DE2842205A1

DE2842205A1 - Satellite stabilising wheel with rotor containing flywheel - has rotor magnetic bearing controlled by both permanent magnet and electromagnetic coils

Info

Publication number: DE2842205A1
Application number: DE19782842205
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Hammer; Dieter Ing Grad Rapp; Rainer Dipl Ing Sindlinger; Peter Zieschank
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1978-09-28
Filing date: 1978-09-28
Publication date: 1980-04-17

Abstract

The satellite stabilising wheel consists of the outer flywheel (1) and an inner rotor (6), joined to the former by radial arms(4). The stator is fixed to the base(30) and consists of radially aligned forks(14, 15) enclosing two pole pieces(20, 21), with a permanent magnet (24) between them. The outer faces of the pole pieces (20, 21) oppose the inner rim of the rotor (6), with air spaces (28, 29) between them. Coils (26, 27) of an electromagnet are wound around each fork (14, 15). The rotor is stabilised by the permanent magnet (24) against axial and tilting movements, and by the electromagnet coils against radial movements. The stabilising system contains also a motor-generator set.

Description

Die Erfindung bezieht sich gemäß Oberbegriff des Patent-The invention relates according to the preamble of the patent

anspruchs auf ein aus der DE-OS 25 00 211 bekanntes Schwungrad oder Reaktionsrad. Derartige Schwungräder oder Reaktionsräder werden in der Raumfahrttechnik insbesondere zur Stabilisierung von Satelliten eingesetzt und zwar zur Erzeugung von Reaktionsmomenten aufgrund von Drehzahländerungen oder zur Erzeugung einer definierten Bezugsrichtung aufgrund eines im wesentlichen konstanten Drehimpulses. Weiterhin werden derartige Schwungräder zur Energiespeicherung bzw. Rückgewinnung eingesetzt. In allen Anwendungsfällen ist die Ausbildung der Rotorlagerung im Hinblick auf Lebensdauer, Leistungsverbrauch und Belastbarkeit von entscheidender Bedeutung. Bei dem aus der DE-OS 25 00 211 bekannten Schwungrad ist daher der die Schwungmasse aufweisende Rotor mittels einer magnetischen Lagereinrichtung berührungsfrei gelagert. Hierbei erfolgt in Richtung der Drehachse eine aktiv geregelte Rotorstabilisierung, wobei mittels geeigneten Positionssensoren die axiale Rotorposition erfaßt wird und über Regeleinrichtungen sowie elektrische Spulen entsprechende Kräfte in axialer Richtung auf den Rotor einwirken. Die übrigen Freiheitsgrade werden passiv stabilisiert. Der Aufbau dieser Lagereinrichtung ist recht aufwendig, wobei im Bereich der Drehachse eine Vielzahl von Bauteilen vorhanden ist. Darüber hinaus besteht in der Raumfahrttechnik die Forderung, ein hohes Verhältnis von Rotorträgheitsmoment zur Rotormasse bzw. zur Gesamtmasse zu erreichen.claim to a known from DE-OS 25 00 211 flywheel or Reaction wheel. Such flywheels or reaction wheels are used in space technology used in particular for the stabilization of satellites, namely for generation of reaction torques due to changes in speed or to generate a defined one Reference direction due to an essentially constant angular momentum. Farther such flywheels are used for energy storage or recovery. In all applications, the design of the rotor bearing is important with regard to service life, Power consumption and resilience are of crucial importance. The one from the DE-OS 25 00 211 known flywheel is therefore the one having the flywheel The rotor is supported without contact by means of a magnetic bearing device. Here an actively controlled rotor stabilization takes place in the direction of the axis of rotation, whereby the axial rotor position is detected by means of suitable position sensors and via Control devices and electrical coils corresponding forces in the axial direction act on the rotor. The other degrees of freedom are passively stabilized. The construction of this storage device is quite complex, in the area of the axis of rotation a large number of components are present. It also exists in space technology the requirement to have a high ratio of rotor moment of inertia to rotor mass or to achieve the total mass.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand ein Schwungrad zu schaffen, welches eine exakte und sichere Stabilisierung des Rotors gewährleistet und die Anforderungen der Raumfahrttechnik erfüllt.The invention is therefore based on the object with little effort to create a flywheel, which an exact and safe stabilization of the rotor guaranteed and meets the requirements of space technology.

Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.This object is given by the one specified in the first claim Features solved.

Das erfindungsgemäße Schwungrad zeichnet sich durch einen einfachen konstruktiven Aufbau aus, ist ohne besonderen Aufwand in der erforderlichen Präzision herstellbar und weist ein sehr hohes Verhältnis von Trägheitsmoment zur Gesamtmasse auf. Von besonderem Vorteil ist die Ausbildung der magnetischen Lagereinrichtung, welche in den radialen Richtungen eine aktiv geregelte Stabilisierung und in der axialen Richtung sowie um die Raumachsen eine hinreichend steife Stabilisierung des Rotors bewirkt. Die Lagereinrichtung und insbesondere der Rotorring weisen in Richtung der Drehachse eine geringe Bauhöhe auf, so daß. auch der Rotor entsprechend flach ausgebildet ist und ein hohes Trägheitsmoment um die Hauptträgheitsachse aufweist. Mittels der flachen Grundplatte ist in vorteilhafter Weise eine definierte Aufnahme und Befestigung sämtlicher Statorkomponenten des Schwungrades gewährleistet, wobei ohne besondere Schwierigkeiten die erforderliche Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht erreicht wird.The flywheel according to the invention is characterized by a simple one constructive structure, is without any special effort in the required precision manufacturable and has a very high ratio of moment of inertia to total mass on. The design of the magnetic bearing device is particularly advantageous, which in the radial directions an actively controlled stabilization and in the axial direction and around the spatial axes a sufficiently rigid stabilization of the rotor causes. The bearing device and in particular the rotor ring have in Direction of the axis of rotation has a low overall height, so that. also the rotor accordingly is flat and has a high moment of inertia about the main axis of inertia. A defined receptacle is advantageously provided by means of the flat base plate and fastening of all stator components of the flywheel ensured, wherein provides the required rigidity and strength without any particular difficulty low weight is achieved.

Die magnetische Lagereinrichtung enthält in einer bevorzugten Ausführungsform Ringe mit Ansätzen, auf welche die Spulen aufgeschoben sind und welchen sektorförmige Polschuhe zugeordnet sind. Mittels eines Stützringes wird eine exakte Ausrichtung der Polschuhe bzw. deren Polflächen zu den Polflächen des Rotorringeserreicht. Zwischen den ringförmigen Polflächen ist ein im wesentlichen homogenes radiales Magnetfeld vorhanden. In axialer Richtung zwischen den Polschuhen befinden sich rechteckförmige axial magnetisierte Permanentmagnete, welche kostengünstig herstellbar sind und durch welche in einfacher Weise das homogene radiale Magnetfeld erzeugt wird. Die Schwungmasse ist am äußeren Umfang des Rotors angeordnet und ist bevorzugt mittels Speichen mit einer den Rotorring aufnehmenden Nabe verbunden. Da die magnetischen Feldlinien der Permanentmagnete und Spulen den weichmagnetischen Rotorring im wesentlichen in radialer und axialer Richtung - also nicht in Umfangsrichtung - durchdringen, weist der Rotorring einen geringen Querschnitt und eine geringe Masse auf. Es ist weiterhin im Hinblick auf ein hohes Trägheitsmoment des Rotors von Bedeutung, daß der Rotorring bzw. die Schwungmasse die übrigen Teile der Lagereinrichtung umgeben und somit zur Drehachse einen großen Abstand aufweisen. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind Stützring und Rotorring bzw. ein mit diesem verbundenes Bauteil derart ausgebildet, daß eine mechanische Notlagerung geschaffen ist bzw. eine Begrenzung von Rotorbewegungen erreicht wird. Hierbei werden die einander zugeordneten Flächen von Stützring oder Rotorbauteil aus Werkstoffen mit guten Gleiteigenschaften hergestellt oder es werden geeignete Kugel- oder Wälzlager vorgesehen. Die gleiche Wirkung kann auch mittels Kugellagern zwischen der Nabe bzw. einem mit der Nabe verbundenen Rotorteil und dem Stator oder der Grundplatte erreicht werden. Die genannten Notlagerungen oder Begrenzungen bewirken in vorteilhafter Weise den Rotorbewegungen entgegengerichtete Rückstellkräfte bzw. Momente. Darüber hinaus ist hierdurch ein stabiler mechanischer Anschlag geschaffen, um bei großen Belastungen insbesondere beim Start des Satelliten und Vibrationen die Rotorbewegungen zu begrenzen. Zusätzliche Vorrichtungen zur Arretierung bzw. zum Freigeben der Schwungmasse bezüglich des Stators sind nicht erforderlich. In einer bevorzugten Ausführungsform sind im Bereich der Polflächen entweder auf dem Rotorring und/oder auf den Polschuhen Dämpfungsringe aus elektrisch leitendem Material vorgesehen, um insbesondere Kippbewegungen des Rotors um die zur Drehachse senkrechten Achsen zu dämpfen.In a preferred embodiment, the magnetic bearing device contains Rings with approaches on which the coils are pushed and which are sector-shaped Pole shoes are assigned. An exact alignment is achieved by means of a support ring the pole shoes or their pole faces to the pole faces of the rotor ring. Between the annular pole faces is a substantially homogeneous radial magnetic field available. In the axial direction between the pole pieces there are rectangular ones axially magnetized permanent magnets, which are inexpensive manufacturable and through which the homogeneous radial magnetic field is generated in a simple manner will. The flywheel is arranged on the outer circumference of the rotor and is preferred connected by means of spokes to a hub receiving the rotor ring. Since the magnetic Field lines of the permanent magnets and coils essentially form the soft magnetic rotor ring penetrate in the radial and axial direction - i.e. not in the circumferential direction, the rotor ring has a small cross-section and a low mass. It is furthermore, with regard to a high moment of inertia of the rotor, it is important that the rotor ring or the flywheel surround the remaining parts of the bearing device and thus have a large distance to the axis of rotation. In an advantageous embodiment support ring and rotor ring or a component connected to it are designed in such a way that that a mechanical emergency storage is created or a limitation of rotor movements is achieved. Here, the mutually associated surfaces of the support ring or Rotor component made of materials with good sliding properties or there are suitable ball or roller bearings are provided. The same effect can also be achieved by means of Ball bearings between the hub or a rotor part connected to the hub and the stator or the base plate. The mentioned emergency storage or Limitations bring about the rotor movements in an advantageous manner Restoring forces or moments. In addition, this makes a more stable mechanical Stop created to withstand heavy loads, especially when starting the satellite and vibrations to limit rotor movements. Additional devices for Locking or releasing the flywheel with respect to of the stator are not required. In a preferred embodiment are in the range of Pole faces either on the rotor ring and / or on the pole pieces damping rings Made of electrically conductive material, in particular to prevent tilting movements of the Rotor to dampen the axes perpendicular to the axis of rotation.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und Ausführungsbeispielen.Further advantages result from the subclaims and exemplary embodiments.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen Fig. 1 - einen axialen Schnitt durch ein Schwungrad, wobei die Schnittebenen der linken und rechten Zeichnungshälften um etwa 450 gegeneinander versetzt sind, Fig. 2 - einen Querschnitt durch die statorseitigen Teile der magnetischen Lagereinrichtung entlang der Linie II gemäß Fig. 1, Fig. 3, 4 - axiale Teilschnitte von mechanischen Notlagerungen zwischen Rotorring und Stützring, Fig. 5 - einen axialen Teilschnitt eines Schwungrades mit Kugellagern kleinen Durchmessers an der Nabe, Fig. 6 - einen axialen Teilschnitt eines Schwungrades mit einer Notlagerung innerhalb einer Bohrung einer Achse.The invention is based on the exemplary embodiments shown in the drawing explained. 1 shows an axial section through a flywheel, wherein the cutting planes of the left and right halves of the drawing by about 450 against each other are offset, Fig. 2 - a cross section through the stator-side parts of the magnetic Bearing device along the line II according to FIGS. 1, 3, 4 - partial axial sections of mechanical emergency bearings between the rotor ring and the support ring, Fig. 5 - a axial partial section of a flywheel with small diameter ball bearings on the Hub, Fig. 6 - an axial partial section of a flywheel with an emergency bearing within a hole of an axis.

Gemäß Fig. 1 enthält das Schwungrad am äußeren Umfang eine ringförmige Schwungmasse 1, welche um eine Drehachse 2 bezüglich eines Stators 3 drehbar angeordnet ist. Die Schwungmasse 1 ist mittels Speichen 4 mit einer radial innen liegenden Nabe 5 verbunden, deren Durchmesser etwa halb sa groß ist wie der der Schwungmasse 1.According to Fig. 1, the flywheel includes an annular on the outer periphery Flywheel mass 1, which is arranged to be rotatable about an axis of rotation 2 with respect to a stator 3 is. The flywheel 1 is by means of spokes 4 with a radially inner one Hub 5 connected, the diameter of which is about half as large as that of the flywheel 1.

Der derart aufgebaute Rotor 7 enthält einen Rotorring 6, welcher auf der Innenfläche der Nabe 5 angeordnet ist. Der Rotorring 6 weist radial gerichtete Schenkel 8, 9 und Polflächen 10, 11 auf. Der Rotorring 6 besteht aus einem weichmagnetischen Material und weist einen im wesentlichen u-förmigen Querschnitt auf. Der Rotorring kann auch noch zwischen den Schenkeln einen axial magnetisierten Permanentmagnetring (nicht dargestellt) enthalten. Weiterhin kann der Rotorring 6 auch unmittelbar auf der Innenfläche der Schwungmasse 1 angeordnet sein. Dem Polring 6 sind innen Polbleche 14, 15 der magnetischen Lagereinrichtung zugeordnet. Die Polbleche sind in zwei Radialebenen angeordnet und enthalten jeweils einen Ring 16, 17 mit radial gerichteten Ansätzen 18, 19 und sektorförmige Polschuhe 20, 21 mit ringförmigen Polflächen 22, 23. Aus Figur 2 ist ersichtlich, daß jeweils vier um 900 in Umfangsrichtung versetzte Ansätze 18, 19 sowie Polschuhe 20, 21 vorgesehen sind, wobei zwischen den Polflächen ringförmige Radialluftspalte 28, 29 vorhanden sind. Zwischen den Polschuhen 20, 21 befindet sich jeweils ein rechteckförmiger, axial magnetisierter Permanentmagnet 24 sowie ein Stützring 25. Auf jeden der genannten Ansätze 18, 19 ist eine Spule 26, 27 aufgeschoben, welche in radialer Richtung gesehen einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Mittels des Stützringes 25 wird eine sehr genaue Ausrichtung der zugeordneten Polflächen 10, 11 und 22, 23 gewährleistet.The rotor 7 constructed in this way contains a rotor ring 6, which on the inner surface of the hub 5 is arranged. The rotor ring 6 has radially directed Legs 8, 9 and pole faces 10, 11. The rotor ring 6 consists of a soft magnetic one Material and has a substantially U-shaped cross section. The rotor ring can also have an axially magnetized permanent magnet ring between the legs (not shown) included. Furthermore, the rotor ring 6 can also directly be arranged on the inner surface of the flywheel 1. Pole plates are inside the pole ring 6 14, 15 assigned to the magnetic bearing device. The pole plates are in two Arranged radial planes and each contain a ring 16, 17 with radially directed Approaches 18, 19 and sector-shaped pole pieces 20, 21 with annular pole faces 22, 23. From Figure 2 it can be seen that four each offset by 900 in the circumferential direction Approaches 18, 19 and pole shoes 20, 21 are provided, with between the pole faces annular radial air gaps 28, 29 are present. Between the pole pieces 20, 21 there is a rectangular, axially magnetized permanent magnet 24 and a support ring 25. On each of the above-mentioned lugs 18, 19 is a coil 26, 27, which, viewed in the radial direction, have a rectangular shape Have cross-section. A very precise alignment is achieved by means of the support ring 25 the associated pole faces 10, 11 and 22, 23 guaranteed.

Der magnetische Fluß der Permanentmagnete 24 durchdringt die Polschuhe 20, 21, Luftspalte 28, 29, in welchen weitgehend homogene Magnetfelder vorhanden sind sowie die Schenkel 8, 9 des Rotorringes 6. Zwischen den Schenkeln 8, 9 verläuft der magnetische Fluß im Rotorring 6 in axialer Richtung, so daß der Rotorring einen geringen Querschnitt und somit eine geringe Masse aufweist. Auf den Rotorring 6 wirken somit radial gerichtete magnetische Zugkräfte. Die Polflächen 10, 11 und 22, 23 sind in axialer Richtung schmal ausgebildet, so daß bei Bewegungen des Rotors in axialer Richtung sowie bei Kippbewegungen um die zur Drehachse 2 senkrechten Raumachsen entgegengerichtete Rückstellkräfte bzw. Rückstellmomente auftreten und insoweit eine passive Rotorstabilisierung erfolgt. Zur aktiven Stabilisierung des Rotorringes 6 bzw. der Schwungmasse 1 in den radialen Richtungen dienen die genannten Spulen 26, 27, welche in Abhängigkeit der Signale von radialen Sensoren 38 über geeignete Regeleinrichtungen ansteuerbar sind. Es sind wenigstens zwei derartige Sensoren 38 vorgesehen und zwar in den beiden zur Drehachse 2 und zueinander orthogonalen Radialrichtungen. Bewegt sich beispielsweise der Rotor in Figur 1 nach rechts, so wird mittels der dargestellten Spulen 26, 27 ein magnetischer Fluß erzeugt, welcher sich in den Luftspalten 28, 29 dem magnetischen Fluß der Permanentmagnete 24 im Sinne einer Verstärkung überlagert, so daß eine der Rotorbewegung entgegengerichtete radial gerichtete, verstärkte Zugkraft auf den Rotor ausgeübt wird. Die diametral gegenüberliegenden Spulen werden hierbei derart angesteuert, daß dort eine Schwächung der Zugkräfte erfolgt.The magnetic flux of the permanent magnets 24 penetrates the pole pieces 20, 21, air gaps 28, 29, in which largely homogeneous magnetic fields are present as well as the legs 8, 9 of the rotor ring 6. Between the legs 8, 9 runs the magnetic flux in the rotor ring 6 in the axial direction, so that the Rotor ring has a small cross section and thus a low mass. on the rotor ring 6 thus act radially directed magnetic tensile forces. The pole faces 10, 11 and 22, 23 are designed to be narrow in the axial direction, so that when moving of the rotor in the axial direction and during tilting movements about the axis perpendicular to the axis of rotation 2 Restoring forces or restoring torques occurring in opposition to spatial axes occur and insofar as a passive rotor stabilization takes place. For active stabilization of the The rotor ring 6 or the flywheel 1 in the radial directions are used as mentioned Coils 26, 27, which as a function of the signals from radial sensors 38 via suitable control devices are controllable. There are at least two of them Sensors 38 are provided in the two orthogonal to the axis of rotation 2 and to one another Radial directions. For example, if the rotor moves to the right in FIG a magnetic flux is generated by means of the illustrated coils 26, 27, which in the air gaps 28, 29 the magnetic flux of the permanent magnets 24 in the Superimposed meaning of a gain, so that one of the rotor movement is opposite radially directed, increased tensile force is exerted on the rotor. The diametrical opposite coils are controlled in such a way that there is a weakening the tensile forces takes place.

Es ist ersichtlich, daß gegebenenfalls mehr oder auch weniger als die im Ausführungsbeispiel dargestellten insgesamt acht Spulen 26, 27 vorhanden sein können, jedoch wenigstens eine Spule für jede der Radialrichtungen. Das Ausführungsbeispiel ergibt eine hohe Funktionssicherheit, da die Regelkreise ohne weiteres redundant ausführbar sind.It can be seen that possibly more or less than the total of eight coils 26, 27 shown in the exemplary embodiment are present can be, but at least one coil for each of the radial directions. The embodiment results in a high level of functional reliability, since the control loops are readily redundant are executable.

Der Stator 3 enthält eine flache Grundplatte 30 mit einem Achsstumpf 31 in der Mitte, auf welchen die Polbleche 14, 15 angeordnet sind. Die Grundplatte 30 ist mit einer Anzahl von Versteifungsrippen 32 und Aufnahmeteilen 34 bis 37 versehen, so daß bei geringem Gewicht- und Platzbedarf eine funktionsgerechte Anordnung, insbesondere der Polbleche 14, 15 des Stützringes 25 der Positionssensoren 38 sowie einer elektrischen Wicklung 41 erreicht wird. Vor allem die unmittelbare Befestigung des Stützringes 25 auf mehreren in Umfangsrichtung verteilten Aufnahmeteilen 34 gewährleistet eine'definierte Ausrichtung der Polbleche 14, 15. Hierzu ist der Stützring gemäß Fig. 2 in Bereichen zwischen den sektorförmigen Polschuhen 20, 21 mit Bohrungen 39 versehen und an den Aufnahmeteilen 34 angeschraubt. Mit Aufnahmeteil 35 sind die Sensoren 38 zur Erfassung der Rotorposition verbunden, wobei diese sehr leicht ausrichtbar sind. Mit dem Aufnahmeteil 36 ist ein eisenloser Statorring 40 verbunden, auf welchem eine mehrphasige Wicklung 41 der Motor-Generatoreinheit angeordnet ist. Der Wicklung 41 gegenüberliegend sind auf der Innenfläche der ringförmigen Schwungmasse 1 radial magnetisierte Permanentmagnete 42 angeordnet, wobei in Umfangsrichtung nebeneinander liegende Permanentmagnete jeweils entgegengerichtet magnetisiert sind. Diese Einheit wird in bekannter Weise als bürstenlose Gleichstrommaschine betrieben, wobei die zur Kommutierung der Ströme in den Wicklungsphasen erforderlichen Winkelst ellungs signale mit -tels Sensoren 43 erzeugt werden, welche auf Aufnahmeteilen 37 der Grundplatte 30 angeordnet sind. Eine derartige Einheit kann bei geeigneter Ansteuerung sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb arbeiten, so daß entsprechende Drehmomente oder Reaktionsmomente bewirkt werden oder eine Umwandlung von elektrischer Energie in kinetische Energie bzw. umgekehrt erreicht wird. Die zur Ansteuerung der Motor-Generatoreinheit und der magnetischen Lagereinrichtung erforderliche Elektronik ist auf Platinen 46, 47 auf der Unterseite.der Grundplatte 30 angeordnet, wobei nur relativ kurze elektrische Verbindungsleitungen (nicht dargestellt) zu den Sensoren 38, 43 Spulen 26, 27 und Wicklungen 41 erforderlich sind.The stator 3 contains a flat base plate 30 with a stub axle 31 in the middle, on which the pole sheets 14, 15 are arranged. The base plate 30 is provided with a number of stiffening ribs 32 and receiving parts 34 to 37, so that with a low weight and space requirement a functional arrangement, in particular the pole plates 14, 15 of the support ring 25 of the position sensors 38 and an electrical one Winding 41 is reached. Above all, the direct attachment of the support ring 25 on a plurality of receiving parts 34 distributed in the circumferential direction ensures a 'defined Alignment of the pole plates 14, 15. For this purpose, the support ring according to FIG. 2 is in areas between the sector-shaped pole pieces 20, 21 provided with holes 39 and to the Receiving parts 34 screwed on. With the receiving part 35 are the sensors 38 for detection connected to the rotor position, which are very easy to align. With the receiving part 36 an ironless stator ring 40 is connected, on which a polyphase winding 41 of the motor-generator unit is arranged. The winding 41 are opposite on the inner surface of the ring-shaped flywheel 1 radially magnetized permanent magnets 42 arranged, with permanent magnets lying next to one another in the circumferential direction are magnetized in opposite directions. This unit is known in a known manner operated as a brushless DC machine, the commutation of the currents Angular position signals required in the winding phases using sensors 43 are generated, which are arranged on receiving parts 37 of the base plate 30. With suitable control, such a unit can be used both in motor operation also work in generator mode, so that corresponding torques or reaction torques or a conversion of electrical energy into kinetic energy or vice versa is achieved. The ones for controlling the motor-generator unit and the magnetic bearing device required Electronics is arranged on boards 46, 47 on the base plate 30, with only relatively short electrical connection lines (not shown) to the sensors 38, 43 coils 26, 27 and windings 41 are required.

Der Stützring 25 enthält eine Ringnut 50, in welche ein mit dem Rotorring 6 verbundenes Bauteil 51 zumindest teilweise hineinragt. Stützring 25 sowie Bauteil 51 oder deren in der Ringnut 50 einander gegenüberliegende Oberflächen bestehen aus Werkstoffen mit guten Gleiteigenschaften, so daß eine mechanische Notlagerung geschaffen ist, durch welche auch übermäßige Rotorbewegungen begrenzt werden. Da der Stützring 25 direkt auf den Aufnahmeteilen 34 angeordnet ist, kann eine Beschädigung der magnetischen Lagereinrichtung nicht auftreten. Entscheidend ist, daß der statorseitige Stützring 25 in axialer Richtung das Bauteil 51 umgreift. Auf diese Weise werden, falls aufgrund axialer Bewegungen oder Kippbewegungen das Bauteil 51 den Stützring 25 berührt, stabilisierende Kräfte oder Momente wirksam, durch welche der Rotor wieder in die dargestellte Sollposition rückführbar ist. Mit einer derartigen Notlagerung ist zugleich ein sogenannter Caging Mechanismus ge-.The support ring 25 contains an annular groove 50, in which a with the rotor ring 6 connected component 51 protrudes at least partially. Support ring 25 and component 51 or the surfaces of which lie opposite one another in the annular groove 50 Made of materials with good sliding properties, so that a mechanical emergency storage is created, through which excessive rotor movements are limited. There the support ring 25 is arranged directly on the receiving parts 34, can be damaged the magnetic bearing device does not occur. It is crucial that the stator side Support ring 25 engages around component 51 in the axial direction. In this way, if, due to axial movements or tilting movements, the component 51 supports the support ring 25 touches, stabilizing forces or moments effective by which the rotor can be returned to the set position shown. With such an emergency storage is also a so-called caging mechanism.

schaffen, um insbesondere bei den hohen Beschleunigungen " während eines Satellitenstarts eine Arretierung des Rotors bezüglich des Stators zu erreichen, so daß Beschädigungen des Schwungrades vermieden werden. Weiterhin sind zur Dämpfung der genannten Bewegungen Dämpfungsringe 52, 53 aus elektrisch leitendem Material vorgesehen, welche außen in Ringnuten des Stützringes 25 eingelegt sind. Aufgrund der in den Dämpfungsringen 52, 53 induzierten Wirbelströme wird eine wirksame Dämirfungerreicht. Die gleiche Wirkung ergibt sich, wenn Dämpfungsringe auf den Polschuhen 20, 21 oder auf den Rotorring 6 angeordnet sind und zwar möglichst nahe den Polflächen 10, 11 oder 22, 23. create to especially at the high accelerations "during to achieve a locking of the rotor with respect to the stator when starting a satellite, so that damage to the flywheel is avoided. Furthermore are for damping of the movements mentioned damping rings 52, 53 made of electrically conductive material provided, which are inserted into annular grooves of the support ring 25 on the outside. Because of of the eddy currents induced in the damping rings 52, 53, an effective damping is achieved. The same effect results when damping rings on the pole pieces 20, 21 or are arranged on the rotor ring 6, specifically as close as possible to the pole faces 10, 11 or 22, 23.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer kombinierten Not lagerung und Caging Mechanismus im Ausschnitt dargestellt. Der Stützring 25 zwischen den Polschuhen 20, 21 weist hierbei ringförmige Ansätze 56, 57 auf, welche in den u-förmigen Rotorring 6 teilweise hineinragen, wobei zwischen den genannten Ansätzen 56, 57 eine Ringnut 58 vorhanden ist. Das Bauteil 51 weist einen t-förmigen Querschnitt auf und ragt mit dem Schenkel 59 in die Ringnut 58 hinein, wobei die in radialer bzw. axialer Richtung einander gegenüberliegenden Oberflächen von Schenkel 59 und Ringnut 58 aus Werkstoffen mit guten Gleiteigenschaften bestehen oder Einsätze 60 aus derartigen Werkstoffen aufweisen.In Fig. 3 is a preferred embodiment of a combined emergency Storage and caging mechanism shown in the detail. The support ring 25 between the pole pieces 20, 21 here has annular lugs 56, 57, which in the U-shaped rotor ring 6 partially protrude, with between the approaches mentioned 56, 57 an annular groove 58 is present. The component 51 has a T-shaped cross section and protrudes with the leg 59 into the annular groove 58, with the radial or surfaces of legs 59 and facing each other in the axial direction Annular groove 58 made of materials with good sliding properties or inserts 60 have made of such materials.

Stützring 25 und Rotorring 6 sind in der dargestellten Weise geteilt ausgebildet, um eine einfache Montage zu gewährleisten.Support ring 25 and rotor ring 6 are divided in the manner shown designed to ensure easy assembly.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist als Notlagerung ein Rillenkugellager 64 vorgesehen. Der innere Lagerring 65 befindet sich zwischen den Polschuhen 20, 21, wobei der Stützring 25im Vergleich zu den bisherigen Ausführungsbeispielen einen entsprechend geringeren Außendurchmesser aufweist. Der äußere Lagerring 66 ist innerhalb des u-förmigen Rotorringes 6 angeordnet, wobei axiale und radiale Luftspalte 68, 69 vorhanden sind. Das Rillenkugellager 64 weist ein sehr geringes Radial- und Axialspiel auf, so daß der äußere Lagerring die dargestellte Position einhält.In the exemplary embodiment according to FIG. 4, a deep groove ball bearing is used as an emergency bearing 64 provided. The inner bearing ring 65 is located between the pole pieces 20, 21, the support ring 25 in comparison to the previous exemplary embodiments has a correspondingly smaller outer diameter. The outer bearing ring 66 is inside of the U-shaped rotor ring 6, with axial and radial air gaps 68, 69 are present. The deep groove ball bearing 64 has very little radial and axial play so that the outer bearing ring maintains the position shown.

Die Lagerringe bestehen aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff, so daß der magnetische Fluß der Permanentmagnete 24 bzw. der Spulen 26, 27 unverändert durch den Polring 6 fließen kann. Da der äußere Lagerring 66 nicht im Rotorring befestigt ist, sondern nur bei zu großen Bewegungen am Rotorring anliegt, wird hierbei die Rotormasse nicht unnötig vergrößert. Anstelle des Rillenkugellagers kann bevorzugt auch ein Vierpunkt-Kugellagervorgesehen werden, so daß ein Verkippen des äußeren Lagerringes verhindert wird. Darüber hinaus ist es von Vorteil, die Laufflächen der Kugeln oder Wälzkörper unmittelbar im Stützring 25 bzw. im Rotorring 6 vorzusehen. Schließlich sei noch auf die Kombination der anhand von Fig. 3 und Fig. 4 erläuterten Notlagerungen, nämlich Gleitlager und Kugellager, verwiesen. Hierbei werden die Kugeln insbesondere mittels eines Kronenkäfigs mit eltaschen im Stützring angeordnet, welcher entsprechend Fig. 3 in den Rotorring hineinragt, um die radiale Notlagerung des Rotorringes bzw. der Schsungmasse zu bewirken. Die axiale Notlagerung erfolgt mittels der in axialer Richtung gegenüberliegenden Flächen von Stützring und Rotorring. Bei allen Ausführungsformen der Notlagerung ist es von Vorteil, die Kugeln und/oder die gegebenenfalls vorgesehenen Lagerringe aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff insbesondere aus Oxydkeramik herzustellen, welcher eine sehr feine Kristallgröße aufweist und weitgehend homogen sowie porenfrei ist, so daß Schmiermittel für die Notlagerung nicht erforderlich sind.The bearing rings are made of a non-ferromagnetic material, so that the magnetic flux of the permanent magnets 24 or the coils 26, 27 remains unchanged can flow through the pole ring 6. Because the outer bearing ring 66 is not in the rotor ring is attached, but only rests on the rotor ring when the movements are too great, is here does not increase the rotor mass unnecessarily. Instead of the deep groove ball bearing can preferred a four-point ball bearing can also be provided so that tilting of the outer Bearing ring is prevented. In addition, it is beneficial to use the treads the balls or rolling elements are to be provided directly in the support ring 25 or in the rotor ring 6. Finally, the combination of the two explained with reference to FIGS. 3 and 4 should also be considered Referenced emergency bearings, namely plain bearings and ball bearings. Here are the Balls arranged in the support ring, in particular by means of a crown cage with pockets, which protrudes into the rotor ring according to FIG. 3, around the radial emergency bearing to effect the rotor ring or the Schsungmasse. The axial emergency storage takes place by means of the axially opposite surfaces of the support ring and rotor ring. In all embodiments of the emergency storage, it is advantageous to use the balls and / or the possibly provided bearing rings made of a non-ferromagnetic material in particular made of oxide ceramic, which has a very fine crystal size has and is largely homogeneous and pore-free, so that lubricant for the Emergency storage is not required.

Der axiale Teilschnitt gemäß Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Notlagerung, mit Kugellagern 73 an der Außenfläche der Nabe 5. Es sind hierbei über den Umfang verteilt drei Kugellager 73 kleinen Durchmessers mittels elastischen Bolzen 76 auf der Grundplatte 30 angeordnet.The axial partial section according to FIG. 5 shows a further embodiment the emergency storage, with ball bearings 73 on the outer surface of the hub 5. There are here Three ball bearings 73 of small diameter distributed over the circumference by means of elastic Bolt 76 is arranged on the base plate 30.

Der Lagerinnenring 71 ist mit dem Bolzen 76 verbunden und der Lageraußenring 72 weist zur Außenfläche der Nabe 5 einen Luftspalt 74 auf. Die Nabe 5 enthält weiterhin Ringe 77, 78, wobei in axialer Richtung zwischen dem Lageraußenring 72 und den Ringen 77, 78 Luftspalte 79 vorhanden sind.The bearing inner ring 71 is connected to the bolt 76 and the bearing outer ring 72 has an air gap 74 to the outer surface of the hub 5. The hub 5 continues to contain Rings 77, 78, in the axial direction between the bearing outer ring 72 and the rings 77, 78 air gaps 79 are present.

Falls der Rotor und somit die Nabe 5 Bewegungen ausführt, welche das durch die Größe der Luftspalte 74, 79 vorgegebene Maß überschreiten, wird der Rotor durch die derartige Notlagerung gehalten. Aufgrund der elastischen Bolzen 76 werden große Stoßbelastungen verhindert. Anstelle der dargestellten drei Kugellager 73 kleinen Durchmessers kann auch ein einziges Kugel- oder Wälzlager mit einem Durchmeseier, welcher größer ist als der Außendurchmesser der Nabe 5, entsprechend auf Aufnahmeteilen der Grundplatte 30 angeordnet werden. Zur Schwingungsdämpfung sind weiterhin auf dem Rotorring 6 Dämpfungsringe 54, 55 aus elektrisch leitendem Material angeordnet.If the rotor and thus the hub executes 5 movements, which the If the size of the air gaps 74, 79 exceeds a predetermined amount, the rotor will by such Emergency storage held. Because of the elastic Bolts 76 large shock loads are prevented. Instead of the three shown Ball bearing 73 of small diameter can also be a single ball or roller bearing with a diameter of the egg, which is larger than the outer diameter of the hub 5, be arranged accordingly on receiving parts of the base plate 30. For vibration damping are still on the rotor ring 6 damping rings 54, 55 made of electrically conductive Material arranged.

In einer Ausführungsform gemäß Fig. 6 weist die zentrale Achse 31 der Grundplatte 30 eine axiale Bohrung 80 auf.In an embodiment according to FIG. 6, the central axis 31 has the base plate 30 has an axial bore 80.

In die Bohrung 80 ragt ein zylindrisches Rotorteil 81, welches mittels Speichen 82 mit der Nabe 5 bzw. mit der Schwungmasse 1 verbunden ist. Zwischen Rotorteil 81 und Innenwandung der axialen Bohrung 80 ist ein Kugellager 83 vorgesehen, wobei zwischen dem inneren Lagerring 86 und dem Rotorteil 81 ein radialer Luftspalt 84 vorhanden ist. Der äußere Lagerring 85 ist mit der Innenwandung der Bohrung 80 verbunden. Da das Rotorteil 81 innerhalb der Bohrung angeordnet ist bzw. das Lager 83 das Rotorteil 81 umgibt, entstehen bei Bewegungen des Rotors, welche das.Rotorteil 81 mit dem inneren Lagerring 86 im Eingriff bringen, in vorteilhafter Weise stabilisierende Kräfte bzw. Momente, um den Rotor wieder in die dargestellte Sollposition zurückzuführen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) kann der innere Lagerring 86 und somit das Lager 83 mit dem Rotorteil 81 verbunden werden und ein radialer Luft spalt zwischen dem äußeren Lagerring und der Innenwandung der Bohrung 80 vorgesehen werden.In the bore 80 protrudes a cylindrical rotor part 81, which by means of Spokes 82 are connected to the hub 5 or to the flywheel 1. Between rotor part 81 and the inner wall of the axial bore 80, a ball bearing 83 is provided, wherein a radial air gap 84 between the inner bearing ring 86 and the rotor part 81 is available. The outer bearing ring 85 is connected to the inner wall of the bore 80. Since the rotor part 81 is arranged within the bore or the bearing 83 is the rotor part 81 surrounds, arise during movements of the rotor, which das.Rotorteil 81 with the Bring inner bearing ring 86 into engagement, stabilizing in an advantageous manner Forces or moments to return the rotor to the target position shown. According to an alternative embodiment (not shown), the inner bearing ring 86 and thus the bearing 83 are connected to the rotor part 81 and a radial Air gap is provided between the outer bearing ring and the inner wall of the bore 80 will.

Claims

Flywheel or reaction wheel Patent claims: Flywheel or reaction wheel in particular for stabilizing a satellite, containing a rotor with a ring-shaped flywheel, a magnetic bearing device for contact-free Storage of the rotor and an electric motor-generator unit, characterized in that that the magnetic bearing device has two pole plates (14, 15), between which at least a permanent magnet (24) is arranged and at least two electrical coils (26, 27) has that with the flywheel (i) a preferably U-shaped rotor ring (6) is connected that between the pole faces (10, 11; 22, 23) of the rotor ring (6) and pole plates (14, i5) annular radial air gaps (28, 29) are present that active stabilization of the Schzung mass by means of the coils (26, 27) (1) takes place in the two radial directions perpendicular to the axis of rotation (2) and that the The stator (3) contains a base plate (30) to hold the magnetic ones in particular Storage device and the motor-generator unit (40, 41).

2. Flywheel according to claim 1, characterized in that the pole plates (14, 15) each have a ring (16, 17) with radially directed lugs (18, 19) and these associated sector-shaped pole shoes (20, 21) have that on the approaches (18, 19) the coils (26, 27) are pushed and that in the axial direction between the pole plates (14, 15) or the pole pieces (20, 21) of the permanent magnet or magnets (24) and a support ring (25) is arranged.

3. Flywheel according to claim 2, characterized in that the pole shoes (20, 21) are beveled or angled in the direction of the rotor ring (6) and that the pole faces (10, i1) have a smaller axial distance than the pole sheets (14, 18) in the area of the coils (26, 27).

4. flywheel in particular according to claim 1, characterized in that that the base plate (30) in the area of the axis of rotation (2) has an axis (31) for fastening the pole plates (14, 15) and receiving parts (34 to 37) for the support ring (25) for position sensors (38) and the winding (41) of the Has motor-generator unit.

5. Flywheel according to one of the preceding claims, characterized in that that the rotor has a hub (5), on the inner surface of which the rotor ring (6) is arranged is, and that the flywheel (i) preferably by means of spokes (4) with the hub (5) is connected.

6. Flywheel according to claim 5, characterized in that the diameter the hub (5) is approximately half as large as the diameter of the flywheel (1).

7. Flywheel according to one of the preceding claims, characterized in that that on the inner surface of the flywheel (i) radially magnetized permanent magnets (42) are arranged with alternating direction of magnetization in the circumferential direction, which is a multi-phase winding attached to the stator or the base plate (30). (41) is assigned to the motor-generator unit.

8. flywheel according to claim 7, characterized in that the winding (41) is arranged on an ironless cylindrical stator body (40), which is connected to the base plate (30) via the receiving part (36).

9. Flywheel according to one of claims 2 to 8, characterized in that that in each case a rectangular permanent magnet between the pole pieces (20, 21) (24) is arranged and that the coils (26, 27) have a rectangular cross-section exhibit.

10. flywheel in particular according to claim 1, characterized in that that the support ring (25) of the magnetic bearing device and the rotor ring (6) or a with this connected component (51) are designed such that a mechanical Emergency storage and / or a stable mechanical stop for the rotor (7) and / or the flywheel (1) is created in the radial and / or axial direction.

11. Flywheel according to claim 10, characterized in that the support ring (25) has an annular groove (50) into which the component (51) at least partially protrudes, at least the opposing surfaces of the support ring (25) and / or component (51) or parts thereof made of materials with good sliding properties are made.

12. Flywheel according to claim 10, characterized in that between A roller or ball bearing (64) is provided for the support ring (25) and rotor ring (6), the running surfaces in the rotor ring (6) or support ring (25) and / or in bearing rings are arranged.

13. Flywheel according to claim 12, characterized in that between outer bearing ring (66) and rotor ring (6) radial and axial annular air gaps (68, 69) are present.

14. Flywheel according to claim 12 or 13, characterized in that the rolling elements (67) and / or the bearing rings (65, 66) made of non-ferromagnetic Materials, in particular oxide ceramics, are made.

15. Flywheel, in particular according to claim 1, characterized in that that preferably between the outer surface of the hub (5) and one with the stator (3) or the base plate (30) connected receiving part (71) at least one ball or roller bearing (73) is provided as mechanical emergency storage.

16. Flywheel according to claim 15, characterized in that at least three ball bearings (73) with a small diameter distributed over the circumference are provided whose inner rings are each on a preferably elastic bolt (76) formed receiving part are arranged.

17. Flywheel in particular according to claim 1, characterized in that that the axis (31) connected to the base plate (30) has an axial bore (80) has that a rotor part (81) protrudes into the bore (80), which preferably is connected to the hub (5) or the flywheel (1) by means of spokes (82), and that between the rotor part and the inner wall of the bore (80) a rolling or Ball bearing (84) is provided as a mechanical emergency storage.

18. Flywheel according to claim 17, characterized in that between there is an air gap (88) between the inner bearing ring (86) and the rotor part (81).

19. Flywheel according to claim 17, characterized in that between an air gap is present between the outer bearing ring (85) and the inner wall of the bore (80) is.

20. Flywheel according to one of the preceding claims, characterized in that that in the area of the pole faces (10, 11; 22, 23) damping rings (52 to 55) are made electrically conductive material are provided.