DE102005028248A1 - Elektromechanische Einrichtung mit einem um mindestens eine erste und eine zweite Drehachse drehbaren Element - Google Patents

Elektromechanische Einrichtung mit einem um mindestens eine erste und eine zweite Drehachse drehbaren Element Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Einrichtung (4) mit einem um zumindest eine erste und eine zweite Drehachse (24, 26) drehbaren Element, insbesondere einem Spiegel (10), einer tragenden Struktur (16), einem relativ zur tragenden Struktur (16) um die erste Drehachse (24) drehbaren ersten Träger (20), einem vom ersten Träger (20) getragenen und das Element tragenden zweiten Träger (22) und einem an der tragenden Struktur (16) und dem zweiten Träger (22) angreifenden Antrieb (34) zum Bewegen des zweiten Trägers (22). DOLLAR A Zur Erzielung einer quer zu den Drehachsen (24, 26) flachen Bauform der elektromechanischen Einrichtung (4) wird vorgeschlagen, dass die elektromechanische Einrichtung (4) einen an der tragenden Struktur (16) und dem ersten Träger (20) angreifenden weiteren Antrieb (28) zum Bewegen des ersten Trägers (20) aufweist.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einer elektromechanischen Einrichtung mit einem um mindestens eine erste und eine zweite Drehachse drehbaren Element, insbesondere einem Spiegel, einer tragenden Struktur, einem relativ zur tragenden Struktur um die erste Drehachse drehbaren ersten Träger, einem vom ersten Träger getragenen und das Element tragenden zweiten Träger und einem an der tragenden Struktur und dem zweiten Träger angreifenden Antrieb zum Bewegen des zweiten Trägers.
  • Aus der DE 103 13 136 A1 ist ein Suchkopf mit einem Nick-Gier-Innenkardansystem bekannt, bei dem der innere Träger des Kardansystems unmittelbar von Antrieben bewegt wird, die an einer Stützstruktur angreifen und den inneren Träger um zwei Drehachsen drehen. Hierdurch können Antriebe am äußeren oder inneren Träger des Kardansystems entfallen, und das Kardansystem kann leicht ausgeführt sein. Ein solches Innenkardansystem bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass es senkrecht zu den beiden Drehachsen einen relativ großen Bauraum beansprucht.
    •
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektromechanische Einrichtung mit einem um zumindest eine erste und eine zweite Drehachse drehbaren Element anzugeben, das insbesondere senkrecht zu den beiden Drehachsen flach baubar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die erfindungsgemäß einen an der tragenden Struktur und dem ersten Träger angreifenden weiteren Antrieb zum Bewegen des ersten Trägers umfasst. Der an der tragenden Struktur und dem ersten Träger angreifende weitere Antrieb kann entlang oder in der Nähe einer der Drehachsen angeordnet werden, wodurch Bauraum senkrecht zu dieser Drehachse eingespart werden kann. Durch das unmittelbare Angreifen des ersten Antriebs an der tragenden Struktur und dem zweiten Träger kann der Vorteil des geringen Gewichts am inneren Träger erhalten bleiben, weshalb auch diese elektromechanische Einrichtung leicht ausgeführt sein kann.
  • Der erste Träger ist zweckmäßigerweise ein Außenrahmen eines kardanischen Systems. Der diesen Außenrahmen bewegende weitere Antrieb kann seinen relativ schweren Stator strukturfest angeordnet haben, wobei der Außenrahmen den Rotor bildet. Durch die überwiegend strukturfeste Anordnung des weiteren Antriebs zur Bewegung des Außenrahmens kann der bewegliche Teil der Einrichtung leicht und hierdurch sehr dynamisch ausgestaltet sein. Der zweite Träger ist zweckmäßigerweise ein Innenrahmen eines Kardansystems. Das Element kann ein optisches Element sein, beispielsweise ein Laser oder ein Radarsender oder -empfänger, wodurch ein sehr dynamisches und kompaktes optisches System erreichbar ist. Vorteilhafterweise ist das Element ein Spiegel. Hierdurch kann der Bewegungswinkel eines Strahlengangs relativ zum Bewegungswinkel des Spiegels verdoppelt werden, wodurch die Bewegungen des zweiten Trägers gering gehalten und die Einrichtung sehr dynamisch ausgeführt sein kann. Der Spiegel richtet zweckmäßigerweise einen Strahlengang auf ein weiteres, relativ zum zweiten Träger bewegliches, insbesondere strukturfestes optisches Element aus.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die elektromechanische Einrichtung einen strukturfest gelagerten Detektor, wobei das Element einen Strahlengang auf den Detektor ausrichtet. Durch die strukturfeste Anordnung des Detektors kann auf die Bewegung des Detektors verzichtet werden, und die beweglichen Teile der elektromechanischen Einrichtung können sehr leicht ausgeführt werden. Durch die Ausrichtung des Strahlengangs durch das bewegliche Element auf den strukturfesten Detektor kann die oben beschriebene Verdopplung des Bewegungswinkels des Strahlengangs erreicht werden.
  • Eine kompakte Gestaltung der elektromechanischen Einrichtung kann dadurch erreicht werden, dass die beiden Träger ein Außenkardansystem bilden. Das Element, beispielsweise ein Spiegel, muss nicht als Ringspiegel ausgeführt sein, sondern kann innerhalb der Träger kompakt zu liegen kommen.
  • Durch eine fliegende Lagerung zumindest einer der Träger kann ebenfalls Bauraum eingespart werden. Durch den Verzicht auf eine der Lagerstellen sollte die verbleibende Lagerstelle zwar relativ stabil ausgeführt sein, der hierfür benötigte Bauraum ist jedoch kleiner als ein Bauraum für zwei Lagerstellen. Zweckmäßigerweise ist zumindest einer der Träger ein Gabelträger. Auch hierdurch kann die Einrichtung kompakt ausgestaltet sein. Die beiden „Gabelarme" des Gabelträgers tragen zweckmäßigerweise Lagerungen, die insbesondere den anderen Träger lagern. Es kann der erste oder der zweite Träger als Gabelträger ausgestaltet sein, wobei die Bauraum kompakteste Ausführung beide Träger als Gabelträger vorsieht.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Antrieb eine Wicklung aufweist, die zur Bewegung des zweiten Trägers in zwei entgegengesetzte Richtungen aus einer Mittellage vorgesehen ist. Hierdurch kann die Bewegung des zweiten Trägers in beide Drehrichtungen um die Drehachse mit einer einzigen Wicklung erfolgen, wodurch der zweite Träger sehr leicht ausgeführt sein kann.
  • Vorteilhafterweise weist der Antrieb eine Wicklung zur Bewegung des zweiten Trägers und Magnetpolpaare mit jeweils zwei Magneten auf, die zwischen sich einen Luftspalt bilden, wobei die Wicklung in den Luftspalten beweglich angeordnet ist und die Luftspalte frei von Befestigungselementen zur Befestigung der Wicklung am zweiten Träger sind. Es kann eine geringe Induktivität der im Luftspalt angeordneten Bauteile erreicht werden und eine geringe Verfälschung der auf die Wicklung wirkenden Kraft durch induktive Bauteile im Luftspalt. Die Kraft auf die Wicklung kann unabhängig von der Relativgeschwindigkeit von Magneten und Wicklung stets proportional zum Strom gehalten werden.
  • Mit Vorteil weist der erste Antrieb mehrere, auf eine mehrphasige Wicklung wirkende Magnetpolpaare auf. Durch die Magnetpolpaare, die insbesondere relativ zur Drehachse des zweiten Trägers gegenpolig angeordnet sind, können besonders einfach Drehmomente in entgegengesetzte Richtungen auf die Wicklung ausgeübt werden. Eine kompakte und überwiegend strukturfeste Anordnung des ersten Antriebs kann erreicht werden, wenn dieser eine Wicklung und einen die Wicklung durchgreifenden Magnetträger aufweist.
  • Eine stabile Lagerung zumindest einer der Träger kann erreicht werden, wenn zumindest einer der Träger durch ein Duplexlager gelagert ist. Hierbei ist der Träger an einer oder zwei Lagerstellen gelagert, die zwei benachbart zueinander angeordnete Lager umfassen. Vorteilhafterweise ist das Duplexlager in X-Richtung gespannt. Es kann – insbesondere bei zwei Lagerstellen – eine stabile Lagerung erreicht werden, ohne die Nachteile einer statischen Überbestimmung in Kauf nehmen zu müssen. Bei einer fliegenden Lagerung einer der Träger wird das Duplexlager zweckmäßigerweise in O-Richtung gespannt, wodurch eine hohe Lagersteifigkeit erreicht werden kann.
  • Die elektromechanische Einrichtung ist vorteilhafterweise in einem Suchkopf eines Flugkörpers angeordnet, wobei die tragende Struktur fest mit einer Flugkörperhülle verbunden ist. Es kann ein Suchkopf geschaffen werden, der durch eine hohe Bewegungsdynamik der Einrichtung besonders präzise in ein Ziel gesteuert werden kann.
    •
  • Zeichnung
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen:
  • 1 einen Kopf eines Flugkörpers mit einer schematisch dargestellten elektromechanischen Einrichtung mit zwei Spiegeln und einem Detektor,
  • 2 die elektromechanische Einrichtung aus 1 ohne den zweiten Spiegel und den Detektor in einer perspektivischen Darstellung,
  • 3 die elektromechanische Einrichtung ohne Spiegel,
  • 4 die elektromechanische Einrichtung in einer perspektivischen Darstellung von hinten,
  • 5 eine Darstellung eines X-verspannten Duplexlagers und
  • 6 einen Schnitt durch einen alternativen Stator zur Bewegung des zweiten Trägers.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In 1 ist ein Flugkörper 2 mit einer elektromechanischen Einrichtung 4 schematisch dargestellt. Die elektromechanische Einrichtung 4 umfasst einen Detektor 6, einen ersten Spiegel 8, einen zweiten Spiegel 10 und eine Bewegungseinrichtung 12 zur Bewegung des zweiten Spiegels 10. Durch die Beweglichkeit des zweiten Spiegels 10 kann ein Strahlengang 14, der aus unterschiedlichen Richtungen auf den zweiten Spiegel 10 eintrifft, auf den im infraroten Spektralbereich empfindlichen Detektor 6 abgebildet werden. Hierbei kann durch eine Drehung des Spiegels 10 um einen Winkel α ein großer Bewegungswinkel β = 2α des Strahlengangs 14 bereits durch eine geringe Bewegung des Spiegels 10 erreicht werden.
  • Die Bewegungseinrichtung 12 umfasst eine tragende Struktur 16, die – ebenso wie der Detektor 6 – unbeweglich fest mit einer Flugkörperhülle 18 des Flugkörpers 2 verbunden ist. Die tragende Struktur 16 sowie alle relativ zu ihr unbeweglich angeordneten Elemente des Flugkörpers 2 bzw. der elektromechanischen Einrichtung 4 sind somit strukturfest angeordnet.
  • In den 2, 3 und 4 ist die elektromechanische Einrichtung 4 ohne den Spiegel 8 und den Detektor 6 in drei perspektivischen Ansichten aus verschiedenen Richtungen gezeigt, wobei in den 2 und 4 der Spiegel 10 dargestellt und in 3 der Spiegel 10 zur Verdeutlichung weggelassen ist. Die Bewegungseinrichtung 12 umfasst einen ersten Träger 20 und einen zweiten Träger 22, die in Form eines Außenkardansystems ausgeführt sind. Der Spiegel 10 ist fest mit dem zweiten Träger 22 verbunden und durch das Außenkardansystem relativ zu der tragenden Struktur 16 um zwei Drehachsen 24, 26 drehbar.
  • Zur Bewegung des ersten Trägers 20 um die Drehachse 24 weist die Bewegungseinrichtung 12 einen ersten Antrieb 28 mit einem Stator 30 und einem Rotor 32 auf. Der Stator 30 ist fest mit der tragenden Struktur 16 verbunden, und der Rotor 32 ist fest mit dem ersten Träger 20 verbunden. Zur Bewegung des zweiten Trägers 22 mit dem Spiegel 10 umfasst die Bewegungseinrichtung 12 einen zweiten Antrieb 34, der ebenfalls einen Stator 36 und einen Rotor 38 aufweist. Der Stator 36 ist durch eine Haltestruktur 40 (1) mit der Flugkörperhülle 18 verbunden und somit strukturfest angeordnet. Er umfasst zwei Magnetpolpaare 42, deren Polung in 3 durch „+" und „–" angedeutet ist. Die beiden Magnetpolpaare 42 erzeugen in einem Luftspalt 44 des Stators 36 Magnetfelder, die relativ zur Drehachse 26 im Wesentlichen radial und entgegengesetzt ausgerichtet sind.
  • Der Rotor 38 des zweiten Antriebs 34 umfasst eine Wicklung 46, die zu einem Teil innerhalb des Luftspalts 44 angeordnet ist. Wird die Wicklung 46 mit einem Stromfluss beaufschlagt, so erzeugt sie ein Magnetfeld, das mit den Magnetfeldern der Magnetpolpaare 42 derart zusammenwirkt, dass ein Drehmoment auf den Rotor 38 um die Drehachse 26 wirkt. Je nach Stromfluss durch die Wicklung 46 ist das Drehmoment nach oben oder nach unten gerichtet. Eine Bewegung des zweiten Trägers 22 um die äußere Drehachse 24 bewirkt im Wesentlichen nur eine Verschiebung der Wicklung 46 im Magnetfeld der Magnetpolpaare 42 und ist somit unerheblich. Eine Drehung um die innere Drehachse 26 ist mit einer Drehung um die äußere Drehachse 24 nicht verbunden.
  • In den 2 bis 4 ist der Rotor 38 in einer Ruheposition gezeigt, in der die Wicklung 46 symmetrisch bezüglich der Magnetpolpaare 42 angeordnet ist.
  • Durch einen Stromfluss durch die Wicklung 46 kann der Rotor 38 somit aus der Ruhelage heraus in die eine oder in die andere Richtung um die Drehachse 26 verschwenkt werden. Zur Halterung der Magnetpolpaare 42 umfasst der Stator 36 einen Magnetenträger 48 in Form einer Doppelgabel, deren Gabelarme jeweils einen Magneten der Magnetpolpaare 42 tragen und der durch die Wicklung 46 hindurchgreift.
  • Der zweite Träger 22 ist an zwei Lagerstellen 50 gelagert. Demgegenüber ist der erste Träger 20 nur an einer Lagerstelle 52 und mithin fliegend gelagert. Um eine kompakte und leichte Konstruktion der Bewegungseinrichtung 12 zu erhalten, sind beide Träger 20, 22 gabelförmig ausgestaltet, wobei die beiden Lagerstellen 50 an den Gabelarmen zu liegen kommen. Die Biegesteifigkeit des gabelförmigen zweiten Trägers 22 ist geringer als die Biegesteifigkeit eines ringförmigen Trägers. Um dennoch eine stabile Lagerung zu erhalten, die nicht im Widerspruch zu der Elastizität des zweiten Trägers 22 steht und diesen dennoch stabil hält, ist an den Lagerstellen 50 jeweils ein Duplexlager 54 angeordnet, das in 5 schematisch dargestellt ist. Das Duplexlager 54 ist in X-Richtung gespannt, wodurch die vom Duplexlager 54 erzeugten Kraftlinien 56 der Druckkräfte F1 und F2 der äußeren Lagerschalen 60 und inneren Lagerschalen auf die Lagerkugeln symmetrisch X-förmig bezüglich eines Lagerzapfens 58 des zweiten Trägers 22 angeordnet sind. Hierdurch weist das Duplexlager 54 eine geringe Biegesteifigkeit auf, und es wird eine gute translatorische Fixierung ohne die Nachteile einer statischen Überbestimmtheit erreicht. Die X-Verspannung wird durch ein Zusammendrücken der äußeren Lagerschalen 60 des Duplexlagers 54 mit Hilfe einer Innenmutter 62 erreicht.
  • Die Lagerstelle 52 zwischen der tragenden Struktur 16 und dem ersten Träger 20 ist ebenfalls mit einem Duplexlager 64 versehen, das jedoch in einer O-Verspannung gespannt ist und somit eine hohe Biegesteifigkeit erzeugt. Hierdurch ist der erste Träger 20 trotz seiner fliegenden Lagerung stabil gehalten. Bei der O-Verspannung sind – analog wie beim Duplexlager 54 – die beiden inneren Lagerschalen voneinander beabstandet und können durch eine Innenmutter aufeinander zu gedrückt werden, wodurch Kraftlinien bezüglich der Drehachse 24 eine Rautenform oder O-Form annehmen.
  • Ergänzend zu dieser kippmomentsteifen Anordnung ist der gemeinsame Schwerpunkt aller um die Drehachse 24 verschwenkbaren Komponenten möglichst nahe am Duplexlager 64 positioniert. Um diese Massenverteilung zu erreichen, ist der erste Antrieb 28 fliegend auf der unteren Lagerseite montiert.
  • Die Drehwinkel der beiden Träger 20, 22 werden von direkt in den jeweiligen Drehachsen 24, 26 messenden optischen Winkelgebern 66, 68 ermittelt. Aus baulichen Gründen wird der Winkelgeber 68 der inneren Drehachse 26 nur segmentförmig realisiert entsprechend dem benötigten Trägerwinkelbereich. Da auch der Winkelbereich der äußeren Drehachse 24 begrenzt ist, können die elektrischen Zuleitungen mittels flexibler Leitungen zu den Winkelgebern 66, 68 und auch zur Wicklung 46 geführt werden.
  • Ein Schnitt durch einen alternativen Stator 36' am zweiten Träger 22 ist in 6 gezeigt. Dieser Stator 36' weist einen Magnetenträger 48' auf der nicht durch die Wicklung hindurchgreift, sondern durch zwei Verbindungselemente 70 aus Nichtmetall zusammengehalten wird, von denen in 6 nur eines gezeigt ist. Der Magnetenträger 48' trägt mehrere Magnetpolpaare 42', die jeweils zwischen ihren Magneten einen Luftspalt 44' bilden, in dem eine mehrphasige Wicklung 46' angeordnet ist. Je nach Schaltung der Phasen wird die Wicklung 46' über einen weiten Bereich auf und nieder bewegt, wobei ein großer Bewegungsbereich der Wicklung 46' und mit ihr des zweiten Trägers 22 erreicht wird, die durch keinen Durchgriff des Magnetenträgers 48' durch die Wicklung 46' begrenzt ist. Wie auch bei dem in den 1–5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Wicklung 46' von Befestigungselementen 72 getragen, die außerhalb der Luftspalte 44' angeordnet sind.
    • 2
    Flugkörper
    4
    elektromechanische Ein
    richtung
    6
    Detektor
    8
    Spiegel
    10
    Spiegel
    12
    Bewegungseinrichtung
    14
    Strahlengang
    16
    Struktur
    18
    Flugkörperhülle
    20
    Träger
    22
    Träger
    24
    Drehachse
    26
    Drehachse
    28
    Antrieb
    30
    Stator
    32
    Rotor
    34
    Antrieb
    36, 36'
    Stator
    38
    Rotor
    40
    Haltestruktur
    42, 42'
    Magnetpolpaar
    44, 44'
    Luftspalt
    46, 46'
    Wicklung
    48, 48'
    Magnetenträger
    50
    Lagerstelle
    52
    Lagerstelle
    54
    Duplexlager
    56
    Kraftlinie
    58
    Lagerzapfen
    60
    Lagerschale
    62
    Innenmutter
    64
    Duplexlager
    66
    Winkelgeber
    68
    Winkelgeber
    70
    Verbindungselement
    72
    Befestigungselement
    α
    Winkel
    β
    Bewegungswinkel
    F1
    Druckkraft
    F2
    Druckkraft

Claims (12)

  1. Elektromechanische Einrichtung (4) mit einem um zumindest eine erste und eine zweite Drehachse (24, 26) drehbaren Element, insbesondere einem Spiegel (10), einer tragenden Struktur (16), einem relativ zur tragenden Struktur (16) um die erste Drehachse (24) drehbaren ersten Träger (20), einem vom ersten Träger (20) getragenen und das Element tragenden zweiten Träger (22) und einem an der tragenden Struktur (16) und dem zweiten Träger (22) angreifenden Antrieb (34) zum Bewegen des zweiten Trägers (22), gekennzeichnet durch einen an der tragenden Struktur (16) und dem ersten Träger (20) angreifenden weiteren Antrieb (28) zum Bewegen des ersten Trägers (20).
  2. Elektromechanische Einrichtung (4) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen strukturfest gelagerten Detektor (6), wobei das Element einen Strahlengang (14) auf den Detektor (6) ausrichtet.
  3. Elektromechanische Einrichtung (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Träger (20, 22) ein Außenkardansystem bilden.
  4. Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Träger (20, 22) fliegend gelagert ist.
  5. Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Träger (20, 22) ein Gabelträger ist.
  6. Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (34) eine Wicklung (46, 46') aufweist, die zur Bewegung des zweiten Trägers (22) in zwei entgegengesetzte Richtungen aus einer Mittellage vorgesehen ist.
  7. Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (34) eine Wicklung (46, 46') zur Bewegung des zweiten Trägers (22) und Magnetpolpaare (42, 42') mit jeweils zwei Magneten aufweist, die zwischen sich einen Luftspalt (44, 44') bilden, wobei die Wicklung (46, 46') in den Luftspalten (44, 44') beweglich angeordnet ist und die Luftspalte (44, 44') frei von Befestigungselementen (72) zur Befestigung der Wicklung (46, 46') am zweiten Träger (22) sind.
  8. Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (34) mehrere, auf eine mehrphasige Wicklung (46') wirkende Magnetpolpaare (42') aufweist.
  9. Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (34) eine Wicklung (46) und einen die Wicklung (46) durchgreifenden Magnetenträger (48) aufweist.
  10. Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Träger (20, 22) durch ein Duplexlager (54, 64) gelagert ist.
  11. Elektromechanische Einrichtung (4) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Duplexlager (54) in X-Richtung gespannt ist.
  12. Suchkopf eines Flugkörpers (2) mit einer elektromechanischen Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer mit der tragenden Struktur (16) fest verbundenen Flugkörperhülle (18).
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