DE2811282C2

DE2811282C2 - Trägheitsschwungrad

Info

Publication number: DE2811282C2
Application number: DE2811282A
Authority: DE
Inventors: Pierre Le Pecq Yvelines Poubeau
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1977-03-15
Filing date: 1978-03-15
Publication date: 1984-11-15
Also published as: CH628472A5; FR2384174A1; GB1598122A; FR2384174B1; IT7848431A0; IT1105200B; DE2811282A1; JPS53114200A; CA1127233A; US4211452A

Description

Die Erfindung betrifft ein Trägheitsschwungrad, insbesondere für Satelliten, mit einem Stator und einem mittels passiven magnetischen Radiallagern und wenigstens einem aktiven elektromagnetischen Axiallager aufgehängten und zentrierten Rotor, dem ein Detektor für die axiale Verlagerungsgeschwindigkeit des Rotors zugeordnet ist, sowie mit einer Motor/Generator-Einrichtung.

Ein aus der DE-AS 25 00 211 bekanntes Trägheitsschwungrad der eingangs genannten Art weist neben den passiven Vorrichtungen zur radialen magnetischen Zentrierung aktive Vorrichtungen zur axialen mangetischen Zentrierung auf, für deren Steuerung stets zwei Fühler, nämlich ein Fühler für die axiale Stellung des Rotors sowie ein Fühler für die axiale Verlagerungsgeschwindigkeit des Rotors, vorgesehen sind. Die Ausgangssignale dieser beiden Fühler bzw. Detektoren sind einer Steuerelektronik zugeführt, in der diese Signale verarbeitet und jeweils aus den von beiden Fühlern abgegebenen Signalen ein Steuersignal gebildet wird. Der aktiven Vorrichtung zur axialen magnetischen Zentrierung wird auch dann Energie zugeführt, wenn sich der Rotor in seiner axialen Normalstellung befindet. Bei Ausfall der aktiven axialen Steuerung nimmt eines von zwei selbstschmierenden Anschlagslagern das eine oder das andere konische Ende der Rotorachse auf.

Aufgrund der gleichzeitig von der Rotorposition als auch von der Verlagerungsgeschwindigkeit des Rotors ausgehenden Steuerung der aktiven Vorrichtung zur axialen Zentrierung des Rotors ergibt sich bei dieser bekannten Anordnung einerseits ein großer technischer Aufwand, der zu einer relativ hohen Störungsanfälligkeit des Systems führen kann. Ferner kann unter Umständen eine in vielen Anwendungsfällen störende Rcgelungsungenauigkeit dadurch auftreten, daß sich bei Temperaturänderungen auch Veränderungen der Sollpositionen der Fühler relativ zu dem jeweils zu überwachenden Teil einstellen und derartige temperaturbedingte Lageänderungen stets auch eine Änderung des Ausgangssignals des Positionsfühiers und somit eine Feldsteuerung bewirken.

Abgesehen davon, daß Positionsfühler einen recht aufwendigen und komplizierten Aufbau besitzen, führt die Verwendung eines solchen Positionsfühlers an sich auch zu einem beträchtlichen elektronischen Aufwand,

to da ein verwertbares, von der Drehgeschwindigkeit des Rotors unabhängiges Lagesignal von mehreren primären, unmittelbar vom Positionsfühler abgegebenen Signalen abgeleitet werden muß. Insbesondere ist bei einem derartigen Trägheitsschwungrad zu Regelzwecken stets auch ein Dauerstrom erforderlich, was sich dann ungünstig auswirkt, wenn anwendungsbedingt nur wenig Energie zur Verfügung steht, wie dies beispielsweise bei Satelliten stets der Fall ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Trägheitsschwungrad der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß bei einfachem Aufbau und möglichst geringem Energieverbrauch eine zuverlässige und insbesondere auch von Temperaturänderungen unabhängige Funktion gewährleistet ist

Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Magnetisierungsströme des elektromagnetischen Axiallagers ausschließlich von dem Detektor für die axiale Veriagerungsgeschwindigkeit gesteuert sind. Aufgrund dieser Ausbildung muß dem elektromagnetischen Axiallager stets nur dann Energie zugeführt werden, wenn sich der Rotor aus seiner axialen Normalstellung entfernt. Die Zufuhr eines Dauerstroms, wie dies bei der Verwendung eines Positionsdetektors der Fall ist, ist hier nicht mehr erforderlich. Von besonderem Vorteil ist auch, daß die ausschließliche Verwendung eines Detektors für die axiale Verlagerungsgeschwindigkeit in der Praxis zu einer beträchtlichen Verringerung der Störungsanfälligkeit führt und insbesondere auch Temperaturänderungen praktisch keinen Einfluß mehr auf die Genauigkeit der Steuerung bzw. Regelung haben.

Abgesehen davon, daß derartige Detektoren für die Verlagerungsgeschwindigkeit einen relativ einfachen Aufbau besitzen, ist im Hinblick auf einen möglichst geringen Aufwand an Elektronik weiter von Vorteil, daß bei einem solchen Detektor für die Verlagerungsgeschwindigkeit beispielsweise die in einer Spule erzeugte elektromotorische Kraft unmittelbar als Ausgangssignal bzw. Steuersignal verwendet werden kann.

Aus Sicherheitsgründen ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß das elektromagnetische Axiallager und/ oder der Detektor für die axiale Verlagerungsgeschwindigkeit neben einer Hauptspulenanordnung jeweils eine zusätzliche redundante Spulenanordnung umfassen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante wird bei als Generator arbeitendem Trägheitsschwungrad die Energie zur Steuerung des elektromagnetischen Axiallagers der kinetischen Energie des Rotors entnommen.

bo Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert: in dieser zeigt

F i g. 1 einen axialen Halbschnitt eines Trägheitsschwungrades in einer bevorzugten Ausführungsform,

b> F i g. 2 eine schematische Darstellung des Motorieils des in F i g. 1 wiedergegebenen Trägheitsschwungrades, F i g. 3 ein Diagramm, das den Verlauf bzw. das Aussehen der von Detektoren der Koinmutationsaugenblik-

ke der Spulengruppen des Motorteils abgegebenen Signale nach der Dekodicrung wiedergibt,

Fig.4 eine Detailansicht,die in schematischcr Weise perspektivisch die spezielle Anordnung <:ines Teils der Motorwicklung wiedergibt, wobei die Schraffierungen lediglich dazu dienen, die verschiedenen Spulen der Wicklung voneinander unterscheidbar zu machen,

F i g. 5 eine Teil-Schnittansicht des Wickiungsteüs aus Fig. 4,

F i g. 6, fiA, 6B und 6C erläuternde Schemata, die jeweils das Vorüberlaufen der Rotormagneten an der Statorwicklung, das typische Aussehen der an den Spulengruppen erzeugten gegenelektromotorischen Kraft und die Art der !Commutation des Motors für die Erzielung einer Drehung entweder im direkten oder im hierzu entgegengesetzten Drehsinn zeigen, und

F i g. 7 ein Überblicksschema, das die Steuerschaltungen der Motorwicklung wiedergibt.

Es wird im folgenden ein Trägheitssci/wungrad für einen Satelliten beschrieben, das sich in zwei Drehrichtungen drehen kann, d. h. also ein Trägheitsschwungrad, das als Reaktionsrad ausgebildet ist.

Das im axialen Halbschnitt in F i g. 1 wiedergegebene Trägheitsschwungrad umfaßt im wesentlichen einen sich um die Achse ^'drehenden Rotor 1, einen Stator 2 mit der Statorwicklung 13, einen Kommutator iO, sowie ein Basisteil 3 und ein Gehäuse 4. Der Rotor t, wird von oberen und unteren passiven magnetischen Radiallagern 5 und 6 sowie von einem aktiven elektromagnetischen Axiallager 7 getragen. Ferner sind obere und untere mechanische Sicherheitslager 8 und 9 und ein Gehäuse 11 für die Elektronik vorgesehen. Diese Sicherheitslager werden vorteilhafterweise von Kugellagern gebildet, die vom Rotor 1 getragen werden und mit geeigneten Elementen des Stators unter gewissen besonderen Bedingungen, beispielsweise beim Ein- oder Ausschalten der magnetischen Zentrieranordnungen in Anlage kommen können.

Das beispielsweise als Reaktionsrad eingesetzte Trägheitsschwungrad kann in zwei Drehrichtungen von der Geschwindigkeit Null bis zu einer mäßig hohen Maximalgeschwindigkeit in der Größenordnung von 3000 Umdrehungen pro Minute gesteuert werden, wobei das kinetische Moment (H) sich von 0,1 bis mehreren hundert Nms ändern kann, während die Masse, die in der Größenordnung von 2 kg für 1 Nms ist, in Abhängigkeit vom kinetischen Moment wächst. Darüber hinaus werden die Verluste im Bereich der Lager durch die Verwendung der Magnetlager auf ein Minimum gesenkt.

Der Rotor 1 weist einen Ring 17 mit Magneten 14 mit radial gerichteter, wechselnder Polarität und ferromagnetische Ringe 15 und 16 auf, die den magnetischen Fluß schließen, der durch den Luftspalt hindurch verläuft.

Das Trägheitsmoment des Rotors 1 ist vorteilhafterweise durch eine veränderbare Masse 12 einstellbar.

Wie sich aus den F i g. 2, 4 und 5 ergibt, sind bei der Statorwicklung 13 die einzelnen Wicklungsdrähte, deren aktive Teile »1« zugleich parallel und axial gerichtet auf einem Umfang mit dem Radius R angeordnet sind, in Form von Spulen ausgebildet, die von Paaren einer Gruppe von »ansteigenden« Einzeldrähten und einer Gruppe von »absteigenden« Einzeldrähten gebildet sind. Diese Spulen sind im übrigen untereinander in Spulengruppen in einer Weise verbunden, die von der Zahl der Magnetpole /;p(Paar) abhängt, wobei die Zahl

der Spulen nb beispielsweise durch die Relation ·—- ge-

geben sein kann, d. h. daß dreimal npli Spulen miteinander in Reihe geschaltet sind.

Die Magnete 14 sind ihrerseits ringförmig am Joch 16 so angeordnet, daß ihre Verteilung und ihre Polarität 14/V, 14S, \AN ... so beschaffen ist, daß sie sich bei jedem Magnetschritt Pm umkehrt, daß im übrigen ihre Größe gleich einem Polschritt Pp ist und daß der sich ergebende Abstand gleich PpIl ist, was zu der Beziehung Pm = Z PpIl führt.

ίο Gleichzeitig haben die »ansteigenden« und »absteigenden« Einzeldrähte einer jeden Spule eine Größe PpIl und das Ineinandergreifen der Spulen ergibt ein elektrisches Schema, das in F i g. 2 wiedergegeben ist. Auf diese Weise kann die Folge von Spulengruppen in Fig.2 von links nach rechts gemäß folgender Reihenfolge gelesen werden: 1, 3', 2, Γ, 3, T, 1, 3'... oder von rechts nach links gemäß einer hierzu inversen Reihenfolge, wobei darauf hinzuweisen ist, daß die elektrischen Ausgänge der Spulen sternförmig angeordnet sind.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die Magnete zueinander starr am Joch 16 zu befestigen sind.

Die eigentliche Funktion des Motors wird auf die im folgenden zu beschreibende Weise erzielt; bei dieser Beschreibung wird auf die oben erwähnten Schemata Bezug genommen und werden als Basis die folgenden Werte verwendet, die für ein Reaktionsrad mit einem kinetischen Moment H = 2 Nms zu treffen, das von H = 1 Nms bis H = 5 Nms durch Änderung der Masse 12 am Läuterring 17 anpaßbar ist.

Drehmoment

Masse

= ±0,1 Nm
<4kg
- 0,1085 m
= 85.10-" m
= 0,3 T

U W

np nb

Pm Pp

(Magnetfeld)

(im Luftspalt e)

= ±330 rad/s (3160 U/min)

= 24 V

= 50 Watt

(33 W Motor + 17 W Hilfsgeräte)
= 12 (N - S abwechselnd) Pole

3 · 12
= —— = 18 Spulen

360/12 = 30°
Pm/3 = 30/3

10^c

Für das gewünschte Drehmoment /⁷VOn 0,1 Nm wird die erforderliche Kraft Fgegeben durch

0,1Nm
0,108 m

IN.

Somit muß der durch die aktiven, im Magnetfeld angeordneten Einzeldrähte fließende Strom gegeben sein 5^r> durch

0,1 N

A =

0,108 m -85 · 10~⁴mO_?3T
und die entsprechende abgegebene Leistung ist:

W = 0,1 Nm · 330 rad/s = 33 Watt.

Λ Ampere

Da andererseits die sich bewegende aktive Länge der Einzeldrähte in jeder aus acht Spulen bestehenden b5 Gruppe durch die Beziehung

IN

0,3 T · 4 Amp

0,8 m,

gegeben ist, ergibt sich, daß die aktive Gesamtlänge gleich 0,8 · 3 = 2,40 m, die aktive Länge pro Spule gleich 0,8/8 = 0,1 m, die Zahl der Einzeldrähte gleich 0,1/0,0085 = 12 und schließlich die Zahl der Wicklungen pro Spule gleich 12/2 = 6 sein muß.

Die !«Commutation des Stroms auf die Spulengruppen erfolgt (siehe F i g. 1 und 2) mit Hilfe von zwei Hauptdetektoren 18 und 19, die durch zwei redundante Detektoren 20 und 21 vervollständigt werden und die alle einem Ring 22 des Kommutators 10 zugeordnet sind, der mit dem Rotor 1 verbunden und mit Aussparungen bzw. Fenstern 22/4 versehen ist, deren Wirkungsweise im folgenden beschrieben wird.

In erster Linie ist die räumliche Anordnung dieser Elemente, die in F i g. 2 dargestellt ist, so. daß jedes Fenster 22A der Umschaltung eine Größe Ppl2 besitzt und daß diese Fenster 22/4 voneinander um eine Größe Pp voneinander beabstandet sind, während die Hauptdetektoren 18 und 19 einerseits sowie die redundanten Detektoren 20 und 21 andererseits voneinander um PpIl beabstandet sind und die Detektoren 19 und 20 zwischen sich den Abstand Pp aufweisen.

Auf diese Weise laufen, wie dies in F i g. 6 dargestellt ist, die Magnete 14Λ/, 14S,... an der Wicklung 13 vorbei, deren Spulengruppen öl, 52, S3 jeweils die Einzeldrähte 1 —Γ, 2—2', 3—3' tragen, während die an den Anschlüssen der Spulengruppen erscheinende gegenelektromotorische Kraft gemäß den Kommutationsaugenblicke unterbrochen werden muß, deren Signale von den Hauptdetektoren 18 und 19 erzeugt werden.

Diese Hauptdetektoren 18 und 19 liefern tatsächlich rechtecksimpulsförmige Signale, deren Verlauf nach der Dekodierung in F i g. 3 bei A für den Detektor 18 und bei B für den Detektor 19 dargestellt ist. Um dies zu erzielen, moduliert eine geeignete Elektronik (nicht dargestellt) die Rechtecksimpulse in der im folgenden beschriebenen Weise.

Generatoren 25 und 26 bzw. 27 und 28 (siehe auch F i g. 7) für eine Frequenz von 1 MHz, die in Gehäusen 31 und 32 enthalten sind, versorgen die Detektoren 18 und 19 bzw. 20 und 21, deren Selbstinduktionsspule 22ß (siehe F i g. i und 2) sich über den sich drehenden, mit Aussparungen versehenen Ring 22 in der Weise schließt, daß die sich beim Vorhandensein der Fenster 22Λ ergebende Änderung des Gütefaktors zu Signalen führt, deren Verlauf in den F i g. 6B und 6C wiedergegeben ist.

Diese Signale werden hierauf durch die Elemente 29 und 30 gleichgerichtet und gefiltert und hierauf in logische Steuerbefehle umgewandelt, die an Halbleiter-Leistungskommutatoren 23 und 24 angelegt werden können, die die Spulengruppen B !, B 2 und S3 steuern.

Hinsichtlich der F i g. 6 und 6A kann festgestellt werden, daß die in den Spulengruppen Bi, B2, B3 erzeugte gegenelektromotorische Kraft ein typisches trapezförmiges Aussehen besitzt, das auf der speziellen relativen Anordnung der Spulen und der Magnete beruht

Dementsprechend bewirkt ein Spannungsanlegen an die Spulen mit einer geeigneten Kommutation, daß sich die Magnete in Bewegung setzen, und die Richtung dieser Bewegung hängt von der Kommutationsordnung bzw. Kommutationsreihenfolge des in den Spulengruppen fließenden Stromes ab. Erfolgt also die Kommutation in der Weise, daß die Reihenfolge, in der die Schaltkreise geöffnet werden, zu einer Folge Q —- Si, C₂ — B₂, C-* B₃ (F i g. 6N) führt, so erfolgt die Rotation im direkten Drehsinn SD (von rechts nach links).

Ist im Gegensatz hierzu die Reihenfolge des öffncns der Schaltkreise gegeben durch C\ —· B, C2 —> S3. G —> Si (F i g. 6C), so erfolgt die Drehung im umgekehrten Drehsinn 5/(von links nach rechts) aufgrund einer zyklischen Permutation der Steuerbefehle.
Die Umkehrung des Drehsinns oder, gegebenenfalls, die Steuerung auf die Geschwindigkeit Null erfolgen ausgehend von einem Gehäuse 33, das mit den Eingängen a 1, a 2, b 1 und b 2 verbunden ist und Lenkbefehle von einer nicht dargestellten Lenkzentrale erhält.

Bei einer Steuerung in nur einem Drehsinn, beispielsweise bei einer Verwendung des Trägheitsschwungrades als kinetisches Rad können elektrische Brücken zwischen den Eingängen a 1, a 2 und b\, b2 angebracht werden. Es sei im übrigen darauf hingewiesen, daß das Gehäuse 32 in Redundanz zum Gehäuse 31 vorgesehen ist,

Die Aufhängung des Rotors 1 ist in radialer Richtung gemäß Fig. 1 durch konzentrische Magnetringe sichergestellt, die die oberen und unteren passiven magnetisehen Radiallager 5 und 6 bilden, während die axiale Zentrierung durch das aktive elektromagnetische Axiallager 7 und einen diesem zugeordneten Detektor 55 für die axiale Verlagerungsgeschwindigkeit des Rotors 1 gewährleistet ist.

Gemäß Fig. 1 umfaßt das aktive elektromagnetische Axiallager 7 auf der Rotorseite einen ringförmigen Magneten 54 mit einem radialen Magnetfeld und auf der Statorseite eine Hauptspulenanordnung aus zwei konzentrischen Spulen 50 und 52 und eine redundante Spulenanordnung aus zwei redundanten konzentrischen Spulen 51 und 53.

Die Magnetfelder der Magnete schließen sich, wie dies durch den Pfeil in F i g. 1 angegeben ist und die Spulen arbeiten in der Weise, daß sie ihr Magnetfeld in einem geeigneten Sinn dem Magnetfeld der Magnete überlagern, was aufgrund der vom Detektor 55 für die axiale Verlagerungsgeschwindigkeit abgegebenen Signale geschieht, der im folgenden noch beschrieben werden soll.

Dieser Detektor 55 für die axiale Verlagerungsgeschwindigkeit des Rotors umfaßt einen Kranz aus Magneten 56 mit radialem Magnetfeld, der mit dem Rotor fest verbunden ist. Dieses Magnetfeld schließt sich über ein Magnetjoch 57, wobei eine Hauptspulenanordnung 58 und eine redundante Spulenanordnung 59, die fest mit dem Stator verbunden sind, in diesem Magnetfeld in der Weise angeordnet sind, daß jede axiale Verschiebung der Magnete 56 bezüglich der Spulenanordnungen 58—59 Geschwindigkeitssignale erzeugt, die in einem geeigneten Richtungssinn einer im Gehäuse 11 untergebrachten Steuerelektronik für das elektromagnetische Axiallager 7 zugeführt werden, das dann die festgestellten axialen Abweichungen korrigiert.

Die von dem Detektor 55 für die axiale Verlagerungsgeschwindigkeit erzeugten elektrischen Signale liegen in der Größenordnung von 20 Voit/m/s, wobei die axiale Steifigkeit der Steuer- bzw. Regeleinrichtung in der Größenordnung von 300 · 10³ Nm ist

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Trägheitsschwungrad, insbesondere für Satelliten, mit einem Stator und einem mittels passiven magnetischen Radiallagern und wenigstens einem aktiven elektromagnetischen Axiallager aufgehängten und zentrierten Rotor, dem ein Detektor für die axiale Verlagerungsgeschwindigkeit des Rotors zugeordnet ist, sowie mit einer Motor/Generator-Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsströme des elektromagnetischen AxiaMagers (7) ausschließlich von dem Detektor (55) für die axiale Verlagerungsgeschwindigkeit gesteuert sind.

2. Trägheitsschwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Axiallager (7) und/oder der Detektor (55) für die axiale Verlagerungsgeschwindigkeit neben einer Hauptspulenanordnung (50, 52; 58) jeweils eine zusätzliche redundante Spulenanordnung (51, 53; 59) umfassen.

3. Trägheitsschwungrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei als Generator arbeitendem Trägheitsschwungrad die Energie zur Steuerung des elektromagnetischen Axiallagers (7) der kinetischen Energie des Rotors (1) entnommen ist.