DE102005028248C5 - 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 PDFInfo
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Abstract
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), einem an der tragenden Struktur (16) und dem zweiten Träger (22) unmittelbar angreifenden Antrieb (34) zum Bewegen des zweiten Trägers (22), und einem an der tragenden Struktur (16) und dem ersten Träger (20) angreifenden weiteren Antrieb (28) zum Bewegen des ersten Trägers (20), wobei- die beiden Träger (20, 22) ein Außenkardansystem bilden und der erste Träger (20) der Außenrahmen des Außenkardansystems ist,- der Antrieb (34) einen relativ zur tragenden Struktur (16) festen Stator (36, 36') und einen mit dem zweiten Träger (22) verbundenen Rotor (38) aufweist und- der weitere Antrieb (28) einen relativ zur tragenden Struktur (16) festen Stator (30) und einen fest mit dem ersten Träger (20) verbundenen Rotor (32) 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. - Aus der
DE 35 10 468 C1 ist eine Video-Abbildungseinrichtung für passive Infrarot-Zielsucher mit einer großbauenden, orientierbaren Halterung bekannt. Die Halterung wird von einer Kardananordnung gebildet mit einem zur Durchführung einer Kreisbewegung vorgesehenen ersten Träger und mit einem in dem ersten Träger lagernden zweiten Träger, der eine Optik trägt und zur Durchführung einer Höhenwinkelbewegung ausgelegt ist. Die Drehantriebsmittel für die beiden Träger sind dabei jeweils vollständig außerhalb der Halterung angeordnet. - Die
EP 1 340 957 A2 zeigt eine Roll-Nick-Kardananordnung, bei welcher eine Kamera mittels eines Trägers um eine Nickachse schwenkbar ist. Dieser Träger ist wiederum in einem gabelförmigen Träger gelagert, der um eine zur Nickachse senkrechte Rollachse drehbar gelagert ist. Die Kardananordnung selbst bzw. der gabelförmige Träger ist auf eine Plattform - beispielsweise ein Geschoss - montiert, deren Rollachse sich mit der Rollachse des gabelförmigen Trägers unter einem Winkel schneidet. Hierdurch ist es möglich, die Kamera ohne Singularitäten zum Ziel nachzuführen. Der Motor zur Bewegung der Kamera bzw. zum Verschwenken des Trägers ist dabei auf dem gabelförmigen Träger angeordnet und der Motor zur Rotation des gabelförmigen Trägers ist auf der Plattform, dem Geschoss angeordnet. Nachteilig ist hier, dass die Rollachse sämtliche Antriebskomponenten der Nickachse aufnehmen und stabilisieren muss. - Die
EP 0 766 065 A2 offenbart eine Plattform, die mittels einer Innenkardan-Lagerung um einen zentralen Schwenkpunkt allseitig schwenkbar gelagert ist. Zur Ausrichtung der Plattform sind zwei strukturfeste Drehmomenterzeuger vorgesehen, die um zwei zueinander senkrechte Achsen wirken und unmittelbar an der Plattform angreifen. - Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektromechanische Einrichtung mit einem um zumindest eine erste und eine zweite Drehachse drehbaren Element anzugeben, die insbesondere senkrecht zu den beiden Drehachsen flach baubar ist.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektromechanische Einrichtung mit einem um zumindest 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, einem an der tragenden Struktur und dem zweiten Träger angreifenden Antrieb zum Bewegen des zweiten Trägers und einem an der Struktur und dem ersten Träger angreifenden weiteren Antrieb zum Bewegen des ersten Trägers, wobei die beiden Träger ein Außenkardansystem bilden. 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
- 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 aus1 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 Flugkörper2 mit einer elektromechanischen Einrichtung4 schematisch dargestellt. Die elektromechanische Einrichtung4 umfasst einen Detektor6 , einen ersten Spiegel8 , einen zweiten Spiegel10 und eine Bewegungseinrichtung12 zur Bewegung des zweiten Spiegels10 . Durch die Beweglichkeit des zweiten Spiegels10 kann ein Strahlengang14 , der aus unterschiedlichen Richtungen auf den zweiten Spiegel10 eintrifft, auf den im infraroten Spektralbereich empfindlichen Detektor6 abgebildet werden. Hierbei kann durch eine Drehung des Spiegels10 um einen Winkelα ein großer Bewegungswinkelβ = 2α des Strahlengangs14 bereits durch eine geringe Bewegung des Spiegels10 erreicht werden. - Die Bewegungseinrichtung
12 umfasst eine tragende Struktur16 , die - ebenso wie der Detektor6 - unbeweglich fest mit einer Flugkörperhülle18 des Flugkörpers2 verbunden ist. Die tragende Struktur16 sowie alle relativ zu ihr unbeweglich angeordneten Elemente des Flugkörpers2 bzw. der elektromechanischen Einrichtung4 sind somit strukturfest angeordnet. - In den
2 ,3 und4 ist die elektromechanische Einrichtung4 ohne den Spiegel8 und den Detektor6 in drei perspektivischen Ansichten aus verschiedenen Richtungen gezeigt, wobei in den2 und4 der Spiegel10 dargestellt und in3 der Spiegel10 zur Verdeutlichung weggelassen ist. Die Bewegungseinrichtung12 umfasst einen ersten Träger20 und einen zweiten Träger22 , die in Form eines Außenkardansystems ausgeführt sind. Der Spiegel10 ist fest mit dem zweiten Träger22 verbunden und durch das Außenkardansystem relativ zu der tragenden Struktur16 um zwei Drehachsen24 ,26 drehbar. - Zur Bewegung des ersten Trägers
20 um die Drehachse24 weist die Bewegungseinrichtung12 einen ersten Antrieb28 mit einem Stator30 und einem Rotor32 auf. Der Stator30 ist fest mit der tragenden Struktur16 verbunden, und der Rotor 32 ist fest mit dem ersten Träger20 verbunden. Zur Bewegung des zweiten Trägers22 mit dem Spiegel10 umfasst die Bewegungseinrichtung12 einen zweiten Antrieb34 , der ebenfalls einen Stator36 und einen Rotor38 aufweist. Der Stator 36 ist durch eine Haltestruktur40 (1 ) mit der Flugkörperhülle18 verbunden und somit strukturfest angeordnet. Er umfasst zwei Magnetpolpaare42 , deren Polung in3 durch „+“ und „-“ angedeutet ist. Die beiden Magnetpolpaare 42 erzeugen in einem Luftspalt44 des Stators36 Magnetfelder, die relativ zur Drehachse26 im Wesentlichen radial und entgegengesetzt ausgerichtet sind. - Der Rotor
38 des zweiten Antriebs34 umfasst eine Wicklung46 , die zu einem Teil innerhalb des Luftspalts44 angeordnet ist. Wird die Wicklung46 mit einem Stromfluss beaufschlagt, so erzeugt sie ein Magnetfeld, das mit den Magnetfeldern der Magnetpolpaare42 derart zusammenwirkt, dass ein Drehmoment auf den Rotor38 um die Drehachse26 wirkt. Je nach Stromfluss durch die Wicklung46 ist das Drehmoment nach oben oder nach unten gerichtet. Eine Bewegung des zweiten Trägers22 um die äußere Drehachse24 bewirkt im Wesentlichen nur eine Verschiebung der Wicklung46 im Magnetfeld der Magnetpolpaare42 und ist somit unerheblich. Eine Drehung um die innere Drehachse26 ist mit einer Drehung um die äußere Drehachse24 nicht verbunden. - In den
2 bis4 ist der Rotor38 in einer Ruheposition gezeigt, in der die Wicklung46 symmetrisch bezüglich der Magnetpolpaare42 angeordnet ist. - Durch einen Stromfluss durch die Wicklung
46 kann der Rotor38 somit aus der Ruhelage heraus in die eine oder in die andere Richtung um die Drehachse26 verschwenkt werden. Zur Halterung der Magnetpolpaare42 umfasst der Stator36 einen Magnetenträger48 in Form einer Doppelgabel, deren Gabelarme jeweils einen Magneten der Magnetpolpaare42 tragen und der durch die Wicklung46 hindurchgreift. - Der zweite Träger
22 ist an zwei Lagerstellen50 gelagert. Demgegenüber ist der erste Träger20 nur an einer Lagerstelle52 und mithin fliegend gelagert. Um eine kompakte und leichte Konstruktion der Bewegungseinrichtung12 zu erhalten, sind beide Träger20 ,22 gabelförmig ausgestaltet, wobei die beiden Lagerstellen 50 an den Gabelarmen zu liegen kommen. Die Biegesteifigkeit des gabelförmigen zweiten Trägers22 ist geringer als die Biegesteifigkeit eines ringförmigen Trägers. Um dennoch eine stabile Lagerung zu erhalten, die nicht im Widerspruch zu der Elastizität des zweiten Trägers22 steht und diesen dennoch stabil hält, ist an den Lagerstellen50 jeweils ein Duplexlager54 angeordnet, das in5 schematisch dargestellt ist. Das Duplexlager54 ist in X-Richtung gespannt, wodurch die vom Duplexlager54 erzeugten Kraftlinien56 der DruckkräfteF1 und F2 der äußeren Lagerschalen60 und inneren Lagerschalen auf die Lagerkugeln symmetrisch X-förmig bezüglich eines Lagerzapfens58 des zweiten Trägers22 angeordnet sind. Hierdurch weist das Duplexlager54 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 Lagerschalen60 des Duplexlagers54 mit Hilfe einer Innenmutter62 erreicht. - Die Lagerstelle
52 zwischen der tragenden Struktur16 und dem ersten Träger20 ist ebenfalls mit einem Duplexlager64 versehen, das jedoch in einer O-Verspannung gespannt ist und somit eine hohe Biegesteifigkeit erzeugt. Hierdurch ist der erste Träger20 trotz seiner fliegenden Lagerung stabil gehalten. Bei der O-Verspannung sind - analog wie beim Duplexlager54 - die beiden inneren Lagerschalen voneinander beabstandet und können durch eine Innenmutter aufeinander zu gedrückt werden, wodurch Kraftlinien bezüglich der Drehachse24 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 Duplexlager64 positioniert. Um diese Massenverteilung zu erreichen, ist der erste Antrieb28 fliegend auf der unteren Lagerseite montiert. - Die Drehwinkel der beiden Träger
20 ,22 werden von direkt in den jeweiligen Drehachsen24 ,26 messenden optischen Winkelgebern66 ,68 ermittelt. Aus baulichen Gründen wird der Winkelgeber68 der inneren Drehachse26 nur segmentförmig realisiert entsprechend dem benötigten Trägerwinkelbereich. Da auch der Winkelbereich der äußeren Drehachse24 begrenzt ist, können die elektrischen Zuleitungen mittels flexibler Leitungen zu den Winkelgebern66 ,68 und auch zur Wicklung46 geführt werden. - Ein Schnitt durch einen alternativen Stator
36' am zweiten Träger22 ist in6 gezeigt. Dieser Stator36' weist einen Magnetenträger48' auf, der nicht durch die Wicklung hindurchgreift, sondern durch zwei Verbindungselemente70 aus Nichtmetall zusammengehalten wird, von denen in6 nur eines gezeigt ist. Der Magnetenträger48' trägt mehrere Magnetpolpaare42' , die jeweils zwischen ihren Magneten einen Luftspalt44' bilden, in dem eine mehrphasige Wicklung46' angeordnet ist. Je nach Schaltung der Phasen wird die Wicklung46' über einen weiten Bereich auf und nieder bewegt, wobei ein großer Bewegungsbereich der Wicklung46' und mit ihr des zweiten Trägers22 erreicht wird, die durch keinen Durchgriff des Magnetenträgers48' durch die Wicklung46' begrenzt ist. Wie auch bei dem in den1 -5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Wicklung 46' von Befestigungselementen72 getragen, die außerhalb der Luftspalte44' angeordnet sind. - Bezugszeichenliste
-
- 2
- Flugkörper
- 4
- elektromechanische Einrichtung
- 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 (11)
- 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), einem an der tragenden Struktur (16) und dem zweiten Träger (22) unmittelbar angreifenden Antrieb (34) zum Bewegen des zweiten Trägers (22), und einem an der tragenden Struktur (16) und dem ersten Träger (20) angreifenden weiteren Antrieb (28) zum Bewegen des ersten Trägers (20), wobei - die beiden Träger (20, 22) ein Außenkardansystem bilden und der erste Träger (20) der Außenrahmen des Außenkardansystems ist, - der Antrieb (34) einen relativ zur tragenden Struktur (16) festen Stator (36, 36') und einen mit dem zweiten Träger (22) verbundenen Rotor (38) aufweist und - der weitere Antrieb (28) einen relativ zur tragenden Struktur (16) festen Stator (30) und einen fest mit dem ersten Träger (20) verbundenen Rotor (32) aufweist.
- Elektromechanische Einrichtung (4) nach
Anspruch 1 , mit einem strukturfest gelagerten Detektor (6), wobei das Element eingerichtet ist, einen Strahlengang (14) auf den Detektor (6) auszurichten. - Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der Träger (20, 22) fliegend gelagert ist.
- Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der Träger (20, 22) ein Gabelträger ist.
- Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (38) des Antriebs (34) eine Wicklung (46, 46') aufweist, die zur Bewegung des zweiten Trägers (22) In zwei entgegengesetzte Richtungen aus einer Mittellage vorgesehen ist.
- Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (38) des Antriebs (34) eine Wicklung (46, 46') zur Bewegung des zweiten Trägers (22) und der Stator (36, 36') Magnetpolpaare (42, 42') mit jeweils zwei Magneten aufweist, die zwischen sich einen Luftspalt (44, 44') bilden, wobei die Wicklung (46, 46') In den Luftspaiten (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.
- Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator (36') des Antriebs (34) mehrere, auf eine mehrphasige Wicklung (46') wirkende Magnetpolpaare (42') aufweist.
- Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (38) des Antriebs (34) eine Wicklung (46) und der Stator (36) des Antriebs (34) einen die Wicklung (46) durchgreifenden Magnetenträger (48) aufweist.
- Elektromechanische Einrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der träger (20, 22) durch ein Duplexlager (54, 64) gelagert ist.
- Elektromechanische Einrichtung (4) nach
Anspruch 9 , wobei das Duplexlager (54) in X-Richtung gespannt ist. - 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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