DE2210995B1 - Magnetische Vorrichtung, ins besondere für ein Schwungrad - Google Patents

Magnetische Vorrichtung, ins besondere für ein Schwungrad

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Description

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gehalten werden, wobei jedoch insbesondere die F i g. 5 einen schematischen Längsschnitt durch ein
Längsachse des Raumfahrzeuges als Referenz für die weiteres Ausführungsbeispiel mit axial gerichteten
Sollage dienen kann. In einer Weiterbildung der Er- Dauermagneten des Rotors.
findung wird vorgeschlagen, daß die Dauermagnete Bekanntlich wird auf ein Leiterstück der Länge/,
aus einem Werkstoff mit schlechter elektrischer Leit- 5 welches von einem Strom / durchflossen wird und
fähigkeit bestehen. Mit derartigen Wirkstoffen, bei- sich in einem homogenen Magnetfeld der Felddich-
spielsweise aus gepreßten Metalloxyden, werden Ver- te B befindet, eine Reaktionskraft F ausgeübt. Rich-
luste infolge von Wirbelströmen wesentlich verrin- tung und Betrag dieser Reaktionskraft ergeben sich
gert. aus der bekannten Vektorgleichung
Ein besonders günstiges Ausführungsbeispiel mit io F = I ■ ι ■ B.
einem als Außenläufer ausgebildeten ringförmigen Die Gleichung bildet die Grundlage zur Berech-
Rotor, enthaltend an der Innenfläche radial magneti- nung von Drehmomenten in elektrischen Maschinen,
sierte Dauermagnete mit in Umfangsrichtung ab- wenn beispielsweise in radial gerichteten Magnetfel-
wechselnder Polarität, zeichnet sich dadurch aus, daß dem axial angeordnete Wicklungen von Strom
von den Leitergruppen des Stators eine erste im we- 15 durchflossen werden, und dient auch zur Berechnung
sentlichen axial und eine zweite im wesentlichen tan- der Kräfte in der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
gential angeordnet ist. Als Leitergruppen werden die In F i g. 1 ist ein besonders vorteilhaftes Ausfüh-
Leiter der Statorwicklung bezeichnet, welche die rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gleiche räumliche Ausrichtung aufweisen. schematisch dargestellt. Ein ringförmiger Rotor 1,
Ein wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, daß 20 der vorzugsweise aus magnetisch-leitfähigem Mateder Rotor praktisch nur aus einem einzigen Ring be- rial besteht, weist auf seiner Innenfläche radial masteht, in welchem die Dauermagnete angeordnet sind. gnetisierte Dauermagnete 2,3 auf, welche in UmSpeichen und Nabe, wie bei den bekannten Schwung- fangsrichtung abwechselnde Polarität besitzen. Das rädern, entfallen. Die gesamte, das Trägheitsmo- resultierende Magnetfeld ist im Bereich vor den ment bestimmende Masse des Rotors ist am äußeren 25 Dauermagneten im wesentlichen radial gerichtet und Rand angeordnet. Ein bestimmter Drall läßt sich also im Bereich zwischen den Dauermagneten im wesentinsgesamt mit geringem Gewicht erzielen. Ein beson- liehen tangential gerichtet. Der Querschnitt des Roderes Gehäuse, das normalerweise nötig ist, um das tors 1, welcher den magnetischen Rückschluß für die Schmiermittel am Verdampfen zu hindern, kann bei Dauermagnete bildet, ist derart bemessen, daß der magnetisch gelagertem Rotor entfallen. 30 Magnetfluß der Dauermagneten auf der Innenseite
Die maximal zulässige Drehzahl des Rotors wird des Rotors verstärkt wird. Der zur ;c-Achse rotawesentlich durch seine mechanische Festigkeit beein- tionssymmetrisch ausgebildete Stator 4 enthält an seiflußt. In einer sehr günstigen Weiterbildung der Er- nem äußeren Umfang Wicklungen 5, wobei Leiterfindung wird daher vorgeschlagen, den Rotor aus gruppen 6 im wesentlichen tangential und Leitereinem aufgewickelten Band, welches vorzugsweise 35 gruppen 7 im wesentlichen axial verlaufen. Die geaus Federstahl besteht, herzustellen, so daß in vor- samte Wicklung ist symmetrisch zur yz-Ebene aufgeteilhafter Weise die Festigkeit erhöht wird. baut. Der Stator enthält weiterhin an sich bekannte
Der ringförmige Rotor ist bekanntlich ein schwin- Sensoren 8, beispielsweise induktive, kapazitive oder gungsfähiges System. Insbesondere wenn die Reso- optische, welche mittels der auf dem Rotor angeordnanzfrequenz des Rotors im Bereich der Ansteuerfre- 40 neten Gegenstücke die jeweilige Position des Rotors quenz der Wicklungsströme liegt, müssen geeignete erfassen. Außer den beiden in F i g. 2 dargestellten Dämpfungsmittel vorgesehen werden. Bei einer sehr Sensoren, welche die Position des Rotors in axialer vorteilhaften Ausbildung des Rotors ist daher zwi- ^-Richtung erfassen, sind weitere Sensoren vorhanschen den einzelnen Lagen des gewickelten Bandes den, um die Position des Rotors in radialer Richtung Material mit großer innerer Dämpfung vorgesehen, 45 zu erfassen. Die genannten Sensoren befinden sich so daß Schwingungen des Rotors stark gedämpft räumlich an wenigstens drei am Statorumfang gleichwerden, mäßig verteilten Positionen. Eine weitere Sensor-
Es sei ausdrücklich festgestellt, daß die Anwen- gruppe erfaßt die Winkelstellung des Rotors und liedung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht al- fert die Signale für die Rotation des Schwungringes, lein auf Raumfahrzeuge oder Satelliten beschränkt 50 Abweichungen von der in F i g. 3 dargestellten Sollist. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise auch lage des Rotors werden somit von den genannten in Zentrifugen von Kernreaktoren oder sonstigen Sensoren erfaßt, deren Ausgangssignale beispielsschwer zugänglichen Anlagen vorteilhaft verwendbar weise über bekannte elektronische Verstärker die Auch für diese Anwendungen ist die völlige War- Ströme in den Leitergruppen 6,7 der Statorwicklung tungsfreiheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 55 derart steuern, daß entsprechende Reaktionskräfte von besonderer Wichtigkeit, da Abnutzungserschei- auf den Rotor wirken, um diesen stabil rotierend und nungen oder Schmierprobleme nicht auftreten. frei schwebend in der gewünschten Position zu halten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfol- Es ist auch durch weitere auf die Verstärker wir-
gend an Hand der in der Zeichnung dargestellten kende Steuersignale möglich, die Position, Drehzahl
Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt 60 oder das Drehmoment des Rotors zu beeinflussen.
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Aus- Die Wirkungsweise wird im Prinzip an Hand der
führungsbeispieles mit ringförmigem Rotor, F i g. 3 erläutert, wobei zwei Dauermagnete 2,3 des
F i g. 2 einen Längsschnitt nach Linie II-II von Rotors in eine zur xy-Ebene parallele Ebene proji-
Fig. 1, ziert sind und ein Teil der Wicklung des Stators als
F i g. 3 eine Projektion eines Polpaares mit einem 65 einzelne Windungen dargestellt sind. In der gezeich-
Teil der Statorwicklung, neten Stellung ist das Dauermagnetfeld im Bereich
F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel mit ringförmigem vor den Dauermagneten im wesentlichen radial geRotor und einem Teil der Statorwicklung, richtet, was durch die Pfeile 9, 10 dargestellt ist. In
5 6
diesem Bereich verlaufen die Leitergruppen6 der In Fig.4 ist als weiteres vorteilhaftes Ausfüh-Statorwicklung im wesentlichen tangential, so daß rungsbeispiel ein Teil der Statorwicklung in eine zur auf Grund der oben angegebenen Vektorgleichung xy-Ebene parallel Ebene projiziert und schematisch auf die Dauermagnete 2, 3 eine Kraft F1 in axialer dargestellt. Die Richtung der Feldlinien vor den Richtung wirksam wird, wenn die Statorwicklung 5 Dauermagneten 12, 13 wird durch die Pfeile 14 andurch Ströme Z1 in der mittels Pfeile gezeigten Rieh- gegeben. Die Leitergruppen 15 verlaufen in Umtung durchflossen wird. Die Ströme der Leitergrup- fangsrichtung (tangential), während die Leitergruppen? liefern dabei keine Kraftkomponente, da sich, pen 16 axial in x-Richtung verlaufen. Wird die Stawie leicht zu überprüfen ist, die Teilkräfte auf Grund torwicklung von Strömen z4 in der gezeigten Weise der symmetrischen Anordnung gegeneinander aufhe- io durchflossen, so wird eine Reaktionskraft F4 in ben. x-Richtung wirksam. Durch entsprechende Ansteue-
Wird hingegen die Statorwicklung von Strömen i2 rung der Statorwicklung lassen sich ebenfalls Reak-
gemäß F i g. 3 b durchflossen, so sind die Leitergrup- tionskräfte in den anderen Richtungen erzeugen, so
pen 6 zur Bildung einer Reaktionskraft wirkungslos. daß der Rotor wiederum stabil und frei schwebend
Die Ströme i2 der Leitergruppen 7 im Bereich zwi- 15 gehalten werden kann. Es ist für dieses Ausfüh-
schen den Dauermagneten, in welchem die Feldlinien rungsbeispiel besonders vorteilhaft, daß sämtliche
im wesentlichen tangential verlaufen, ergeben jedoch Reaktionskräfte in praktisch jeder Lager des Rotors
eine Reaktionskraft F2 in radialer Richtung. gleichzeitig erzeugt werden können und daß für die
In F i g. 3 c ist der Rotor um eine viertel Polteilung Stabilisierung des Rotors keine Drehung um die weitergedreht dargestellt. Werden die Wicklungen 20 x-Achse erforderlich ist. Die Herstellung der Stator-
von Strömen z3 durchflossen, so ergeben sich Kräfte wicklung erweist sich weiterhin als besonders ein-
F3 in tangentialer Richtung. fach, da diese aus einer Anzahl gleicher Einzelspulen
In F i g. 3 wurde gezeigt, wie die Kräfte auf ein 22 besteht.
Polpaar in den drei Richtungen erzeugt werden. Auf Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 5 weist dem Rotor befindet sich nun eine Anzahl derartiger 25 einen zur x-Achse symmetrischen Rotor 20 auf, des-Polpaare, so daß insbesondere durch gleichphasiges sen Dauermagnete 17,18 axial in x-Richtung magne- bzw. gegenphasiges Ansteuern von gegenüberliegen- tisiert sind und in Umfangsrichtung abwechselnde den Leitergruppen translatorische Bewegungen bzw. Polarität aufweisen. Die Wicklungen 19 des Stators rotatorische Bewegungen des Rotors erreichbar sind. 21 sind in zwei zur x-Achse senkrechten Ebene vor Wird beispielsweise entsprechend F i g. 3 c die diame- 30 den Dauermagneten 17, 18 angeordnet und können tral gegenüberliegende Leitergruppe in der gleichen rotationssymmetrisch zur genannten Achse entspre-Richtung von Strom durchflossen, so wird der Rotor chend den beiden vorher genannten Ausführungsbeiin y-Richtung bewegt. Wird hingegen die diametral spielen ausgebildet sein. Eine derartige Anordnung gegenüberliegende Leitergruppe von Strömen in der ist insbesondere von Vorteil, wenn für die freie Beentgegengesetzten Richtung durchflossen, so ergibt 35 wegbarkeit des Rotors senkrecht zur x-Achse grösich ein Drehmoment um die x-Achse. Entsprechen- ßere Toleranzen angestrebt werden. Weiterhin ergibt des kann auch für die beiden anderen Fälle nachge- sich eine vorteilhafte Ausnutzung des Magnetvoluwiesen werden. mens. Der Ring 20 ist bei dieser Anordnung vorzugs-
Mit der dargestellten Anordnung können somit je weise aus nichtmagnetischem Werkstoff. Er dient nur nach Ansteuerung Kräfte in den drei Richtungen und 40 dazu, um die Fliehkräfte bei der Rotation aufzufanDrehmomente um die drei Raumachsen erzeugt wer- gen.
den. Durch Überlagerung der Wicklungsströme, ins- Aus den genannten Ausführungsbeispielen ergeben besondere in Elektronik-Vorstufen lassen sich beson- sich für einen Fachmann weitere Ausbildungen der ders einfach auch Kombinationen der genannten Be- erfindungsgemäßen Vorrichtung. Wichtig ist dabei wegungen gleichzeitig durchführen. Die genannten 45 nur, daß das Magnetfeld des Rotors Bereiche aufKräfte und Drehmomente können natürlich auch weist, deren Feldlinien im wesentlichen senkrecht durch Überlagerung der Felder von getrennten Wick- zueinander verlaufen und daß in den genannten Belungen erzeugt werden, die von den Ausgangssigna- reichen Leitergruppen der Statorwicklung vorzugslen des jeweiligen Regelkreises durchflossen werden. weise senkrecht zu den Feldlinien angeordnet sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 moment aus. Der Antrieb der Schwungräder erfolgt Patentansprüche: vorzugsweise durch einen Elektromotor, beispiels weise einen bürstenlosen Gleichstrommotor bekann-
1. Magnetische Vorrichtung, insbesondere für ter Bauart mit dauermagnetischem Rotor.
ein Schwungrad, enthaltend einen Stator und 5 Die Drehzahl bzw. das Drehmoment des Rotors
einen Rotor, welcher Dauermagnete abwechseln- wird über die Wicklungsströme einer auf dem Stator
der Polarität aufweist, dadurch gekenn- angeordneten Wicklung gesteuert oder geregelt,
zeichnet, daß im Magnetfeld des Rotors (1) Zur Lagerung des Rotors werden Gleit- oder
auf dem Stator (4) Wicklungen (5) derart an- Wälzlager bzw. Gaslager verwendet, wobei die
geordnet sind, daß zum Antrieb und zur Lage- io Zuverlässigkeit und Lebensdauer des gesamten
rung durch Steuerung der Wicklungsströme auf Schwungrades entscheidend durch die Lagerung be-
den Rotor Kräfte in axialer, radialer und tangen- einflußt wird. Eine Erhöhung der Lebensdauer auf
tialer Richtung ausgeübt werden. zehn Jahre und mehr, wie es beispielsweise für Nach-
2. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 1, richtensatelliten gefordert wird, ist mit den bekanndadurch gekennzeichnet, daß auf dem Stator (4) 15 ten Lagerungen nur sehr schwer und nur mit einem an sich bekannte Sensoren (8) derart angeordnet erheblichen Aufwand zu realisieren, wobei vor allem sind, daß mittels der genannten Sensoren die Po- eine Vergrößerung des Gewichtes in Kauf genommen sition des Rotors bezüglich seiner drei translato- werden muß.
rischen und drei rotatorischen Freiheitsgrade er- Weiterhin lassen sich bei Gleitlagern Störmomente
faßt werden kann und daß mit den Ausgangs- 20 durch Reibung oder bei Gaslagern sogenannte Turbi-
signalen der genannten Sensoren die Wicklungs- nenmomente niemals vollständig vermeiden. Die
ströme steuerbar sind. Folge sind Lageabweichungen des Satelliten bzw.
3. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 1 Verluste, welche den Wirkungsgrad der genannten oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer- Anordnung reduzieren.
magnete (2, 3) aus einem Werkstoff mit schlech- 25 Für den Fall, daß durch unerwünschte Ereignisse,
ter elektrischer Leitfähigkeit bestehen. wie undichtes Gehäuse durch Meteoriteneinwirkung,
4. Magnetische Vorrichtung nach einem der die Lager nicht dem Vakuum des Weltraumes ausge-Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß setzt werden, sind bisher umfangreiche Maßnahmen das Magnetfeld des Rotors wenigstens zwei Be- erforderlich, um die Funktionsfähigkeit der Lager zu reiche aufweist, deren Feldlinien im wesentlichen 30 gewährleisten. Dies gilt sowohl für Gleit- oder Wälzsenkrecht zueinander verlaufen, und daß die Sta- lager auf Grund eines möglichen Abreißens des torwicklung wenigstens zwei über den Umfang Schmierfilms als auch bei Gaslagern auf Grund des verteilte Leitergruppen (6, 7) aufweist, welche im möglichen Gasverlustes.
wesentlichen senkrecht zu den genannten Feldli- Für raumfahrttaugliche Schwungräder gelten vor
nien angeordnet sind. 35 allem die Forderungen nach geringem Gewicht, ge-
5. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 4, ringer Leistungsaufnahme und hoher Zuverlässigkeit, mit einem als Außenläufer ausgebildeten ringför- Der Forderung nach geringem Gewicht sind bei den migen Rotor, enthaltend an der Innenfläche ra- bekannten Schwungrädern dadurch Grenzen gesetzt, dial magnetisierte Dauermagnete mit in Um- daß für Antrieb und Lagerung getrennte Vorrichtunfangsrichtung abwechselnder Polarität, dadurch 40 gen verwendet werden. Die Leistungsaufnahme eines gekennzeichnet, daß von den genannten Leiter- Schwungrades wird in erster Linie durch den Vergruppen eine erste im wesentlichen axial und eine braucher, also das Lager, und in zweiter Linie durch zweite im wesentlichen tangential angeordnet ist. den Wirkungsgrad des Antriebes bestimmt, wobei die
6. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 4, bekannten Lager nicht mehr wesentlich verbessert mit einem ringförmig ausgebildeten Rotor, ent- 45 werden können.
haltend axial magnetisierte Dauermagnete mit in Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
Umfangsrichtung abwechselnder Polarität, da- eine Vorrichtung zu schaffen, welche die genannten durch gekennzeichnet, daß von den genannten Nachteile vermeidet und durch hohe Zuverlässigkeit, Leitergruppen eine erste-im wesentlichen-tangen- geringes Gewicht und geringe Leistungsaufnahme tial und eine zweite im wesentlichen radial an- 5° sich auszeichnet.
geordnet ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge
löst, daß im Magnetfeld des Rotors auf dem Stator Wicklungen derart angeordnet sind, daß zum Antrieb und zur Lagerung durch Steuerung der Wicklungs-
Die Erfindung betrifft eine magnetische Vorrich- 55 ströme auf den Rotor Kräfte in axialer, radialer und tung, insbesondere für ein Schwungrad, enthaltend tangentialer Richtung ausgeübt werden,
einen Stator und einen Rotor, welcher Dauermagnete Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in
abwechselnder Polarität aufweist. der Tatsache, daß Antrieb und Lager zu einer EinSchwungräder werden beispielsweise in Raumfahr- heit integriert sind, so daß eine erhebliche Reduziezeugen oder Satelliten zur Lagestabilisierung einge- 60 rung des Gewichtes erreicht wird. Dabei ist die Leisetzt. Man unterscheidet dabei zwei Arten von stungsaufnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung Schwungrädern, wobei die erste Art ständig auf einer äußerst gering, da zwischen Rotor und Stator keine verhältnismäßig hohen Drehzahl gehalten wird und Störmomente auftreten. Der Rotor weist weiterhin infolge der Kreiselwirkung einen festen Untergrund drei translatorische und drei rotatorische Freiheitsfür das Raumfahrzeug darstellt. Eine zweite Art von 65 grade auf, da er nicht mehr ausschließlich um eine Schwungrädern übt beim Beschleunigen in beiden bestimmte Achse drehbar gelagert ist wie bei den be-Drehrichtungen des Rotors durch das resultierende kannten Schwungrädern. Der Rotor kann vielmehr Reaktionsmoment auf das Raumfahrzeug ein Stell- stabil und frei schwebend in jeder gewünschten Lage
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