DE2129018B2

DE2129018B2 - Magnetisches Lager

Info

Publication number: DE2129018B2
Application number: DE2129018A
Authority: DE
Inventors: Helmut Habermann; Pierre Joly; Roger Loyen
Original assignee: Europeenne De Propulsion Sa Puteaux Hauts-De-Seine (frankreich) Ste
Current assignee: Europeenne De Propulsion Sa Puteaux Hauts-De-Seine (frankreich) Ste
Priority date: 1970-06-17
Filing date: 1971-06-11
Publication date: 1978-12-14
Also published as: GB1345766A; DE2129018C3; US3702208A; DE2129018A1; FR2094326A5

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Lager, das zwei sich gegeneinander drehende Lagerteile aufweist, von denen das eine zumindest teilweise aus einem magnetischen Werkstoff besteht, während das andere mit mindestens einem Paar gegensinnig auf das magnetische Lagerteil wirkender Elektromagnete versehen ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Lager dieser Art, bei dem jedem Paar von Elektromagneten ein Paar von Distanzgebern zur Feststellung der Mittenabweichung zwischen den Lagerteilen zugeordnet ist und die Distanzgeber eines Paares einander gegenüber angeordnet und gegensinnig wechselstromerregt sind und über Verstärker und Leistungsverstärker das zugeordnete Paar von Elektromagneten derart steuern, daß jede Lagermittenabweichung zu Null wird.

Elektromagnetische Lagerungen, bei denen die Position der Lagerteile zueinander durch Meßgeber geeigneter Art festgestellt und die von diesen Meßgebern abgegebenen Signale dazu verwendet werden, den Stromfluß zu bestimmten Elektromagneten der Lagerung zu beeinflussen, um auf diesem Wege die richtige Position der Lagerteile zueinander wiederherzustellen, sind bereits aus den US-PS 31 12 962, 32 43 238,34 28 371 und 34 58 239 bekannt Die meisten dieser bekannten Systeme verwenden für die Regelung der Elektromagnete ein Wechselstromsignal, mit dem eine Stabilisierung des Rotorlaufes entweder überhaupt nicht oder nur mit sehr aufwendigen Mitteln möglich ist

In der zuletzt genannten US-PS 34 58239 wird ein System beschrieben, bei dem jedem Paar von Elektromagneten ein Paar von Distanzgebern zur Feststellung der Mittenabweichung zwischen den Lagerteilen zugeordnet ist, wobei die Distanzgeber eines Paares einander gegenüber angeordnet und gegenläufig geschaltet sind und unter Zwischenschaltung von Verstärkern und Leistungsvtrstärkern das zugehörige Paar von Elektromagneten steuern. Auf diese Weise entsteht eine Kopplung zwischen den Gebern und den Elektromagneten der Lagerung, wodurch sich die Gefahr einer Instabilität des Systems ergibt. Diese Instabilität wird bei dem bekannten System, welches zur Anwendung bei Gyroskopen vorgesehen ist, dadurch beseitigt, daß der Rotor in einer Dämpfungsflüssigkeit angeordnet wird. Eine solche Maßnahme ist jedoch insbesondere bei einer Verwendung im luftleeren Raum, wie beispielsweise dem Weltraum, nicht möglich. Ferner benötigt das bekannte System durch seine wechselstromerregten Stellmagnete auch bei Abwesenheit jines Regeleingriffes immer noch eine beträchtliche Leerlaufenergie infolge von Hystereseverlusten und Wirbelströmen im magnetischen Lagermaterial.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein magnetisches Lager der bezeichneten Art dahingehend weiterzubilden, daß auftretende Schwingungen durch rein elektrische Maßnahmen gedämpft werden und zugleich der Energieverbrauch bei Abwesenheit eines Regelimpulses gering gehalten wird.

Es wurde nun gefunden, daß sich diese Aufgabe, ausgehend von dem in der US-PS 34 58 239 beschriebenen Stand der Technik, erfindungsgemäß bei einem magnetischen Lager der eingangs beschriebenen Art dadurch lösen läßt, daß in einer Lagerebene zwei zueinander senkrecht stehende Paare von gleichstromerregten Elektromagneten vorgesehen sind, zwischen denen zwei um jeweils 45° versetzte Paare von Distanzgebern in Brücke geschaltet sind, und daß die Differenzspannungen an gegenüberliegenden Brückenpunkten an zwei Verstärkern liegen, an die Regler angeschlossen sind, hinter denen je ein Leistungsverstärker zur Steuerung je eines Paares von Elektromagneten liegt. Durch diese Ausbildungsform läßt sich auf bestmögliche Weise eine Rückwirkung der Elektromagnete auf die Distanzgeber vermeiden und jede Lagermittenabweichung voll ausregeln.

Gemäß einer speziellen Ausbildungsform der Erfindung besitzen die Regler jeweils einen Demodulator, einen Tiefpaßverstärker, ein Dämpfungsglied, einen

Linearisierungsverstärker und einen Diodenverzweigungskreis in dieser Reihenfolge. Ein derartiger Regler erfüllt alle für die Lagerregelung des magnetischen Lagers erforderlichen Bedingungen in einfacher Weise.

Die Distanzgeber sind vorzugsweise induktive Geber. Hierdurch läßt sich eine einfache und hochgenaue Messung der Lagermittenabweichung erzielen.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung sind dh beiden sich gegeneinander drehenden Lagerteile zylindrisch und konzentrisch und bilden so ein Radiallager. Die beiden Lagerteile können aber auch senkrecht zu ihrer Drehachse stehen und so ein Axiallager bilden. Schließlich können die Lagerteile auch konisch oder sphäriscn ausgebildet sein und so ein kombiniertes Radial-Axial-Lager bilden.

Mit besonderem Vorteil dienen erfindungsgemäße magnetische Lager zur Lagerung zweier Teile eines spinstabilisierten Satelliten, und zwar in zwei magnetischen Radiallagern und einem magnetischen Axiallager.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. In dieser zeigt

Fig. 1 in einem Schaltschema eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Lagers und

Fig.2 in einer perspektivischen Darstellung die Anwendung des magnetischen Lagers in F i g. 1 zur Verbindung zweier Teile eines spinstabilisierten Satelliten.

Das als Ausführungsbeispiel der Erfindung gewählte magnetische Lager (F i g. 1) ist ein Radiallager mit zwei konzentrischen zylindrischen Lagerteilen 1 und 2, die sich gegeneinander drehen. Das Lagerteil 1 besteht zumindest teilweise aus einem laminierten oder geschichteten magnetischen Werkstoff. Das Lagerteil 2 ist mit zwei Paaren von Elektromagneten 3a, 4a und 3b, Zb ausgestattet. Die Elektromagnete 3a, Aa des ersten Paares stehen senkrecht zu den Elektromagneten 3b, Ab des zweiten Paares. Innerhalb jedes Paares wirken die beiden Elektromagneten gegensinnig auf das magnetische Lagerteil 1 ein.

Jedem Paar von Elektromagneten ist ein Paar von Distanzgebern für die Messung des Lagerspieles zwischen den Lagerteilen 1 und 2 oder besser für die Messung dei Lagermittenabweichung zugeordnet. Die Distanzgeber eines Paares sind gegenüberliegend angeordnet und gegensinnig geschaltet. So können beispielsweise den Elektromagneten 3a, Aa Distanzgeber 5a, 6a zugeordnet sein und den Elektromagneten 3b, Ab Distanzgeber 5b,6b.

Die DistasiZgeber können auf elektromagnetischem Prinzip beruhen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, sie gegenüber den Elektromagneten im Winkel zu versetzen, wie in Fig. 1 gezeigt, um sie der magnetischen Beeinflussung durch die Elektromagneten zu entziehen.

Bei der in F i g. 1 gewählten Anordnung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele:) sind die Distanzgeber um jeweils 45° gegenüber den Elektromagneten versetzt. Es ist in diesem Fall vorteilhaft, die Distanzgeberpaare in Brücke zu schalten, um die beiden Elektromagnetpaare 3a, 4a und 3b, Ab derart zu steuern, daß jede Relativverschiebung zwischen den beiden Lagerteilen I und 2 durch eine zugeordnete Wirkung der beiden Elektromagnetpaare ausgeglichen wird. Im

ι ο vorliegenden Fall sind die Distanzgeber 5a, 6a und 5fr, 6b über Verstärker 7 zu einer Brücke AA'-BB' verbunden. Eine Differenzspannung V_A zwischen den Punkten A, A' der Brückenschaltung ist proportional zur Mittenabweichung des Lagerteiles 1 gegenüber den Elektromagneten 3a, 4a, und eine Differenzspannung Vb zwischen den Punkten B, ß'der Brückenschaltung ist proportional zu einer Mittenabweichung des Lagerteil« 1 bezüglich der Elektromagnete 3b, Ab.

Die Differenzspannungen V_A und Vb werden in zwei nachgeschalteten Verstärkern 8^ und 3a verstärkt. An j: \r t;:_u~- .—ui;_nn_A» „;«l·. -».«.«; d»-.i^ \λ. ..«Λ \s-

U1C3C TGiaiaimi 3WIlH-WWI -31W1 iltvl iw^lt I <rJ/4 UIlU ivlo

an, die jeweils folgende Elemente in dieser Reihenfolge enthalten: einen Demodulator 9, einen Tiefpaßverstärker 10, ein Dämpfungsglied 11 zur Erzielung emer Phasenvoreilung (Differentialglied), einen Linearisierungsverstärker 12 sowie einen Diodenverzweigungskreis 13.

Am Ende der Regler sind jeweils zwei Leistungsverstärker 14 und 15 angeschlossen, die beirr Regler Ma die

jo Elektromagneten 3a, 4a des ersten Magnetpaares steuern, und beim Regler Mb die Elektromagneten 3b, Abuts zweiten Elektromagnetpaares.

Das an einem magnetischen Radiallager beschriebene Ausführungsbeispiel läßt sich ohne weiteres auf ein Axiallager übertragen, dessen Lagerteile senkrecht zur Drehachse verlaufen. Auch kombinierte Radial-Axial-Lager mit Lagerteilen in konischer oder sphärischer Form sind im Rahmen der Erfindung möglich.

In jedem Falle erzeugt ein erfindungsgemäßes magnetisches Lager bei höchster Laufgenauigkeit sehr gerinne Reibungsmomente, und derartige Lager können in zahlreichen Gebieten angewendet werden. Als Beispiel sei die Raumfahrttechnik genannt, und dort die Lagerung zweier Teile eines spinstabilisierten Satelliten > ζ. B. eines zur Erde stationären Nachrichtensatelliten.

In Fig.2 ist schematisch ein Satellit gezeigt, dessen Teile 16 und 17 sich gegeneinander mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 100 U/min drehen. Die beiden Teile sind über erfindungsgemäße magnetische Radiallager 18 und 19 und über ein erfindungsgemäßes magnetisches Axiallager 20 miteinander verbunden. Selbstverständlich ist die Anwendung nicht auf die aufgezeigten Anwendungsfälle beschränkt, und im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungs-

'>"> formen möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Magnetisches Lager mit zwei sich gegeneinander drehenden Lagerteilen, von denen das eine zumindest teilweise aus einem magnetischen Werkstoff besteht, während das andere mit mindestens einem Paar gegensinnig auf das magnetische Lagerteil wirkender Elektromagnete versehen ist, wobei jedem Paar von Elektromagneten ein Paar von Distanzgebern zur Feststellung der Mittenab- ι ο weichung zwischen den Lagerteilen zugeordnet ist und die Distanzgeber eines Paares einander gegenüber angeordnet und gegensinnig wechselstromerregt sind und über Verstärker und Leistungsverstärker das zugeordnete Paar von Elektromagneten derart steuern, daß jede Lagermittenabweichung zu Null wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Lagerebene zwei zueinander senkrecht stehende Paare von gleichstromerregten Elektromagneten (Sj, 4a; 3b, 4b) vorgesehen sind, zwischen denen zwei um jeweils 45" versetzte Paare von Distanzgebern (5a, 6a; 5b, 6b) in Brücke (ABA-B') geschaltet sind, und daß die Differenzspannungen (Va, Vb) an gegenüberliegenden Brückenpunkten (A, A'; B, B')an zwei Verstärkern (8_A; Sb) liegen, an die Regler (Ma; Mb) angeschlosseT sind, hinter denen ein Leistungsverstärker (14, 15) zur Steuerung je eines Paares von Elektromagneten liegt

2. Magnetisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler (Ma; Mb) jeweils einen Demodp'stor (9), einen Tiefpaßverstärker (10), ein Dämpfungsglied (11), einen Linearisierungsverstärker (12) und einen Diodenverzweigungskreis in dieser Reihenfolge besitzen.

3. Magnetische Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzgeber (3,4) induktive Geber sind.

4. Magnetisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden sich gegeneinander drehenden Lagerteile (1, 2) zylindrisch und konzentrisch sind.

5. Magnetisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden sich gegeneinander drehenden Lagerteile (1,2) senkrecht zu ihrer Drehachse stehen.

6. Magnetisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden sich gegeneinander drehenden Lagerteil (1, 2) konisch oder sphärisch sind.

7. Verwendung magnetischer Lager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 zur Lagerung zweier Teile eines spinstabilisierten Satelliten in zwei magnetischen Radiallagern (18,19) und einem magnetischen Axiallager (20).