DE1288448B - Rueckstelleinrichtung fuer Raumfahrzeuge - Google Patents

Description

Schwerelosigkeit des Raumfahrzeuges sind zur Kompensation solcher Störmomente nun kleine Rückstellmomente nötig, die durch Rückstelleinrichtungen aufgebracht werden sollen.

Es sind bereits Rückstelleinrichtungen bekannt, bei denen die eine Einrichtung als radial in einem Durchmesser magnetisierter scheibenförmiger Drehmagnet ausgebildet ist, während die andere Einrich-

Strahlungsdruckes der Sonne auf die Oberfläche des io angeordnet sind und daß die zweite Anordnung innerRaumfahrzeuges oder des ■ Schwerkraftgradienten halb der zentralen Öffnung der ersten Anordnung Störmomente auftreten, die die Lage des Raumfahr- liegt und als den Magnetpolen gegenüberliegende zeuges verändern. Wenn zwei verschiedene Teile des Teile Aussparungen zwischen vorspringenden Gegen-Raumfahrzeuges gegeneinander drehbar sind, kann polen hat. Der Ausdruck wird hier verwendet, um durch die erwähnten Störmomente ihre relative Lage 15 eine Unterscheidung von der üblichen Bezeichnung zueinander verstellt werden. Wegen der praktischen Magnetpol zu treffen. Während im Bereich eines

Magnetpols bekanntlich eine höhere Induktionsflußdichte auftritt, wird im Gegensatz dazu in einem diamagnetischen Vorsprung oder Gegenpol die Inao duktionsflußdichte gegenüber Vakuum geringer. In dieser Weise ist die Bezeichnung Gegenpol zu verstehen. Insbesondere durch verschiedene Gestaltung der Aussparungen kann die Abhängigkeit des Rückstell-Drehmoments von der Verdrehung bestimmt

tung entweder ein radial in einem Ringdurchmesser 25 werden, um die Stabilität weiter zu erhöhen, magnetisierter Ringmagnet, vorzugsweise aus einem Die Rückstelleinrichtung kann ferner dadurch

Draht, oder ein scheibenförmiger, ebenfalls längs weitergebildet werden, daß die Paare von Magneteines Durchmessers magnetisierter Magnet ist. Die polen Hufeisenmagnete sind, deren Polendflächen auf beiden bekannten Rückstelleinrichtungen dienen zum einem ersten gemeinsamen Kreis liegen, und daß die Rückstellen des Zeigers ernes elektrischen Meßgeräts 30 Gegenpole mit ihren Polendflächen auf einem zweiten in die Nullage nach Beendigung der Messung. Da gemeinsamen Kreis liegen, der zu dem ersten Kreis jeweils beide Anordnungen dieser Rückstelleinrichtung aus einem Ferromagnetikum bestehen, sind sie
für Raumfahrzeuge nicht geeignet, denn wegen der
zum Abstand indirekt proportionalen Anziehungs- 35
kraft von Ferromagnetika und damit beider Anordnungen ist es nicht einfach, eine stabile Nullage mit
nur schwachen Rückstell-Drehmomenten zu erreichen.
Ferner sind bekanntlich Ferromagnetika einer Hysterese mit remanentem Magnetismus unterworfen, so 40 in F i g. 1 darstellt, daß die Nullage nicht einwandfrei reproduzierbar ist. Fig. 1 zeigt einen diamagnetischen Rotor 10, der

Es sei auch erwähnt, daß mechanische Federn zur aus Wismutguß bestehen kann. Eine nichtmagnetische Erzeugung sehr kleiner Rückstell-Drehmomente Welle 12 ist in der zentralen Öffnung des Rotors 10 ebenfalls nicht geeignet sind, da sie zerbrechlich und befestigt. Die Bezeichnung nichtmagnetisch bedeutet Nullpunktsverschiebungen bei Temperaturänderun- 45 im üblichen Sinne nicht ferromagnetisch, da alle gen ausgesetzt sind, die auch eine allmähliche Span- Materialien diamagnetisch, paramagnetisch oder nungsänderung zur Folge haben. ferromagnetisch sind, weshalb es genaugenommen

Unter Vermeidung der genannten Schwierigkeiten kein nichtmagnetisches Material gibt. Diese Welle und Nachteile ist eine Rückstelleinrichtung der ein- erstreckt sich zu einer Scheibe 13, welche eine Eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch 50 richtung darstellt, der das erzeugte Drehmoment gekennzeichnet, daß die erste Anordnung Paare zugeführt werden soll.

gegenüberliegender, zu der zweiten Anordnung ge- Der Statorteil des Ausführungsbeispiels in Fig. 1

richteter Magnetpole hat, daß die zweite Anordnung enthält einen Basisring 14 aus nichtmagnetischem aus einem diamagnetischen Werkstoff wie Wismut Material mit Armen 16, die ebenfalls aus nichtbesteht und in einer Ebene senkrecht zu der Dreh- 55 magnetischem Material bestehen. An jedem Arm 16 achse magnetisch inhomogen ist und daß in der Null- ist ein Permanentmagnet 18 befestigt, welcher ein lage Teile der zweiten Anordnung den Magnetpolen Hufeisenmagnet ist. Die Pole der Magnete 18 weisen der ersten Anordnung gegenüberliegen. Da die zweite nach innen zu dem Zentrum des Rotors 10, wodurch Anordnung nicht aus einem Ferromagnetikum be- starke Felder angrenzend an jeden Magnet erzeugt steht, sondern diamagnetisch ist, wird sie von dem 60 werden. Der Rotor 10 ist mit Gegenpolen 20 verdurch die Magnetpole erzeugten Magnetfeld abge- sehen, die bei einem praktisch erprobten Ausfühstoßen und damit weggedreht. Infolge der gestörten rungsbeispiel durch kreisförmige Aussparungen 22 magnetischen Symmetrie der zweiten Anordnung ausgebildet wurden. Die Bezeichnung Gegenpol wird senkrecht zur Drehachse stellt sich tatsächlich erne dazu verwandt, um eine Unterscheidung von dem stabile Nullage ein, in der die Abstoßungskräfte zwi- 65 üblichen Ausdruck Magnetpol zu treffen. Ein sehen den beiden Anordnungen am schwächsten Magnetpol ist ein Bereich, in dem der magnetische sind. Bei einer Verdrehung der beiden Anordnungen Fluß dichter wird, während es im vorliegenden Fall aus der Nullage gegeneinander nehmen diese Ab- erforderlich ist, einen diamagnetischen Vorsprung

konzentrisch ist. Dabei kann die Anzahl der Gegenpole gleich der Anzahl der Magnetpole gewählt werden.

An Hand der Zeichnung sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, welches eine geometrische Inversion des Ausführungsbeispiels

zu beschreiben, an dem die magnetische Flußdichte geringer wird. Die Bezeichnung Gegenpol erscheint nach dieser Definition geeignet und ergibt für den vorliegenden Zweck den Vorteil der Unterscheidung der Gegenpole von den Polen der Permanentmagnete. Bei dem erprobten Ausführungsbeispiel besaß der Rotor 10 eine Dicke von 16 mm und einen Durchmesser von 65 mm. Die kreisförmigen Aussparungen 22 hatten ihre Zentren auf dem Umfang des kreisförmigen Rohlings, wobei die Zentren um 60° entlang dem Umfang, also in gleichem Abstand versetzt angeordnet waren. Der Radius jeder derartigen Aussparung berug 9 mm. Deshalb ergab sich bei der Bearbeitung ein Wismut-Rotor mit sechs Gegenpolen 20 mit gleichem Abstand und gleichen Abmessungen, wobei die Zahl der Gegenpole gleich der Anzahl der Permanentmagnete 18 ist.

Weil in einem Magnetfeld ein diamagnetischer Körper abgestoßen wird, dreht sich der Rotor 10, wenn er nicht durch äußere Momente daran gehindert wird, so daß dessen Gegenpole 20 in den Räumen zwischen den Magneten 18 liegen, wobei die Aussparungen 22 unmittelbar gegenüber den Polen der Magnete 18 liegen. Der diamagnetische Rotor 10 dreht sich also, um den magnetischen Fluß dadurch auf ein Minimum zu bringen. Wenn ein Drehmoment auf die Welle 12 ausgeübt wird, um den Rotor 10 aus der beschriebenen Ruhelage zu verschieben, bewegt sich der Rotor 10 so, daß seine Gegenpole 20 näher zu den Polen der Magnete 18 verschoben werden, wo deren Magnetfelder stärker sind, so daß die Magnete 18 die Gegenpole 20 abgestoßen und ein rücktreibendes Drehmoment erzeugen. Es ist ersichtlich, daß die Abstoßungskraft zwischen den Gegenpolen 20 und den Magneten um so größer ist, je näher die Gegenpole 20 in eine Gegenüberstellung zu den Polen der Magnete 18 bewegt werden. Das spezielle Gesetz der Änderung des resultierenden Drehmoments ändert sich mit der magnetischen Geometrie des Rotors 10. Im einfachsten Fall bedeutet diese Bezeichnung die Gestalt der Gegenpole 20 des Rotors 10. Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, daß die Gegenpole in der dargestellten Weise ausgebildet sind. Die Bezeichnung magnetische Geometrie wurde verwendet, weil diese Bezeichnung unter Berücksichtigung der üblichen Bedeutung der Begriffe magnetisch und Geometrie geeignet kennzeichnend erscheint. Die Wirkung der gewünschten magnetischen Geometrie besteht darin, daß der Rotor magnetisch ungleichförmig in einer Ebene senkrecht zu seiner Drehachse ist. Wenn er also in einer derartigen Ebene gedreht wird, zeigt er einen veränderlichen magnetischen Widerstand gegenüber einem Paar von in der Nähe angeordneten Polen. Die Beschränkung auf eine Rotation in einer Ebene ist erforderlich, da selbst eine gleichförmige Scheibe, wenn sie z. B. um eine in ihrer Ebene liegende Achse gedreht würde, einen sich ändernden magnetischen Widerstand aufweisen würde. Da diamagnetische Materialien, soweit bekannt ist, weder eine Sättigung noch eine Hysteresis zeigen, bleibt eine vorgegebene magnetische Geometrie unabhängig von der Feldstärke der vorhandenen Magnetfelder unverändert.

Der Arbeitsbereich des dargestellten Ausführungsbeispiels ist auf eine Drehung um etwas weniger als 60° begrenzt, also auf 30° in jeder Richtung aus der Ruhelage, in welcher die Gegenpole 20 gleich weit entfernt von angrenzenden Magneten 18 liegen. Wenn ein Gegenpol 20 um mehr als 30° aus seiner Ruhelage verdreht wird, wird er an seinem Punkt mit der stärksten Annäherung an die Pole eines Magnets 18 vorbeigedreht, und der Magnet 18 stößt dann den gegebenen Gegenpol 20 in derselben Richtung ab, in welcher dieser schon gedreht wurde. Wenn nur ein einziger Magnet 18 vorgesehen wäre und wenn ein Rotor 10 verwandt würde, der nur einen einzigen Gegenpol aufweist, dann wäre der Arbeitsbereich etwas kleiner als eine vollständige Umdrehung. Eine derartige Konstruktion würde jedoch den möglicherweise unerwünschten Effekt ergeben, daß eine resultierende Translationskraft auf den Rotor 10 erzeugt wird, welche den Rotor von den Magneten zu jeder Zeit abstößt und so die Lager der Welle 12 belasten würde. Aus diesem Grunde werden rotationssymmetrische Anordnungen der Magnete 18 vorgezogen.

In F i g. 1 wurde angenommen, daß die die Welle 10 tragenden Lager in der Einrichtung 13 vorgesehen sind. Die Verbindungen zwischen der Einrichtung 13 und dem Basisring 14 wurden nicht dargestellt.

F i g. 2 zeigt ein umgekehrtes Ausführungsbeispiel, wobei die Permanentmagnete 24 mit Leisten 25 auf einer zentralen Nabe 26 befestigt sind, die ihrerseits an einer Welle 28 befestigt ist. Dieses Ausführungsbeispiel weist einen diamagnetischen Stator 30 auf, welcher an einem Basisring 32 durch Klammern 33 befestigt ist. Dieses Ausführungsbeispiel ist im allgemeinen weniger wünschenswert als dasjenige in F i g. 1, weil irgendwelche ferromagnetischen Streumaterialien in der allgemeinen Umgebung durch die Magnete 24 angezogen werden und so Fremdmomente erzeugen würden. Dieses Ausführungsbeispiel ist jedoch der Vollständigkeit halber dargestellt. Die Nabe 26, die Welle 28 und der Basisring 32 sowie die nicht dargestellten Befestigungselemente sollten alle aus einem nichtmagnetischen Material bestehen.

F i g. 2 zeigt speziell die Verwendung von zwei Permanentmagneten und eines diamagnetischen Glieds mit zwei Gegenpolen, so daß sich ein Arbeitsbereich von etwas weniger als 90° ergibt. Es ist bei diesem Ausführungsbeispiel besonders gut ersichtlich, daß das Drehmoment um so größer ist, je größer der Betrag der Änderung — mit einer Winkelverschiebung der Welle 28 — des Abstands zwischen den Polen der Magnete 24 und der Kante des Stators 30 ist. Durch Ausbildung der Innenkante des Stators 30 mit einer maximalen Änderung des Krümmungsradius für diejenigen Lagen der Magnete 24, für welche ein maximales Moment erwünscht ist, ist es möglich, die Gesamtkurve des rücktreibenden Moments als eine Funktion der Winkellage der Welle 28 einzujustieren.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Rückstelleinrichtung für Raumfahrzeuge zur Erzeugung eines Rückstell-Drehmoments für kleine Drehungen aus einer Nullage durch magnetische Kräfte, bestehend aus einer ersten Anordnung und einer zweiten Anordnung, die um eine gemeinsame Drehachse gegeneinander drehbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anordnung (14; 26; 14) Paare gegenüberliegender, zu der zweiten An-

Ordnung (10; 30; 34) gerichteter Magnetpole (18; 24; 40) hat, daß die zweite Anordnung aus einem diamagnetischen Werkstoff wie Wismut besteht und in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse (12; 28; 42) magnetisch inhomogen ist und daß in der Nullage Teile (22) der zweiten Anordnung den Magnetpolen der ersten Anordnung gegenüberliegen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole (18) auf dem Rand einer zentralen öffnung der ersten Anordnung^) angeordnet sind und daß die zweite Anordnung innerhalb der zentralen Öffnung der ersten Anordnung liegt und als den Magnetpolen gegenüberliegende Teile Aussparungen (22) zwischen vorspringenden Gegenpolen (20) hat )

g)

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare von Magnetpolen Hufeisenmagnete (18) sind, deren Polendflächen auf einem ersten gemeinsamen Kreis liegen, und daß die Gegenpole (20) mit ihren Polendflächen auf einem zweiten gemeinsamen Kreis liegen, der zu dem ersten Kreis konzentrisch ist (F i g. 1).

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Gegenpole (20) gleich der Anzahl der Magnetpole (18) ist (Fi g. 1).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen