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Die vorliegende Erfindung hat ein mechanisches
Stabilisierungssystem mit Gegendrehung und einzigem Motor
zum Gegenstand, mit einem zu stabilisierenden Träger, einem
Nutz- oder nützlichen Rotor, der auf dem Träger mit Hilfe
von Lagern angebracht ist, und mit einem Nutz- oder
nützlichen Organ verbunden ist, von dem wenigstens ein
Parameter, der der Drehung des Nutzrotors zugeordnet ist,
in Abhängigkeit der Zeit veränderlich ist, einem
Elektromotor, um den Drehantrieb des nützlichen Rotors
sicherzustellen, einem Detektor, der zwischen dem
nützlichen Rotor und dem Träger angeordnet ist, um den der
Drehung des nützlichen Rotors zugeordneten Parameter zu
messen, auf den ein vorbestimmtes Bewegungsgesetz in
Abhängigkeit von der Zeit aufgebracht wird, und einem
Regelungsschaltkreis, der die von dem Detektor ausgegebenen
Signale empfängt, um die Betriebseigenschaften des Motors
zu modifizieren, derart, daß das vorbestimmte
Bewegungsgesetz durch den nützlichen Rotor befolgt wird.
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Die drehenden Systeme, von denen wenigstens ein Parameter,
wie die Position, die Geschwindigkeit, das Moment, die
Beschleunigung in Abhängigkeit der Zeit gesteuert wird,
tendieren dazu, durch einen Reaktionseffekt, den Träger auf
dem sie angebracht sind zu stören. Derartige Störungen
können allgemein als vernachlässigbar angesehen werden,
wenn der Träger eine große Masse aufweist, wie dies der
Fall ist beispielsweise für ein großes Schiff. Demgegenüber
werden die Störungen spürbar und müssen kompensiert werden,
wenn der Träger oder das Lager eine relativ verringerte
Masse aufweist oder wenn er eine sehr genaue Position
beibehalten soll. Dies ist insbesondere der Fall bei
Satelliten, die im Weltraum eine sehr definierte oder
gegenüber Mikroschwerkrafts-Einflüssen gesicherte Haltung
beibehalten müssen: die auf einem Satelliten angebrachten
Systeme, wie beispielsweise die Antennenantriebssysteme
oder Sonnensegelsysteme mit nicht konstanter
Geschwindigkeit, tendieren dazu, auf nicht zulässige Weise
die Stabilität des Satelliten zu zerstören bei
Nichtvorhandensein von Stabilisationssystemen.
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Es wurde bereits in einem Konferenz-Vortragsprotokoll von
Peter Wiktor, betitelt "A Reactionless Precision Pointing
Actuator" vorgeschlagen, der beim "Aerospace Mechanismus
Symposium", abgehalten im Mai 1987 in Houston, vorgestellt
wurde, eine Vorrichtung zur Steuerung einer
Kreiselplattform zu verwirklichen, die gleichzeitig eine
Stabilisation sicherstellt, um das Auftauchen eines
Reaktionsmoments auf den Träger der Plattform zu
verhindern, das durch ein Raumfahrzeug oder einen
Satelliten gebildet wird. Um ein Entkoppeln zwischen den
Bewegungen der Kreiselplattform und der Steuerung der
Haltung des Raumschiffs sicherzustellen, wird eine
Gegendrehbewegung auf ein Reaktionsrad aufgebracht, das in
der Kreiselplattform eingebaut ist, und mit einer Welle
versehen ist, die koaxial zur Welle der Kreiselplattform
verläuft, und in Drehung in umgekehrte Richtung bzgl.
letzterer mit Hilfe eines Elektromotors mit Reaktionsrad
versetzt wird, dessen Stator auf der Kreiselplattform
angebracht ist und der Rotor mit der koaxialen Welle
verbunden ist. Ein zweiter direkter Antriebsmotor, dessen
Stator mit dem Träger verbunden ist und der Rotor mit der
Achse der Kreiselplattform verbunden ist, dient
gleichzeitig zum Antrieb der Kreiselplattform, um dieser
eine Winkelposition oder eine Drehgeschwindigkeit zu
verleihen, in Abhängigkeit eines vorbestimmten Gesetzes und
um die Scheinmomente oder zusätzlichen Momente zu
kompensieren, die von den Reibungen der Lager oder dem
Vorhandensein von elektrischen Zuführkabeln herrühren, die
Winkeldrehungen größer als 2 π Bogenmaß verhindern. Der
Steuerschaltkreis, der dem Elektromotor mit Reaktionsrad
zugeordnet ist, weist ein durchgehendes Band auf, das in
einem Frequenzbereich angeordnet ist, der größer ist als
das Band, das durch die Steuerschaltkreise hindurchgeht,
die mit dem Direktantriebsmotor verbunden sind.
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Die in dem vorgenannten Artikel beschriebene
Ausführungsform führt zu einer Verwirklichung von zwei
Elektromotoren von nicht vernachlässigbarer Stärke, was die
Masse und den Energieverbrauch erhöht, und darüber hinaus
nicht an Anwendungen angepaßt ist, bei denen das nützliche
drehende Organ Drehungen von mehreren Umdrehungen ausführen
muß.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die vorgenannten
Nachteile zu beseitigen und die Verwirklichung einer
mechanischen Stabilisierungsvorrichtung zu ermöglichen, die
bequemer bei der Anwendung, präziser, weniger raumgreifend
ist und die eine Verbreiterung der möglichen Anwendungen
ermöglicht.
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Diese Ziele werden dank eines mechanischen
Stabilisierungssystems mit Gegendrehung und einzigem Motor
erreicht, mit einem zu stabilisierenden Träger, einem Nutz-
oder nützlichen Rotor, der auf dem Träger mit Hilfe von
Lagern angebracht ist und mit einem Nutz- oder nützlichen
Organ, von dem wenigstens ein Parameter, der mit der
Drehung des nützlichen Rotors verbunden ist, veränderlich
ist, in Abhängigkeit von der Zeit, einem Elektromotor, um
den Drehantrieb des nützlichen Rotors sicherzustellen,
einem Detektor, der zwischen dem nützlichen Rotor und dem
Träger angeordnet ist, um den der Drehung des nützlichen
Rotors zugeordneten Parameter zu messen, auf den ein
vorbestimmtes Bewegungsgesetz in Abhängigkeit von der Zeit
aufgebracht wird, und einem Regelungsschaltkreis, der die
von dem Detektor ausgegebenen Signale empfängt, um die
Betriebseigenschaften des Motors zu modifizieren, derart,
daß das vorbestimmte Bewegungsgesetz durch den nützlichen
Rotor befolgt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lager des Trägers des
nützlichen Rotors Lager ohne Reibung, wie beispielsweise
magnetische Lager oder Gaslager sind, daß das System
weiterhin einen gekapselten gegenwirkenden Rotor aufweist,
der auf konzentrische Weise auf dem nützlichen Rotor mit
Hilfe von reibungslosen Lagern, wie beispielsweise
magnetischen Lagern oder Gaslagern angebracht ist, und der
ein gegenwirkendes Trägheitsorgan stützt, und daß der Motor
zwischengesetzt ist zwischen dem nützlichen Rotor und dem
gegenwirkenden Rotor, um in Gegenrichtung den nützlichen
Rotor und den gegenwirkenden Rotor anzutreiben, derart, daß
die Störungen durch die verbleibenden Momente, erzeugt auf
dem Träger durch die Bewegung des nützlichen Rotors
annulliert werden, durch die gegenwirkende und
gleichzeitige Bewegung des gegenwirkenden Rotors, wobei das
Verhältnis der Geschwindigkeiten des nützlichen Rotors und
des gegenwirkenden Rotors derart ist, daß das gesamte
kinetische Moment des nützlichen Rotors und des
gegenwirkenden Rotors gleich Null gehalten wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, das
globale kinetische Moment des Systems auf Null zu halten
und nur einen Elektromotor zu verwenden, was ermöglicht,
die Gesamtmasse des Systems zu begrenzen.
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Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung
weist der Motor Polmassen ohne Wicklungen auf, die mit dem
nützlichen Rotor verbunden sind, und weist aufgewickelte
Polmassen auf, die mit dem gegenwirkenden Rotor verbunden
sind. Das mit dem gegenwirkenden Rotor verbundene
gegenwirkende Trägheitsorgan ist vorzugsweise aus
nützlichen oder Nutz-Elementen gebildet, die technische
Funktionen sicherstellen, wie die Versorgungskreise und
Regelungskreise der Wicklungen der aufgewickelten Polmassen
des Motors.
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Vorteilhafterweise sind die Lager des Trägers des
nützlichen Rotors durch aktive magnetische Lager gebildet,
deren Elektromagneten und die zugehörigen Detektoren auf
dem Träger gegenüber einer Außenseite des nützlichen Rotors
angebracht sind, und die Lager des Trägers des
gegenwirkenden Rotors bzgl. des nützlichen Rotors werden
aus aktiven magnetischen Lagern gebildet, deren
Elektromagneten und die zugehörigen Detektoren auf dem
gegenwirkenden Rotor gegenüber einer Innenseite des
nützlichen Rotors angebracht sind.
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Die Steuerungs- oder Regelungsschaltkreise der aktiven
Magnetlager des Trägers des gegenwirkenden Trägheitsorgans
können in dem mit dem gegenwirkenden Rotor verbundenen
Organ angeordnet werden, um wenigstens einen Bereich des
gegenwirkenden Trägheitsmoments zu bilden, das die
Annullierung des kinetischen Gesamtmoments des nützlichen
Rotors und des gegenwirkenden Rotors erlaubt.
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Die Erfindung kann auf verschiedene sich drehende
Anordnungen angewendet werden, die an Trägerstrukturen auf
der Erde, auf dem Meer, in der Luft, im Meer, im Raum mit
oder ohne dem Vorhandensein von Schwerkräften angebracht
sind.
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Gemäß einer besonders interessanten Anwendung ist der
Träger aus einem Satelliten oder einer Raumstation gebildet
und das nützliche Organ, das auf dem nützlichen Rotor
angeordnet ist, wird aus einem drehenden Organ, wie einer
Antenne oder einer Sonnenplatte bzw. einem Sonnensegel
gebildet.
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Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibungen von besonderen
Ausführungsformen der Erfindung, die nur beispielhaft
angegeben sind unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen, in denen:
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- Figur 1 eine schematische Ansicht einer ersten
Ausführungsform eines mechanischen Stabilisierungssystems
mit Gegendrehung mit eingebauten Rotoren mit einem einzigen
Elektromotor ist, der auf die Rotoren und die reibungslosen
Lager einwirkt, wobei der Motor zwischen den Lagern
angeordnet ist,
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- Figur 2 eine Ansicht analog zu jener von Figur 1 ist, die
eine Ausführungsvariante zeigt, in der der einzige
Elektromotor ausladend oder vorragend an den Rotoren bzgl.
den Lagern angeordnet ist, und
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- Figur 3 eine Ansicht im axialen Halbschnitt eines
besonderen Ausführungsbeispiels des Stabilisierungssystems
ist, wie jenes der Figur 1 mit konzentrisch im Gehäuse
befindlichen Rotoren und einem Elektromotor, dessen
aufgewickelte Polmassen mit dem gegenwirkenden Rotor
verbunden sind, wobei die Rotoren mit Hilfe von aktiven
Magnetlagern angebracht sind.
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In den Figuren 1 und 2 sieht man die schematische
Darstellung einer drehenden Anordnung mit einem nützlichen
Rotor 10, an dem über eine Welle 11, die axial den
nützlichen Rotor 10 verlängert, ein nützliches Organ 1, wie
beispielsweise eine Antenne, verbunden ist, deren
Winkelposition oder ein anderer Parameter, der mit der
Drehung des nützlichen Rotors 10 verbunden ist, wie
beispielsweise das Moment, die Beschleunigung oder die
Geschwindigkeit, ständig einjustiert oder eingestellt
werden muß, gemäß dem vorbestimmten Gesetz, ohne daß
Störungen auf den Träger 6 übertragen werden, auf dem der
nützliche Rotor 10 montiert ist, beispielsweise auf der
Höhe der Welle 11, mit Hilfe von reibungslosen Lagern 12,
13, wie beispielsweise Gaslager oder magnetische Lager.
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Um eine Steuerung der Bewegungen des nützlichen Rotors 10
ohne Störungen auf dem Trägers 6 zu ermöglichen, der
beispielsweise ein Satellit von relativ geringer Masse sein
kann, ist ein gegenwirkender Rotor 21, an dem ein
gegenwirkendes Trägheitsorgan 20 angebracht ist, an dem
nützlichen Rotor 10 mit Hilfe von Lagern 22, 23 angebracht,
die ebenfalls reibungslose Lager sind, wie beispielsweise
Gaslager oder magnetische Lager, und unterliegt einer
gesteuerten aktiven Bewegung von umgekehrter Richtung zu
jener des nützlichen Rotors 10 und von einem Wert derart,
daß der Träger 6 keine Störung erleidet, die durch die
unterschiedlichen in Bewegung sich befindenden Organe
erzeugt wird, d. h., daß die Veränderungen des gesamten
kinetischen Moments, das von dem Träger erfahren wird,
gleich Null sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung befindet sich ein
einzelner elektrischer Motor 3, der durch elektronische
Regelungsschaltkreise, die in der Zeichnung nicht
dargestellt sind, gesteuert wird, zwischen dem nützlichen
Rotor 10 und dem gegenwirkenden Rotor 21, und trägt
gleichzeitig dazu bei, dem nützlichen Rotor 10 und dem
nützlichen Organ 1 eine Drehbewegung zu verleihen, die
gemäß den veränderlichen und vorbestimmten, sich in der
Zeit entwickelnden Parametern gesteuert wird, und dem
gegenwirkenden Rotor 21 und nachfolgend dem Reaktionsorgan
20 in umgekehrter Richtung anzutreiben, wobei der nützliche
Rotor 10 und der gegenwirkende Rotor 21 bzgl. des Trägers
mit Geschwindigkeiten von gegenläufigem Sinn angeregt
werden, gemäß einem Verhältnis, das aus der Gleichheit der
kinetischen Momente herrührt, die von einem jeden dieser
Rotoren 10, 21 bei Nichtvorhandensein von Reibung
angenommen werden, wobei das gesamte kinetische Moment Null
bleiben muß.
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Ein Detektor 33 (der nur in Figur 3 dargestellt ist) ist
zwischen den nützlichen Rotor 10 und den Träger 6 gesetzt.
Dieser Detektor mißt den Parameter (beispielsweise:
Geschwindigkeit, oder Drehmoment, oder Beschleunigung), die
der Bewegung des nützlichen Rotors 10 zugeordnet wird, auf
die ein vorbestimmtes Gesetz in Abhängigkeit der Zeit
aufgebracht werden soll. Der Wert dieses Parameters, der
von dem Detektor 33 gemessen wird, wird auf die
Regelungsschaltkreise übertragen, die die geeigneten
Betriebseigenschaften des Motors 3 modifizieren, derart,
daß das vorbestimmte Bewegungsgesetz für den nützlichen
Rotor 10 respektiert wird. Unabhängig davon wie das Gesetz
ist, verhindert die Drehung des gegenwirkenden Rotors 21,
daß Störungen auf den Träger 6 übertragen werden.
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Notwendigenfalls, gemäß den verwendeten Steuerungstypen,
kann ein Differentialdetektor 34 (dargestellt in Figur 3)
zwischen den nützlichen Rotor 10 und den gegenwirkenden
Rotor 21 gesetzt werden, um eine ständige Kontrolle der
Relativbewegung dieser beiden konzentrischen Rotoren 10,
21, die ineinander geschachtelt sind, zu ermöglichen
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Der einzige Motor 3 kann von einem sich drehenden
Transformator gespeist werden oder von einem drehenden
Kollektor gespeist werden (Figur 3), wobei der drehende
Transformator 7 selbst keine Reaktion des Moments auf die
drehende Anordnung erzeugt.
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In diesem Fall sind die positiven oder negativen maximalen
Winkel, die der nützliche Rotor 10 und der gegenwirkende
Rotor 21 durchlaufen können, praktisch unbegrenzt und
können eine große Anzahl von Umdrehungen bilden.
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Dies ermöglicht beispielsweise den Fall zu berücksichtigen,
wo der nützliche Rotor 10 große Amplituden beiderseits
eines mittleren Nullwerts erreicht, oder wo jegliche
Amplituden beiderseits eines Mittelwerts nicht Null sind,
wobei diese Amplituden in Abhängigkeit von der Aufgabe
sind, die durch die nützliche Trägheit des nützlichen
Organs 1, das mit dem nützlichen Rotor 10 verbunden ist, zu
erfüllen ist.
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Die Ausführungsformen der Figuren 1 bis 3 finden ebenfalls
bei dem Fall Anwendung, wo der nützliche Rotor 10 schwache
Amplituden und einen Mittelwert gleich Null aufweist,
während das Trägheitsmoment JA des gegenwirkenden Rotor 21
im wesentlichen geringer ist als das Trägheitsmoment JU des
nützlichen Rotors 10, was dem gegenwirkenden Rotor 21 große
Amplituden aufzwängt und er eine große Anzahl von
Umdrehungen erreichen kann.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind die Wicklungen
des Hauptmotors 3, die mit dem nützlichen Rotor 10 oder dem
gegenwirkenden Rotor 21 (Figuren 2 und 3) verbunden werden
können, durch eine Bahn von Drähten, die spiralförmig
aufgewickelt sind, gespeist, was dem entsprechenden Rotor
(nützlicher Rotor 10 oder gegenwirkender Rotor 21 in den
Figuren 2 und 3) ermöglicht, Drehungen von mehreren
Umdrehungen aufzuweisen.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform, kann die Amplitude
der Winkelbewegungen des nützlichen Rotors begrenzt werden
und zwischen den Werten - θU und + θU verbleiben, die
ebenfalls gleich mehreren Umdrehungen sein können. In
diesem Fall weist der Antriebsmotor 3, der gemeinsam ist
für den nützlichen Rotor 10 und den gegenwirkenden Rotor
21, Polmassen 32 ohne Wicklungen, die mit dem
gegenwirkenden Rotor 21 verbunden sind und gewickelte
Polmassen 31 auf, die mit dem nützlichen Rotor 10 verbunden
sind. Die Wicklungen dieser Polmassen 31 werden durch eine
Bahn von Drähten gespeist, die spiralförmig aufgewickelt
sind, was immer dem nützlichen Rotor 10 ermöglicht, ohne
Einschränkung eine Amplitude aufzuweisen, die zwischen dem
Wertesatz zwischen - θU und + θU liegt.
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Die Erfindung berücksichtigt auch den Fall, wo die mittlere
Geschwindigkeit des nützlichen Rotors 10 gleich Null ist,
und die Amplitude des nützlichen Rotors 10 einen begrenzten
Wert aufweist, jedoch gleich mehreren Umdrehungen sein
kann, um seine mittlere Position. In diesem Fall wird die
Amplitude des gegenwirkenden Rotors 21 bestimmt, um
zwischen den Werten - θA und + θA zu verbleiben, die
jedenfalls gleich mehreren Umdrehungen sein können. Die
Grenzwerte - θA und + θA sind bestimmt und geben dem
Trägheitsmoment JA des gegenwirkenden Rotors 21 einen
geeigneten Wert, der die maximale Amplitude des nützlichen
Rotors berücksichtigt, des Trägheitsmoments des nützlichen
Rotors und des vorbestimmten Bewegungsgesetzes, das auf den
nützlichen Rotor 10 einwirkt. In diesem Fall weist der für
den nützlichen Rotor 10 und den gegenwirkenden Rotor 21
gemeinsame Antriebsmotor 3 Polmassen 31 ohne Wicklung, die
mit dem nützlichen Rotor 10 verbunden sind, und gewickelte
Polmassen 32 auf, die mit dem gegenwirkenden Rotor 21
verbunden sind, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Die
Wicklungen dieser Polmassen 32 werden durch eine Drahtbahn
gespeist, die spiralförmig aufgewickelt ist, wobei sie
jederzeit dem gegenwirkenden Rotor 21 ermöglicht, ohne
Einschränkung eine Amplitude aufzuweisen, die in dem
Wertebereich enthalten ist, der sich zwischen - θA und + θA
erstreckt.
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In den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen, wird
die Masse des Organs 20, die die gegenwirkende Trägheit
bildet, vorzugsweise aus nützlichen Elementen gebildet, die
technische Funktionen sicherstellen, wobei diese nützlichen
Elemente beispielsweise die Regelungsschaltkreise des
Hauptmotors 3 sein können, verbunden mit den
Verbindungsdrähten 24.
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Das Stabilisationssystem gemäß der Erfindung kann
verschiedene Konfigurationen aufweisen. So kann der
Hauptmotor 3 auf Bereichen des nützlichen Rotors 10 und des
gegenwirkenden Rotors 21 angebracht sein, die hervorstehend
bzgl. den Lagern 12, 13 bzw. 22, 23 (Figur 2) sind, oder im
Gegensatz an den Rotoren 10 und 21 in einer mittleren
Stellung zwischen den Lagern 12, 13 und 22, 23 angeordnet
sein (Figuren 1 und 3). Der Motor 3 könnte noch
beispielsweise hervorstehend an dem gegenwirkenden Rotor 21
bzgl. der Lager 22, 23 angeordnet sein, wobei er zwischen
den Lagern 12 und 13 an dem nützlichen Rotor 10 angeordnet
ist.
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Die Ausführungsform der Figur 3 zeigt einen nützlichen
Rotor 10 und einen gegenwirkenden Rotor 21, die
untereinander und bzgl. eines Bereiches des Trägers 60 von
zylindrischer Form konzentrisch sind, derart, daß sie eine
kompakte Struktur definieren, die erlaubt, die Lager 22, 23
des Trägers des gegenwirkenden Rotors 21 bzgl. des
nützlichen Rotors 10 in denselben radialen Ebenen
anzuordnen, in denen die Lager 12, 13 des Haltens des
nützlichen Rotors 10 bzgl. der Basisträgerstruktur 6
angebracht sind.
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In der Ausführungsform von Figur 3 ist der einzige Motor 3
in dem Mittenbereich der konzentrischen Bereiche der
Rotoren 10, 21 angeordnet, die zwischen den Lagern 12, 22
und 13, 23 angeordnet sind, mit einem zugehörigen Detektor
34, der die relativen Positionen der Rotoren 10 und 21
erfaßt. Der Detektor 34 sowie der Detektor 33 der Position
des Rotors 10 bzgl. des Trägers 6 können jedenfalls an
Plätzen angeordnet sein, die unterschiedlich sind zu jenen,
die in der Figur dargestellt sind.
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In der Ausführungsform von Figur 3 sind die reibungslosen
Lager 12, 13, 22, 23 gebildet aus aktiven magnetischen
Lagern, die Elektromagnetanordnungen 122, 132, 222, 232
aufweisen, die gegenüber den Armaturen 121, 131, 221, 231
angeordnet sind. Die Wicklungen der Elektromagneten werden
ausgehend von Regelungsschaltkreisen gesteuert, die mit
Hilfe von Positionsdetektoren 123, 133, 223, 233 gesteuert
werden, die in der Nähe der magnetischen Lager 12, 13, 22,
23 angeordnet sind.
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Wie in Figur 3 dargestellt, sind die Elektromagneten 122,
132 der magnetischen Lager 12, 13 und ihre zugehörigen
Detektoren 123, 133 an dem Träger 6 gegenüber einer
Außenseite 101 des nützlichen Rotors 10 angeordnet, während
die Elektromagneten 222, 223 der magnetischen Lager 22, 23
und die zugehörigen Detektoren 223, 233 an dem
gegenwirkenden Rotor 21 angeordnet sind, gegenüber einer
Innenseite 102 des nützlichen Rotors 10.
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Diese Anordnung erlaubt, die Steuer- bzw. Regelschaltkreise
der magnetischen Lager 12, 13 an dem Träger 6 mit
statischen Verbindungen anzuordnen und die Steuerkreise der
magnetischen Lager 22, 23 in dem gegenwirkenden
Trägheitsorgan 20 anzuordnen, das mit dem gegenwirkenden
Rotor 21 verbunden ist. Diese letzten Schaltkreise wirken
somit, einen gegenwirkenden Trägheitsteil zu bilden, was
die vollkommene Annullierung des kinetischen Moments des
nützlichen Rotors 10 und des gegenwirkenden Rotors 21
ermöglicht.