体（１３２、５３２）であって、シャフト（１４２、５４２）および前記シャフト（１４２、５４２）に固定的に連結された慣性要素を含む前記回転子組立体（１３２、５３２）と、
前記シャフト（１４２、５４２）の第１端部に取り付けられた第１のスピン軸受（１４４、１４６、５４４、５４６）と、
前記第１のスピン軸受（１４４、１４６、５４４、５４６）を囲む軸受カートリッジ（１５４、５５４）であって、第１端部（１７４）、第２端部（１７６）、および前記軸受カートリッジ（１５４、５５４）の前記第１端部から前記軸受カートリッジ（１５４、５５４）の前記第２端部まで延在する軸受カートリッジ溝（５６６、５６８）を有する前記軸受カートリッジ（１５４、５５４）と、
前記固定子筐体の中で前記シャフト（１４２、５４２）の周囲に配設されるスピンモータ（１３４）であって、スピンモータ回転子（１５０）およびスピンモータ固定子（１５２）を含み、前記スピンモータ回転子（１５０）が前記回転子組立体（１３２、５３２）に連結され、前記スピンモータ固定子（１５２）が前記スピンモータ回転子（１５０）の一部分の周囲に配設され前記固定子筐体に連結されるスピンモータ（１３４）とを含み、
第１の端部空洞部（１６０、１９４）が、前記軸受カートリッジ（１５４、５５４）の前記第１端部によって部分的に画定され、
第１の中間空洞部（１５９、１６１、５５９、５６１）が、前記スピンモータ（１３４）の外表面の第１部分と、前記回転子組立体（１３２、５３２）の表面の第１部分と、前記軸受カートリッジ（１５４、５５４）の前記第２端部とによって画定され、
前記軸受カートリッジ溝（１６６、１６８ ３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、５６６、５６８）が、前記第１の端部空洞部（１６０、１９４）と前記第１の中間空洞部（１５９、１６１、５５９、５６１）との間に流れ連通をもたらす運動量交換組立体。
【請求項２】
請求項１に記載の運動量交換組立体において、前記軸受カートリッジ（１５４、５５４）が、前記軸受カートリッジ（１５４、５５４）の前記第１端部（１７４）から前記軸受カートリッジ（１５４、５５４）の前記第２端部（１７６）まで延在する複数の軸受カートリッジ溝（１６６、１６８ ３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、５６６、５６８）を備える運動量交換組立体。
【請求項３】
請求項２に記載の運動量交換組立体において、前記複数の軸受カートリッジ溝（１６６、１６８、３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、５６６、５６８）が、前記軸受カートリッジ（３００、１５４、５５４）の周囲に実質的に均等に間隔を置いて配置される運動量交換組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府出資の研究または開発に関する記載
[0001]本発明の主題は、空軍によって授与された政府契約番号ＦＡ９４５３−０８−０２４７の下での政府の支援によって作成された。政府は、本発明の主題に一定の権利を有する。
【０００２】
[0002]本発明の主題は、一般に、運動量交換組立体に関し、より詳細には、制御モーメントジャイロスコープに使用する内部ジンバル組立体に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）は、普通、衛星姿勢制御システムに用いられる。一般に、ＣＭＧは、ＣＭＧ筐体または固定子筐体によって支持される内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）を含む。ＩＧＡは、典型的に、シャフトに連結された慣性要素（たとえばリングまたは筒）から構成される回転子組立体を含む。回転子はスピンモータに連結可能であり、それが運動量をＣＭＧに保存できるようにする。回転子がスピン軸を中心に回転できるようにするために、スピン軸受がシャフトのいずれかの端部に配設され得る。回転子のスピン軸と直交するジンバル軸を中心にＩＧＡを選択的に回転させるために、トルクモジュール組立体（ＴＭＡ）が、固定子筐体の第１端部部分に取り付けられる。このようにして、回転子のスピン軸と直交しジンバル速度に比例する出力トルクがもたらされる。ＴＭＡは、内部ジンバル組立体の回転速度、整流および／または角度位置を監視するのに適した１つまたは複数の回転センサ（たとえばタコメータ、リゾルバなど）をさらに含み得る。信号モジュール組立体（ＳＭＡ）が、ＴＭＡに対向する固定子筐体の第２端部部分に取り付けられ得る。ＳＭＡは、回転式インタフェースを介してＩＧＡ組立体の電気構成部品（たとえばスピンモータおよび電子部品）に電気信号および出力を送るように機能する。典型的に、ＩＧＡに真空環境を与えるように、ＣＭＧ筐体は排気される。
【０００４】
[0004]ＣＭＧが作動するにつれて、ＣＭＧ筐体内の温度が上昇し得る。時間とともに、ＣＭＧ筐体内の温度は許容可能な閾値を超過し得る。その結果、スピン軸受および／またはスピンモータなどの温度に影響を受けやすい構成部品は、短い耐用寿命を有することになり得る。温度に影響を受けやすい構成部品を冷却するために、ファンおよび他の冷却用構成部品がこれまで用いられてきたが、これらの冷却構成は改善可能である。具体的には、ファンおよび他の冷却用構成部品をＣＭＧに追加することは、重量を加えることになり、それがＣＭＧの効率に対する改善を妨げ得る。さらに、追加の冷却用構成部品がＣＭＧ内の空間の容積を消費し得るため、ＣＭＧの他の構成部品が、ＣＭＧ内において再構成または再位置付けされる必要があり、ＣＭＧのコストおよび設計の複雑さを増すことになり得る。
【０００５】
[0005]したがって、閾値温度より低い内部温度を維持するための冷却システムを有する改善されたＣＭＧを提供することが望まれるであろう。特に、ＣＭＧが比較的軽い全体重量を有すること、および、冷却システムがＣＭＧの内部容積の最小部分を占めることが望まれるであろう。さらに、改善されたＣＭＧは製造が比較的単純で安価であることが望まれるであろう。さらに、添付の図面および本発明の主題のこの背景と併せて、本発明の主題の以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から、本発明の主題の他の望ましい特徴および特性が明らかになろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，９１８，８６５号
【特許文献２】米国特許第５，３３２，０７０号
【特許文献３】米国特許第７，１８２，１８８号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[0006]制御モーメントジャイロスコープに使用する運動量交換組立体および内部ジンバル組立体が提供される。
[0007]一実施形態では、単に例として、運動量交換組立体は、外部筐体および内部ジンバル組立体を含む。内部ジンバル組立体は、外部筐体の中に配設され、固定子筐体、回転子組立体、第１のスピン軸受、軸受カートリッジおよびスピンモータを含む。回転子組立体は、固定子筐体の中に少なくとも部分的に配設される。回転子組立体は、シャフトおよびシャフトに固定的に連結された慣性要素を含む。第１のスピン軸受は、シャフトの第１端部に取り付けられる。軸受カートリッジは第１のスピン軸受を囲み、第１端部、第２端部、および軸受カートリッジの第１端部から軸受カートリッジの第２端部まで延在する軸受カートリッジ溝を有する。スピンモータは、固定子筐体の中でシャフトの周囲に配設され、スピンモータ回転子およびスピンモータ固定子を含む。スピンモータ回転子は、回転子組立体に連結され、スピンモータ固定子は、スピンモータ回転子の一部分の周囲に配設され、固定子筐体に連結される。第１の端部空洞部が、軸受カートリッジの第１端部によって部分的に画定される。第１の中間空洞部が、スピンモータの外表面の第１部分と、回転子組立体の表面の第１部分と、軸受カートリッジの第２端部とによって画定される。軸受カートリッジ溝は、第１の端部空洞部と第１の中間空洞部との間に流れ連通をもたらす。
【０００８】
[0008]別の実施形態では、例としてのみ、運動量交換組立体は、外部筐体と、外部筐体の中に配設された内部ジンバル組立体とを含む。内部ジンバル組立体は、固定子筐体と、固定子筐体の中に少なくとも部分的に配設された回転子組立体であって、シャフトおよびシャフトに固定的に連結された慣性要素を含む回転子組立体と、シャフトの第１端部に取り付けられたスピン軸受と、スピン軸受を囲むダイアフラムであって、第１端部および第２端部を有するダイアフラムと、固定子筐体の中でシャフトの周囲に配設されるスピンモータとを含み、スピンモータは、スピンモータ回転子およびスピンモータ固定子を含み、スピンモータ回転子は、内部リングおよび外部リングを含み、内部リングがシャフトに連結され、外部リングが慣性要素に連結され、スピンモータ固定子が、内部リングと外部リングとの間の環状の間隙の中に配設され、固定子筐体に連結される。第１の端部空洞部が、軸受カートリッジの第１端部によって部分的に画定される。シャフトは、シャフトを介して延在する第１のシャフト溝を含む。中間空洞部が、スピンモータの外表面の一部分と回転子組立体の表面の一部分とによって画定される。第１のシャフト溝は、第１の端部空洞部と中間空洞部との間に流れ連通をもたらす。
【０００９】
[0009]別の実施形態では、単に例として、制御モーメントジャイロスコープ組立体に使用する、固定子筐体と固定子筐体の中でシャフト上に配設されたスピンモータとを含むタイプの内部ジンバル組立体が提供される。内部ジンバル組立体は、シャフトに取り付けられた第１のスピン軸受と、第１のスピン軸受を実質的に囲む軸受カートリッジとを備え、軸受カートリッジは、第１の端部空洞部を部分的に画定する第１端部と、第１の中間空洞部を部分的に画定する第２端部と、第１の端部空洞部と第１の中間空洞部との間に流れ連通をもたらす軸受カートリッジ溝とを有する。
【００１０】
[0010]本発明の主題は、同様の符号が同様の要素を示す下記の図面と併せて以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】[0011]一実施形態による運動量交換組立体の分解図である。
【図２】[0012]一実施形態による組み立てられた制御モーメントジャイロスコープ組立体の側面断面図である。
【図３】[0013]一実施形態によるダイアフラムの半径方向の断面図である。
【図４】[0014]一実施形態によるシャフトの半径方向の断面図である。
【図５】[0015] 別の実施形態による制御モーメントジャイロスコープ組立体（ＣＭＡ）の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[0016]以下の詳細な説明は、性質上単に例示的であり、本発明の主題または本発明の主題の適用および用途を限定するようには意図されない。さらに、上記の背景または以下の詳細な説明に示されるいかなる理論によっても束縛される意図はない。
【００１３】
[0017]制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）内の構成部品を冷却する機構を含む、改善されたＣＭＧが提供される。一実施形態では、機構はダイアフラムおよび／またはＣＭＧのシャフトを介して形成される溝を含む。溝は、ＣＭＧ内の対流を増すように用いられ、それがＣＭＧ内の異なる位置の間の温度勾配を低減し得る。その結果、閾値温度の値を超える温度測定値を有することが以前は知られていた領域が冷却され得る。さらに、ＣＭＧ内の熱を発生する構成部品の温度測定値が、閾値温度よりも低く維持され得る。
【００１４】
[0018]図１は、一実施形態による運動量交換組立体５０の分解図である。運動量交換組立体５０は、衛星または他の宇宙機構造などの宇宙機構造を制御する運動量制御システムを具現化するように構成される。一般に、運動量交換組立体５０は、ベース部５２、架台５４およびカバー５６を含む。ベース部５２、架台５４およびカバー５６は、運動量交換サブシステム（ＭＥＳ）５８を包含するために排気された環境内において加圧され得る、密閉して封止された外部筐体を形成する。一実施形態では、ヘリウムなどの不活性ガスが加圧ガスとして使用され得る。他の実施形態では、他の不活性ガスが使用され得る。別の実施形態では、封止された外部筐体の内部が、約０．０５バールから約１．０バールの範囲の圧力まで加圧され得る。さらに他の実施形態では、ガスの圧力は、前述の範囲より大きくなるかまたは小さくなり得る。
【００１５】
[0019]一実施形態によると、ＭＥＳ５８は、三次元での宇宙機姿勢制御のために３つ以上の制御モーメントジャイロスコープ組立体（ＣＭＡ）５９を備え得る。他の実施形態では、より多くのＣＭＡが、バックアップ、冗長、特異姿勢回避および他の目的のために用いられ得る。一実施形態では、ＭＥＳ５８は、４つの実質的に同一の制御モーメントジャイロスコープ組立体（ＣＭＡ）５９と、ＣＭＡを固定する単一の支持構造体７２と、複数の衝撃絶縁装置６０およびその取り付け点６１とを含む。それぞれのＣＭＡ５９はＣＭＧを含む。一実施形態では、ＭＥＳ５８は、複数の衝撃絶縁装置６０によって、単一の支持構造体７２を介して運動量交換組立体５０に固定され得る。衝撃絶縁装置６０に関する追加の実施形態は、その全体が参照によって本明細書に援用される、米国特許第５，９１８，８６５号、米国特許第５，３３２，０７０号および米国特許第７，１８２，１８８号に見出されるであろう。
【００１６】
[0020]図２は、一実施形態による組み立てられたＣＭＡ１００の側面断面図である。一実施形態において、ＣＭＡ１００は、内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）１０２、トルクモジュール組立体（ＴＭＡ）１０４、および信号モジュール組立体（ＳＭＡ）１０６を含む。ＣＭＡ１００は一体化可能であり、したがって、ＴＭＡ１０４はＩＧＡ１０２に連結可能であり、ＳＭＡ１０６はＴＭＡ１０４に連結可能である。一実施形態では、ＣＭＡ１００は、ＩＧＡ１０２およびＴＭＡ１０４の外部構造体、ＴＭＡ１０４とＩＧＡ１０２の出口との間のハーモニックドライブ、ならびにＩＧＡ１０２とＳＭＡ１０６とを連結する可撓性のケーブル管路または可撓性の背部１０８によって、単一の組立体を形成することができる。一実施形態では、可撓性の背部１０８は１つの鋼棒材から削り出され得る。一実施形態によると、可撓性の背部１０８は、ＣＭＡ１００のジンバル軸１１２に沿って、少量の屈曲および拡張を吸収するばねのような構成を有する一端部を含み得る。他の実施形態では、可撓性の背部１０８は、異なる構成を有し得る。
【００１７】
[0021]一実施形態では、ＣＭＡ１００の軸方向の全長は、約３１４ミリメートル（ｍｍ）から約３３０ｍｍの範囲であり、ＣＭＡ１００の最大直径は約１４５ｍｍから約１６０ｍｍの範囲であり得る。別の実施形態によると、ＣＭＡ１００は比較的小さく、軸方向の全長は約２８センチメートル（ｃｍ）、最大直径は直径約１０ｃｍとなり得る。他の実施形態では、ＣＭＡ１００は様々な運動量およびトルクの必要条件に適応する縮尺にすることができ、したがって、軸方向の長さがより長くもしくはより短く、または直径が前述の範囲より広くもしくは狭くなり得る。
【００１８】
[0022]ＴＭＡ１０４は、ホストの宇宙機にジャイロスコープのトルクを選択的に与えるように構成される。この点に関して、ＴＭＡ１０４は、ジンバル軸１１２を中心にＩＧＡ１０２を選択的に回転させるトルクモータ１１０を含む。ＩＧＡ１０２の回転を容易にするために、ジンバル軸受１１４、１１６が、ＩＧＡ１０２に隣接して配設される。別の実施形態では、ＴＭＡ１０４は、モータの整流および／またはＩＧＡ１０２の角度位置もしくは回転速度の測定に適した位置センサならびに／あるいは速度センサ（たとえばリゾルバ、タコメータなど）を備え得る。さらに、図１に示すように、ＴＭＡ１０４の外部は、電池などの外部電源にＴＭＡ１０４を接続できるようにする電力伝達コネクタ１１８を含み得る。
【００１９】
[0023]ＳＭＡ１０６は、電力および他の電気信号を回転式インタフェースを介してＩＧＡ１０２の電気構成部品に伝達できるように構成される。一実施形態では、ＳＭＡ１０６は軸方向のスリップリング組立体１２２を包含する筐体１２０を含む。筐体１２０の外部は、電力伝達コネクタ１１８に連結され得る。一実施形態によれば、ＳＭＡ１０６は、ＳＭＡ１０６の端部に取り付けられるジンバル軸電位差計１２６を含み得る。ジンバル軸電位差計１２６は、ＩＧＡ１０２の角度位置を測定するために用いられる。一実施形態では、外部電源（図示せず）に接続できるように、電位差計電力伝達コネクタ（図示せず）が電位差計１２６の外部に含まれ得る。
【００２０】
[0024]一実施形態では、ＩＧＡ１０２は、ジンバル軸１１２を中心に回転するように構成される。ＩＧＡ１０２は、ジンバル筐体組立体１３０、回転子組立体１３２およびスピンモータ１３４を備える。ジンバル筐体組立体１３０は、回転子組立体１３２を支持する構造体を与える。一実施形態では、ジンバル筐体組立体１３０は、固定子筐体１３８に連結されたジンバル保持器組立体１３６を含み、これがＴＭＡ１０４に連結される。ジンバル保持器組立体１３６および固定子筐体１３８は概ね円筒形であり、ＴＭＡ１０４からの出力が中を伝わることができるようになっている。
【００２１】
[0025]一実施形態によると、回転子組立体１３２は、回転可能なシャフト１４２に固定的に連結される慣性要素１４０（たとえばリングまたは筒）を含む。一実施形態によると、回転子組立体１３２は、約１００ｍｍから約１１５ｍｍの範囲の最大直径、および約９５ｍｍから約１００ｍｍの範囲の長さを有し得る。別の実施形態では、最大直径は約１０１．６ｍｍ（４インチ）であり、長さは約６３．５ｍｍ（２．５インチ）であり得る。さらに他の実施形態では、最大直径および／または長さはしかし、特定の用途に必要であり得るようなサイズの縮尺にすることができ、したがって前述の範囲より大きくまたは小さくなり得る。
【００２２】
[0026]スピンモータ１３４は、回転子組立体１３２を回転させるエネルギーを与え、シャフト１４２の中間部分の周囲に配設される。一実施形態では、スピンモータ１３４はスピンモータ回転子１５０およびスピンモータ固定子１５２を含む。一実施形態では、スピンモータ回転子１５０は、内部リング１９０および外部リング１９２を含む。内部リング１９０はシャフト１４２に連結され、一方、外部リング１９２は慣性要素１４０に連結される。一実施形態では、スピンモータ固定子１５２は、スピンモータ回転子１５０の一部分の周囲に配設される。一実施形態によると、スピンモータ固定子１５２は、固定子筐体１３８に連結され、固定子筐体１３８から延在する。例では、スピンモータ固定子１５２は、スピン回転子１５０の内部リングと外部リング１９０、１９２との間の環状の間隙に配設される。いくつかの実施形態では、スピンモータ１３４は、非鉄モータ固定子を備えた３相、４極のＤＣモータであり得る。他の実施形態では、スピンモータ１３４は別のタイプのモータを含み得る。
【００２３】
[0027]回転子組立体１３２の回転の動きを容易にするために、スピン軸受１４４、１４６が、シャフト１４２の第１および第２の端部１８０、１８８の周囲に配設される。一実施形態では、スピンモータ１５０から径方向内側の１組のスピン軸受１４４が、軸受カートリッジ１５４によって適所に保持される。一実施形態によると、軸受カートリッジ１５４は円筒形であり、固定子筐体１３８を介して形成される取付け開口部１５６の中に配置され得る。軸受カートリッジ１５４はスピン軸受１４４を囲み、シャフト１４２に対して横方向に適所にスピン軸受１４４を堅固に保持する。スピン軸受１４４の長さ方向の動きは、スピン軸１５８に沿った長さ方向への軸受カートリッジ１５４の撓みによって吸収され得る。一実施形態では、軸受カートリッジ１５４は、作製に異なる厚さおよび異なる材料を選択することによって物理的に適合され得る（たとえば堅くされ得る）。たとえば、軸受カートリッジ１５４は、ベリリウム銅金属を含み、約９ｍｍから約１２ｍｍの範囲の半径方向の厚さを有し得る。別の実施形態では、軸受カートリッジ１５４は、別の材料を含み、および／または前述の範囲よりも厚いかもしくは薄くてもよい。このようにして、軸受カートリッジ１５４は、回転子組立体１３２のための長さ方向の振動絶縁装置の役割をし、回転子組立体１３２の熱膨張を吸収する。
【００２４】
[0028]第２組のスピン軸受１４６は、シャフト１４２の第２端部１８８に配設され、ダイアフラム１９８によって適所に保持される。一実施形態では、ダイアフラム１９８は、軸受支持スリーブ２０４の中に配設され、それは固定子筐体１３８の開口部１９６の中に配設され得る。
【００２５】
[0029]作動時には、回転子組立体１３２は、毎分２３，０００回転（ｒｐｍ）以上の回転速度で回転し得る。回転の結果、ＣＭＧ１００の構成部品（たとえばスピン軸受１４４、１４６）が熱を発生し、そのために、ＩＧＡ１０２内の温度が閾値温度を超えることがあり得る。閾値温度は、作動時に長時間さらされた場合にＣＭＧの構成部品が短い耐用寿命を有することになるであろう温度であり得る。一実施形態によると、特定の閾値温度は、ＣＭＧ１００の構成部品が構成される材料に依存し得る。たとえば、閾値温度は、約７５°Ｃから約１００°Ｃの範囲であり、適切な材料がスピン軸受１４４、１４６の製造ために選択され得る。いずれの場合も、ＩＧＡ１０２内の温度を下げるために、遠心ポンプがＣＭＧ１００に含まれ得る。遠心ポンプは、スピンモータ１３４の１つまたは複数の空洞部とＩＧＡ１０２の他の部分との間に圧力差を生じるように構成される。
【００２６】
[0030]一実施形態では、第１の中間空洞部１５９と端部空洞部１６０との間に圧力差が生じる。一実施形態では、第１の中間空洞部１５９は、スピンモータ１３４の外表面の第１部分と、回転子組立体１３２の表面と、軸受カートリッジ１５４の第１端部１７４とによって画定される。一実施形態では、端部空洞部１６０は、軸受カートリッジ１５４の第２端部１７６およびシャフト１４２の第１端部１８０によって部分的に画定され、固定子筐体１３８の取付け開口部１５６に配置され得る。この点に関して、遠心ポンプは、端部空洞部１６０と中間空洞部１５９との間に延在する１つまたは複数のカートリッジ溝１６６、１６８を含む。一実施形態では、１つまたは複数のカートリッジ溝１６６、１６８は、軸受カートリッジ１５４の第１端部１７４から第２端部１７６まで延在する。一実施形態によると、カートリッジ溝１６６、１６８は、スピン軸１５８に実質的に平行に延在する。別の実施形態では、カートリッジ溝１６６、１６８は、スピン軸１５８から外向きに、またはスピン軸１５８に向かって内向きに曲がっている。一実施形態では、カートリッジ溝１６６、１６８は、約１．０ｍｍから約２．２５ｍｍまでの範囲の直径を有し得る。別の実施形態では、直径は、前述の範囲よりも大きいかまたは小さくなり得る。一実施形態によると、２つ以上のカートリッジ溝１６６、１６８が、実質的に等しい直径（たとえば±０．１ ｍｍ）を有し得る。別の実施形態では、２つ以上のカートリッジ溝１６６、１６８が、異なる直径を有し得る。２つのカートリッジ溝１６６、１６８が軸受カートリッジ１５４に示されているが、より多くのまたはより少ないカートリッジ溝１６６、１６８が含まれてもよい。
【００２７】
[0031]図３は、一実施形態によるカートリッジ３００の半径方向の横断面である。カートリッジ３００は、複数のカートリッジ溝３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６を含む。一実施形態では、カートリッジ溝３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６は、カートリッジ３００の周囲の回りに実質的に均等に間隔を置いて配置される。別の実施形態は、ダイアフラム溝の群が、ダイアフラムの周囲の回りに実質的に均等に間隔を置いて配置され得る。さらに別の実施形態では、ダイアフラム溝は、ダイアフラムの周囲の回りに均等に間隔を置いて配置されなくてもよい。合計８つのカートリッジ溝３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６がカートリッジ３００に含まれているが、他の実施形態は、より少ないまたはより多いダイアフラム溝を含んでよい。一実施形態では、カートリッジ溝３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６は、円形の断面を有し得る。別の実施形態では、溝３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６の断面は、円形でなくてもよい。さらに別の実施形態では、１つまたは複数のカートリッジ溝３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６は、その長さに沿って一定の流れ面積を有し得る。別の実施形態では、１つまたは複数のカートリッジ溝３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６は、その長さに沿って異なる流れ面積を有し得る。
【００２８】
[0032]別の実施形態では、端部空洞部１６０と、スピンモータ１３４の外表面の第２部分および回転子組立体１３２の表面の別の部分によって画定される第２の中間空洞部１６１との間で圧力差を生じるように、遠心ポンプは構成される。したがって、図２に戻ると、別の実施形態では、遠心ポンプは代替としてまたはさらにシャフト溝１７０、１７２を含む。シャフト溝１７０、１７２は、第２の中間空洞部１６１と端部空洞部１６０との間に流れ連通をもたらすように、シャフト１４２の第１端部１８０からシャフト１４２の中間部分まで延在する。一実施形態では、シャフト溝１７０、１７２は直線状の溝であり、スピン軸１５８に対してある角度をなす。別の実施形態によると、シャフト溝１７０、１７２は、比較的直線状であるが、曲がりを含む。一実施形態によると、シャフト溝１７０、１７２は、約０．８ｍｍから約１．５ｍｍの範囲の直径を有し得る。別の実施形態では、直径は前述の範囲より大きいかまたは小さくなり得る。一実施形態によると、２つ以上のシャフト溝１７０、１７２が、実質的に等しい直径（たとえば±０．１ｍｍ）を有し得る。別の実施形態では、２つ以上のシャフト溝１７０、１７２が異なる直径を有し得る。一実施形態では、シャフト溝１７０、１７２は、円形の断面を有し得る。別の実施形態では、シャフト溝１７０、１７２の断面は、円形でなくてもよい。さらに別の実施形態では、１つまたは複数のシャフト溝１７０、１７２が、その長さに沿って一定の流れ面積を有し得る。別の実施形態では、１つまたは複数のシャフト溝１７０、１７２は、その長さに沿って異なる流れ面積を有し得る。
【００２９】
[0033]図４は、一実施形態による、シャフト４００の半径方向の断面図である。シャフト４００は、複数のシャフト溝４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、４１６を含む。一実施形態では、シャフト溝４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、４１６は、シャフト４００の周囲に実質的に均等に間隔を置いて配置される。たとえば、一実施形態では、シャフト４００は中実の構成部品であり、シャフト溝４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、４１６は、シャフト４００の中央の周囲に円形のパターンを形成し得る。別の実施形態では、シャフト溝４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、４１６は、無作為のパターンを形成する。さらに別の実施形態では、シャフト４００は中空の構成部品を備える。このような一実施形態では、シャフト溝４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、４１６は、シャフト４００の周囲の回りに実質的に均等に間隔を置いて配置される。さらに別の実施形態では、シャフト溝４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、４１６は群を形成し、この群がダイアフラムの周囲の回りに実質的に均等に間隔を置いて配置される。さらに別の実施形態では、シャフト溝は、シャフトの周囲の回りに均等に間隔を置いては配置されない。合計８つのシャフト溝４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、４１６がシャフト４００に含まれるが、他の実施形態は、より少ないかまたはより多いシャフト溝を含んでもよい。
【００３０】
[0034]図２に戻ると、さらに別の実施形態では、遠心ポンプは、シャフト１４２の第２端部１８８の近くのスピン軸受１４６の作動温度を下げる冷却機構を含む。この点に関しては、遠心ポンプは、代替としてまたはさらに、シャフト１４２の第２端部１８８からシャフト１４２の中間部分まで延在するシャフト溝１８４、１８６を含む。シャフト溝１８４、１８６は、別の第２の端部空洞部１９４と中間空洞部１６１との間に流れ連通をもたらす。一実施形態では、第２の端部空洞部１９４は、シャフトの第２端部１８８によって少なくとも部分的に画定され、固定子筐体１３８の固定子開口部１９６の中に配置される。一実施形態では、シャフト溝１８４、１８６は、シャフト端部１８８から中間部分の表面まで湾曲し得る。別の実施形態では、シャフト溝１８４、１８６は、スピン軸１５８に対してある角度をなす直線状の溝であり得る。一実施形態によると、シャフト溝１８４、１８６は、一実施形態では０．８ｍｍから約１．５ｍｍの範囲の直径を有し得る。別の実施形態では、直径は前述の範囲より大きいかまたは小さくてもよい。一実施形態によると、２つ以上のシャフト溝１８４、１８６が実質的に等しい直径（たとえば±０．１ｍｍ）を有し得る。別の実施形態では、２つ以上のシャフト溝１８４、１８６が異なる直径を有し得る。一実施形態では、シャフト溝１８４、１８６は円形の断面を有し得る。別の実施形態では、シャフト溝１８４、１８６の断面は円形でなくてもよい。さらに別の実施形態では、１つまたは複数のシャフト溝１８４、１８６は、その長さに沿って一定の流れ面積を有し得る。別の実施形態では、１つまたは複数のシャフト溝１８４、１８６は、その長さに沿って異なる流れ面積を有し得る。
【００３１】
[0035]シャフト１４２の両端部１８０、１８８から延在するシャフト溝１７０、１７２、１８４、１８６が含まれる一実施形態では、すべてのシャフト溝１７０、１７２、１８４、１８６は直径が実質的に等しい。他の実施形態では、いくつかのシャフト溝１７０、１７２が、他のシャフト溝１８４、１８６より大きいかまたは小さい。
【００３２】
[0036]別の実施形態では、ダイアフラム溝２００、２０２が、第２組のスピン軸受１４６を囲むダイアフラム１９８の中に含まれる。一実施形態では、ダイアフラム溝２００、２０２は、スピン軸１５８に実質的に平行に延在する。別の実施形態では、ダイアフラム溝２００、２０２は、スピン軸１５８から外向きに、またはスピン軸１５８に向かって内向きに曲がっている。一実施形態では、ダイアフラム溝２００、２０２は、約１．０ｍｍから約２．２５ｍｍの範囲の直径を有し得る。別の実施形態では、直径は前述の範囲より大きいかまたは小さくなり得る。一実施形態によると、２つ以上のダイアフラム溝２００、２０２が、実質的に等しい直径（たとえば±０．１ｍｍ）である。別の実施形態では、２つ以上のダイアフラム溝２００、２０２が異なる直径を有する。２つのダイアフラム溝２００、２０２がダイアフラム１９８に示されているが、より多いまたはより少ないダイアフラム溝２００、２０２が含まれ得る。
【００３３】
[0037]カートリッジ溝１６６、１６８、２００、２０２がカートリッジ１５４とダイアフラム１９８の両方に含まれる一実施形態では、すべてのカートリッジ溝およびダイアフラム溝１６６、１６８、２００、２０２は、直径が実質的に等しくなり得る。他の実施形態では、いくつかのカートリッジ溝およびダイアフラム溝１６６、１６８、２００、２０２が、他のカートリッジ溝およびダイアフラム溝１６６、１６８、２００、２０２より大きいかまたは小さくなり得る。
【００３４】
[0038]遠心ポンプは、様々なタイプの制御モーメントジャイロスコープ組立体に含まれ得る。図５は、別の実施形態による制御モーメントジャイロスコープ組立体（ＣＭＡ）５００である。ここでは、ＣＭＡ５００は内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）５０２を含むが、ＩＧＡ５０２は固定子筐体５３０の中に封入される。一実施形態では、固定子筐体５３０は、約２５ｃｍから約３０ｃｍの範囲の軸方向の全長、および、約１７ｃｍから約２０ｃｍの範囲の最大直径を有し得る。他の実施形態では、固定子筐体５３０の軸方向の長さおよび最大直径は、前述の範囲より大きいかまたは小さくなり得る。
【００３５】
[0039]一実施形態によれば、固定子筐体５３０は、ＩＧＡ５０２が加圧され、排気された環境において作動できるように密閉して封止される。一実施形態では、ヘリウムなどの不活性ガスが加圧ガスとして使用され得る。他の実施形態では、他の不活性ガスが使用され得る。別の実施形態では、固定子筐体５３０の内部は、約０．３バールから１．０バールの範囲の圧力に加圧され得る。さらに他の実施形態では、ガスの圧力は、前述の範囲より高いかまたは低くてよい。
【００３６】
[0040]ＩＧＡ５０２はさらに、封止されるかまたは封止されないＩＧＡ筐体５９０内に配設され得る。一実施形態では、ＩＧＡ５０２は回転可能なシャフト１４２に固定的に連結される慣性要素５４０（たとえばリングまたは筒）を含む回転子組立体５３２を含む。一実施形態では、回転子組立体５３２は、約１０ｃｍから約１７ｃｍの範囲の軸方向の長さ、および、約５ｃｍから約８ｃｍの範囲の最大直径を有する。他の実施形態では、回転子組立体５３２の軸方向の長さおよび最大直径は、前述の範囲より大きいかまたは小さくなり得る。回転子組立体５３２の回転の動きを容易にするために、スピン軸受５４４、５４６が、シャフト５４２のそれぞれの端部の周囲に配設される。一実施形態では、スピン軸受５４４、５４６の少なくとも１つが、カートリッジ５５４によって適所に保持される。スピンモータ５４６が、シャフト５４２の中間部分の周囲に配設され、回転子組立体５３２の異なる部分とともに中間空洞部５５９、５６１を画定する。一実施形態では、スピンモータ５４６はＩＧＡ筐体５３０の一部分に取り付けられる。
【００３７】
[0041]ＩＧＡ５０２内の構成部品を冷却するために、１つまたは複数のカートリッジ溝５６６、５６８および／またはシャフト溝５７０、５７２、５８２、５８４が、遠心ポンプを形成するように含まれ得る。一実施形態では、カートリッジ溝５６６、５６８は、端部空洞部（図示せず）と中間空洞部５５９との間に連通をもたらすようにカートリッジ５５４を介して延在し、カートリッジ溝１６６、１６８と同様のやり方で構成および／または配設される。別の実施形態では、シャフト溝５７０、５７２、５８２、５８４は、シャフト５４２のいずれかの端部の１つまたは両方の端部空洞部（図示せず）から中間空洞部５６１まで延在する。シャフト溝５７０、５７２、５８２、５８４は、上述のシャフト溝１７０、１７２、１８２、１８４と同様のやり方で構成および／または配設される。
【００３８】
[0042]図２および５を参照して、作動時に、ＣＭＧ１００、５００が通電されると、スピンモータ１４６、５４６は、スピン軸１５８を中心に回転子組立体１３２、５３２を回転させるようにシャフト１４２、５４２にトルクを与える。ＣＭＧの作動の過程で、スピン軸受１４４、１４６、５４４、５４６は熱を発生し得る。ＣＭＧ１００、５００に１つまたは複数のカートリッジ溝および／もしくはダイアフラム溝１６６、１６８、１８４、１８６、５６６、５６８、５８２、５８４ならびに／またはシャフト溝１７０、１７２、５７０、５７２、５８２、５８４を含むことによって、スピン軸受１４４、１４６、５４４、５４６および周囲の構成部品は、比較的低温のままとなり得る。具体的には、回転子組立体１３２、５３２が回転すると、中間空洞部１５９、１６１、５５９、５６１と端部空洞部１６０、１９４との間に圧力差が生じ得る。その結果、ＣＭＧ１００、５００内のガスが、溝１６６、１６８、１８４、１８６、５６６、５６８、５８２、５８４の中を流れ、それが、スピン軸受１４４、１４６、５４４、５４６からの熱伝達を促進する対流を増し得る。
【００３９】
[0043]こうして、ＣＭＧの内部温度を閾値温度より低く維持することのできる冷却システムを有する改善されたＣＭＧが提供される。さらに、ＣＭＧは比較的低い全体重量を有し得る。ＣＭＧに含まれる冷却システムは、また、ＣＭＧの内部容積の最小部分を占め得る。さらに、改善されたＣＭＧは、従来のＣＭＧと比べて製造が比較的単純で安価となり得る。
【００４０】
[0044]少なくとも１つの例示的な実施形態が本発明の主題の前述の詳細な説明に示されているが、非常に多くの変形例が存在することを理解されたい。例示的な実施形態または複数の例示的な実施形態は単に例であり、本発明の主題の範囲、適用可能性または構成をいかようにも限定することを意図しないことも理解されたい。むしろ、前述の詳細な説明は、本発明の主題の例示的な実施形態を実現する都合のいい道筋を当業者に提供することになる。添付の特許請求の範囲に定義された本発明の主題の範囲から逸脱することなく、様々な変更が、例示的な実施形態に説明された要素の機能および構成に行われ得ることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４１】
５０  運動量交換組立体
５２  ベース部
５４  架台
５６  カバー
５８  運動量交換サブシステム（ＭＥＳ）
５９  制御モーメントジャイロスコープ組立体（ＣＭＡ）
６０  衝撃絶縁装置
６１  取り付け点
７２  支持構造体
１００  制御モーメントジャイロスコープ組立体（ＣＭＡ）
１０２  内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）
１０４  トルクモジュール組立体（ＴＭＡ）
１０６  信号モジュール組立体（ＳＭＡ）
１０８  可撓性の背部
１１０  トルクモータ
１１２  ジンバル軸
１１４、１１６  ジンバル軸受
１１８  電力伝達コネクタ
１２０  筐体
１２２  スリップリング組立体
１２６  ジンバル軸電位差計
１３０  ジンバル筐体組立体
１３２  回転子組立体
１３４  スピンモータ
１３６  ジンバル保持器組立体
１３８  固定子筐体
１４０  慣性要素
１４２  シャフト
１４４、１４６  スピン軸受
１５０  スピンモータ回転子
１５２  スピンモータ固定子
１５４  軸受カートリッジ
１５６  取付け開口部
１５８  スピン軸
１５９  中間空洞部
１６０  端部空洞部
１６１  中間空洞部
１６６、１６８  カートリッジ溝
１７０、１７２  シャフト溝
１７４  第１端部
１７６  第２端部
１８０  第１端部
１８２、１８４、１８６  シャフト溝
１８８  第２端部
１９０  内部リング
１９２  外部リング
１９４  端部空洞部
１９６  開口部
１９８  ダイアフラム
２００、２０２  ダイアフラム溝／カートリッジ溝
２０４  軸受支持スリーブ
３００  カートリッジ
３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、３１６  カートリッジ溝
４００  シャフト
４０２、４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、４１６  シャフト溝
５００  制御モーメントジャイロスコープ組立体（ＣＭＡ）
５０２  内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）
５３０  固定子筐体
５３２  回転子組立体
５４０  慣性要素
５４２  シャフト
５４４、５４６  スピン軸受
５４６  スピンモータ
５５４  カートリッジ
５５９、５６１  中間空洞部
５６６、５６８  カートリッジ溝
５７０、５７２、５８２、５８４  シャフト溝
５９０  ＩＧＡ筐体
【図１】
2011189926.tif 000003
【図２】
2011189926.tif 000004
【図３】
2011189926.tif 000005
【図４】
2011189926.tif 000006
【図５】
2011189926.tif 000007
【外国語明細書】
2011189926000001.pdf