(57)【要約】      （修正有）【課題】完全冗長であるがシステムおよび宇宙機全体の重量を著しく増大させない宇宙機応用例向けの冗長エネルギー貯蔵フライホイールシステムを提供する。【解決手段】宇宙機用のエネルギー貯蔵フライホイール１０６システムが、完全冗長な回転グループおよびジンバルアクチュエータ３２４と共に実装される。具体的には、ジンバルアクチュエータ３２４、モータ／発電機３３０、一次軸受け３４２、二次軸受けアクチュエータ３５４は、それぞれ１対の冗長コイルまたはモータと共に実装される。【選択図】図３
2008094384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー貯蔵フライホイールシステム（１０６）であって、
シャフト（５０２）と、
前記シャフト（５０２）上に載置されたフライホイールアセンブリ（１０６）と、
複数の磁気軸受けアセンブリ（３４０）とを有し、各磁気軸受けアセンブリ（３４０）は一次アクチュエータコイル（３４３）と二次アクチュエータコイル（３４５）とを含み、各アクチュエータコイル（３４３、３４５）は、選択的に通電および遮電されるように適合され、且つ各アクチュエータコイル（３４３、３４５）が通電されたときに前記フライホイールアセンブリ（１０６）を非接触で回転可能に載置するように構成され、
前記システム（１０６）は、さらに、複数の二次軸受けアセンブリ（３５４）を有し、各二次軸受けアセンブリ（３５４）は、前記シャフト（５０２）を選択的に回転可能に支持するように構成され、
前記システム（１０６）は、さらに、１つまたは複数の前記二次軸受けアセンブリ（３５４）に結合される二次軸受けアクチュエータアセンブリ（３５２）を有し、前記二次軸受けアクチュエータアセンブリ（３５２）は、一次駆動コイル（３５３）と二次駆動コイル（３５５）とを含み、各二次軸受けアクチュエータアセンブリの駆動コイル（３５５）は、アクチュエータ制御信号を選択的に受け取るように適合され、且つ、受け取った信号に応答して、前記二次軸受けアクチュエータアセンブリ（３５２）が、１つまたは複数の前記二次軸受けアセンブリ（３５４）を、（ｉ）各二次軸受けアセンブリ（３５４）が前記シャフト（５０２）を回転可能に支持する係合位置と、（ｉｉ）各二次軸受けアセンブリ（３５４）が前記シャフト（５０２）を回転可能に支持しない非係合位置とのうちの一方に移動させるように動作可能であり、
前記システム（１０６）は、さらに、エネルギー貯蔵フライホイール（１０６）に結合され且つモータモードまたは発電モードで動作するように構成されたモータ／発電機（３３０）を有し、前記モータ／発電機（３３０）は、ロータ（３３１）とステータ（３３２）とを含み、前記ステータ（３３２）が、一次ステータコイル（３３５）と、二次ステータコイル（３３７）とを含む、ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステム（１０６）であって、
前記システム（１０６）は、さらに、磁気軸受けアセンブリ（３４０）の動作可能性を表す１つまたは複数の磁気軸受け監視信号を受け取るように適合された磁気軸受け制御回路（３６０）を有し、前記磁気軸受け制御回路（３６０）は、前記磁気軸受け監視信号に応答して、磁気軸受け活動化制御信号を、各磁気軸受けアセンブリ（３４０）の前記一次アクチュエータ（３４３）または前記二次アクチュエータ（３４５）に選択的に供給するように構成され、
前記システム（１０６）は、さらに、二次軸受けアクチュエータアセンブリ（３５４）の動作可能性を表す１つまたは複数の信号を受け取るように適合された二次軸受け制御回路（３０８）を有し、前記二次軸受け制御回路（３０８）は、受け取った信号に応答して、前記アクチュエータ制御信号を、前記一次駆動コイル（３５３）または前記二次駆動コイル（３５５）に選択的に供給するように動作可能であり、
前記システム（１０６）は、さらに、モータ／発電機（３３０）の動作可能性を表す１つまたは複数の信号を受け取るように適合されたモータ／発電機制御回路（３０４）を有し、前記モータ／発電機制御回路（３０４）は、受け取った信号に応答して、前記一次ステータコイルセット（３３５）または前記二次ステータコイルセット（３３７）を介して、前記モータ／発電機（３３０）が電力を供給または電力を引き出すように前記モータ／発電機（３３０）を構成するように動作可能であることを特徴とするシステム（１０６）。
【請求項３】
請求項１に記載のシステム（１０６）であって、
前記二次軸受けアクチュエータアセンブリ（３５２）の各々が、一次ロータ（３２７）と、二次ロータ（３２９）とを含み、
前記二次軸受けアクチュエータの一次駆動コイル（３５３）が、アクチュエータ制御信号を受け取ったとき、前記二次軸受けアクチュエータアセンブリの一次ロータ（３２７）を回転させ、
前記二次軸受けアクチュエータの二次駆動コイル（３５５）が、アクチュエータ制御信号を受け取ったとき、前記二次軸受けアクチュエータアセンブリの二次ロータ（３２９）を回転させることを特徴とするシステム（１０６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー貯蔵フライホイールシステムに関し、より詳細には、宇宙機の電力および姿勢制御用の完全冗長なエネルギー貯蔵フライホイールシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、米国空軍研究所によって授与された契約番号Ｆ２９６０１−０１−２−００４６の元で、政府支援と共になされた。政府は、本発明におけるある種の権利を有する。
多数の衛星や他の宇宙機、ならびに、いくつかの地上の静止応用例および航洋船など乗物応用例は、バックアップ電力源を提供するために、またその乗物に対する姿勢制御を実現するために、１つまたは複数のエネルギー貯蔵フライホイールシステムを含むことがある。そのようなシステムでは、各フライホイールシステムは、乗物の配電系統内の電気需要の釣り合いを保つように制御および調節され、また、乗物内の主コントローラによって受け取られた、プログラムされた、または遠隔の姿勢（またはトルク）コマンドに応答して制御される。
【０００３】
多数のエネルギー貯蔵フライホイールシステムは、ハウジングアセンブリ内で回転可能に支持される１つまたは複数の構成部品を含む。回転グループと呼ぶことができるこれらの構成部品は、たとえば、エネルギー貯蔵フライホイール、モータ／発電機、シャフトを含む。具体的には、エネルギー貯蔵フライホイールおよびモータ／発電機がシャフト上に載置され、シャフトは、ハウジングアセンブリ内で、１つまたは複数の軸受けアセンブリを介して回転可能に支持される。多くの場合、シャフトは、１つまたは複数の一次軸受けアセンブリと、１つまたは複数の二次またはバックアップ軸受けアセンブリとを使用して、回転可能に支持される。たとえば、多数の衛星および宇宙機応用例では、フライホイールシステムは、一次軸受けアセンブリとして機能する１つまたは複数の磁気軸受けアセンブリと、二次軸受けアセンブリとして機能する１つまたは複数の機械軸受けアセンブリとを含むことがある。典型的には、一次軸受けアセンブリは、回転グループを回転可能に支持するために使用され、一方、二次軸受けアセンブリは、他の方法で回転グループから解放される。１つまたは複数の一次軸受けアセンブリが、たとえば故障により非活動化された場合、または他の原因で回転グループを回転可能に支持するように動作することができなくなった場合には、二次軸受けアセンブリが回転グループに係合し、それにより回転グループを回転可能に支持することになる。
【０００４】
上述の構成部品の１つまたは複数は、エネルギー貯蔵フライホイールシステムの動作中に動作不能になる可能性がある。そのような場合には、エネルギー貯蔵フライホイールシステム全体が動作不能になる可能性がある。したがって、システムが動作不能になる可能性を低減するために、とりわけ宇宙応用例向けのエネルギー貯蔵フライホイールシステム内で、十分な冗長性を実現することが望ましい。残念ながら、２重のモータ／発電機、および／または２重の一次軸受けなど、大抵の冗長方式は、システム重量全体を増大させる可能性があり望ましくない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、完全冗長であるがシステムおよび宇宙機全体の重量を著しく増大させない宇宙機応用例向けの冗長エネルギー貯蔵フライホイールシステムが求められている。本発明は、少なくともこの必要に対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、宇宙機の電力および姿勢制御用の完全冗長なエネルギー貯蔵フライホイールシステムを提供する。
一実施形態では、一例にすぎないものとして、エネルギー貯蔵フライホイールシステムが、シャフトと、フライホイールアセンブリと、複数の磁気軸受けアセンブリと、複数の二次軸受けアセンブリと、二次軸受けアクチュエータアセンブリと、モータ／発電機とを含む。このフライホイールアセンブリは、シャフト上に載置される。各磁気軸受けアセンブリは、一次アクチュエータコイルと、二次アクチュエータコイルとを含む。各アクチュエータコイルは、選択的に通電および遮電されるように適合され、通電されたとき、フライホイールアセンブリを非接触で回転可能に載置するように構成される。各二次軸受けアセンブリは、シャフトを選択的に回転可能に支持するように構成される。二次軸受けアクチュエータアセンブリは、１つまたは複数の二次軸受けアセンブリに結合され、一次駆動コイルと、二次駆動コイルとを含む。各二次軸受けアクチュエータアセンブリの駆動コイルは、アクチュエータ制御信号を選択的に受け取るように適合され、受け取った信号に応答して、二次軸受けアクチュエータアセンブリが、１つまたは複数の二次軸受けアセンブリを、各二次軸受けアセンブリがシャフトを回転可能に支持する係合位置と、各二次軸受けアセンブリがシャフトを回転可能に支持しない非係合位置のうちの一方に移動させるように動作可能である。モータ／発電機は、エネルギー貯蔵フライホイールに結合され、モータモードまたは発電モードで動作するように構成される。モータ／発電機は、ロータと、ステータとを含み、ステータは、一次ステータコイルと、二次ステータコイルとを含む。
【０００７】
他の例示的な実施形態では、エネルギー貯蔵フライホイールシステムが、ジンバルフレームと、フライホイールハウジングと、シャフトと、フライホイールアセンブリと、複数の磁気軸受けアセンブリと、複数の二次軸受けアセンブリと、二次軸受けアクチュエータアセンブリと、モータ／発電機と、ジンバルアクチュエータとを含む。フライホイールハウジングアセンブリは、ジンバルフレーム上に回転可能に載置され、シャフトは、ハウジングアセンブリ上に回転可能に載置される。フライホイールアセンブリは、シャフト上に載置される。各磁気軸受けアセンブリは、一次アクチュエータコイルと、二次アクチュエータコイルとを含む。各アクチュエータコイルは、選択的に通電および遮電されるように適合され、通電されたとき、フライホイールアセンブリを非接触で回転可能に載置するように構成される。各二次軸受けアセンブリは、シャフトを選択的に回転可能に支持するように構成される。二次軸受けアクチュエータアセンブリは、１つまたは複数の二次軸受けアセンブリに結合され、一次駆動コイルと、二次駆動コイルとを含む。各二次軸受けアクチュエータアセンブリの駆動コイルは、アクチュエータ制御信号を選択的に受け取るように適合され、受け取った信号に応答して、二次軸受けアクチュエータアセンブリが、１つまたは複数の二次軸受けアセンブリを、各二次軸受けアセンブリがシャフトを回転可能に支持する係合位置と、各二次軸受けアセンブリがシャフトを回転可能に支持しない非係合位置のうちの一方に移動させるように動作可能である。モータ／発電機は、エネルギー貯蔵フライホイールに結合され、モータモードまたは発電モードで動作するように構成される。モータ／発電機は、ロータと、ステータとを含み、ステータは、一次ステータコイルと、二次ステータコイルとを含む。ジンバルアクチュエータは、ジンバルフレームとフライホイールハウジングアセンブリとの間で結合され、少なくとも一次駆動コイルと、二次駆動コイルとを含む。各ジンバルアクチュエータ駆動コイルは、ジンバル制御信号を選択的に受け取るように適合され、受け取った信号に応答して、ジンバルアクチュエータが、フライホイールハウジングアセンブリをジンバルフレームに対して移動させるように動作可能である。
【０００８】
好ましいエネルギー貯蔵フライホイールシステムの他の独立した特徴および利点は、本発明の原理を例として示す添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
詳細な説明に進む前に、述べられている実施形態は、宇宙機と共に使用することに限定されないことを理解されたい。したがって、本実施形態は、説明の都合上、衛星内で実装されるものとして示され述べられているが、地上の、および地球外の他のシステムおよび環境内で実装することができることを理解されたい。
【００１０】
次に説明に転じ、まず図１を参照すると、宇宙機用の例示的な、一体化された電力および姿勢制御システム１００の機能ブロック図が示されている。システム１００は、主コントローラ１０２と、一次電力源１０４と、複数のフライホイールシステム１０６（１０６−１、１０６−２、１０６−３、．．．１０６−Ｎ）とを含む。システム１００を使用することができる宇宙機２００の例示的な物理的実施形態の斜視図が図２に示されている。
【００１１】
主コントローラ１０２は、姿勢コマンド（またはトルクコマンド）を、たとえば地上に固定されたステーションまたはその機上の自動操縦装置１０８から受け取り、配電系統１１４を監視し、フライホイールシステム１０６の動作を適切に制御する。トルクコマンドに応答して、フライホイールシステム１０６は、宇宙機内で適切な姿勢擾乱を誘発するように制御され、それにより宇宙機の姿勢を制御する。さらに、配電系統１１４の状態に応じて、フライホイールシステム１０６は、配電系統に電気エネルギーを供給するように、または配電系統から電気エネルギーを引き出すように制御される。１つまたは複数の姿勢センサ１１０および１つまたは複数のレートセンサ１１２など、１つまたは複数の宇宙機動的センサが、宇宙機の姿勢、および姿勢変化率をそれぞれ検知し、それらを表すフィードバック信号を主コントローラ１０２に供給する。主コントローラ１０２と、それが電力および姿勢を制御するために実施する工程の詳細な説明は、特許請求されている発明を使用可能にする、またはそれについて述べるのに必要とされないので提供しない。
【００１２】
一次電力源１０４は、その名前が暗示するように、配電系統１１４に対する主な電力源である。システム１００が宇宙機内で実装される図の実施形態では、一次電力源１０４は１つまたは複数の太陽電池パネルであり、そのそれぞれが、光エネルギーを電気エネルギーに変換するために太陽電池のアレイを含む。太陽電池パネル１０４は、宇宙機それ自体に、または宇宙機から延びる固定もしくは可動の構造物に取り付けることができる。宇宙機２００は、たとえば地球の影の中にあるときなど太陽光を受けないように位置決めされているとき、バックアップ電力源が必要となる。上記で暗に述べられているように、姿勢制御を実現することに加えて、フライホイールシステム１０６は、バックアップ電力源としても機能する。フライホイールシステム１０６はまた、電気的負荷によって要求される電力が一次電力源１０４の能力を超えた場合、電力を送ることができる。（図１において破線で示されている）バッテリ１１５など、別のバックアップ電力源をも設けることができることが理解されるであろう。
【００１３】
システム１００は、Ｎ個のエネルギー貯蔵フライホイールシステム１０６（１０６−１、１０６−２、１０６−３、．．．１０６−Ｎ）を含む。システム１００は、フライホイールシステム１０６のいくつかが活動状態であり、一方、残りのフライホイールシステム１０６の１つまたは複数が、待機中の非活動状態であるように構成されることが好ましい。したがって、システム１００は、少なくとも耐単一故障である。活動状態であるフライホイールシステム１０６の数は、システム要件に応じて変えることができる。特定の好ましい実施形態では、４つのフライホイールシステム１０６が活動状態であり、残りのものが非活動状態である。
【００１４】
フライホイールシステム１０６は、それぞれがフライホイール制御モジュール１１６（１１６−１、１１６−２、１１６−３、．．．１１６−Ｎ）と、フライホイールハードウェア１１８（１１８−１、１１８−２、１１８−３、．．．１１８−Ｎ）とを含む。フライホイール制御モジュール１１６は、それぞれ、主コントローラ１０２と動作可能に通信し、図の実施形態では、データバス１１１を介して互いに通信する。主コントローラ１０２は、上記で指摘されているように、姿勢制御コマンドを、フライホイール制御モジュール１１６のそれぞれに供給する。次いで、フライホイール制御モジュール１１６は、宇宙機２００の姿勢制御を行うために、関連付けられたフライホイールハードウェア１１８の相対的な姿勢および角速度を制御する。フライホイール制御モジュール１１６はまた、主コントローラ１０２からのコマンドに応答し、モータモードまたは発電機モードでの関連付けられたフライホイールハードウェア１１８の動作を、また各モードでの関連付けられたフライホイールハードウェア１１８の回転加速度を制御する。フライホイール制御モジュール１１６はまた、下記でより詳細に論じらるように、関連付けられたフライホイールハードウェア１１８の様々なパラメータを監視し、これらを表す信号を主コントローラ１０２に供給する。１つのフライホイールシステム１０６の例示的な実施形態のブロック図が図３に示されており、次に詳細に論じる。
【００１５】
図の実施形態では、フライホイール制御モジュール１１６は、それぞれが、４つの別個のコントローラと、ジンバルコントローラ３０２と、モータ／発電機コントローラ３０４と、磁気軸受けコントローラ３０６と、補助軸受けコントローラ３０８とを含む。フライホイールハードウェア１１８は、それぞれが、エネルギー貯蔵フライホイールアセンブリ３１０と、ジンバルハードウェア３２０と、モータ／発電機ハードウェア３３０と、磁気軸受けハードウェア３４０と、補助軸受けハードウェア３５０とを含む。次に、フライホイール制御モジュール１１６およびフライホイールハードウェア１１８のこれらの部分のそれぞれの特定の好ましい実施形態について、より詳細に述べる。
【００１６】
ジンバルコントローラ３０２は、ジンバル角速度コマンドを主コントローラ１０２から受け取り、姿勢制御を行うために、適切なジンバル制御信号をジンバルハードウェア３２０に供給し、様々なフィードバック信号をジンバルハードウェア３２０から受け取る。ジンバルコントローラ３０２が受け取るフィードバック信号の少なくともいくつかは、供給された制御信号に対するジンバルハードウェア３２０の応答を表す。ジンバルコントローラ３０２はまた、これらのフィードバック信号を主コントローラ１０２に供給する。
【００１７】
図の実施形態では、ジンバルハードウェア３２０は、１つまたは複数のジンバルフレーム３２２と、１つまたは複数のジンバルアクチュエータ３２４と、１つまたは複数のジンバルセンサ３２６とを含む。フライホイールアセンブリ３１０は、ジンバルフレーム３２２内で、ジンバル軸の周りで、回転可能に載置される。ジンバル軸は、エネルギー貯蔵フライホイールアセンブリ３１０の回転軸に対して垂直である。ジンバルアクチュエータ３２４は、ジンバルフレーム３２２に結合され、また、ジンバルコントローラ３０２から制御信号を受け取るように結合される。ジンバルアクチュエータ３２４は、電気機械アクチュエータとして実装されることが好ましく、少なくとも一次駆動コイル３２３と、二次駆動コイル３２５とを含む。一次駆動コイル３２３および二次駆動コイル３２５は、それぞれ、ジンバルコントローラ３０２から供給されたジンバル制御信号を選択的に受け取るように結合され、そのジンバル制御信号に応答して、ジンバルアクチュエータ３２４に、フライホイールアセンブリ３１０をジンバルフレーム３２２に対して移動させるように動作可能である。
【００１８】
ジンバルコントローラ３０２がジンバル制御信号を供給する駆動コイル３２３、３２５は、少なくとも部分的に、ジンバルコントローラ３０２に供給されるフィードバック信号に基づいている。より具体的には、ジンバルコントローラ３０２は、通常、ジンバル制御信号を、たとえば一次駆動コイル３２３に供給するように構成される。しかし、ジンバルコントローラ３０２が、少なくとも部分的に、受け取られたフィードバック信号に基づいて、一次駆動コイル３２３が動作不能であると決定した場合、ジンバルコントローラ３０２は、自動的に、ジンバル制御信号を二次駆動コイル３２５に供給することになる。
【００１９】
ジンバルアクチュエータ３２４は、多数の構成のうちの任意の１つに従って実装することができることが理解されるであろう。たとえば、ジンバルアクチュエータ３２４は、一次駆動コイル３２３と二次駆動コイル３２５が共に単一のロータ３２７に関連付けられるように実装することができる。そのような場合には、図６および図７で示されているように、駆動コイル３２３、３２５は、互いに半径方向に、または軸方向に変位することができる。別法として、図８に示されているように、ジンバルアクチュエータ３２４は、各駆動コイル３２３、３２５がそれ自体の個々のロータ３２７、３２９に関連付けられるように実装することができる。
【００２０】
一般に知られているように、宇宙機における姿勢制御は、ジンバル角度をあるレート（たとえば、角速度）で変化させることによって実施することができる。したがって、ジンバルコントローラ３０２は、主コントローラ１０２から受け取られたコマンドに応答して、適切なジンバル制御信号を、ジンバルアクチュエータの一次コイル３２３または二次コイル３２５に供給する。これらの制御信号に応答して、ジンバルアクチュエータ３２４は、フライホイールアセンブリ３１０を、ジンバルフレーム３２２に対して、適切な角速度で適切に位置決めする。ジンバルセンサ３２６は、ジンバルフレーム３２２に対するフライホイールの、少なくとも位置およびレートを検知することができるセンサを含み、位置およびレートフィードバック信号を、ジンバルコントローラ３０２に、また主コントローラ１０２に供給する。
【００２１】
モータ／発電機コントローラ３０４は、配電系統１１４のバス電圧を表す信号を受け取り、その信号に応答して、モータ／発電機ハードウェア３３０を、モータまたは発電機として動作するように構成する。モータ／発電機コントローラ３０４はまた、主コントローラ１０２からコマンドを受け取り、そのコマンドに応答して、モータ／発電機の、したがってフライホイールアセンブリ３１０の回転加速度を制御する。そのために、モータ／発電機コントローラ３０４は、モータ制御則３１１または発電機制御則３１３を選択的に実施するように構成される。モータ／発電機コントローラ３０４はまた、様々なフィードバック信号をモータ／発電機ハードウェア３３０から受け取る。モータ／発電機コントローラ３０４によって受け取られるフィードバック信号の少なくともいくつかは、供給された制御信号に対するモータ／発電機ハードウェア３３０の応答を表す。モータ／発電機コントローラ３０４は、モータ／発電機ハードウェア３３０から受け取るフィードバック信号の１つまたは複数を主コントローラ１０２に供給する。
【００２２】
モータ／発電機ハードウェア３３０は、モータ／発電機３３２と、１つまたは複数のセンサ３３４とを含む。モータ／発電機３３２は、現在既知の、または将来における多数のモータ／発電機セットのうちの任意の１つとすることができ、少なくとも主ロータ３３１と、ステータ３３３とを含む。ロータ３３１は、永久磁石ロータとして実装されることが好ましく、フライホイールアセンブリ３１０のロータに結合される。ステータ３３３は、少なくとも一次ステータコイル３３５と、二次ステータコイル３３７とを含む。モータ／発電機の一次ステータコイル３３５および二次ステータコイル３３７は、ジンバルアクチュエータ３２４と同様に、また図６および図７に示されているように、互いに半径方向に、または軸方向に変位することができる。
【００２３】
センサ３３４は、１つまたは複数の温度センサと、１つまたは複数の転流センサ（ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ  ｓｅｎｓｏｒ）とを含む。配電系統１１４のバス電圧が十分に高いとき、モータ／発電機コントローラ３０４は、モータ制御則３１１を実施し、モータ／発電機３３２は、モータとして動作される。モータとしての動作中には、モータ／発電機３３２は、回転運動エネルギーを貯蔵するために、フライホイールアセンブリ３１０をスピンアップする。逆に、配電系統１１４のバス電圧が何らかの所定の大きさに下降したとき、モータ／発電機コントローラ３０４は、発電機制御則３１３を実施し、モータ／発電機３３２は、発電機として動作される。発電機としてのその動作中には、モータ／発電機３３２は、フライホイールアセンブリ３１０をスピンダウンし、フライホイールの貯蔵された回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。先に論じたように、フライホイールアセンブリ３１０の回転速度の変化は、宇宙機の姿勢に影響を及ぼす可能性がある。したがって、モータモードでも発電機モードでも、フライホイールアセンブリ３１０は、主コントローラ１０２によって命じられた加速度で、ある回転速度にスピンアップまたはスピンダウンされる。
【００２４】
モータ／発電機３３２がどのモードで動作していようと、一次ステータコイル３３５または二次ステータコイル３３７が、配電系統１１４に電力を供給し、または配電系統１１４から電力を受け取っている。好ましくは、モータ／発電機コントローラ３０４は、配電系統１１４に電力を供給している、または配電系統１１４から電力を受け取っている特定のステータコイル３３５、３３７を制御する。具体的には、モータ／発電機コントローラ３０４は、一次ステータコイル３３５が通常、配電系統１１４に電力を供給する、または配電系統１１４から電力を受け取るように構成される。しかし、モータ／発電機コントローラ３０４が、少なくとも部分的に、受け取られたフィードバック信号に基づいて、一次ステータコイル３３５が動作不能であると決定した場合、モータ／発電機コントローラ３０４は、二次ステータコイル３３７が配電系統１１４に電力を供給する、または配電系統１１４から電力を受け取るようにモータ／発電機３３２を自動的に構成することになる。
【００２５】
磁気軸受けコントローラ３０６はまた、主コントローラ１０２から１つまたは複数のコマンドを受け取ることができる。磁気軸受けコントローラ３０６は、制御則に従って、磁気軸受けハードウェア３４０に適切なコマンド信号を供給し、磁気軸受けハードウェア３４０から様々なフィードバック信号を受け取る。磁気軸受けコントローラ３０６によって受け取られるフィードバック信号の少なくともいくつかは、供給された制御信号に対する磁気軸受けハードウェア３４０の応答を表す。いくつかの実施形態では、磁気軸受けコントローラ３０６はまた、受け取るフィードバック信号の１つまたは複数を補助軸受けコントローラ３０８に供給することができる。さらに、ジンバルコントローラ３０２と同様に、磁気軸受けコントローラ３０６は、受け取るフィードバック信号の１つまたは複数を主コントローラ１０２に追加的に供給することができる。
【００２６】
磁気軸受けハードウェア３４０は、エネルギー貯蔵フライホイールアセンブリ３１０を非接触で回転可能に支持する、または空中浮揚させるように機能し、エネルギー貯蔵フライホイールアセンブリ３１０用の一次軸受けシステムである。図の実施形態では、磁気軸受けハードウェア３４０は、能動磁気軸受けを実装し、電磁アクチュエータ３４２と、たとえば位置センサ、温度センサ、速度センサなど、１つまたは複数のセンサ３４４とを含む。位置センサ３４４は、フライホイールロータ（図示せず）の位置を検知し、適切な位置信号を磁気軸受けコントローラ３０６に供給する。磁気軸受けコントローラ３０６は、制御則に従って、適切な電流量を電磁アクチュエータ３４２に供給し、電磁アクチュエータ３４２は、フライホイールロータを適切に位置決めするように、適切な大きさの磁気力を生成する。能動磁気軸受けが、図３に示されているシステム内で実装されるものとして述べられているが、磁気軸受けハードウェア３４０は、受動磁気軸受けを実装するように構成することができることを理解されたい。別法として、たとえば非磁性回転要素軸受けなど、他のタイプの軸受けアセンブリを使用し、一次軸受けアセンブリを実装することができる。
【００２７】
磁気軸受けアクチュエータ３４２は、ジンバルアクチュエータ３２４およびモータ／発電機３３２と同様に、冗長的に構成される。具体的には、磁気軸受けアクチュエータ３４２は、一次アクチュエータコイル３４３と、二次アクチュエータコイル３４５とを共に含む。一次アクチュエータコイル３４３および二次アクチュエータコイル３４５は、それぞれ、磁気軸受けコントローラ３０６を介して選択的に通電されるように結合される。磁気軸受けコントローラ３０６が選択的に通電するアクチュエータコイル３４３、３４５は、少なくとも部分的に、磁気軸受けコントローラ３０６に供給されるフィードバック信号に基づいている。より具体的には、磁気軸受けコントローラ３０６は、通常、たとえば一次アクチュエータコイル３４３を選択的に通電するように構成される。しかし、磁気軸受けコントローラ３０６が、少なくとも部分的に、受け取られたフィードバック信号に基づいて、一次アクチュエータコイル３４３が動作不能であると決定した場合、磁気軸受けコントローラ３０６は、自動的に、二次アクチュエータコイル３４５を選択的に通電することになる。図６および図７がさらに示すように、磁気軸受けアクチュエータの一次コイル３４３および二次コイル３４５は、ジンバルアクチュエータ３２４およびモータ／発電機３３２と同様に、互いに半径方向に、または軸方向に変位することができることを理解されたい。
【００２８】
補助軸受けコントローラ３０８は、補助軸受けハードウェア３５０から、磁気軸受けハードウェアの動作可能を表す様々な信号、および様々なフィードバック信号を受け取る。これらの信号に応答して、補助軸受けコントローラ３０８は、補助軸受けハードウェア３５０に適切なコマンド信号を供給する。具体的には、補助軸受けコントローラ３０８は、補助軸受けハードウェアの位置を表すフィードバック信号を受け取り、配電系統１１４のバス電圧を表す信号を追加的に受信することができる。これらの信号に応答して、補助軸受けコントローラは、補助軸受けハードウェア３５０に適切なコマンド信号を供給する。
【００２９】
補助軸受けハードウェア３５０は、磁気軸受けハードウェア３４０が動作不能である場合、または他の原因でエネルギー貯蔵フライホイールアセンブリ３１０を回転可能に支持することが適正にできないとき、それを行うために使用される。補助軸受けハードウェア３５０は、アクチュエータアセンブリ３５２と、１つまたは複数の補助（または二次）軸受けアセンブリ３５４と、１つまたは複数の位置センサ３５６と、ブレーキアセンブリ３５８とを含む。アクチュエータアセンブリ３５２は、補助軸受けコントローラ３０８からの適切なコマンド信号に応答し、補助軸受けアセンブリ３５４を係合位置または非係合位置に移動する。補助軸受けアセンブリ３５４の通常位置である非係合位置では、補助軸受けアセンブリ３５４は、フライホイールアセンブリ３１０から解放され、フライホイールアセンブリ３１０を回転可能に支持しない。より正確には、フライホイールアセンブリ３１０は、磁気軸受けハードウェア３４０によって回転可能に支持される。逆に、係合位置では、補助軸受けアセンブリ３５４がフライホイールアセンブリ３１０に係合し、フライホイールアセンブリ３１０を回転可能に支持する。
【００３０】
補助軸受けアクチュエータアセンブリ３５２は、ジンバルアクチュエータ３２４、モータ／発電機３３２、磁気軸受けアクチュエータ３４２と同様に、好適な冗長性を有するように構成される。具体的には、補助軸受けアクチュエータアセンブリ３５２は、電気機械アクチュエータとして実装されることが好ましく、少なくとも一次駆動コイル３５３と、二次駆動コイル３５５とを含む。一次駆動コイル３５３および二次駆動コイル３５５は、それぞれ、補助軸受けコントローラ３０８から供給されたコマンド信号を選択的に受け取るように結合される。補助軸受けアクチュエータアセンブリ３５２がコマンド信号を供給する駆動コイル３５３、３５５は、少なくとも部分的に、補助軸受けアクチュエータアセンブリ３５２に供給されるフィードバック信号に基づいている。より詳細には、補助軸受けアクチュエータアセンブリ３５２は、通常、コマンド信号を、たとえば一次駆動コイル３５３に供給するように構成される。しかし、補助軸受けアクチュエータアセンブリ３５２が、少なくとも部分的に、受け取られたフィードバック信号に基づいて、一次駆動コイル３５３が動作不能であると決定した場合、補助軸受けアクチュエータアセンブリ３５２は、自動的に、コマンド信号を二次駆動コイル３５５に供給することになる。
【００３１】
補助軸受けアクチュエータアセンブリ３５２は、多数の構成のうちの任意の１つに従って実装することができることが理解されるであろう。たとえば、補助軸受けアクチュエータアセンブリ３５２は、ジンバルアクチュエータ３２４と同様に、一次駆動コイル３５３と二次駆動コイル３５５が共に単一のロータ３５７に関連付けられるように実装することができる。さらに、図６および図７に示されているように、駆動コイル３５３、３５５は、互いに半径方向に、または軸方向に変位することができ、あるいは、図８に示されているように、各駆動コイル３５３、３５５がそれ自体の個々のロータ３２７、３２９に関連付けることができる。
【００３２】
完全となるように、次に、エネルギー貯蔵フライホイールシステム１０６の例示的な物理的実施形態を示す図４および図５を参照されたい。これらの図に示されているように、例示的なフライホイールシステム１０６は、ジンバルフレーム３２２内で、２つのジンバル軸受け４０４（１つだけ示されている）を介して回転可能に載置されるハウジングアセンブリ４０２を含むことが好ましい。単一のジンバルアクチュエータ３２４が、ジンバルフレーム３２２上に載置され、上記で指摘されているように、ジンバルコントローラ３０２（図４および図５には図示せず）から制御信号を受け取り、ハウジングアセンブリ４０２を適切な角速度で位置決めし、それにより姿勢制御を行う。
【００３３】
ハウジングアセンブリ４０２は、中央セクション４０６と、２つの端部セクション４０８および４１０と、モータ／発電機ハウジング４１２と、補助軸受けハウジング４１４と、補助モータハウジング４１６とを含む。ハウジングアセンブリ４０２は、共に結合される多数のセクションから構築されるものとして示されているが、一体化された構造物として形成してもよいことを理解されたい。いずれにしても、モータ／発電機ハウジング４１２は、ハウジングアセンブリの第２の端部セクション４１０に結合され、補助軸受けハウジング４１４は、ハウジングアセンブリの第１の端部セクション４０８に結合され、補助モータハウジング４１６は、補助軸受けハウジング４１４に結合される。
【００３４】
モータ／発電機３３２のステータは、モータ／発電機ハウジング４１２内に載置され、モータ／発電機３３２のロータは、フライホイールアセンブリ３１０に結合される。フライホイールアセンブリ３１０は、図５により具体的に示されているように、シャフトアセンブリ５０２と、ハブ５０４と、フライホイールリム５０６とを含む。シャフトアセンブリ５０２は、ハウジングアセンブリ４０２内で、磁気軸受けハードウェア３４０の２つのセット、または２つの補助軸受けアセンブリ３５４を介して、回転可能に載置される。ハブ５０４は、高強度合金から構築されることが好ましく、シャフトアセンブリ５０２上で載置される。ハブ５０４は、たとえば中実構成、スポークタイプの構成、またはそれらの組合せを含めて、多数の構成のうちの任意の１つで構築することができる。フライホイールリム５０６は、ハブ５０４上で載置され、ハブ５０４を取り囲み、たとえばフィラメント巻き炭素繊維など、高い強度対密度比を有する材料から構築されることが好ましい。
【００３５】
本発明について、好ましい実施形態を参照して述べたが、本発明の範囲から逸脱することなしに、様々な変更を加えることができること、また均等物を本発明の要素に置き換えることができることが、当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなしに、本発明の教示に対して、特定の状況または材料に適合するように多数の修正を加えることができる。したがって、本発明は、この発明を実施することが企図された最良の形態として、開示されている特定の実施形態に限定されないこと、一方、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入る実施形態すべてを含むことになることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】解放された構成で保持システムの例示的な実施形態を含む例示的なエネルギー貯蔵フライホイールシステムの簡易概略図である。
【図２】図１に示されている、しかし係合された構成で例示的な保持システムを有する本システムの簡易概略図である。
【図３】図１のシステムにおいて使用することができる１つのエネルギー貯蔵フライホイールシステムの例示的な実施形態の機能ブロック図である。
【図４】図３のエネルギー貯蔵フライホイールシステムの物理的な実施形態の斜視図である。
【図５】図３のエネルギー貯蔵フライホイールシステムの物理的実施形態の断面図である。
【図６】図３のエネルギー貯蔵フライホイールシステム内で冗長性をもたせるための様々な構成を示す図である。
【図７】図３のエネルギー貯蔵フライホイールシステム内で冗長性をもたせるための様々な構成を示す図である。
【図８】図３のエネルギー貯蔵フライホイールシステム内で冗長性をもたせるための様々な構成を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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