DE2035397B2

DE2035397B2 -

Info

Publication number: DE2035397B2
Application number: DE19702035397
Authority: DE
Inventors: Pierre Gif-Sur-Yvette Essonne Poubeau (Frankreich)
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1969-07-16
Filing date: 1970-07-16
Publication date: 1975-05-07
Also published as: DE2035397A1; FR2050284A1; GB1287341A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromotorisch angetriebene Drallradanordnung für die Stabilisierung von Raumfahrzeugen, insbesondere künstliche Satelliten.

In »Der Elektromeister«, 1963, Heft 20, S. 1392, 397

1393 ist ein Außenläufermotor scheiaatisch dargestellt' dessen Außenläufer als Schwungrad mit großem'Schwungmoment wirken kann. Ein derartiger Elektromotor wird verwendet, wenn die Läufer-Umlaufgeschwindigkeit von Schwankungen des Lastmoments nur sehr wenig beeinflußt wenden darf und wenn auch kurzzeitige Schwankungen der Speisespannung sich auf die Umlaufgeschwindigkeit nur wenig auswirken sollen. Nähere Einzelheiten bezüglich des Antriebes des Schwungrades sind hier nicht beschrieben.

Aus der DL-PS 34 431 ist bekannt, eine Schwungmasse elektromotorisch unmittelbar anzutreiben, wobei die angetriebene Schwungmasse mit relativ geringer Drehzahl umläuft und zum Antrieb von Tonspeichern, wie Bändern, Walzen oder Platten, dient. Eine Drallradanordnung für die Stabilisierung von Raumfahrzeugen, die die besonderen Bedingungen während eines Raumfluges berücksichtigt, geht aus dieser Patentschrift nicht hervor.

in »Technik und Forschung«, Nr. 145 (34), 1968, S. 562, bzw. in »Luftfahrttechnik-Raumfahrttechnik«, 1968, Nr. 10, S. IV, ist eine mittels eines bürstenlosen Gleichstrommotors angetriebene Drallradanordnung für die Stabilisierung von künstlichen Erdsatelliten beschrieben, bei der der Läufer des Motors auf der Nabe des Drallrades sitzt und die Drallradwelle einseitig eingespannt in einem Gehäuse gelagert ist.

Die axiale Lagerung besteht hierbei aus zwei Spiralrillenlagern, wodurch eine hohe Belastbarkeit bei geringem Energieverbrauch während des Betriebs möglich ist, während für die Radiallagerung zwei Radiallager besonderer Konstruktion vorgesehen sind, durch die das Auftreten von Lagerinstabilitäten vermieden wird. Die in diesen Druckschriften beschriebene Drallradanordnung richtet sich demgemäß speziell auf die Ausbildung einer Lagerkonstruktion, die nur wenig elektrische Energie aufnimmt und von langer Lebensdauer ist, und dadurch für eine Aufhängung von Drallrädern in Satelliten geeignet ist

Aufgabe der Erfindung ist, eine elektromotorisch angetriebene Drallradanordnung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß unabhängig von der Drallradlagerung im Hinblick auf einen geringen Energiebedarf, der angesichts der beschränkten Energiemengen in einem Raumfahrzeug eine besondere Rolle spielt, die äußerst geringen Antriebskräfte für die Erhaltung der Drehbewegung gerade zur Verfugung gestellt werden und daß eine für ein Raumfahrzeug bestimmte, unabhängige Baueinheit geschaffen wird, in der das Verhältnis von Trägheitsmoment zur Gesamtmasse der Ausrüstung besonders groß ist

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß am Umfang des Drallrades Sektoren weise regelmäßig Magnete mit abwechselnd entgegen gesetzten Magnetfeldrichtungen angeordnet sind unc daß gegenüber der Magnetanordnung eine die Feld linien der Magnete kreuzende, stromdurchflossem Wicklung, deren Ausdehnung in Umfangsrichtunj der eines Polschrittes eines Magnets entspricht, an Gehäuse befestigt ist, wobei die Richtung des Strom flusses in der Wicklung beim Wechsel von einem Ma gnet zum nächsten umgekehrt wird.

Hierdurch wird erreicht, daß der größere Teil de schweren Elemente des Motors am Umfang de Drallrades untergebracht ist, das im wesentliche! aus Motor, Lager, Verbindungselementen und Ge häuse besteht. Demgegenüber ist die Masse, die nich

tür Erzeugung des kinetischen Moments beiträgt, relativ gering. Die Erfindung hat weiter den Vorteil^ daß ein gleichmäßig antreibendes Moment auf das Drallrad ausgeübt wird, daß die Energie, die nicht zur Erzeugung eines Beschleunigungsmomentes oder Verlangsamungsmomentes genutzt wird, auf ein Mindestmaß reduziert ist, daß sie nicht nur bei Vorrichtungen mit ständiger Drehung in einer einzigen Richtung, sondern auch bei Vorrichtungen mit va-

In F i g. 1 ist ein Gehäuse 1 gezeigt, in dem sich

ein Rotor, der in seiner Gesamtheit mit 2 bezeichnet ist und der das Trägheitsmoment des Satelliten

liefert, in bezug auf einen Stator 3 um eine Dreh-

achse 4 bewegen kann.

Der Rotor 2 trägt an seinem Umfang eine regelmäßig verteilte Reihe von Magneten 5, 5', S". Wie in F i g. 3 und 4 gezeigt, werden die Magnete 6 und 7 von einem Ring 8 mit U-förmigem Querschnitt ge-

riabler Drehzahl in beiden Drehrichtungen anwend- io tragen, um eine geringere Reluktanz bei gleicher bar ist, wobei alle technisch möglichen Zwischen- Masse und eine höhere Festigkeit gegenüber der Zenvarianten denkbar sind, daß sie möglichst unempfindlich gegen die Umgebungsbedingungen während

des Starts und des Raumaufenthaltes ist und daß Stö-

Dessen ungeachtet arbeitet eine erfindungsgemäße Drallanordnung sehr zuverlässig und ist relativ billig in der Herstellung.

trifugalverformung zu erhalten.

Wie in F i g. 6 gezeigt, befindet sich der auf dem Rotor 2 angebrachte, radial magnetisierte Magnet 5 rungen wie z. B. Vibrations- und Magnetfeldstörun- i₅ von rechteckigem Querschnitt gegenüber einem elekgen auf den Satelliten so gering wie möglich sind. taschen Kreis 9 (abedeg), der für die Vereinfachung des Schemas von einer Windung gebildet wird. Der elektrische Kreis ist stationär, und die Magnete 5 können sich drehen. Der Magnet S' weist

Zur Vermeidung von Vibrationen sieht eine bevor- 20 die entgegengesetzte Polarität zu der des Magnets 5 zugte Weiterbildung der Erfindung vor, daß das Ge- auf.
hause über seine gesamte Umhüllung durch eine
Wabenmusterstruktur verstärkt ist und daß die Struktur in dem Anker des Drallrades zwischen dessen
Achse und den Magneten vorgesehen ist.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete an einem Ring mit U-förmigem Querschnitt angeordnet sind, der die Wicklung eines eisenlosen Stators umfaßt,

wobei die Magnete auf der Innenseite eines U-Schen- 30 fen senkrecht zu dieser Oberfläche,
kels angeordnet sind. Jedes Stromelement erzeugt zwischen sich und dem

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zwei Magnete an jedem Schenkel beiderseits der Wicklung angeordnet sind.

Auch kann der die Magnete tragende Ring gekap- 35 allel und tangential gerichtet sind. Die Kräfte addiesclt bzw. abgeschirmt sein. _ren sich, da zwischen ab und de der Strom und

Zur Aufrechterhaltung der Drehgeschwindigkeit ebenso die Kraftlinien des Magnetfeldes die Richtung des Drallrades können insbesondere Empfänger- gewechselt haben. Wenn unter der Einwirkung dieser Spulen vorgesehen sein, die auf dem Gehäuse des Kräfte die Magnete in Drehung versetzt werden, blei-Drallrades befestigt sind und über ein Signal das 40 ben die Kräfte während der gesamten Zeit konstant,

Vorhandensein eines Magnets einer vorbestimmten —- ^J!- *"' ' '— ' ""--- ^J— **-

Polarität gegenüber einer entsprechenden Windung anzeigen und den Durchgang von Strom in der Windung in der geeigneten Richtung auslösen.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfin- 45 befindet, behalten die elektromagnetischen Kräfte die dung sieht vor, daß die Kapselung aus //-Metall be- gleiche Richtung unter der Bedingung bei, daß der steht. Strom in dem Kreis P umgedreht ist.

Schließlich zeichnen sich bevorzugte Ausführungs- Die Kreiselemente ab, cd, eg sind ebenfalls elek-

formen der Erfindung dadurch aus, daß die Lager tromagnetischen Kräften ausgesetzt; da jedoch die eine Lagerbuchse aus Polytetrafluoräthylen-Silber 50 Kräfte, die sich in einer durch die Drehachse verlauaufweisen und daß insbesondere neben der Lager- fenden Ebene befinden, keine Tangentialkomponenbuchse aus Polytetrafluoräthylen-Silber die Welle aus
Chromstahl besteht.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der
Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt 55 wirkung der Lager, wenn die Kreise nicht symme-F i g. 1 eine perspektivische Gesamtansicht eines irisch sind.

Wenn der Kreis 9 von einem Strom durchflossen ist, erfährt jedes dieser Elemente von dem von den Magneten S und 5' ausgehenden Teil des Magnetleides eine elektromagnetische Kraft, und die Magnete erfahren eine gleich große und entgegengesetzt gerichtete Kraft.

Die Kraftlinien des Magnetfeldes liegen in Radialebenen auf der Oberfläche der Magnete; sie verlau-

Magnet eine Kraft d/ = Hl Λ H, die von den Teilen b c und d e der Leiter erfahrenen Kräfte sind die Resultierenden der Elementarkräfte 5/, die alle par-

wo die Elemente bc bzw. de gegenüber den Magneten 5 und S' bleiben.

Wenn sich der Leiter b c gegenüber dem Magnet 5' und der Leiter de gegenüber dem Magnet 5"

ten aufweisen, werden sie aufgehoben entweder dadurch, daß sie auf einen in bezug auf die Achse symmetrischen Kreis einwirken oder durch die Gegen

nachstehend als Trägheitsschwungrad bezeichneten Drallrades mit Motorantrieb gemäß der Erfindung,

Fig. 2 bis 5 Schnittansichten entlang der Linie II-II in Fig. 1 von verschiedenen Detailvarianten,

Fig. 6 eine schematische Ansicht der Funktionsweise der Vorrichtung mit Vektordiagrammen (1) ui "^v

Mne Ansicht im vergrößerten Maßstab des Del. ι Fig. 1,

F is 12 schematische Ansichten des elektrischen Aurnaus des Stators in F i g. 1 und Fig. 13 ein Detailschema des Aufbaus.

Im Verlauf der Drehung schneiden die Leiter elemente b c und d e die Kraftlinien des Magnet feldes der Magnete, und es werden elektromotor!

sehe Kräfte u und u' erzeugt, die sich untereinande addieren und das Vorzeichen wechseln, wenn dii Magnete die Polarität wechseln. Wenn i der dei Kreis 9 durchquerende Strom ist, entspricht da Produkt (u + u') · idt der durch den Motor wahrem der Zeit df gelieferten Arbeit.

Fließt somit ein Strom i in der Windung 9, si tragen nur die axial gerichteten Abschnitte b-c um d-e der Windung zur Bildung eines Drehmoments a;

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dem Drallrad bei, auf dem die Magnete 5 sitzen. Drehachse entfernt sind wie in dem vorhergehenden

Liegen z. B. zwei benachbarte Magnete 5 und 5' im Fall und da ein die Wicklung tragender Zylinder 12

Bereich der Windung 9, so wird im Abschnitt b-c ge- sich bei Vibrationen günstiger verhält als die Platte

maß Vektordiagramm (1) der Fig.6 bei einem 13, die dem letzteren Fall entspricht.

Strom ι und einem Magnetisierungsvektor C des Ma- 5 In den zwei Fällen tragen die in einem Epoxy-

gnets 5 eine Kraft F₀ erzeugt, die in die gleiche Um- harz eingebetteten Drähte der Wicklung 14 dazu bei,

fangsrichtung wirkt wie die Kraft F₄, welche gemäß die Dämpfung und die Steifigkeit der Zylinder-Wick-

Vektordiagramm (2) im Abschnitt d-e der Windung9 lungs-Gesamtheit oder der Platten-Wicklurigs-Ge-

bei entgegengesetzt gerichtetem Strom i und einem samtheit zu erhöhen. Zusatz-Drahtspanner aus

entgegengesetzt gerichteten MagnetisierungsvektorC" io Epoxyfasern können vorgesehen werden, wenn ein

des Magnets 5' entsteht. Die resultierende Antriebs- Bedarf dafür besteht.

kraft F des Drallrads setzt sich demgemäß additiv Die Wicklungen können aus getrennten Spulen 15

aus in Umfangsrichtung wirkenden Einzelkräften zu- bestehen oder in einer kontinuierlichen Weise wie bei

sammen. 16 aufgewickelt sein.

In einem praktischen Fall umfaßt die Wicklung 15 Bei der in F i g. 8 gezeigten Quadrupo!- bzw. Vier-

nicht eine, sondern mehrere Windungen. polausführungsform kann die für die Erzeugung des

Die Zahl der Polpaare kann in Abhängigkeit von gewünschten Moments ohne eine vorbestimmte Inverschiedenen Parametern bestimmt werden; insbe- tensität erforderliche Zahl von Windungen erhalten sondere ist das Verhältnis Nutzlänge des Leiters zur werden entweder in einer einzigen Spule wie ,P₁ oder Gesamtlänge des Leiters um so größer für eine ge- 20 mit 2, 3 oder 4 Spulen wie P₁, P₂, P₃, P₄.
gebene Polhöhe, je größer die Anzahl der Pole ist Es genügt, um ein Starten bzw. Anlaufen mit jegals Folge der Verringerung der Längen b c und c d. licher Sicherheit unabhängig von der Position der

Für die Motoren, die nach diesem Prinzip arbeiten, Magnete in bezug auf die Spulen und insbesondere können Magnete; verwendet werden, deren Kraft- für den Fall, wo die aktiven Zonen der Spulen zwilinien sich ohne Magnetkreis schließen. Jedoch ist ein «5 sehen den Magneten gelegen sind, zu gewährleisten, doppeltes Interesse vorhanden, den Magnetkreis der eine oder mehrere Wicklungen in bezug auf die oben Magnete durch ein geeignetes magnetisches Material angegebenen Positionen zu verschieben, wie beispielswieder zu schließen und die Wicklung in einem weise P₂' (Fig. 12). Es kann leicht die Erweiterung Eisenspalt anzuordnen, der so schmal wie möglich zwischen mehreren Spulen vorgesehen werden,
ist: nämlich Verstärkung des Magnetfeldes auf 'er 30 Wenn für einen gegebenen Radius, ein gegebenes Höhe der Wicklung und Begrenzung der von dem Moment und eine gegebene Magnethöhe :>/i« die Magnetfeld betroffenen Zone, auf Grund dessen eine Masse des drehenden Teils zu hoch ist, können die Streuung der Energie durch Foucaultsche Ströme in mit einem Magnet ausgestattete Zone und der Madem Gehäuse des Trägheitsschwungrades und die gnetkreis durch zwei geteilt werden. Man paßt inErzeugung von induzierten elektromotorischen Kräf- 35 folgedessen somit die Zahl der Wicklungen und der ten in anderen Elementen des Satelliten vermieden Kommutation an. Die verschiedenen Varianten wurwird. den angegeben, um die Möglichkeiten dieser Motor-

Im Inneren des Gehäuses 1 befinden sich Struk- konzeption aufzuzeigen; in den meisten der üblichen

türen in einem gekreuzten Wabenmuster 10 und 11, Fälle sind die oben angegebenen Grundlösungen am

die dem Gehäuse eine große Steifigkeit und eine gute 40 meisten zufriedenstellend.

Festigkeit gegen die Übertragung von Vibrationen auf Es kommt vor, daß die mit einem Raumfahrzeug

Kosten eines geringen Gewichtszuwachses geben. Die oder seiner Nutzlast in dem Fall von wissenschaft-

Magnete 5 können entweder sehr einfach aus Ferrit liehen Experimenten verbundenen Probleme sine Re-

(Induktion 3000 bis 4000 Gauß) oder aus Ticonal duzierung des von dem Motor erzeugten Magnet-

(10 000 bis 12 000 Gauß) oder jedem anderen Ma- 45 feldes auf ein Minimum erfordern; in dem bevor-

terial mit geeigneter Permanentmagnetisierung her- zugten Beispiel hat das Magnetfeld keine oder kaum

"gestellt sein. kontinuierliche Komponenten, da sich alle Magnet-

Der Magnetring besteht aus einem Material, das massen in Drehung befinden. Wenn das Wechselfeld zugleich eine gute Permeabilität und eine genügende reduziert werden muß, kann dies praktisch ohne bemechanische Festigkeit aufweist (Anyster, MuMetall, 50 deutende Erhöhung der Masse ausgeführt werden, Durimphy und andere Körper). indem eine Kapselung 17 aus //-Metall um den Ma-

Die Dicke des Magnetrings 8 kann zugleich in gnetkreis angeordnet wird. Der größere Teil der

Abhängigkeit von der erforderlichen Trägheit und Kapselung 17 trägt zur Erzeugung der Trägheit

den dem Magnetkreis zu gebenden Charakteristiken (F i g. 7) bei und führt somit keine nutzlose Masse

eingestellt werden. 55 ein.

Die Wicklung ist auf einen Zylinder 12 aus Epoxy- Wenn im Fall der Kapselung die Drehmasse zu

glasfaserschichtstofl oder besser Epoxygraphitfaser- groß ist, wird die Höhe »Λ« oder die Dicke »fc« dei

schichtstoff plattiert bzw. geschichtet und in Harz Magnete verringert. Wenn in dieser Hinsicht die

eingebettet. Entsprechend den Fällen kann sie in Grenze erreicht ist, wird die von den Magneten be-

einer gedruckten Schaltung verarbeitet sein, wenn die 60 deckte Zone reduziert, indem die Zahl der Wicklun-

Zahl der Drähte und die Stromdichte es zulassen. gen (die Masse einer jeden Wicklung ist sehr gering'

Die Gesamtheit in Hufeisenform 8' kann ebenso erhöht wird, wie oben angegeben,

in der in F i g. 5 angegebenen Weise angebracht sein. Eine bevorzugte Kommutation bzw. Stromwen

wobei auch die Permanentmagnete S, 5' flach ausge- dung besteht darin, einen konstanten Strom in einei bildet sein können, welche eine axiale Magnetisie- 65 Richtung in die Wicklung zu schicken, wenn sich die

rungseinrichtung aufweisen. Jedoch ist die Hufeisen- Nutzzonen der Letter in den Kraftlinien der vorbe

konfiguration nicht allgemein von Vorteil, da die stimmten Pole befinden, den Strom abzuschaltei

verteilten Massen im Mittel weniger weit von der beim Durchgang der neutralen (überdies sehr engen

Zone zwischen zwei Polen und ihn gegenüber den folgenden Polen umzukehren bzw. umzuschalten.

Verschiedene elektronische Verfahren können die Stromwendung auf einfache Weise gewährleisten. Das nachfolgend Beschriebene weist einerseits eine S maximale Zuverlässigkeit und andererseits ausgezeichnete Möglichkeiten einer Überprüfung aus der Entfernung durch Fernmessung.

Eine kleine, nicht dargestellte Spule, die an dem Gehäuse 1 des Trägheitsschwungrades 2 befestigt ist und mit Wechselstrom (beispielsweise 50 kHz) erregt wird, kann mit zwei radial auf beiden Seilen angeordneten weiteren Spulen über einen auf dem drehenden Teil befestigten Streifen aus Magnetmaterial gekoppelt sein. Für einen geeigneten Ausschnitt des Streifens (Anyster, //-Metall usw.) gibt das Vorhandensein eines Signals in einer der Empfangsspulen das Vorhandensein eines Magnets einer vorbestimmten Polarität gegenüber einer entsprechenden Windung an, und es wird der Durchgang (oder die Möglichkeit des Durchgangs gemäß dem gewählten Steuerungsprinzip) des Stromes in einer geeigneten Richtung in der Windung ausgelöst; durch das Vorhandensein eines Signals in der anderen Spule wird der Durchgang des Stroms in umgekehrter Richtung ausgelöst. Wenn sich die Nutzzonen der Leiter in einer neutralen Zone befinden, ist die »aussendende Spule« mit keiner der Empfangsspulen gekoppelt; es wird kein Strom in den entsprechenden Kreis gegeben. Die Umkehrung der Durchgangsrichtung des Stroms kann auf mehrere Arten ausgeführt werden. Die einfachste und sicherlich die sicherste besteht in der Verwendung zweier von ihren entgegengesetzten Enden gespeister Wicklungen. Die Umkehrung der Drehrichtung des Motors wird erreicht, indem die Steuerung der Wicklung vertauscht wird. Die Verlangsamung wird vorteilhafterweise ausgeführt, indem man die von dem als Generator arbeitenden Motor erzeugte elektromotorische Kraft in einen von einem Halbleiter 18 oder 19 (Transistor, Thyristor usw.) gesteuerten Widerstandskreis speist (s. Fig. 13).

Bei einem solchen Motor, in dem die geradlinigen Leiter die Kraftlinien eines konstanten Feldes schneiden, ist die induzierte elektromotorische Kraft konstant während des Durchgangs eines Poles und nicht sinusförmig. Überdies gibt es keine Verluste auf Grund von Eisen im Stator, und die Ankerrückwirkung ist vernachlässigbar für die üblicherweise bei einem Trägheitsschwungrad erforderlichen Momentwerte Alle diese Elemente führen zu einem außer- gewöhnlichen elektrischen Wirkungsgrad, der 90 und selbst 95 »o mit einer Wicklung von stärkerem Querschnitt ohne Konstruktionsschwierigkeit überschreitet. Die Steuerung der Geschwindigkeit und des Moments läßt sich gleichfalls unter außergewöhnlich einfachen Bedingungen ausführen:

entweder indem man auf die Steuerspannung F.influß nimmt,

oder indem man auf die Dauer des Stromdurchgangv der dann eine konstante Stärke aufweist.

Hinfluß nimmt.

Die Signale der F.mpfangsspulen dienen zur Geschwindigkeitsmessung, die auch in Form einer Spannung auf einer »Generator«-Spule erhalten werden kann, die zwischen die »Motor»-Spulen gegenseitig versetzt geschaltet ist

Fine bedeutende Funktion der Drallradanordnung erfüllen die I aper, deren durch Reibung verbrauchte Leistung gering sein muß und die ohne Abnutzung bzw. Verschleiß die Umgebungsvibrationen des Startes und die Umgebungsraumstrahlen aushalten müssen.

Ihre Funktion muß für eine lange Lebensdauer gewährleistet sein, gegenwärtig 5 Jahre bei einem Fernsprechsatclliten; diese Lebensdauer wird zweifelsohne in nächster Zukunft 7 bis 10 Jahre betragen.

Überdies ist es wünschenswert, daß diese Lager einen Aufbau aufweisen, der ihnen ein möglichst befriedigendes Verhalten im Ultravakuum gibt, damit sie weiterhin in dem Fall arbeiten, wo ein unvorhergesehenes Ereignis die restliche Atmosphäre beseitigt.

Das Drallrad ist mit Gleitlagern ausgestaltet. Es handelt sich um Verbindungen von PTFE (Polytetrafluoräthylen), die stark mit metallischen Pulvern durchsetzt und gemäß Spezialverfahren behandelt sind. Die so hergestellten Lager weisen einen bedeutenden Fortschritt im Verhältnis zu den bekannten Lösungen auf (vollständige Abwesenheit von Schmiermittel, Arbeiten in Vakuum in der Größenordnung von lO^Torr, Verminderung der Reibungsmomente, Erhöhung der zulässigen Belastung).

Beispielsweise erzeugt ein in reproduzierbarer Weise hergestelltes Lager (vier aufeinanderfolgende Anfertigungen) von 6 cm Höhe, 7 cm Durchmesser und belastet mit 700 g/cm² ein Reibungsmoment in der Größenordnung von 40 g · cm auf einer Welle aus Chromstahl, die sich mit 3000 U/min dreht. Nach mehr als 2000 Stunden Betriebsdauer weisen die Lager keine Spur einer Änderung weder in den Lagerbuchsen noch auf der Welle auf. Keine Masseabnahme ist feststellbar, und die Erwärmung der Lagerbuchsen während des Betriebes ist zu schwach, als daß sie gemessen werden könnte.

Ein Versuch mit 6000 U/min zeigt ein ebenso befriedigendes Verhalten des Lagers; das Moment steigt um 10⁰O, und es tritt keine feststellbare Erwärmung auf, während bei der Verwendung von Lagern mit verschiedener Beschaffenheit (Teflon-Nickel) bei 3000 U'min ein fünfmal größeres Moment und eine äußere Erwärmung um 25^c C erzeugt wurden und während ein Versuch mit einer PTFE-Silber-Lagerbuchse jedoch einer Welle aus Stellit bei 3000 U/min die Zerstörung der Lagerbuchse in einigen Fällen nach sich zog.

Die Kombination einer PTFE-Silber-Lagerbuchse um eine Welle aus Stahl scheint somit außerordentlich standfest und reproduzierbar, jedoch an die sehi genaue und besondere Verträglichkeit der Materialpaare gebunden zu sein.

Die Verbindung zwischen der Achse 4 und derr Schwungrad 2 kann auf verschiedene Weisen unc insbesondere mit allen üblichen Mitteln ausgefühn werden: mit Speichen, mit einer Einfach- oder Mehrfachscheibe, die voll oder durchbrochen ist.

Da das Schwunerad dynamisch ins Gleichgewicht gebracht worden ist. hat die Verbindung zwischen den Lagern und dem Schwungrad im Normalbetrier nur sehr geringe Kräfte auszuhalten (restliche Gleich pewichtsMörungen oder Kreiselkräfte während dei Bewegungen des Satelliten). Hingegen muß diese Verbindung-

ein Minimum an Masse erfordern und
ein Maximum an Dämpfunc und Festigkeit ge genüber den von der Startumeebung ausgeübter Vibrationen aufweisen.

Für die Erfüllung dieser verschiedenen Forderungen besteht die gewählte Lösung darin, das Schwungrad gegenüber der Nabe durch zwei dünne Bleche 20 und 21 zu zentrieren, die durch ein Wabenmuster 11 verstärkt sind. Die Bleche können durch einen Faserschichtstoff aus Glas, Kohlenstoff und Bor mit einem Epoxybindemittel ersetzt werden. Der über einer Lehre bzw. einem Gestell ausgeführte Zusammenbau kann eine außergewöhnliche Genauigkeit erreichen. Vorsichtsmaßnahmen für eine einheitliche Verleimung sind zu treffen. Das fertiggestellte Schwungrad (die Magnete angeklebt oder mechanisch befestigt, die Wabenmuster 11 an ihrem Platz angeordnet) muß statisch und dynamisch ausgewuchtet werden. ¹S

Das Gehäuse gewährleistet die folgenden Funktionen:

Tragen der Welle, auf der sich das Lager und das Schwungrad, das mit diesen verbunden ist, drehen.

Tragen der zugeordneten Elemente (Kommutationsspulen, verschiedene, für Hilfsmessungen bestimmte Sonden).

Tragen der Teile zur Befestigung des Trägheitsschwungrades, wenn dies nicht direkt auf dem Ansatz der Welle ausgeführt werden kann. In diesem Fall muß das Gehäuse die bestmögliche Dämpfung für die durch die Startumgebung erregten Vibrationen liefern.

Gewährleistung einer dichten Umhüllung zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Gasdruckes um die Lager. Helium oder Argon, beispielsweise in der Größenordnung eines Bruchteils von einem Torr bis 1 Torr, außer wenn die Lager sich in Ultravakuum zufriedenstellend verhalten; wenn die dichte Umhüllung ein Gas mit niedrigem Druck enthält, muß das Gehäuse den Kräften widerstehen, die aus dem auf die Oberfläche vor dem Start des Satelliten in seine Umlaufbahn ausgeübten Atmosphärendruck resultieren.

Zur Erhöhung der Steifigkeit der Gesamtheit gegenüber dem Druck und den Vibrationen sind die Böden durch Harz-Faser-(Glas, Kohlenstoff, Bor-) Schichtstoffstreifen verstärkt, die »auf dem Feld« zwischen den Wabenmusterabschnitten eingesetzt und mit diesen verklebt sind, so daß die Biegung begrenzt ist und die Gesamtheit eine gute Dämpfung aufweist. Der ausgezeichnete Wirkungsgrad der Lager und des Motors begrenzt die in thermischer Form verbrauchte Energie auf einen geringen Anteil (Bruchteil eines Watt); unter diesen Bedingungen ist es nicht erforderlich, im Inneren des Gehäuses einen tür das innere thermischen Gleichgewichts bestimmten Gasdruck vorzusehen, wo die neue Ökonomie der Energie und der thermischen Streuung, die Strahlung, die Leitfähigkeit der betreffenden Teile und die thermische Trägheit der Elemente genügen, befriedigende Temperaturbedingungen ebenso im stabilen Zustand wie in der Startperiode zu gewährleisten.

Bei dem erfindungsgemäßen Trägheitsschwungrad ist das Verhältnis Trägheitsmoment zu Gesamtmasse besonders erhöht: Bei einer Ausführungsform ist das Verhältnis näherungsweise zweimal höher als bei bekannten Vorrichtungen (l,5mal für ein Schwungrad von 20 NmS).

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

20 Patentansprüche:

1. Elektromotorisch angetriebene Drallradanordnung für die Stabilisierung von Raumfahrzeugen, insbesondere künstlichen Satelliten, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des Drallrades (2) sektorenweise regelmäßig Magnete (5, S', 5"...) mit abwechselnd entgegengesetzten Magnetfeldrichtungen angeordnet sind und daß gegenüber der Magnetanordnung eine die Feldlinien der Magnete kreuzende, stromdurchflossene Wicklung (9), deren Ausdehnung Ln Umfangsrichtung der eiues Polschrittes eines Magnets (5, 5', 5"...) entspricht, am Gehäuse (1) befestigt ist, wobei die Richtung des Strom· llusses in der Wicklung (9) beim Wechsel von einem Magnet zum nächsten umgekehrt wird.

2 Drallradanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) über seine gesamte Umhüllung durch eine Wabenmusterstruktur (10, 11) verstärkt ist und daß die Struktur (10, 11) in dem Anker des Drallrades zwischen dessen Achse (4) und den Magneten (5) vorgesehen ist.

3. Drallradanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (5) an einem Ring (8) mit U-förmigem Querschnitt angeordnet sind, der die Wicklungen (9) eines eisenlosen Stators umfaßt, wobei die Magnete (5) auf der Innenseite eines U-Schenkels angeordnet sind.

4. Drallradanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnete (6, 7) an jedem Schenkel beiderseits der Wicklung (9) angeordnet sind.

5. Drallradanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Magnete tragende Ring (8) gekapselt bzw. abgeschirmt ist.

6. Drallradanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Empfänger-Spulen (14) vorgesehen sind, die auf dem Gehäuse (1) des Drallrades befestigt sind und über ein Signal das Vorhandensein eines Magnets (5) einer vorbestimmten Polarität gegenüber einer entsprechenden Windung (9) anzeigen und den Durchgang von Strom in der Windung (9) in der geeigneten Richtung auslösen.

7. Drallradanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselung aus μ-Metall besteht.

8. Drallradanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager eine Lagerbuchse aus Polytetrafluoräthylen-Silber aufweisen.

9. Drallradanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (4) aus Chromstahl und die Lagerbuchse aus Polytetrafluoräthylen-Silber bestehen.