(57)【要約】【課題】宇宙機用のエネルギー蓄積フライホイール・システムを提供する。【解決手段】宇宙機用のエネルギー蓄積フライホイール・システムは、電子的に冗長な電力および姿勢制御システムを用いて実施される。詳細には、このシステムは、複数のフライホールと、各フライホイールと関連する多チャネル処理モジュールおよび多チャネル電力制御モジュールとを含む。それぞれの多チャネル処理モジュールは、アクティブ・モードまたはスタンバイ・モードの何れかで動作する複数のコントローラを含み、それぞれの多チャネル電力制御モジュールは、アクティブ・モードまたはスタンバイ・モードの何れかで動作する複数の電力制御回路を含む。【選択図】図３
2008182877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー蓄積フライホイール・システムであって、
シャフトと、
前記シャフトに取り付けられたフライホイール・アセンブリと、
複数の磁気軸受アセンブリであって、それぞれの磁気軸受アセンブリが主アクチュエータ・コイルおよび副アクチュエータ・コイルを含み、それぞれの前記アクチュエータ・コイルは、選択的に電力供給および電力遮断されるように適合され、電力供給されているときに、前記フライホイール・アセンブリを非接触で回転自在に取り付けるように構成された、複数の磁気軸受アセンブリと、
前記フライホイール・アセンブリに結合され、モータ・モードまたは発電機モードの何れかで動作するように構成されたモータ／発電機であって、ロータおよびステータを含み、前記ステータが主ステータ・コイルおよび副ステータ・コイルを含む、モータ／発電機と、
少なくとも前記磁気軸受アセンブリおよび前記モータ／発電機を制御するように構成されたフライホイール制御モジュールと
を備え、
前記フライホイール制御モジュールが、
少なくとも主処理チャネルおよび副処理チャネルを含む多チャネル処理モジュールであって、それぞれの前記処理チャネルが、少なくとも磁気軸受アセンブリ電力制御命令およびモータ／発電機電力制御命令を選択的に与えるように構成されている、多チャネル処理モジュールと、
前記多チャネル処理モジュールと通信するものであり、少なくとも主電力制御チャネルおよび副電力制御チャネルを含む多チャネル電力制御モジュールと
を備え、
それぞれの前記電力制御チャネルが、少なくとも前記磁気軸受電力制御命令および前記モータ／発電機電力制御命令を受け取るように結合され、該命令を受け取ると、（ｉ）それぞれの前記磁気軸受アセンブリの前記主アクチュエータ・コイルまたは前記副アクチュエータ・コイルの何れかに選択的に磁気軸受作動電力を供給するように動作し、また、（ｉｉ）前記主ステータ・コイルの組または前記副ステータの組の何れかへ選択的に電力を供給するように、または何れかから選択的に電力を引き出すように動作する、
システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
それぞれの前記処理チャネルは少なくとも、（ｉ）前記磁気軸受電力制御命令を選択的に与えるように構成された低レベル・デジタル磁気軸受コントローラと、（ｉｉ）前記モータ／発電機電力制御命令を選択的に与えるように構成された低レベル・デジタル・モータ／発電機コントローラとを含み、
それぞれの前記電力制御チャネルは少なくとも、（ｉ）前記磁気軸受電力制御命令に応答して、前記軸受作動電力を選択的に供給する磁気軸受電力制御回路と、（ｉｉ）前記モータ／発電機電力制御命令に応答して、前記主ステータ・コイルまたは前記副ステータ・コイルの何れかへ選択的に電力を供給する、または何れかから選択的に電力を引き出すモータ／発電機電力制御回路とを含み、
前記多チャネル処理モジュールは、それぞれの前記処理チャネルが少なくとも部分的にアクティブ・モードまたはスタンバイ・モードの何れかであるように、構成され、
前記多チャネル電力制御モジュールは、それぞれの前記電力制御チャネルが少なくとも部分的にアクティブ・モードまたはスタンバイ・モードの何れかであるように、構成され、
それぞれの前記処理チャネルの、前記低レベル・デジタル磁気軸受コントローラの１つと前記低レベル・デジタル・モータ／発電機コントローラの１つとが、アクティブ・モードであり、
それぞれの前記電力制御チャネルの、前記磁気軸受電力制御回路の１つと前記モータ／発電機電力制御回路の１つとが、アクティブ・モードである、
システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、
前記シャフトを選択的に回転自在に支持するようにそれぞれが構成された複数の副軸受アセンブリと、
１または複数の前記副軸受アセンブリと結合される副軸受アクチュエータ・アセンブリと
を更に備え、
前記副軸受アクチュエータ・アセンブリは、主駆動コイルおよび副駆動コイルを含み、前記副軸受アクチュエータ・アセンブリのそれぞれの前記駆動コイルは、選択的に電力供給および電力遮断されるように適合され、また、電力供給されているときに、前記副軸受アクチュエータ・アセンブリが１または複数の前記副軸受アセンブリを（ｉ）係合位置と（ｉｉ）非係合位置とのうちの何れかへ移動させるように構成され、前記係合位置は、それぞれの前記副軸受アセンブリが前記シャフトを回転自在に支持する位置であり、前記非係合位置は、それぞれの前記副軸受アセンブリが前記シャフトを回転自在に支持しない位置であり、
それぞれの前記処理チャネルは更に、少なくとも副軸受アセンブリ電力制御命令を選択的に与えるように構成され、
それぞれの前記電力制御チャネルは更に、前記副軸受電力制御命令を受け取るように結合され、該命令を受け取ると、前記副軸受アクチュエータの前記主駆動コイルまたは前記副駆動コイルの何れかに選択的に電力供給するように更に動作する、
システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー蓄積フライホイール・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電子冗長エネルギー蓄積フライホイール・システム制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国政府により支援された研究または開発に関する表明
本発明は、空軍研究所（Ａｉｒ  Ｆｏｒｃｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）から授与された契約第Ｆ２９６０１−０１−２−００４６号のもとに政府に援助されてなされたものである。政府は、本発明の一定の権利を有する。
【０００３】
多くの人工衛星および他の宇宙機、ならびに一部の地上の定置応用例、および外洋船などのビークル（vehicle、運送手段）応用例では、その運送手段にバックアップ電源を提供するため、および姿勢制御を行うために、１または複数のエネルギー蓄積フライホイール・システムを備えることがある。このようなシステムでは、各フライホイール・システムは、運送手段の配電システムの電力需要のバランスをとるように制御および調整され、また、プログラムされた命令、または運送手段内の主コントローラによって受信された遠隔からの姿勢（またはトルク）命令に応答して制御されることができる。
【０００４】
多くのエネルギー蓄積フライホイール・システムは、ハウジング・アセンブリ内に回転自在に支持された１または複数の構成要素を含む。回転群と呼ばれることもあるこれらの構成要素は、例えばエネルギー蓄積フライホイール、モータ／発電機、およびシャフトを含む。詳細には、エネルギー蓄積フライホイールおよびモータ／発電機はシャフトに取り付けられ、このシャフトは、１または複数の軸受アセンブリによってハウジング・アセンブリ内で回転自在に支持される。多くの場合、シャフトは、１または複数の主軸受（primary bearing）アセンブリと、１または複数の副軸受（secondary bearing）（バックアップ軸受）アセンブリとを使用して、回転自在に支持される。例えば、多くの人工衛星および宇宙機の応用例において、フライホイール・システムは、主軸受アセンブリとして機能する１または複数の磁気軸受アセンブリと、副軸受アセンブリとして機能する１または複数の機械式軸受アセンブリとを含むことがある。一般には、主軸受アセンブリは、回転群を回転自在に支持するために使用され、副軸受アセンブリは、その回転群とは係合されていない。１または複数の主軸受アセンブリが、例えば機能不良のために作動しなくなったり、それとは別の理由で回転群を回転自在に支持するように動作できなくなった場合、副軸受アセンブリが係合し、それによって回転群を回転自在に支持する。
【０００５】
１または複数の上述の構成要素、および／またはこれらの構成要素に付随する電気・電子制御システムは、エネルギー蓄積フライホイール・システム動作中に動作不能になりうることが考えられ得る。このような場合、エネルギー蓄積フライホイール・システム全体が動作不能になることがある。従って、システムが運用不能になる可能性を低減させるために、エネルギー蓄積フライホイール・システム内に十分な冗長性を与えることが、とりわけ宇宙応用例では、望ましい。残念ながら、デュアル・モータ／発電機、および／またはデュアル主軸受、および／またはデュアル電気・電子制御システムなどのようなほとんどの冗長方式は、望ましくないことに、システム全体の重量を増加させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、電気的にも電子的にも冗長でありながら、システム全体および宇宙機の重量を大幅には増加させないようなエネルギー蓄積フライホイール・システムが、宇宙機応用例では必要とされている。本発明は、少なくともこの必要性に応じるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、宇宙機（spacecraft）の電力および姿勢制御用の電子冗長エネルギー蓄積フライホイール・システム（electronically redundant energy storage flywheel system）を提供する。一実施形態では、例示的なものにすぎないが、エネルギー蓄積フライホイール・システムはシャフト、フライホイール・アセンブリ、複数の磁気軸受、モータ／発電機、およびフライホイール制御モジュールを含む。フライホイール・アセンブリは、シャフトに取り付けられる。それぞれの磁気軸受アセンブリは、一次（主）アクチュエータ・コイルおよび二次（副）アクチュエータ・コイルを含み、各アクチュエータ・コイルは、選択的に電力供給（通電）および電力遮断されるように適合され、通電されているときにフライホイール・アセンブリを非接触様式で回転自在に取り付けるように構成される。モータ／発電機は、エネルギー蓄積フライホイールに結合され、モータ・モードまたは発電機モードの何れかで動作するように構成される。モータ／発電機は、ロータおよびステータを含み、ステータは、一次（主）ステータ・コイルおよび二次（副）ステータ・コイルを含む。フライホイール制御モジュールは、少なくとも磁気軸受アセンブリおよびモータ／発電機を制御するように構成され、多チャネル処理モジュールおよび多チャネル電力制御モジュールを含む。この多チャネル処理モジュールは、少なくとも一次（主）処理チャネルおよび二次（副）処理チャネルを含む。それぞれの処理チャネルは、少なくとも磁気軸受アセンブリ電力制御命令およびモータ／発電機電力制御命令を選択的に与えるように構成される。多チャネル電力制御モジュールは、多チャネル処理モジュールと通信し、少なくとも一次（主）電力制御チャネルおよび二次（副）電力制御チャネルを含む。それぞれの電力制御チャネルは、少なくとも磁気軸受電力制御命令およびモータ／発電機電力制御命令を受け取るように結合され、それらを受け取ると、それぞれの磁気軸受アセンブリの主アクチュエータ・コイルまたは副アクチュエータ・コイルの何れかに選択的に磁気軸受作動電力を供給するように動作し、また、主ステータ・コイル組または副ステータ・コイル組の何れかに選択的に電力を供給するように又はそれらの何れからから電力を引き出すように動作する。
【０００８】
好ましいエネルギー蓄積フライホイール制御システムの他の個別の特徴および利点は、本発明の原理を例示的に示す添付の図面と併せて以下の詳細な説明により、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】
詳細な説明に移る前に、説明する実施形態は宇宙機と組み合わせた使用に限定されないことを、理解されたい。即ち、本実施形態は、説明の便宜上、人工衛星で実施されるものとして示し説明するが、地球上でも地球外でも、他のシステムおよび環境においても実施できることを理解されたい。
【００１０】
次に説明に移る。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、主電源１０４、および複数のフライホイール・システム１０６（１０６−１、１０６−２、１０６−３、・・・１０６−Ｎ）を含む。システム１００を使用できる宇宙機２００の例示的な物理的実施形態の平面図が、図２に示されている。
【００１１】
主コントローラ１０２は、例えば地上局または搭載したオートパイロット１０８から姿勢命令（またはトルク命令）を受け取り、配電システム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。トルク命令に応答して、フライホイール・システム１０６は、適切な姿勢外乱を宇宙機に誘発するように制御され、それによって宇宙機の姿勢を制御する。加えて、配電システム１１４の状態に応じて、フライホイール・システム１０６は、配電システムへ電気エネルギーを供給するように、あるいは配電システムから電気エネルギーを引き出すように、制御される。１または複数の姿勢センサ１１０や１または複数のレート（rate、速度）センサ１１２などのような、１または複数の宇宙機のダイナミック・センサが、宇宙機の姿勢および姿勢変化率をそれぞれ感知し、それらを表すフィードバック信号を主コントローラ１０２へ供給する。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処理との詳細な説明は、請求の範囲に記載されている本発明を可能にするため又は説明するために必要なものではないので、行わない。
【００１２】
主電源１０４は、その名が暗示するように、配電システム１１４への電力の主要な供給源である。システム１００が宇宙機で実施される図示の実施形態では、主電源１０４は、１または複数の太陽電池パネルであり、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の太陽電池のアレイを含む。太陽電池パネル１０４は、宇宙機自体に取り付けることができ、あるいは、宇宙機から延びる固定または可動の構造体に取り付けることもできる。宇宙機２００が、例えば地球の陰に入るなどのような、日光を受けない位置にあるときには、バックアップ電源が必要になる。上記で暗に示したように、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はまた、バックアップ電源としても機能する。フライホイール・システム１０６はまた、電気的負荷に必要とされる電力が主電源１０４の能力を超えた場合に、電力を供給することもできる。バッテリ１１５（図１に透視図的に示す）などのような他のバックアップ電源を設けてもよいことを、理解されたい。
【００１３】
システム１００は、Ｎ個のエネルギー蓄積フライホイール・システム１０６（１０６−１、１０６−２、１０６−３、・・・１−６−Ｎ）を含む。システム１００は、好ましくは、幾つかのフライホイール・システム１０６がアクティブであり、残りのうちの１または複数のフライホイール・システム１０６がスタンバイの非アクティブ化状態にあるように構成される。従って、システム１００は、少なくとも単一故障耐性（single fault tolerant）である。アクティブ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わりうる。特定の好ましい実施形態では、４個のフライホイール・システム１０６がアクティブであり、残りが非アクティブである。
【００１４】
フライホイール・システム１０６のそれぞれは、フライホイール制御モジュール１１６（１１６−１、１１６−２、１１６−３、・・・１１６−Ｎ）、およびフライホイール・ハードウェア１１８（１１８−１、１１８−２、１１８−３、・・・１１８−Ｎ）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と通信し、少なくとも図示の実施形態では、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、上記のように、各フライホイール制御モジュール１１６へ姿勢制御命令を与える。次に、フライホイール制御モジュール１１６は、関連するフライホイール・ハードウェア１１８の相対的な姿勢および角速度を制御して、宇宙機２００の姿勢制御を行う。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からの命令に応答して、関連するフライホイール・ハードウェア１１８の動作を、モータ・モードまたは発電機モードの何れかで制御し、また、関連するフライホイール・ハードウェア１１８の回転加速度を各モードで制御する。フライホイール制御モジュール１１６はまた、好ましくは、関連するフライホイール・ハードウェア１１８の種々のパラメータを監視し、表示信号を主コントローラ１０２へ供給する。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、それについて次に詳細に論じる。
【００１５】
図示の実施形態では、フライホイール制御モジュール１１６のそれぞれは、多チャネル処理モジュール３０２、および多チャネル・パワー・エレクトロニクス・モジュール３０４を含む。フライホイール・ハードウェア１１８は、エネルギー蓄積フライホイール・アセンブリ３１０、ジンバル・ハードウェア３３０、モータ／発電機ハードウェア３４０、磁気軸受ハードウェア３５０、および補助軸受ハードウェア３６０を含む。これらの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の上記部分のそれぞれの特定の好ましい実施形態を、より詳細に次に説明する。
【００１６】
多チャネル処理モジュール３０２は、複数の個別の処理チャネル３０３を用いて実施される。図示の実施形態では、多チャネル処理モジュール３０２および多チャネル電力制御モジュール３０４は、それぞれ、２つの個別チャネルで実施されている。より詳細には、多チャネル処理モジュール３０２は、主処理チャネル３０３−１および副処理チャネル３０３−２を用いて実施され、多チャネル電力制御モジュール３０４は、主電力制御チャネル３０５−１および副電力制御チャネル３０５−２を用いて実施される。しかし、多チャネル処理モジュール３０２および多チャネル電力制御モジュール３０４の何れかまたは両方が、必要に応じてまたは要望に応じて、２つより多くの個別チャネル（例えば、それぞれ３０３−１、３０３−２、・・・３０３−Ｎ、および３０５−１、３０５−２、・・・３０５−Ｎ）を用いて実施されてもよいことを、理解されたい。以下で更に説明するように、各モジュール３０２、３０４のチャネル３０３、３０５のうちの１つの少なくとも一部がアクティブ・モードで動作して、フライホイール・ハードウェア１１８の動作を制御し、他のチャネル（場合により複数のチャネル）３０３、３０５の少なくとも一部がスタンバイ・モードで動作しており、それによって、フライホイール・システム１０６の適切な電気的および電子的な冗長性が実現される。
【００１７】
処理チャネル３０３は、それぞれ、複数の低レベル・デジタル・コントローラ、即ち、低レベル・デジタル・ジンバル・コントローラ３０６、低レベルモータ／発電機コントローラ３０８、低レベル磁気軸受コントローラ３１２、および低レベル補助軸受コントローラ３１４を実施するように構成される。同様に、それぞれの電力制御チャネル３０５は、複数のパワー・エレクトロニクス回路、即ち、ジンバル・パワー・エレクトロニクス回路３１６、モータ／発電機パワー・エレクトロニクス回路３１８、磁気軸受パワー・エレクトロニクス回路３２２、および補助軸受パワー・エレクトロニクス回路３２４を実施するように構成される。それぞれの処理チャネル３０３は、多数の技法のうちの任意の１つによって、図示の低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１４を実施するように構成できることを、理解されたい。例えば、それぞれの処理チャネル３０３は、プログラマブル・プロセッサまたはデジタル信号プロセッサなどの１つの信号処理デバイスが４つすべての低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１４を実施するように、構成することもできる。代替例として、それぞれの処理チャネル３０３は、４つの別々の処理デバイスを用いて構成することもでき、各処理デバイスが、低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１２のうちの１つを実施するようにする。同様に、それぞれの電力制御チャネル３０５もまた、多数の技法のうちの任意の１つによって、図示のパワー・エレクトロニクス回路３１６〜３２４を実施できることを理解されたい。しかし、それぞれの電力制御チャネル３０５は、４つの別々のパワー・エレクトロニクス回路３１６〜３２４を用いて構成されることが好ましい。
【００１８】
上記で暗に示したように、処理モジュール３０２およびパワー・エレクトロニクス・モジュール３０４は、そのフライホイール・システム１０６の適切な冗長性を実現するように更に構成される。処理モジュール３０２およびパワー・エレクトロニクス・モジュール３０４がこの冗長性を実現する方法は多様であってよいことを、理解されたい。例えば、図示の実施形態における処理モジュール３０２は、主処理チャネル３０３−１などのような１つの処理チャネルがアクティブ・モードであり、副処理チャネル３０３−２などのような他の処理チャネルがスタンバイ・モードであるように、構成することができる。この構成では、主処理チャネル３０３−１のすべての低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１４と、副処理チャネル３０３−２のすべての低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１４とは、何れかがアクティブ・モードまたはスタンバイ・モードになる。より詳細には、主処理チャネル３０６〜３１４内のすべての低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１４がアクティブ・モードである場合、副処理チャネル３０３−２内のすべての低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１４はスタンバイ・モードになる。しかし、主処理チャネル３０３−１の低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１４のうちの１または複数のものが故障しているか動作不能であると主コントローラ１０２が判定した場合、主コントローラ１０２は、処理回路３０２に命令して、主処理チャネル３０３−１のすべての低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１４をスタンバイ・モードに切り換え、副処理チャネル３０３−２のすべての低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１４をアクティブ・モードに切り換えるようにする。
【００１９】
別の実施形態では、それぞれの処理チャネル３０３のすべての低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１４が常に同じモードであるとは限らない。例えば、主処理チャネル３０３−１のすべての低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１４が最初はアクティブ・モードであり、副処理チャネル３０３−２のすべての低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１４が最初はスタンバイ・モードであり、主コントローラが、例えば、アクティブの低レベル・デジタル・ジンバル・コントローラ３０６が故障しているか動作不能であると判定するものとする。この代替の実施形態では、処理回路３０２は、主処理チャネル３０３−１の低レベル・デジタル・ジンバル・コントローラ３０６だけをスタンバイ・モードに切り換え、副処理チャネル３０３−２の低レベル・デジタル・ジンバル・コントローラ３０６だけをアクティブ・モードに切り換えるように、命令される。主処理チャネル３０３−１および副処理チャネル３０３−２の両方の他のすべての低レベル・デジタル・・ジンバル・コントローラ３０８〜３１４は、最初のアクティブ状態またはスタンバイ状態にとどまる。
【００２０】
パワー・エレクトロニクス・モジュール３０４は、上述の冗長性を実現する方法の何れかによって同様に構成できることを理解されたい。つまり、パワー・エレクトロニクス・モジュール３０４は、それぞれの電力制御チャネル３０５のすべてのパワー・エレクトロニクス回路３１６〜３２４が常に同じモードであるように、あるいはそれぞれの電力制御チャネル３０５のパワー・エレクトロニクス回路３１６〜３２４を、必要または要望に応じて、異なるモードにできるように、構成することができる。完璧を期するために、それぞれの低レベル・デジタル・コントローラ３０６〜３１４、それぞれのパワー・エレクトロニクス回路３１６〜３２４、および関連するフライホイール・ハードウェア１１８の機能を簡潔に説明する。
【００２１】
低レベル・デジタル・ジンバル・コントローラ３０６は、それぞれ、主コントローラ１０２からジンバル角速度命令を受け取り、それに応答して、適切なジンバル電力制御命令を発生するように構成される。しかし、フライホイール・システムの動作中に、アクティブの低レベル・デジタル・ジンバル・コントローラ３０６だけがジンバル電力命令を生成することを理解されたい。アクティブの低レベル・デジタル・ジンバル・コントローラ３０６によって生成されたジンバル電力命令は、ジンバル・パワー・エレクトロニクス回路３１６へ与えられる。ジンバル・パワー・エレクトロニクス回路３１６は、それぞれ、アクティブのときに、ジンバル電力命令に応答するように構成され、ジンバル・ハードウェア３３０の少なくとも一部に選択的に電力を与える（以下で更に説明）。低レベル・ジンバル・コントローラ３０６およびジンバル・パワー・エレクトロニクス回路３１６はまた、ジンバル・ハードウェア３３０から種々のフィードバック信号も受け取る。これらのフィードバック信号は、アクティブの低レベル・デジタル・ジンバル・コントローラ３０６内、およびアクティブのパワー・エレクトロニクス回路３１６で、姿勢制御を行うため、およびジンバル・ハードウェア３３０の動作性を判定するために、使用される。アクティブの低レベル・デジタル・ジンバル・コントローラ３０６、およびアクティブのジンバル・パワー・エレクトロニクス回路３１６はまた、これらのフィードバック信号、ならびにそれら自体の健康状態を表す信号を、主コントローラ１０２へ供給する。
【００２２】
図示の実施形態では、ジンバル・ハードウェア３３０は、１または複数のジンバル・フレーム３３２、１または複数のアクチュエータ３３４、および１または複数のジンバル・センサ３３６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３３２においてジンバル軸について回転自在に取り付けられる。このジンバル軸は、エネルギー蓄積フライホイール・アセンブリ３１０のスピン軸に対して垂直である。ジンバル・アクチュエータ３３４は、ジンバル・フレーム３３２に結合され、また、配電システム１１４と多チャネルパワー・エレクトロニクス・モジュール３０４との間に結合される。ジンバル・アクチュエータ３３４は、好ましくは、電気機械アクチュエータとして実施され、少なくとも主駆動コイル３３３および副駆動コイル３３５を含む。主駆動コイル３３３および副駆動コイル３３５は、それぞれ、選択的に電力供給されるように結合され、電力供給されると動作して、ジンバル・アクチュエータ３３４がフライホイール・アセンブリ３１０をジンバル・フレーム３３２に対して動かすようにさせる。
【００２３】
駆動コイル３３３、３３５は、アクティブの低レベル・デジタル・ジンバル・コントローラ３０６およびアクティブのジンバル・パワー・エレクトロニクス回路３１６へ供給されるフィードバック信号に少なくとも部分的に基づいて、選択的に電力供給される。より詳細には、例えば、主駆動コイル３３３は、通常は選択的に電力供給されるように構成される。しかし、アクティブの低レベル・デジタル・ジンバル・コントローラ３０６および／またはアクティブのジンバル・パワー・エレクトロニクス回路３１６が、ジンバル・ハードウェア３３０から供給されるフィードバック信号に少なくと部分的に基づいて、主駆動コイル３３３が動作不能と判定した場合には、フライホイール・システム１０６は、それ自体を自動的に再コンフィギュレーションして、アクティブの低レベル・デジタル・ジンバル・コントローラ３０６およびアクティブのジンバル・パワー・エレクトロニクス回路３１６のそれぞれにより副駆動コイル３３５が制御され選択的に電力供給されるようにする。
【００２４】
ジンバル・アクチュエータ３３４は、多数の構成のうちの任意の１つによって実施できることを理解されたい。例えば、ジンバル・アクチュエータ３３４は、主駆動コイル３３３も副駆動コイル３３５も１つのロータ３３７に関連するように、実施することができる。このような場合では、図６および図７に示されるように、駆動コイル３３３、３３５は互いに径方向または軸方向の何れかにずらして配することができる。代替例として、図８に示されるように、ジンバル・アクチュエータ３３４は、それぞれの駆動コイル３３３、３３５がそれ自体の個別のロータ３３７、３３９に関連するように、実施することもできる。
【００２５】
一般に知られているように、宇宙機での姿勢制御は、特定の速度（例えば角速度）でジンバル角度を変化させることによって、実施することができる。即ち、主コントローラ１０２から受け取った命令に応答して、アクティブのジンバル・コントローラ３０６は、適切なジンバル・アクチュエータ電力制御命令をアクティブのジンバル・アクチュエータ・パワー・エレクトロニクス回路３１６へ与え、この回路は、配電システム１１４を介して、ジンバル・アクチュエータの主コイル３３３または副コイル３３５の何れかへ選択的に電力供給する。それに応じて、ジンバル・アクチュエータ３３４は、フライホイール・アセンブリ３１０を、ジンバル・フレーム３３２に対して、適切な角速度で、適切に配置する。好ましくは１または複数の主センサ３３１および１または複数の副センサ３３９を含むジンバル・センサ３３６は、ジンバル・フレーム３３２に対するフライホイール・アセンブリ３１０の少なくとも位置および速度を感知し、位置および速度のフィードバック信号をアクティブの低レベル・デジタル・ジンバル・コントローラ３０６およびアクティブのジンバル・パワー・エレクトロニクス回路３１６へ供給するように、構成される。
【００２６】
低レベル・デジタル・モータ／発電機コントローラ３０８は、それぞれ、配電システム１１４のバス電圧を表す信号を受け取るように結合され、その信号に応答して、モータ・モードまたは発電機モードの何れかで動作するようにモータ／発電機ハードウェア３４０をコンフィギュレーションするように、構成される。しかし、フライホイール・システム動作中に、アクティブの低レベル・デジタル・モータ／発電機コントローラ３０８だけがモータ／発電機ハードウェア・コンフィギュレーションを制御することを、理解されたい。低レベル・デジタル・モータ／発電機コントローラ３０８はまた、主コントローラ１０２から命令を受け取るように結合され、アクティブのときに、これらの命令に応答してモータ／発電機電力制御命令を生成するようにコンフィギュレーションされる。アクティブの低レベル・デジタル・モータ／発電機コントローラ３０８によって生成されたモータ／発電機電力制御命令は、それぞれのモータ／発電機電力制御回路３１８へ与えられる。モータ／発電機電力制御回路３１８は、それぞれ、アクティブのときに、モータ／発電機ハードウェア３４０に、従ってフライホイール・アセンブリ３１０に選択的に電力供給し、その回転加速度を制御するように、構成される。そうするために、低レベル・デジタル・モータ／発電機コントローラ３０８は、それぞれ、アクティブのときに、モータ制御則または発電機制御則の何れかを選択的に実施するように、構成される。低レベル・デジタル・モータ／発電機コントローラ３０８およびモータ／発電機電力制御回路３１８はまた、モータ／発電機ハードウェア３４０から種々のフィードバック信号も受け取る。フィードバック信号の少なくとも一部は、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３４０の応答を表す。アクティブの低レベル・デジタル・モータ／発電機コントローラ３０８およびアクティブのモータ／発電機パワー・エレクトロニクス回路３１８はまた、それらがモータ／発電機ハードウェア３４０から受け取った１または複数のフィードバック信号、ならびにそれら自体の健康状態を表す信号を、主コントローラ１０２へ供給する。
【００２７】
モータ／発電機ハードウェア３４０は、モータ／発電機３４２、および１または複数のセンサ３４４を含む。モータ／発電機３４２は、現在知られているかまたは将来の多数のモータ／発電機セットのうちの任意の１つでよく、少なくとも主ロータ３４１およびステータ３４３を含む。ロータ３４１は、好ましくは永久磁石ロータとして実施され、フライホイール・アセンブリ３１０のロータと結合される。ステータ３４３は、少なくとも主ステータ・コイル３４５および副ステータ・コイル３４７を含む。モータ／発電機の主ステータ・コイル３４５および副ステータ・コイル３４７は、ジンバル・アクチュエータ３３４と同様に、また図６および図７に示されるように、互いに径方向または軸方向にずらして配することができる。
【００２８】
センサ３４４は、主温度センサ３４６および副温度センサ３４９と、主および副の整流（commutation）センサとを含むことが好ましい。配電システム１１４のバス電圧が十分に高い場合、アクティブの低レベル・デジタル・モータ／発電機コントローラ３０８およびアクティブのモータ／発電機電力制御回路３１８は、モータ・モードでモータ／発電機３４２を制御する。モータ・モードでの動作中、モータ／発電機３４２は、フライホイール・アセンブリ３１０を回転を上げて回転運動エネルギーを蓄積する。逆に、配電システム１１４のバス電圧がある所定の大きさまで低下した場合には、アクティブの低レベル・デジタル・モータ／発電機コントローラ３０８およびアクティブのモータ／発電機電力制御回路３１８は、発電機モードでモータ／発電機３４２を制御する。発電機モードでのその動作中、モータ／発電機３４２は、フライホイール・アセンブリ３１０の回転を下げて、フライホイールに蓄積された回転運動エネルギーを電気エネルギーへと変換する。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与えうる。従って、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によって命令された加速度で、ある回転速度まで回転数を上昇または下降させられる。
【００２９】
モータ／発電機３４２がどちらのモードで動作していようとも、主ステータ・コイル３４５または副ステータ・コイル３４７が配電システム１１４に電力を供給またはそこから電力を受け取っている。好ましくは、アクティブの低レベル・デジタル・モータ／発電機コントローラ３０８およびアクティブのモータ／発電機電力制御回路３１８が、配電システム１１４へ電力を供給している、またはそこから電力を受け取っている、特定のステータ・コイル３４５、３４７を決定する。詳細には、フライホイール・システム１０６は、主ステータ・コイル３４５が通常は配電システム１１４へ電力を供給するか、またはそこから電力を受け取るように、構成される。しかし、アクティブの低レベル・デジタル・モータ／発電機コントローラ３０８および／またはアクティブのモータ／発電機電力制御回路３１８が、モータ／発電機ハードウェア３４０からのフィードバック信号に少なくとも部分的に基づいて、主ステータ・コイル３４５が動作不能であると判定した場合には、フライホイール・システム１０６は、モータ／発電機３４２を自動的にコンフィギュレーションして、副ステータ・コイル３４７が配電システム１１４に電力を供給するように、またはそこから電力を受け取るようにする。
【００３０】
低レベル・デジタル磁気軸受コントローラ３１２は、それぞれ、主コントローラ１０２から１または複数の命令を受け取り、それに応答して、磁気軸受電力制御命令を生成するように、構成される。しかし、フライホイール・システム動作中、アクティブの低レベル・デジタル磁気軸受コントローラ３１２だけが磁気軸受電力制御命令を生成することを、理解されたい。アクティブの低レベル・デジタル磁気軸受コントローラ３１２によって生成された磁気軸受電力命令は、磁気軸受パワー・エレクトロニクス回路３２２へ与えられる。磁気軸受パワー・エレクトロニクス回路３２２は、それぞれ、アクティブのときに、磁気軸受電力命令に応答して、磁気軸受ハードウェア３５０の少なくとも一部に選択的に電力供給するように、構成される。低レベル磁気軸受コントローラ３１２および磁気軸受パワー・エレクトロニクス回路３２２はまた、磁気軸受ハードウェア３５０から種々のフィードバック信号も受け取る。これらのフィードバック信号は、アクティブの低レベル・デジタル・コントローラ３１４およびアクティブのパワー・エレクトロニクス回路３２２において、適切な磁気軸受制御のために、および磁気軸受ハードウェア３５０の動作を判定するために、使用される。アクティブの低レベル・デジタル磁気軸受コントローラ３１２およびアクティブの磁気軸受パワー・エレクトロニクス回路３２２はまた、これらのフィードバック信号ならびにそれら自体の健康状態を表す信号を、主コントローラ１０２へ供給する。
【００３１】
磁気軸受ハードウェア３５０は、エネルギー蓄積フライホイール・アセンブリ３１０を非接触で回転自在に支持または浮揚させるように機能するものであるとともに、エネルギー蓄積フライホイール・アセンブリ３１０の主軸受システムになっている。図示の実施形態では、磁気軸受ハードウェア３５０は能動型磁気軸受を実施し、電磁アクチュエータ３５２と、例えば主位置センサ３５７、副位置センサ３５９、温度センサ、速度センサなどの複数のセンサ３５４とを含む。位置センサ３５４は、フライホイール・ロータ（図示せず）の位置を感知し、適切な位置信号を、アクティブの低レベル・デジタル磁気軸受コントローラ３１２およびアクティブの磁気軸受パワー・エレクトロニクス回路３２２へ供給する。アクティブの低レベル・デジタル磁気軸受コントローラ３１２およびアクティブの磁気軸受パワー・エレクトロニクス回路３２２は、電磁アクチュエータ３５２への電流供給を制御し、電磁アクチュエータ３５２は、適切な大きさの電磁力を発生してフライホイール・ロータを適切に配置する。図３に示すシステムでは、能動型磁気軸受が実施されるものとして示されているが、磁気軸受ハードウェア３５０は、受動型磁気軸受を実施するようにも構成できることを、理解されたい。代替例として、他の種類の軸受アセンブリを使用して、例えば非磁性回転エレメント軸受などのような主軸受アセンブリを実施することもできる。
【００３２】
磁気軸受アクチュエータ３５２は、ジンバル・アクチュエータ３３４およびモータ／発電機３４２と同様に、冗長に構成される。詳細には、磁気軸受アクチュエータ３５２は、主アクチュエータ・コイル３５３および副アクチュエータ・コイル３５５の両方を含む。主アクチュエータ・コイル３５３および副アクチュエータ・コイル３５５は、それぞれ、アクティブの磁気軸受パワー・エレクトロニクス回路３２２を介して選択的に電力供給されるように、結合される。アクチュエータ・コイル３５３、３５５は、アクティブの低レベル・デジタル磁気軸受コントローラ３１２およびアクティブの磁気軸受パワー・エレクトロニクス回路３２２へ供給されるフィードバック信号に少なくとも部分的に基づいて、選択的に電力供給される。より詳細には、例えば、主アクチュエータ・コイル３５３が通常は選択的に電力供給されるように、構成される。しかし、アクティブの低レベル・デジタル磁気軸受コントローラ３１２および／またはアクティブの磁気軸受パワー・エレクトロニクス回路３２２が、磁気軸受ハードウェア３５０から供給されるフィードバック信号に少なくとも部分的に基づいて、主アクチュエータ・コイル３５３が動作不能であると判定した場合には、フライホイール・システム１０６は、それ自体を自動的に再コンフィギュレーションして、副アクチュエータ・コイル３５５がアクティブの低レベル・デジタル磁気軸受コントローラ３１２およびアクティブの磁気軸受パワー・エレクトロニクス回路３２２によって制御され選択的に電力供給されるようにする。図６および図７で更に示すように、磁気軸受アクチュエータの主コイル３５３および副コイル３５５は、ジンバル・アクチュエータ３３４およびモータ／発電機３４２と同様に、互いに径方向または軸方向の何れかにずらして配することができることを理解されたい。
【００３３】
低レベル・デジタル補助軸受コントローラ３１４は、それぞれ、磁気軸受ハードウェア３５０の動作を表す種々の信号、および補助軸受ハードウェア３６０からの種々のフィードバック信号を受け取るように構成される。これらの信号に応答して、アクティブの低レベル・デジタル補助軸受コントローラ３１４は、補助軸受電力命令を、アクティブの補助軸受電力制御回路３２４へ与える。詳細には、アクティブの低レベル・デジタル補助軸受コントローラ３１４は、補助軸受ハードウェア３６０の位置を表すフィードバック信号を受け取り、更に配電システム１１４のバス電圧を表す信号も受け取ることができる。これらの信号に応答して、アクティブの低レベル・デジタル補助軸受コントローラ３１４は、補助軸受電力命令を、アクティブの補助軸受電力制御回路３２４へ与える。補助軸受電力制御回路３２４は、それぞれ、アクティブのときに、その補助軸受電力命令に応答して補助軸受ハードウェア３６０の少なくとも一部に選択的に電力供給するように構成される。
【００３４】
補助軸受ハードウェア３６０は、磁気軸受ハードウェア３５０が動作不能であるかまたは適切に動作できない場合に、エネルギー蓄積フライホイール・アセンブリ３１０を回転自在に支持するために使用される。補助軸受ハードウェア３６０は、アクチュエータ・アセンブリ３６２、１または複数の補助（または副）軸受アセンブリ３６４、主位置センサ３６７、副位置センサ３６６、およびブレーキ・アセンブリ３６８を含む。アクチュエータ・アセンブリ３６２は、適切に電力供給されたことに応じて、補助軸受アセンブリ３６４を係合（engage）位置または非係合（disengage）位置の何れかに移動させる。補助軸受アセンブリ３６４の通常の位置である非係合位置では、補助軸受アセンブリ３６４はフライホイール・アセンブリ３１０と係合されておらず、回転自在に支持しない。正確に言えば、フライホイール・アセンブリ３１０は、磁気軸受ハードウェア３５０によって回転自在に支持される。逆に係合位置では、補助軸受アセンブリ３６４はフライホイール・アセンブリ３１０と係合し、回転自在に支持する。
【００３５】
補助軸受アクチュエータ・アセンブリ３６２は、ジンバル・アクチュエータ３３４、モータ／発電機３４２および磁気軸受アクチュエータ３５２と同様に、適切な冗長性を備えて構成される。詳細には、補助軸受アクチュエータ・アセンブリ３６２は、好ましくは電気機械アクチュエータとして実施され、少なくとも主駆動コイル３６３および副駆動コイル３６５を含む。主駆動コイル３６３および副駆動コイル３６５は、それぞれ、選択的に電力供給されるように結合される。駆動コイル３６３、３６５は、アクティブの低レベル・デジタル補助軸受コントローラ３１４およびアクティブの補助軸受電力制御回路３２４へ供給されるフィードバック信号に少なくとも部分的に基づいて、選択的に電力供給される。より詳細には、例えば、主駆動コイル３６３が通常は選択的に電力供給されるように構成される。しかし、アクティブの低レベル・デジタル補助軸受コントローラ３１４および／またはアクティブの補助軸受電力制御回路３２４が、補助軸受ハードウェア３６０から供給されるフィードバック信号に少なくとも部分的に基づいて、主駆動コイル３６３が動作不能であると判定した場合には、フライホイール・システム１０６は、それ自体を自動的に再コンフィギュレーションして、副駆動コイル３６５がアクティブの低レベル・デジタル補助軸受コントローラ３１４およびアクティブの補助軸受電力制御回路３２４よって制御され選択的に電力供給されるようにする。
【００３６】
補助軸受アクチュエータ・アセンブリ３６２は、多数の構成のうちの任意の１つによって実施できることを理解されたい。例えば、補助軸受アクチュエータ・アセンブリ３６２は、ジンバル・アクチュエータ３３４と同様に、主駆動コイル３６３も副駆動コイル３６５も１つのロータ３２７と関連するように、実施することができる。更に、図６および図７に示されるように、駆動コイル３６３、３６５は、互いに径方向または軸方向の何れかにずらして配することができ、あるいは図８に示されるように、駆動コイル３６３、３６５のそれぞれは、それ自体の個別ロータ３２７、３２９と関連付けさせることもできる。
【００３７】
完全を期するために、次に、図４および図５を参照されたい。これらの図は、エネルギー蓄積フライホイール・システム１０６の例示的な物理的実施形態を示す。これらの図に示されるように、例示的なフライホイール・システム１０６は、好ましくはハウジング・アセンブリ４０２を含み、これは、２つのジンバル軸受４０４（１つのみ図示）を介してジンバル・フレーム３３２内に回転自在に取り付けられる。１つのジンバル・アクチュエータ３３４がジンバル・フレーム３３２に取り付けられ、前述のように、ハウジング・アセンブリ４０２を適切な角速度に配置するように制御され選択的に電力供給され（図４および図５には示さず）、それによって姿勢制御が行われる。
【００３８】
ハウジング・アセンブリ４０２は、中央部分４０６、２つの端部４０８および４１０、モータ／発電機ハウジング４１２、補助軸受ハウジング４１４、および補助モータ・ハウジング４１６を含む。ハウジング・アセンブリ４０２は、一緒に結合された多数の部分から構成されるものとして示されているが、一体化構造として形成できることも理解されたい。何にしても、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４１０に結合され、補助軸受ハウジング４１４はハウジング・アセンブリの第１の端部４０８に結合され、補助モータ・ハウジング４１６は補助軸受ハウジング４１４に結合される。
【００３９】
モータ／発電機３４２のステータは、モータ／発電機ハウジング４１２に取り付けられ、モータ／発電機３４２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、より詳細に図５に示されるように、シャフト・アセンブリ５０２、ハブ５０４、およびフライホイール・リム５０６を含む。シャフト・アセンブリ５０２は、２組の磁気軸受ハードウェア３４０または２つの補助軸受アセンブリ３６４の何れかを介して、ハウジング・アセンブリ４０２に回転自在に取り付けられる。ハブ５０４は、好ましくは高強度の合金でできており、シャフト・アセンブリ５０２に取り付けられる。ハブ５０４は、例えば、中実構造、スポーク型構造、それらの組合せなどを含む多数の構造のうちの任意の１つの形で作製されてよい。フライホイール・リム５０６は、ハブ５０４に取り付けられてハブ５０４を囲み、例えば、フィラメントを巻線いた炭素繊維などのような強度対密度比が高い材料でできていることが好ましい。
【００４０】
以上、本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を加えることができ、また本発明の要素の代わりに等価物を代用することもできる。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料に適合するように多くの改変を本発明の教示に対して加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図された最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に入るすべての実施形態を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、例示的な一体化された電力および姿勢制御システムの簡略構成図である。
【図２】図２は、図１のシステムを含むことができる宇宙機の例示的な物理的実施形態の平面図である。
【図３】図３は、図１のシステムに使用できる１つのエネルギー蓄積フライホイール・システムの例示的実施形態の機能ブロック図である。
【図４】図４は、図３のエネルギー蓄積フライホイール・システムの物理的実施形態の平面図である。
【図５】図５は、図３のエネルギー蓄積フライホイール・システムの物理的実施形態の断面図である。
【図６】図６は、図３のエネルギー蓄積フライホイール・システムにおける冗長性を実現するための構成を示す。
【図７】図７は、図３のエネルギー蓄積フライホイール・システムにおける冗長性を実現するための構成を示す。
【図８】図８は、図３のエネルギー蓄積フライホイール・システムにおける冗長性を実現するための構成を示す。
【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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