DE102011106161A1 - Reaction wheel for use as actuator for controlling attitude of satellite in satellite technology, has bearing system comprising magnets, ferrous fluid and bodies surrounding ferrous fluid, where magnets are firmly provided at ends of shaft - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Reaktionsrad mit mindestens einer Schwungmasse, mit einer elektrodynamischen Antriebseinheit und mit einem Lagersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a reaction wheel with at least one flywheel, with an electrodynamic drive unit and with a bearing system according to the preamble of
Reaktionsräder werden in der Satellitentechnik als Aktuatoren für die Lageregelung eingesetzt. Basierend auf dem Drehimpulserhaltungssatz tauschen Reaktionsräder Drehimpulse mit dem Satelliten aus. Somit werden gezielte Drehmanöver möglich. Zum Stand der Technik gehören Reaktionsräder, wobei für die Lagerung der rotierenden Teile Kugellager eingesetzt werden. Die Nachteile der Kugellager liegen in der problematischen Schmierung der Lager, der Abführung der entstehenden Wärme und in den Lagerlaufunruhen. Dies führt häufig zu einem vorzeitigen Ausfall dieser Lager und damit zum Ausfall der Lageregelung des Satelliten. Um diese Nachteile zu umgehen wurden elektromagnetische Lager entwickelt, wobei regelbare Magnetfelder die rotierenden Teile lagern. Die Regelung der Magnetfelder, ist sehr aufwendig, material- und kostenintensiv.Reaction wheels are used in satellite technology as actuators for the position control. Based on the angular momentum conservation set, reaction wheels exchange angular momentum with the satellite. Thus, targeted turning maneuvers are possible. The prior art includes reaction wheels, wherein ball bearings are used for the storage of the rotating parts. The disadvantages of the ball bearings are the problematic lubrication of the bearings, the dissipation of the resulting heat and in the Lagerlaufunruhen. This often leads to premature failure of these bearings and thus the failure of the position control of the satellite. In order to avoid these disadvantages, electromagnetic bearings have been developed, with controllable magnetic fields supporting the rotating parts. The control of the magnetic fields, is very complicated, material and cost intensive.
Die vorliegende Patentschrift beschreibt den Einsatz von ferrofluidmagnetischen Lager in Reaktionsrädern. Der Kern der Erfindung basiert auf der Nutzung des magnetischen Levitationseffektes für die Lagerung rotierender Elemente. Der magnetische Levitationseffekt ist aus der Ferrofluidtechnik her bekannt. Der Levitationseffekt bildet sich im Zusammenwirken eines Magnetfeldes und eines Ferrofluids aus. Das Ferrofluid konzentriert sich bevorzugt an den Polflächen eines Magnetfeldes sowie an Gebieten hoher magnetischer Feldstärken. Die Ansammlung des Ferrofluids bietet einen Widerstand gegen eine äußere Krafteinwirkung, so dass ein magnetisch schlecht leitender Körper beim Eindringen in das Ferrofluid eine abstoßende Kraft erfährt. Diese Kraftwirkung kann für die Lagerung rotierender Teile genutzt werden. Im Folgenden wird diese Lagerart als Ferrofluidlager bezeichnet. Ein Ferrofluidlager ist aus dem Patent
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und zuverlässige Lagerung der rotierenden Teile und somit ein zuverlässiges, verschleißarmes Reaktionsrad zu schaffen. Weitere Ziele liegen in der Reduktion der benötigten Antriebsenergie und in der Reduzierung der Lagerlaufunruhe.The invention has for its object to provide a simple and reliable storage of the rotating parts and thus a reliable, low-wear reaction wheel. Further goals are the reduction of the required drive energy and the reduction of the bearing runtime.
Diese Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Lagersystem des Reaktionsrades aus mindestens einem Magneten, Ferrofluid und mindestens aus einen dem Ferrofluid umgebenden Hüllkörper besteht.These problems are solved according to the invention in that the bearing system of the reaction wheel consists of at least one magnet, ferrofluid and at least one enveloping body surrounding the ferrofluid.
Die einfachste Form eines solchen Reaktionsrades besteht aus einem diametral magnetisierten Zylindermagneten, der auch die Schwungmasse ist, welcher von Ferrofluid umgeben ist, welches in einem zylindrischen Hüllkörper eingeschlossen ist und wobei der Hüllkörper von Spulen umgeben ist, die durch ein geeignetes elektromagnetisches Drehfeld die Schwungmasse beeinflussen.The simplest form of such a reaction wheel consists of a diametrically magnetized cylinder magnet, which is also the flywheel, which is surrounded by ferrofluid, which is enclosed in a cylindrical enveloping body and wherein the enveloping body is surrounded by coils which influence the flywheel by a suitable electromagnetic rotating field ,
Für die Lagerung der rotierenden Teile werden Ferrofluidlager eingesetzt. Auf Grund der resultierenden Schwerelosigkeit innerhalb der Satelliten und Raumflugkörper bietet sich der Einsatz von Ferrofluidlagern an. Die mögliche Lagerstellkraft von Ferrofluidlagern, ist vergleichsweise geringer als jene von mechanischen Lager, wie beispielsweise von Kugellagern. In der Schwerelosigkeit spielen die Lagerstellkräfte aber eine untergeordnete Rolle. Die Vorteile der Ferrofluidlager liegen in der schwingungsdämpfenden Lagerstellkraft, der Verschleißfreiheit, der geringeren Reibung und in dem besseren Wärmeübertragungs verhalten.Ferrofluid bearings are used for the bearing of the rotating parts. Due to the resulting weightlessness within the satellites and spacecraft, the use of Ferrofluidlagern offers. The possible bearing force of ferrofluid bearings is comparatively lower than that of mechanical bearings, such as ball bearings. In weightlessness, however, the bearing forces play a subordinate role. The advantages of Ferrofluidlager lie in the vibration-damping Lagerstellkraft, the wear-free, the lower friction and the better heat transfer behavior.
Eine besonders vorteilhafte Anordnung von Ferrofluidlagern führt zu einer multifunktionalen Baugruppe, die einerseits als Lager und anderseits als bürstenlose elektromotorische Einheit wirkt. Die vorteilhafte Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete vorzugsweise mehrpolige diametral magnetisierte Zylindermagneten sind, die Ferrofluid beinhaltenden Hüllkörper insbesondere topfförmig sind, das zwei dieser Lager, bestehend aus den Magneten, dem Ferrofluid und dem Hüllkörper zur Führung einer Welle kombiniert sind, wobei die Drall speichernde Schwungmasse aus einem vorzugsweise magnetisch gut leitendem Material, insbesondere aus einer Eisenlegierung besteht und diese als magnetischer Rückschluss für die Magnete dient, wobei zwischen der Schwungmasse und den Ferrofluid beinhaltenden Hüllkörpern Spulen eingebracht sind, wobei die Spulen zusammen mit den Magneten und der Schwungmasse einen elektrodynamischen Antrieb bilden. Mit dieser Anordnung wird die Lagerfunktion mit der Antriebsfunktion vereint.A particularly advantageous arrangement of Ferrofluidlagern leads to a multifunctional assembly, which acts on the one hand as a bearing and on the other hand as a brushless electromotive unit. The advantageous arrangement is characterized in that the magnets are preferably multipolar diametrically magnetized cylinder magnets, the Ferrofluid-containing enveloping body are in particular cup-shaped, the two of these bearings, consisting of the magnets, the ferrofluid and the enveloping body are combined to guide a wave, wherein the spin storing flywheel from a preferably magnetically good conductive material, in particular consists of an iron alloy and this serves as a magnetic yoke for the magnets, wherein between the flywheel and the ferrofluid-containing enveloping bodies coils are introduced, wherein the coils together with the magnet and the flywheel an electrodynamic Drive form. With this arrangement, the bearing function is combined with the drive function.
Weiterhin vorteilhaft sind die Zylindermagneten an den Stirnseiten einer vorzugsweise magnetisch schlecht leitenden Welle zentriert und fest eingebracht. Zwischen der Welle und dem Hüllkörper befindet sich ein Spalt, der von dem Ferrofluid ausgefüllt ist. Das Ferrofluid übt auf Grund des Levitationseffektes eine Lagerstellkraft aus. Die Welle ist somit frei rotierend und frei schwingend gelagert. An der Welle ist ein magnetisch gut leitender Rotationskörper derart angebracht, so dass dieser Drall speichernde Rotationskörper als magnetischer Rückschluss für das Magnetfeld dient. Dadurch werden die nach außen dringenden magnetischen Störfelder minimiert und die magnetische Flussdichte des elektromotorischen Systems gesteigert. Um den Ferrofluid beinhaltenden Hüllkörper beziehungsweise zwischen dem Rotationskörper und dem Magneten sind Spulen fest angebracht. Die Spulen generieren durch geeignete Maßnahmen rotierende Magnetfelder, so dass auf die Einheit aus dem Zylindermagneten und dem Rotationskörper eine rotierende Kraft wirkt. Die elektromotorische Einheit bildet somit einen bürstenlosen Motor. Durch diese vorteilhafte Anordnung werden Lager, Motor und Drall speichernde Rotationsmasse miteinander vereint. Eine äußere Struktur zentriert das Gesamtsystem und dichtet das System nach außen hin ab.Further advantageously, the cylinder magnets are centered on the end faces of a preferably magnetically poorly conductive shaft and firmly inserted. Between the shaft and the enveloping body is a gap which is filled by the ferrofluid. The ferrofluid exerts a bearing force due to the levitation effect. The shaft is thus freely rotating and freely swinging stored. A magnetically highly conductive rotating body is mounted on the shaft in such a way that this rotating body storing the spin serves as a magnetic conclusion for the magnetic field. This minimizes the external magnetic fields and increases the magnetic flux density of the electromotive system. To the ferrofluid enclosing enveloping body or between the rotating body and the magnet coils are firmly attached. The coils generate by suitable measures rotating magnetic fields, so that acts on the unit of the cylinder magnet and the rotating body, a rotating force. The electromotive unit thus forms a brushless motor. By this advantageous arrangement bearing, motor and spin storing rotational mass are combined. An outer structure centers the entire system and seals the system to the outside.
Das Gesamtsystem Reaktionsrad kann zur Reduzierung von Reibungsverlusten vorteilhaft evakuiert sein oder unter einer geringen Atmosphäre stehen. Zusätzlich können Hallsensoren für die Bestimmung der Rotationslage des Reaktionsrades verwendet werden. Für die Lagerung sind verschiedene Annordnungen und Kombinationen der Magnete und Bauformen vorstellbar. Zur weiteren Reduzierung magnetischer Störkräfte kann das Gehäuse mit einem magnetisch gut leitenden Material abgeschirmt werden. Die Verwendung eines hochvakuumfesten Ferrofluids ist vorstellbar. Das Rotorsystem sei statisch und dynamisch ausgewuchtet. Die Anschlüsse der Spulen können nach außen geführt sein und das Gesamtsystem kann vorteilhaft evakuiert oder unter geringer Atmosphäre sein, um die Reibungsverluste zu minimieren.The overall system reaction wheel may be advantageously evacuated to reduce friction losses or be under a low atmosphere. In addition, Hall sensors can be used to determine the rotational position of the reaction wheel. For storage different annotations and combinations of magnets and designs are conceivable. To further reduce magnetic disturbance forces, the housing can be shielded with a magnetically highly conductive material. The use of a highly vacuum-proof ferrofluid is conceivable. The rotor system is statically and dynamically balanced. The terminals of the coils may be routed to the outside and the overall system may advantageously be evacuated or under a low atmosphere to minimize friction losses.
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- 2011-06-23 DE DE102011106161A patent/DE102011106161A1/en not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5821655A (en) | 1996-01-30 | 1998-10-13 | Hitachi, Ltd. | Magnetic fluid bearing unit structure and motor having the same |
US20020158529A1 (en) | 2001-04-24 | 2002-10-31 | Yulan Liu | Ferrofluid pivot bearing |
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