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Kreiselgerät mit einem schwenkbar gelagerten Rotor Die Erfindung
bezieht sich auf ein Kreiselgerät mit einet schwenkbar gelagerten Rotor, wobei ein
kugelförmiger Tragkörper vorgesehen ist, und mit auf einem Stator angoordneten elektrischen
Wicklungen zur Erzeugung von Drehmomenten W eine Antriebsáchse des Rotors sowie
um zwei senkrecht zueinander und senkrecht zur Antriebsachse verlaufenden Raumachsen.
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Problemstellung Ein derartiges Kreiselgerät enthält einen um eine
Antriebsachse drehbar gelagerten Rotor und weist weiterhin zwei zusätzliche Freiheitsgrade
auf, wobei Jedoch keine Sardanrahmen vorgesehen sind. Der Rotor ist vielmehr mittels
eines kugelförmigen Tragkörpers sowohl um die Antriebsachse1 als
auch
um zwei zu dieser senkrechten Raumachsen drehbar bzw.
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bewegbar ge lagert, wobei die Bewegbarkeit um die genannten Raumachsen
auf kleine Winkelbereiche begrenzt sein kann. In der deutschen Auslegeschrift 1
548 477 ist ein solches Kreiselgerät beschrieben, enthaltend einen mit Wirbelstromringen
@ versehenen Rotor. Den Wirbelstromringen sind auf einen Stator elektrische Feldwicklungen
zugeordnet zur Erzeugung von Drehmomenten um die Antriebsachse sowie um die Raumachsen
(Meßachsen). Es sind weiterhin Hilfswicklungen vorgesehen, um unerwünschte Drehmomente
zu kompensieren, welche beispielsweise durch Unsymmetrien der Lagerung oder der
Luftspalte von den genannten Drehmomenterzeugern verursacht werden. Hierzu ist ein
nicht unerheblicher Aufwand erforderlich. Auch die Herstellung der Lagerung und
die Gewährleistung einer langen Lebensdauer, insbesondere im Hinblick auf die erforderliche
Versorgung mit einem Urag- und Schmiermedium, bedingen einen derartigen Aufwand,
daß keineswegs ein wirtschaftliches und kostengünstiges Kreiselgerät vorliegt. Es
kann weiterhin festgestellt werden, daß vor allem eine gegenseitige Beeinflussung
von Antriebsdrehmoment und den Drehmomenten um die Raumachsen vorliegt, welche für
die Auswertung und Ver3rbeitung der zu erzeugenden Signale nachteilig ist, Aufhabe
und Lösung Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aufge-Seiten Nachteile
zu vermeiden und ein in Aufbau und Funktionsweise einfaches Kreiselgerät zu schaffen,
welches eine hc Anzeigegenauigkeit aufweist. Diese Aufgabe wird gemäß des ersten
Patentanspruches dadurch gelöst, daß der Gragkörper vorzugsweise als eine massive
Kugel ausgebildet ist und daß auf dem Rotor Permanentmagnete vorgesehen sind mit
in Drehrichtung abwechselnder Polarität sowie auf dem Stator eine mehrphasige Antriebswicklung
vorgesehen und derart ausge bildet ist, daß der magnetische Fluß der genanrtn Permanentmagnete
außer der genannten Antriebswicklung im wesentlichen kein weiteres elektrisch leitfähiges
und/oder Hysterese- und Wirbelstromverluste bewirkendes Material durchsetzen.
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Vorteile und Weiterbildungen Das erfindungsgemäße Kreiselgerät zeichnet
sich vor allem durch einen besonders einfachen Aufbau, hohe Funktionssicherheit
und eine große Genauigkeit aus. Die Herstellung der Kugel sowie deren Einspannung
mittels zweier Bolzen in den Stator läßt sich auch bei Serienfertigung ohne besonders
aufwendige justierungsarbeiten vornehmen und gewährleistet dennoch eine sehr exakte
und zentrische Lagerung des Rotors.
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Die Erzeugung des Antriebsdrehmomentes erfolgt kurz gesagt mit einem
'teisenlosen" Motor, welcher insbesondere in bekannter Weise als bürstenloser Gleichstrommotor
ausgelegt wird.
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Da der magnetische Fluß der Rotorpermanentmagnete auf dem Stator praktisch
kein elektrisch leitfähiges Material oder sonstige Verluste erzeugendes Material
durchsetzt, wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß bei Bewegungen des Rotors
um die Raumachsen durch den Motor keine unerwünschten und zu Fehlern führenden rückstellenden
Drehmomente auf den Rotor ausgeübt werden. Dies ist für die Genauigkeit des Kreiselgerätes
von ganz besonderer Bedeutung. Das erfindungsgemäße Kreiselgerät wird vorteilhaft
als inertialer Meßsensor verwendet, um in zwei zueinander senkrechten Richtungen
sowohl Winkelgesçhwindigkeiten als auch Beschleunigungen mit hoher Genauigkeit zu
erfassen. Ebenso kann das Kreiselgerät in bekannter Weise als rückgeführter Kreisel
eingesetzt werden.
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Eine weitere sehr wesentliche Anwendung bzw. Ausbildung ist im Stabilisierungskreisel
oder Schwungrad zu sehen, Derartige Stabilisierungskreisel dienen in der Raumfahrttechnik
zur Stabilisierung von Satelliten oder Raumfahrzeugen. Die erforderlichen Stell-
bzw. Reaktionsmomente werden mittels der genannten Wicklungen erzeugt, wobei aufgrund
des vorgesehenen kugelförmigen Tragkörpers Kardanrahmen nicht erforderlich sind.
Das Kreiselgerät weist weiterhin einen symmetrischen Aufbau bezüglich der durch
den Tragkörper mittelpunkt verlaufenden Radialebene auf. In einer bevorzugten Weiterbildung
ist die sphärische Aufnahmefläche des Rotors derart ausgebildet, daß keilförmige
Spalte zwischen dem Tragkörper und dem Rotor vorhanden sind. Damit wird gewährleistet,
daß das erforderliche Schmiermittel immer zur
Mitte der derart ausgebildeten
Lagerung gefördert wird und somit auch sehr große Lagerkräfte aufgenommen werden
können, ohne daß der erforderliche Schmierfilm abreißen kann. Verstärkt wird .dieser
Effekt vorzugsweise durch spiralförmige Rillen in den Aufnahmeflächen des Rotors.
Zur Vermeidung des Verlustes von Schmiermittel sind weiterhin auf Rotor und Stator
konzentrische Ringe angeordnet, welchChach Art der bekannten Labyrinthdichtungen
wirksam sind. Weiterhin zeichnet sich das Kreiselgerät durch besonders kleine Abmessungen
aus, wobei der Durchmesser des als eine Kugel ausgebildeten Tragkörpers nur wenige
Millimeter beträgt und der Durchmesser des im wesentlichen scheibenförmigen Rotors
in der Größenordnung von etwa 10 cm liegt. Der erforderliche Drall des Rotors wird
dabei durch entsprechend hohe Drehzahlen von etwa 50.000 Umdrehungen pro Minute
erreicht, welche mit dem angegebenen eisenlosen Motor ohne besondere Schwierigkeiten
und mit einem sehr guten Wirkungsgrad erreicht werden. tn einer bevorzugten Ausbildung
des Kreiselgerätes besteht der Rotor aus einem Werkstoff mit einem Ausdehnungskoeffizienten,
der größer ist als der des Tragkörpers. Der aus einer Scheibe bestehende Rotor wird
bei der Herstellung zunächst auf beiden Seiten mit zwei Einschnitten versehen, so
daß etwa ringförmige Ansätze gebildet werden. Die genanntenAnsätze werden bei tiefen
Temperaturen, beispielsweise unter Verwendung flüssiger Ruft, an den Tragkörper
angepreßt, so daß dann bei normalen Umgebungstemperaturen ohne weiteres die geforderten
Keilspalten zwischen Dràgkörper und Aufnahmefläche des Rotors vorhanden ist. Zur
Erzeugung der erforderlichen Drehmomente um die genannten Raumachsen befinden sich
auf dem Rotor Ringe oder Scheiben, welche aus elektrisch leitfähigem Material oder
aus in Richtung der Antriebsachse magnetisierten Permanentmagneten bestehen. Weiterhin
sind diesen Hingen auf dem Stator in bekannter Weise verschiedene elektrische Spulen
zugeordnet, welche in Abhängigkeit von Signalen geeigneter Sensoren von Strom durchflossen
werden. Diese Sensoren sind derart ausgebildet, daß die zum einen die Stellung des
Rotors bezüglich der Raumachsen und in einer bevorzugten Ausbildung die Bewegung,
d.h., die Geschwindigkeit des Rotors bezüglich der Raumachsen erfassen.
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In einer sehr vorteilhaften Ausbildung des Kreiseagerätes wird die
Antriebswicklung zur Erzeugung der gegenannten Drehmomente verwendet. Hierfür ist
die Antriebswicklung in wenigstens drei gleichmäßig verteilte Sektionen unterteilt,
welche über die Sensorsignale und eine Schaltvorrichtung entsprechend ansteuerbar
sind. Hierbei erfolgt die Ansteuerung jeweils zu den Zeitpunkten bzw. Winkelstellungen
des Rotors, bei welchen die entsprechenden Zweiter der Antriebswicklung zumindest
näherungsweise vor den Zwischenräumen benachbarter Permanentmagnete sich befinden.
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Ausführungsbeispiele Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in
der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführunsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen: Fig. 1 - einen schematischen Schnitt durch ein Kreiselgerät mit einer eingespannten
Kugel als Tragkörper Fig. 2 - einen Schnitt durch eine bevorzugte Lagerung Fig.
3 - eine Prinzipdarstellung des scheibenförmigen Rotors mit Permanentmagneten und
einer schematisch dargestellten Antriebswicklung.
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Das Kreiselgerät gemäß Fig. 1 enthält einen Rotor 1, welcher aus zwei
symmetrischen Scheiben 2, 3 zusammengesetzt ist und um die Antriebsachse 5 drehbar
gelagert ist, wobei eine Kugel 6 vorgesehen ist. Die Kugel 6 ist mittels Bolzen
7 8 in einem den Rotor umgebenden Stator 10 eingespannt und befestigt. Der Innenraum
des Stators ist weitgehend evakuiert zwecks Vermeidung von Gasreibungsverlusten
durch den sich schnelldrehenden Rotor. Der Rotor weist eine die genannte Kugel 6
teilweise umgebende Aufnahmefläche 11 auf, wobei ein sphärischer Spalt zwischen
der Kugel und der genannten Aufnahmefläche besteht. Die genannte Aufnahmefläche
11 ist dabei derart ausgebildet, daß der Spalt 12 von den beiden äußeren Kanten
14, 15 sich zur Symmetrieebene 16 hin verjüngt.
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oder anders gesagt als Keilspalt ausgebildet ist. Hierdurch wird in
bevorzugter Weise erreicht1 daß bei sich drehendem Motor das vorhandene Schmiermittel
immer in die Mitte der Lagerung zur Symmetrieebene/hln gefördert wird, wodurch sich
dort ein erhöhter Schmiermitteldruck ergibt. Auf dem Rotor bzw. Stator sind weiterhin
konzentrische und ineinander greifende Ausnehmungen bzw. Ringe 18 und 17 vorgesehen,
welche eine Labyrinthdichtung darstellen und ein Auslaufen von Schmiermittel verhindern.
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Der scheibenförmige Rotor enthält eine Anzahl Permanentmagnete 19,
welche in Richtung der Antriebsachse 5 magnetisiert sind, wobei in Umfangsrichtung
benachbarte Magnete jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind. Diesen Magneten sind
gegenüberliegend auf dem Stator Antriebswicklungen 20 zugeordnet, welche in bekannter
Weise nach Art eines bürstenlosen Gleichstrommotors angesteuert werden, um ein Antriebsdrehmoment
auf den Rotor um die Antriebsachse 5 zu erzeugen. Die Wicklungen 20 enthalten dabei
kein Eisen oder sonstiges elektrisch leitfähiges Material, so daß auch bei Auslenkungen
des Rotors keine rückstellenden Momente auf den Rotor erzeugt werden. Der Rotor
weist weiterhin Permanent-Magnetringe 22, 23 auf, welche in Richtung der Antriebsachse
5 magnetisiert sind und zusammen mit jeweils vier elektrischen Wicklungen 25, 26
Drehmomentenerzeuger bilden. Diese Wicklungen erstrecken sich über Winkelbereiche
von beispielsweise 70°. Wird beispielsweise die dargestellte Wicklung 25 von einem
Gleichstrom durchflossen, so ergibt sich im Zusammenwirken mit den Permanentmagnetringen
eine Kraft auf den Rotor, d.h., ein Stelldrehmoment um die Raumachse y.
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Wird ein entgegengerichtetes Drehmoment zu erzeugen sein, so ist die
gegenüberliegende Wicklung 26 entsprechend mit einem Strom zu beaufschlagen.Die
Größe der Stellmomente wird gesteuert über Lagesensoren 28, wobei auch hier mehrere
über den Umfang verteilt angeordnet sind. Findet eine Auslenkung des Rotors infolge
von Bewegungen einer Plattform oder eines sonstigen zu stabilisierenden Gegenstandes
statt, auf welchem das Kreiselgerät angeordnet ist, so rea--giert der Rotor mit
entsprechenden Auslenkungen um eine der beiden Raumachsen in bezug auf den Stator.
Signal wird verwertet,
um über bekannte Verstärker- und Regeieinrichtungen
einen entsprechenden Korrekturstrom auf eine der Wicklungen 25 zu geben, wobei die
Größe dieses Stromes bekanntlich ein Maß für die o.g. Bewegung darstellt.
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Eine bevorzugte Ausbildung der Lagerung des Rotors ist in Fig. 2 dargestellt.
Hierbei ist der Rotor zumindest in dem der Kugel 6 naheliegenden Bereich aus einem
Werkstoff hergestellt, dessen Ausdehnungskoeffizient größer ist als der der Kugel.
Auf beiden Seiten des aus einer einzigen Scheibe gefertigten Rotors sind konzentrische
Einschnitte 31, 32 vorhanden, so daß ringförmige Ansätze 35, 36 vorhanden sind,
welche die Kugel 6 teilweise umgeben. Ausgehend von der gestrichelt eingezeichneten
Form haben die genannten Ansätze durch Anpressen an die Kugel 6 die dargestellte
Form erhalten. Das Anpressen erfolgte mittels hier nicht dargestellten Preßwirkungen
von beiden Seiten her bei tiefen Temperaturen, insbesondere unter Verwendung flüssiger
Luft. Zuvor wurde die Kugel in die zylindrische Bohrung 38 eingebracht, welche in
Vergleich zum KugeldUrchmesser mit einem entsprechenden Übermaß ausgebildet war.
Aufgrund der gewählten Ausdehnungskoeffizienten von Rotor bzw. Kugel dehnt sich
der Rotor bei Erwärmung auf Raumtemperatur stärker aus, so daß auf diese einfache
Weise die gewünschten Keilspalten 33, 34 sich ergeben.
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Fig. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung in Blickrichtung A'auf das Kreiselgerät.
Die axial magnetisierten Permanentmagnete 19 des Rotors 1 weisen in Drehrichtung
abwechselnde Polarität auf, was durch die Buchstaben N und S angedeutet ist.
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Von der mehrphasigen Antriebswicklung ist lediglich eine Phase dargestellt,
welche aus vier Sektionen 40 bis 44 besteht. Diese Sektionen sind beispielsweise
als bekannnte Formspulen ausgebildet, welche normalerweise mittels einer Schalteinrichtung45
hintereinander geschaltet sind und über eine Kommutierungselektronik 46 in bekannter
Weise von Strom beaufschlagt werden, um ein Drehmoment um die Antriebsachse zu erzeugen.
Aufgrund der angegebenen Aufteilung in Sektionen ist es jedoch in vorteilhafter
Weise möglich, mittels der Antriebswicklung auch Drehmomente um die Raumachsen zu
erzeugen.
Befindet sich beispielsweise der Rotor bezuglich des Stators
bzw. Antriebswicklung in der gezeigten Stellung, so bewirkt beispielsweise ein Strom
I durch die Sektionen 42 die Kräfte F, d.h. ein Drehmoment um die Raumachse Z. Die
Größe des Stromes wird mittels des Reglers 47 in Abhängigkeit von den Signalen des
Sensors 28 vorgegeben. Es ist ersichtlich, daß mittels der Schalteinrichtung 45
nur in entsprechender Rotorstellung - wie oben angegeben - ein derartiger Strom
auf die Wicklung gegeben werden darf, während für die übrigen Stellungen in bekannter
Weise über die Eommutierungselektronik 46 auf die Wicklung gegeben wird. Insbet
sondere zur Feineinstellung des Rotors sind - wie bereits erläutert - mehrere Wicklungen
25 auf dem Stator angeordnet, welche mittels der Regel- und Verstärkereinrichtung
48 ansteuerbar sind.
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Eine bevorzugte Ausbildung des Kreiselgerätes ist geschaffen , wenn
die Anordnung gemäß Fig. 3 dahingehend modifiziertBwird, daß die Ringe 22, 23 und
gegebenenfalls auch die Sensoren 28 entfallen. Hierbei werden wie oben bereits ausgeführt
die jeweils diametral gegenüberliegenden Sektionen 40, 42 bzw. 41, 43 gemeinsam
angesteuert zur Erzeugung von Drehmomenten um die Achsen y bzw. z. Die Ansteuerung
erfolgt in Abhängigkeit der Signale der Sensoren 28 über die nachgeschalteten Verstärkereinrichtungen
28. Da bei sich drehendem Rotor mittels der Permanentmagnete 19 in den Sektionen
40 bis 43 Spannungen induziert werden, welche ein Maß für die momentane Stellung
des Rotors darstellen, können in vorteilhafter Weise auch diese Spannungen als Steuersignale
verwendet werden. Befinde sich beispielsweise aufgrund einer Verdrehung des Rotors
um die z Achse die Magnete 19 näher an der Sektion 42, so ist auch die in der Sektion
42 induzierte Spannung entsprechend größer als wenn keine Verdrehung vorhanden ist.
Die derart gewonnenen Spannungen bzw. Signale werden wiederum Regel- und Verstärkereinrichtungen
zugeführt, um die Sektionen entsprechend anzusteuern. Dies geschieht zweckmäßig
in einem Multiplex Betrieb, wobei in einem ersten Takt; mittels der Sektionen die
Verdrehun g aes Rotors gemessen und in einem zweiten Takt die Sektionen angesteuert
werden. Das Antriebsdrehmoment wird bevorzugt mittels zusätzlichen
Sektionen
50 erzeugt, welche um jeweils 456 verdreht bezüglich der genannten Sektionen 40
bis 43 angeordnet sind. Anstelle der gemäß Fig. 3 dargestellten acht Permanentmagnete
des Rotors sowie der genannten Sektionen können selbstverständlich auch andere Magnet-
bzw. Polzahlen vorgesehen sein, wobei jedoch wenigstens drei Sektionen erforderlich
sind, um die Drehmomente um die beiden Raumachsen zu erzeugen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausbildung des Kreiselgerätes wird vorgeschlagen,
die in den Sektionen 40 bis 43 induzierten Spannungen einem Phasenschieber 51 zuzuführen,
welcher eine Phasenverdrehung von etwa 900 el bewirkt, und über dessen Ausgangssignal
einem Verstärker 52 zuzuführen zum direkten Ansteuern der zugeordneten Sektion.
Die in den Sektionen induzierten Spannungen weisen nämlich einen etwa sinusförmigen
Verlauf auf, deren Maxima immer dann auftreten, wenn der Rotor gegenüber der in
Fig. 7 dargestellten; Stellung eine um 900 el verdrehte Stellung einnimmt. Mittels
der Phasenverdrehung um 900 wird somit erreicht, daß der mittels des Verstärkers
52 erzeugte Strom immer dann ein Maximum aufweist, wenn der Rotor die dargestellte
Position einnimmt.
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- Patentansprüche -