Design of a WPT-based solar array drive mechanism for use in micro-satellites

The growth of microsatellites and “New Space” applications has sparked innovation in satellite power transfer mechanisms, particularly those powering solar arrays. Traditional designs, such as slip rings or flex-hinges with cables, which involve physical connections to transfer power from solar panels to the spacecraft bus, face reliability challenges due to mechanical wear and signal interference, both of which are exacerbated in the harsh environment of space. This study presents a design of a novel Solar Array Drive Mechanism (SADM) for microsatellites that leverages Wireless Power Transfer (WPT) technology, eliminating mechanical contact and offering a more robust solution to the problems of conventional power transfer methods. Slip rings, the current standard for many satellite power transfer mechanisms, suffer from degradation over time, leading to reduced efficiency and potential failure points. To address this, we explore wireless power transfer solutions inspired by advances in other high-reliability industries, such as consumer electronics, robotics, and medical devices, adapting these concepts for space applications. The developed WPT-based SADM operates at a frequency of 100 kHz, providing an optimized trade-off between efficiency and hardware requirements. By applying advanced electromagnetic design techniques and rigorous simulation, a miniaturized WPT system was developed that meets the high standards required for micro-satellite operation. The design process involved using finite element analysis (FEA) in ANSYS 3D to optimize coil structures, ensuring minimal energy loss and high coupling efficiency. The integration of stripped ferrite cores significantly enhanced magnetic coupling and minimized leakage inductance, which is crucial for achieving reliable energy transfer in the confined space and strict mass requirements of microsatellites. Electrical modeling of the circuit was conducted in MATLAB/SIMULINK, enabling precise simulation of the DC-AC-DC conversion process, and achieving an impressive 89% efficiency using the PSSS circuit compensation topology under simulated operational conditions. Finally, a CAD model for the SADM is proposed. The reduction in efficiency compared to conventional sliprings is mainly due to galvanic insulation, which introduces core and magnetic coupling losses. Nonetheless, by electrically isolating the transmitter and receiver circuits, unintended direct and low-frequency current (noise) flow is prevented, while power, data, and signal transmission is enabled. This SADM design demonstrates the feasibility and advantages of applying WPT to solar array drives in space. Hence, by mitigating the limitations of traditional slip rings, this technology promises greater durability and prolonged efficiency in satellite power systems, ultimately extending mission lifespans and improving the reliability of microsatellite applications in the evolving New Space sector.

La crescita dei microsatelliti e delle applicazioni "New Space" ha innescato l'innovazione nei meccanismi di trasferimento di potenza satellitare, in particolare quelli che alimentano i pannelli solari. I progetti tradizionali, come gli anelli collettori o le cerniere flessibili con cavi, che prevedono connessioni fisiche per trasferire potenza dai pannelli solari al bus del veicolo spaziale, affrontano sfide di affidabilità dovute all'usura meccanica e all'interferenza del segnale, entrambe aggravate dall'ambiente ostile dello spazio. Questo studio presenta un progetto di un nuovo meccanismo di azionamento dell'array solare (SADM) per microsatelliti che sfrutta la tecnologia Wireless Power Transfer (WPT), eliminando il contatto meccanico e offrendo una soluzione più solida ai problemi dei metodi di trasferimento di potenza convenzionali. Gli anelli collettori, lo standard attuale per molti meccanismi di trasferimento di potenza satellitare, soffrono di degradazione nel tempo, con conseguente riduzione dell'efficienza e potenziali punti di guasto. Per risolvere questo problema, esploriamo soluzioni di trasferimento di potenza wireless ispirate ai progressi in altri settori ad alta affidabilità, come l'elettronica di consumo, la robotica e i dispositivi medici, adattando questi concetti alle applicazioni spaziali. Il SADM basato su WPT sviluppato funziona a una frequenza di 100 kHz, offrendo un compromesso ottimizzato tra efficienza e requisiti hardware. Applicando tecniche di progettazione elettromagnetica avanzate e una simulazione rigorosa, è stato sviluppato un sistema WPT miniaturizzato che soddisfa gli elevati standard richiesti per il funzionamento dei microsatelliti. Il processo di progettazione ha comportato l'utilizzo dell'analisi degli elementi finiti (FEA) in ANSYS 3D per ottimizzare le strutture delle bobine, garantendo una perdita di energia minima e un'elevata efficienza di accoppiamento. L'integrazione di nuclei di ferrite spogliati ha migliorato significativamente l'accoppiamento magnetico e ridotto al minimo l'induttanza di dispersione, il che è fondamentale per ottenere un trasferimento di energia affidabile nello spazio ristretto e nei rigorosi requisiti di massa dei microsatelliti. La modellazione elettrica del circuito è stata condotta in MATLAB/SIMULINK, consentendo una simulazione precisa del processo di conversione DC-AC-DC e ottenendo un'impressionante efficienza dell'89% utilizzando la topologia di compensazione del circuito PSSS in condizioni operative simulate. Infine, viene proposto un modello CAD per il SADM. La riduzione dell'efficienza rispetto agli slipring convenzionali è dovuta principalmente all'isolamento galvanico, che introduce perdite di accoppiamento magnetico e del nucleo. Tuttavia, isolando elettricamente i circuiti del trasmettitore e del ricevitore, si impedisce il flusso di corrente (rumore) diretto e a bassa frequenza indesiderato, mentre si consente la trasmissione di potenza, dati e segnali. Questo progetto SADM dimostra la fattibilità e i vantaggi dell'applicazione di WPT ai drive dei pannelli solari nello spazio. Quindi, mitigando le limitazioni dei tradizionali anelli collettori, questa tecnologia promette una maggiore durata e un'efficienza prolungata nei sistemi di alimentazione satellitare, estendendo in definitiva la durata di vita delle missioni e migliorando l'affidabilità delle applicazioni dei microsatelliti nel settore in evoluzione del New Space.