Die Erfindung betrifft ein magnetisch gelagertes vibrationsgedämpftes Schwungrad mit großer radialer Ausdehnung im Vergleich zur axialen Ausdehnung.

Stand der Technik

Aus der DE 32 43 641 AI ist ein magnetisch gelagertes lagestabilisierbares Schwungrad mit großer radialer Ausdehnung im Vergleich zur axialen Ausdehnung bekannt. Zum radialen Antrieb des Schwungrades ist dort ein Krafterzeugungssystem vorgesehen, das nach dem elektrodynamischen Prinzip arbeitet. Zum Motorantrieb weist der Rotor einen Spalt an der Unterseite des Rades auf, in das die Motorwicklung, die auf einem Stator befestigt ist, eintaucht. Weitere Kraf erzeugungssysteme zur axialen Verschiebung und zur radialen Verschiebung der Drehachse des Rades sowie zur Erzeugung von Kippmomenten sind ebenfalls vorgesehen. Die Krafterzeugungssysteme sind mit entsprechenden Sensoren über ein Regelsystem gekoppelt, so daß eine Lagestabilisierung in insgesamt fünf Freiheitsgraden möglich ist. Die DE 38 19 205 AI offenbart ein Schwungrad, das mittels eines KrafterzeugungsSys ems nach dem elektrodynamischen Prinzip am Außenumfang des Rotors radial antreibbar ist. Für die Erzeugung von Kippmomenten sind ebenfalls am Außenumfang des Schwungrades

Krafterzeugungssysteme nach dem elektrodynamischen Prinzip vorgesehen. Dazu ist am Außenumfang des Rotors eine Ringnut vorgesehen, die zwei übereinander angeordnete entgegengesetzt magnetisierte Permanentmagnete aufnimmt. In diese Ringnut tauchen vier am Stator befestigte Spulen ein, die vom Magnetfluß des Permanentmagneten durchsetzt werden. Zur Erzeugung von Kippmomenten und Axialkräften sind die Ströme in diesen vier Spulen in ihrer Richtung umschaltbar. Die zur Lagestabilisierung notwendigen Sensoren sind über ein Regelsystem mit den entsprechenden Krafterzeugungssystemen gekoppelt .

Vorteile der Erfindung

Durch die Unterbringung des Krafterzeugungssystems für die transversale Verschiebung als auch der entsprechenden Sensoren im Radnabenbereich ergibt sich eine gute Unterdrückung von Störschwingungen, insbesondere wenn auch das Krafterzeugungssystem für den radialen Antrieb in der Radnabe des Schwungrades untergebracht ist. Störschwingungen sowie deren Harmonische lassen sich wirksam unterdrücken. Auch können derart hervorgerufene Resonanzerscheinungen nicht zu Störungen beim Betrieb der Sensoren führen. Besonders vorteilhaft ist es, die Krafterzeugungssysteme für die axiale Verschiebung bzw. zur Erzeugung von Kippmomenten sowie die dazugehörigen Sensoren am Außenumfang des Schwungrades unterzubringen.

Im Gegensatz zu elektromagnetischen KrafterzeugungsSystemen, bei denen mechanische Schwankungen in Kräfte umgesetzt werden, erzeugen die bei der Erfindung eingesetzten Krafterzeugungssysteme nach dem elektrodynamischen Prinzip weniger unerwünschte Vibrationen und damit auch weniger Störsignale bei der Auswertung durch die Sensoren. Die Verwendung elektromagnetischer Krafterzeugungssysteme führt

zu einer vorteilhaften Masseverteilung zwischen Rotor und Stator.

Periodisch auftretende Störmomente können wirksam kompensiert werden.

Durch die Verlagerung des radialen Antriebs in die Radnabe ist der Schwenkbereich des Schwungrades auch bei Verwendung kleiner Motorspulen ausreichend groß.

Zeichnungen

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.

Figur la zeigt einen Querschnitt durch das Schwungrad mit Magnetlagerung nach der Erfindung,

Figur lb eine Ansicht des Radnabenbereichs mit Sensoren für Translationsbewegungen und

Figur 2 eine Ansicht eines Sensorsystems zur Erfassung von Translationsbewegungen.

Beschreibung der Erfindung

Das in der Zeichnung dargestellte Schwungrad besteht aus einer Radnabe, die als im wesentlichen geschlossener scheibenartiger Hohlkörpers H ausgebildet ist, Speichen (spokes) und einem äußeren Radkranz RK, der mit einer Ringnut (N) versehen ist und die Hauptmasse des Schwungrades bildet. Der ebenfalls scheibenartig ausgebildete Stator S ist an einer Zentralachse befestigt, die am Gehäuse (housing) montiert ist. Die Drehachsen (spin axes) von Rotor R und Stator S sind identisch. Die Spulen (motor coils) wl des Kraf erzeugungssystems Ml für den radialen Antrieb des

Schwungrades befinden sich auf dem in der Radnabe angeordneten Stator S und zwar vorteilhafterweise am Außenumfang der Statorscheibe S in einer Ebene senkrecht zur Scheibenausdehnung. Die dazugehörigen Permanentmagnete Pl ( otor magnets) sind an der Innenseite des Hohlkörpers H an jener Wand angebracht, die im wesentlichen parallel zur Radachse verläuft. Die Permanentmagnete weisen abwechselnde Pole (alternated poles) auf. Das Motorsystem besteht aus einem eisenlosen DC-Motor mit elektronischer Kommutierung. Dies gewährleistet eine genaue Kommutierung auch beim

Schwenken des Rotors. Bei niedrigen Geschwindigkeiten erhält die Antriebselektrcnik die Rotorpcsiticn von einem einfachen "Eddy-Current"-Sensorsystem zur Kommuntierungsänderung. Bei höherer Geschwindigkeit (über 200rpm) wird die Kommutierung von der Spannung - Gegen EMK - in den Motorwicklungen abgeleitet .

Das Krafterzeugungssystem M2 für die radiale Verschiebung der Drehachse des Schwungrades ist ebenfalls im Innenraum der Radnabe angeordnet. Es arbeitet ebenfalls nach dem elektrodynamischen Prinzip. Auf dem scheibenförmigen Stator S sind zwei nebeneinander liegende ringförmige Wicklungen w21 und w22 (radial acuator coils) angeordnet. Die dazugehörigen ringförmig ausgebildeten Permanentmagnete P2 , P3 befinden sich an den Scheibeninnenseiten des Hohlkörpers H jeweils im Bereich unter bzw. über den im Stator S befindlichen Wicklungen w21, w22. Der toroidförmige magnetische Fluß ist schematisch dargestellt. Es entsteht eine Kraftwirkung in x-Richtung.

Das axiale Krafterzeugungssystem M3 für die axiale Verschiebung arbeitet ebenfalls nach dem elektrodynamischen Prinzip. Es befindet sich am äußeren Radumfang des Rotors R in einer in axialer Richtung (y-Richtung) verlaufenden Ringnut N im äußeren Radkranz (rotor rim) . An der nach außen

weisenden Wand der Ringnut N befinden sich zwei in y-Richtung übereinander angeordnete schleifenförmige Permanentmagnete (upper and lower agnet rim) mit gleichgerichteten Polen (unipolar poles) . Die Permanentmagnete liefern ein gleichmäßiges kreisförmiges Magnetfeld für die axialen und Kippmoment- Krafterzeugungssysteme. Die Spulen w31 und w32 für das Krafterzeugungssystem M3 sind als übereinander liegende Ringwicklungen auf einem weiteren Stator Sl angeordnet, der über ein Gehäuse (housing) starr mit dem Stator S verbunden ist. Es entsteht der schematisch dargestellte toroidförmige magnetische Fluß, der eine Kraftwirkung in y-Richtung erzeugt .

Zur Erzeugung von Kippmomenten ist ein Krafterzeugungssystem M4 vorgesehen (nicht dargestellt) mit vier in der Nut N befindlichen in Epoxidharz eingebetteten Wicklungen, die sich jeweils in einem Kreissektor von 90° erstrecken. Nähere Einzelheiten zur geometrischen Anordnung dieser Wicklungen enthält die DE 32 40 809 C2, insbesondere Figur 6b. Kippmomente werden erzeugt durch Erregung jeweils gegenüberliegender Wicklungen mit gegenphasigen Strömen.

Sensoren SEI ... SE4 - nur in Figur lb dargestellt - zur Erfassung der Bewegungen des Schwungrades in den erwähnten Freiheitsgraden sind über ein Regelsystem RS (nicht dargestellt) zur Lagestabilisierung mit den entsprechenden Krafterzeugungssystemen Ml bis M4 gekoppelt. Einzelheiten solcher Regelsysteme zur Lagestabilisierung sind beispielsweise der DE 32 40 809 C2 oder der DE 38 19 205 AI entnehmbar.

Insgesamt sind drei Sensorsysteme vorgesehen: das Kippsensorsystem besteht aus zwei Kippsensoren (tilt sensor coil) mit jeweils zwei Spulensystemen. Die Sensorspulen sind

am Gehäuse befestigt, und zwar zueinander gegenüberliegend in der Nut N am äußeren Umfang des Rotorkranzes. Die Differenz zwischen den entsprechenden Sensorspulen liefert die Kipposition. Die Anbringung der Kippsensoren in der Nähe des Krafterzeugungssystem für das Kippmoment M4 führt zu einer durch Störeinflüsse wenig beeinflußten Regelung.

Das Translationssensorsystem besteht aus vier Sensorspulen über der Radnabe und vier Sensorspulen unterhalb der Radnabe - SEI ... SE4 ( Figuren lb und 2) -. Die Referenzflächen der Sensoren SEI ... SE4 bestehen aus Zahnkränzen an der Ober- und/oder Unterseite des Randnabenrotorgehäuεes H. Die Sensorspulen (x sensor coils) nach Figur 2 sind vorzugsweise starr am Stator S befestigt, damit die radiale Abstandsdifferenz zwischen Stator S und Rotor R ermittelt werden kann. Die Anordnung dieser Sensoren gerade im Radnabenbereich führt zu genaueren Erfassungen der Bewegungen (aktive Störschwingungsunterdrückung) als bei Systemen mit Sensoren am Rotoraußenrand. Die translatorischen Bewegungen sind im Radnabenbereich weniger durch Kippbewegungen gestört .

Durch Auswertung der Spulenausgangssignale können alle translatorischen Freiheitsgrade erfaßt werden.

Die axiale Positionsbestimmuung erfolgt durch Vergleich der in den x- und y-Spulen induzierten Spannungen, die oberhalb und unterhalb des Rotors angebracht sind.

Für die Kommutierung bei geringer Geschwindigkeit sind außerdem statische Sensoren (nicht dargestellt) vorgesehen. Für alle Sensoren wird vorteilhafterweise das "Eddy-Current"-Prinzip angewandt, da es einfach aufgebaut werden kann und zuverlässig arbeitet. Es weist eine hohe Bandbreite auf und ist ausreichend linear, wenn die

elektrischen und mechanischen Eigenschaften geeignet gewählt sind. Alle Sensoren arbeiten nach dem Differen∑prinzip, um Drifteffekte zu vermeiden.

Der Radkranz des Rotors weist eine weitere innenseitig gelegene Ringnut Nl auf, die aus Aluminium besteht und Teil des Kippsensorsystems ist. Die dazugehörigen Spulen (tilt sensor coil) sind am Stator Sl montiert und ragen in die Ringnut Nl .

Zwischen der Achse des Stators S und der Radnabe des Rotors R sind jeweils zwei Kugellagerringe vorgesehen, die bei Ausfall der Magnetlager, d. h. der Stromversorgung, arbeiten (emergency bearings) .

Das vorgestellte Schwungrad besitzt einen Schwenkbereich von +/- 4°. Daher ist es ideal geeignet als gyroskopische Stelleinrichtung für Kommunikationssatelliten. Zusätzlich zur axialen Regelung des Drehmoments kann der Rotor gegenüber dem Gehäuse in Kippachsen geschwenkt werden, die nicht mit der Drehachse identisch sind (vernier gimballing) . Das Kippen des Rotors kann außerdem zum Speichern eines transversalen Moments ausgenutzt werden, um externe Störmomente zu kompensieren oder zur Veränderung der Bewegung von rotierenden Gebilden an Bord des Satelliten, wie z. B. zur Antennenausrichtung.

Im Falle eines Ausfalls der Satelliten-Busspannung läßt sich der Motor automatisch in den Generatorbetrieb umschalten, um die Energie für die Eigenversorgung sowie eine stabile

Lagerung bis hinunter zu 1500 rpm aufzubringen. Darunter wird die elektromotorische Kraft EMK zu gering, um genügend Energie für die Versorgung der Elektronik zu liefern.