ES2410730A2 - Sistema compacto de generacion y control de momentos de fuerza con direccion constante - Google Patents
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Abstract
Sistema de actuadores giroscópicos dispuestos de forma que uno de los giróscopos gira dentro de la envolvente de movimiento del otro, permitiendo una reducción sustancial del volumen necesario para conseguir un momento de fuerza determinado con una dirección constante.
Description
Sistema compacto de generación y control de momentos de fuerza con dirección constante.
La presente invención se refiere a un sistema de actuadores giroscópicos dispuestos de forma que uno de los giróscopos gira dentro de la envolvente de movimiento del otro, permitiendo una reducción sustancial del volumen necesario para conseguir un momento de fuerza determinado con una dirección constante.
La presente invención se encuadra dentro del sector de la técnica de los actuadores y específicamente dentro del sector de los actuadores giroscópicos para la obtención de momento de fuerza, siendo su ámbito de aplicación los sectores aeronáutico, espacial, ferroviario, automoción y naval principalmente.
Los actuadores giroscópicos para la obtención de momento de fuerza se desarrollan principalmente en el sector aeroespacial, aunque encuentran ámbito de aplicación en otros sectores como pueden ser el naval, ferroviario o el de automoción, entre otros.
Para la obtención de momentos de fuerza existen dos grandes familias de actuadores giroscópicos: aquellos que obtienen el momento de fuerza mediante la variación del módulo del momento angular de los giróscopos, que incluye las ruedas de reacción, volantes de inercia y otros dispositivos similares, y aquellos que consiguen obtener el momento de fuerza mediante la variación de la dirección de los momentos angulares, compuestos por los denominados CMGs, por las siglas en inglés de giróscopos de control de momento.
La presente invención se encuadra dentro de la familia de los CMGs, cuya principal ventaja frente a la otra familia es la agilidad en la respuesta del sistema, obteniéndose los pares requeridos con un tiempo de respuesta notablemente más corto ya que no es necesario acelerar los giróscopos, sino que éstos se encuentran girando en espín a la velocidad nominal de funcionamiento.
Existe un número considerable de patentes y modelos de utilidad relacionadas con estos sistemas; podemos nombrar a modo de ejemplo las siguientes: US 6648274 B1, US 2008/0223990 A1, FR 98 14548 ó US 0070124032.
Cabe destacar, por su aparente relación con la presenta invención, las patentes US 6360996 B1 y US 5681012 referidas a control de CMGs utilizando la técnica denominada de ‘scissored pairs’, que podría traducirse como ‘pares de tijera’; y la patente española P200102290 referida a un actuador giroscópico formado por anillos concéntricos.
En los dos primeros casos, las patentes hacen referencia a sistemas de control, bien de un conjunto de actuadores, bien de una aeronave o vehículo espacial. La invención “sistema compacto de control de momento” se refiere principalmente a la configuración de los actuadores, así como, a los demás elementos necesarios para realizar el control del sistema, sin incluir un método o algoritmo de control específico más allá de una descripción del principio de funcionamiento, que efectivamente es del tipo “pares de tijera”.
La última de las patentes reseñadas, P200102290, titulada ‘Actuador giroscópico’ sí hace referencia a la forma de construcción de un actuador, pero las diferencias con la presente invención son amplias y obvias. En el caso del ‘Actuador giroscópico’ los rotores del sistema son anillos que están dispuestos concéntricamente. En el caso del sistema compacto de control de momento, los rotores no están limitados en cuanto a su forma, y la posición relativa de los mismos no se encuentra prefijada, tan sólo existe una restricción en cuanto a la relación entre los ejes de rotación en nutación y en espín, que deberán ser paralelos dos a dos, no estando obligadas a ser, ni anillos, ni concéntricos.
La presente invención, respecto a otros sistemas dirigidos a las mismas aplicaciones, presenta la principal ventaja de ocupar menos volumen que los demás sistemas existentes, al incluir dos rotores en un mismo espacio. Éstos otros sistemas necesitarían un volumen mayor para albergar más de un rotor con las mismas características. Así mismo, esta invención mantiene todas las ventajas de los sistemas CMGs frente a la otra familia existente en cuanto a agilidad de respuesta, y todas las ventajas de los sistemas que utilizan el principio de ‘scissored pairs’ frente a los CMGs tradicionales.
El sistema compacto de generación y control de momentos para generación de momento de fuerza con dirección constante está compuesto fundamentalmente por tres conjuntos de elementos: rotores giroscópicos, motores y electrónica de control.
Los rotores giroscópicos son dos masas que se hacen girar alrededor de un eje en un movimiento que se denomina de espín adquiriendo las características físicas que caracterizan a los giróscopos. Dichos rotores se disponen en una configuración que permite el giro de uno de ellos alrededor del otro; para optimizar y facilitar el sistema, el rotor exterior tendrá una forma ahuecada de manera que el rotor interior quedará parcialmente rodeado por el rotor exterior.
Los motores se encargarán de proveer a los rotores del giro en espín antes mencionado, convirtiéndolos así en giróscopos físicos, y otros motores proporcionarán el giro denominado de nutación a cada giróscopo alrededor de un eje que será perpendicular al de espín en cada rotor, siendo ambos ejes de nutación paralelos entre sí. Si los motores se conectan para realizar una actuación directa sobre los ejes de giro, serán necesarios cuatro motores, uno para cada giro en cada motor, aunque mediante el uso de sistemas mecánicos de engranajes, reductoras y otros dispositivos podría reducirse el número de motores necesarios.
La electrónica será la encargada de realizar el control de movimiento del sistema.
En principio esta electrónica puede estar formada por los “drivers” comerciales de los motores que se incluyan en la invención o formar parte de un sistema de control más complejo.
La invención consigue generar momentos de fuerza por conservación del momento angular de sistemas aislados. Al igual que sucede con los giróscopos con control de momento CMG (por sus siglas en inglés “control moment gyros”) y más concretamente con el principio de funcionamiento conocido como “Twins CMGs” o “Scissored-pair”, sistema compacto de generación y control de momentos, obtiene un momento de fuerza neto con dirección constante por la combinación de momentos de fuerzas generados por cada rotor con dirección variable gracias a la sincronía con la que se generan. A continuación se detalla el modo de funcionamiento.
Para el correcto funcionamiento de la invención, la posición inicial de los rotores debe ser tal, que los ejes de giro en espín sean paralelos y que el momento angular que posean los rotores giroscópicos sea el mismo en módulo pero de sentidos opuestos, con lo que el momento angular resultante del sistema será nulo. Partiendo de esta posición, si se hacen girar los dos rotores alrededor de sus respectivos ejes de nutación, que son paralelos entre sí, en sentidos contrarios y con el mismo módulo de la velocidad angular, el momento angular resultante irá creciendo desde un valor inicial nulo, en una dirección perpendicular al momento angular inicial de los rotores y a los ejes de rotación en nutación hasta alcanzar su valor máximo cuando los rotores generan momentos angulares alineados y en el mismo sentido, esto es, tras un giro en nutación de 90º de cada rotor.
El momento de fuerza generado, que matemáticamente viene dado por la variación del momento angular total respecto al tiempo, si la velocidad en nutación permanece constante, viene determinado por el momento angular de los anillos, la velocidad de nutación y modulado por el coseno del ángulo que forman los momentos angulares de los rotores entre sí en cada momento, siendo su dirección la misma que la del momento angular total del sistema. El momento de fuerza instantáneo alcanzará su máximo valor, si se considera la velocidad angular de nutación constante, en el instante inicial y tendrá un valor que será la suma de los momentos angulares de espín de los rotores multiplicada por la velocidad angular de nutación, mientras que la variación máxima de momento angular capaz de transferir la invención será la suma de dichos momentos angulares de espín.
El sistema propuesto es capaz de generar momentos de fuerza en direcciones de todo el plano perpendicular a los ejes de nutación de los rotores sin más que realizar, antes de empezar el movimiento de nutación de los rotores, un giro alrededor del eje de nutación de ambos rotores manteniendo los ejes de espín paralelos durante este proceso hasta alcanzar la posición deseada del eje en el que se obtiene el momento de fuerza. Este movimiento previo de orientación del sistema genera un par de fuerzas indeseado que, en caso de tener que ser compensado porque la sensibilidad de la aplicación así lo requiera, puede ser cancelado con otro sistema de actuadores anidados debidamente sincronizado, con una rueda de reacción clásica pequeña, ya que dicho par será mucho menor que el nominal generado por el sistema, o por otros medios.
Adicionalmente, se puede proveer al sistema de un movimiento adicional que permita el giro del sistema completo alrededor de un eje perpendicular a los ejes de nutación y a los de espín de manera que el sistema sería capaz de generar momentos de fuerza en cualquier dirección del espacio, ya que podría orientar los ejes de nutación en cualquier dirección del plano perpendicular a los ejes de espín. La capacidad de generar par en todas las direcciones del espacio puede conseguirse también por agregación de varios sistemas compactos de generación y control de momentos, es decir, utilizando dos o más sistemas de forma coordinada.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de figuras en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1. Detalle esquemático de la invención completa.
Se muestra una vista en planta del sistema completo donde se pueden
apreciar las tres partes fundamentales constitutivas de la invención: los
rotores giroscópicos, los motores y la electrónica de control. Además
aparecen una serie de elementos que sin ser fundamentales de la
invención aparecen descritos en el ejemplo de realización preferente
del sistema.
Figura 2. Representación vectorial del modo de funcionamiento.
Se muestra una composición de los vectores ‘momento angular’
asociados a cada rotor en dos instantes de tiempo durante la
actuación del sistema, y el vector ‘momento angular’ resultante en el
instante final. Para mayor sencillez, se han considerado los vectores
implicados como vectores libres y se han representado con el origen
coincidente.
Figura 3. Representación vectorial ilustrativa de la actuación en un eje
arbitrario.
Se muestra cómo debe ser el movimiento de los rotores a través de
los momentos angulares asociados a los mismos para poder obtener
un momento de fuerza en un eje arbitrario del plano perpendicular a
los ejes de nutación de los rotores. Para mayor sencillez se han
considerado los vectores como libres y con origen coincidente.
En las figuras, los elementos numerados se relacionan a continuación:
1 - Rotor exterior. Aunque no se ha representado, debe tener una
carcasa externa donde se montarán los motores y que servirán de
protección al sistema.
2 - Carcasa del rotor interior.
3 - Rotor interior.
4 - Motor de espín del rotor exterior.
5 - Motor de nutación del rotor exterior.
6 - Motor de nutación del rotor interior.
7 - Motor de espín del rotor interior.
8 - Cableado entre los motores y la electrónica de control.
9 - Electrónica de control del sistema.
10 -Eje de espín del rotor exterior.
11 - Eje de espín del rotor interior.
12 -Eje de nutación del rotor interior.
13 -Eje de nutación del rotor exterior.
14 - Momento angular resultante tras el movimiento en nutación de los
rotores.
15 - Momento angular inicial del rotor interior.
16 - Momento angular inicial del rotor exterior
17 - Momento angular del rotor interior tras el movimiento en nutación.
18 - Momento angular del rotor exterior tras el movimiento en nutación.
19 - Eje de espín de los rotores en el instante inicial.
20 - Eje de obtención de momento resultante.
21 - Eje de nutación de los rotores.
22 - Flecha indicativa del desplazamiento de los momentos angulares
producido. por el movimiento en nutación de los rotores.
23 - Momento angular inicial de los rotores.
24 - Momento angular de los rotores tras el giro en nutación
manteniendo el momento angular resultante igual a cero.
25 - Momento angular de los rotores tras el movimiento en nutación
para provocar la aparición de momento angular neto.
26 - Momento angular resultante tras el movimiento en nutación en
sentido contrario de los rotores.
27 - Eje de obtención de momento tras el giro coordinado manteniendo
el momento resultante igual a cero.
28 - Eje de obtención de momento en la posición inicial del sistema.
29 - Flechas indicativas del movimiento en nutación coordinado
manteniendo el momento angular resultante igual a cero.
30 - Flechas indicativas del movimiento en nutación para provocar la
aparición de momento angular neto.
Se describe a continuación un ejemplo de realización de la invención sin que dicha propuesta de realización suponga la opción óptima ni limite en manera alguna las posibilidades de realización de la misma.
Tal y como se ha descrito en el epígrafe “Explicación de la invención”, el sistema compacto de generación y control de momentos de fuerza con dirección constante está integrado por tres subsistemas fundamentales: los rotores giroscópicos, los motores y la electrónica de control del sistema. La invención propuesta es escalable y aplicable a diversos sistemas que requieran la aplicación de momentos de fuerza no continuos, motivando que los requisitos concretos y la definición detallada del diseño puedan ser modificados de acuerdo a los casos concretos, especialmente el funcionamiento de la electrónica de control, que deberá hacer de interfaz con el sistema en el que se integre el sistema compacto de generación y control de momentos de fuerza con dirección constante.
Dado el principio de funcionamiento del sistema objeto de la invención, el primer requisito que deben cumplir los rotores exterior (1) e interior 3) es que ambos posean el mismo módulo del momento angular inicial del rotor interior (15) y angular inicial del rotor interior (16) de forma que cuando los ejes de rotación en espín (eje de espín del rotor exterior (10) y eje de espín del rotor interior (11)) sean paralelos, el momento total resultante sea nulo si los giros de espín se efectúan en sentidos opuestos. Dado que el momento angular depende de la velocidad angular de rotación y del momento de inercia del rotor, tenemos dos variables con las que poder realizar el ajuste necesario para cumplir el requisito impuesto. En el presente ejemplo de realización, se va a considerar que la velocidad angular de rotación en espín es la misma para los dos rotores, lo cual obliga a que los momentos de inercia también lo sean, aunque pueden encontrarse otras soluciones de compromiso entre los momentos de inercia y las velocidades angulares de espín. Dado que los tamaños y formas de los rotores no podrán ser los mismos al estar uno situado en el “interior” del otro (Figura 1), para conseguir que ambos tengan el mismo tensor de inercia se realizará el diseño de ambos rotores conjugando de manera apropiada las geometrías de los rotores y las densidades de los materiales a utilizar, de manera que se cumpla el requisito impuesto a los tensores de inercia.
Alrededor de cada rotor se sitúa una carcasa (la del rotor interior se muestra como detalle 2 en las figuras, la del rotor exterior no se muestra) realizada en material ligero pero suficientemente resistente (por ejemplo una aleación ligera de aluminio), que sirve de anclaje para los motores de cada rotor y a la vez como sistema de protección. En dichas carcasas se anclarán los motores, de espín del rotor exterior
- (4)
- y de espín del rotor interior (7) y uno de nutación del rotor exterior
- (5)
- y de nutación del rotor interior (6).
El ángulo de rotación en los ejes de nutación (12 y 13) debe ser registrado en cada instante. Para ello, los motores de nutación (5 y 6)
- o los ejes de rotación correspondientes deben ser controlados y monitorizados mediante algún sistema de captura de datos (encoders, resolvers, sensores de efecto hall, etc.). Así mismo, es necesario conocer la velocidad de rotación de los rotores, lo que puede requerir de una electrónica adicional en función de la arquitectura de control diseñada. Hay disponible en el mercado motores que integran una
sensórica que cumplen con estos requisitos y la elección vendrá determinada, entre otros factores, por los tamaños de los mismos, la potencia nominal para mantener el giro de los rotores, el par de arranque necesario y las tensiones de funcionamiento, que sean compatibles con el sistema de distribución de potencia disponible. Todos estos factores vendrán determinados por la aplicación concreta, la cual puede exigir requisitos adicionales en cuanto a estándares específicos de robustez, fiabilidad, etc. como puede ser el caso de aplicaciones aeronáuticas o espaciales.
Desde la electrónica de control del sistema (9) se generarán las consignas necesarias a los motores para que realicen los movimientos necesarios en cada instante y de acuerdo a lo descrito en el epígrafe “Explicación de la invención” e ilustrado en las Figura 2 y Figura 3. Dependiendo de la aplicación concreta y del sistema en el que se incluya la invención puede variara notablemente el diseño y las funcionalidades de la electrónica, pudiendo ésta estar formada por “drivers” comerciales de los mismos motores o requerir el diseño de una electrónica basada en un microprocesador capaz de evaluar y decidir en cada momento qué movimientos son necesarios en función de las condiciones que se programen.
Así mismo, dicha electrónica puede estar conectada a sensores, un ordenador con un software que permita el control automático o manual de la invención o a otros muchos dispositivos. Así mismo, las comunicaciones con dicha electrónica y de ésta con los motores dependerán también de la aplicación y del sistema completo en el que se integre la invención, pudiendo realizarse las comunicaciones mediante hilos de señal, buses de comunicación, con tecnologías sin cable, etc.
Claims (4)
- REIVINDICACIONES
- 1.
- Sistema compacto de generación y control de momentos de fuerza con dirección constante caracterizado por estar formado por dos rotores giroscópicos con momentos angulares constantes e iguales en módulo dispuestos de tal manera que los ejes de nutación de ambos rotores son paralelos entre ellos, los ejes de espín son perpendiculares en cada rotor al eje de nutación y el rotor exterior puede girar alrededor del interior, siendo el volumen efectivo necesario el determinado por el rotor exterior.
-
- 2.
- Sistema compacto de generación y control de momentos de fuerza con dirección constante de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque incluye un sistema electrónico de control que permite el movimiento en nutación de ambos rotores en sentidos opuestos de forma sincronizada para obtener un momento de fuerza de dirección constante.
-
- 3.
- Sistema compacto de generación y control de momentos de fuerza con dirección constante de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque ambos rotores pueden girar en nutación en el mismo sentido y de forma sincronizada manteniendo alineados los ejes de espín para variar la dirección en la que se obtiene el momento de fuerza al realizar el giro en nutación de los rotores en sentidos opuestos, permitiendo la obtención de momento de fuerza en cualquier dirección del plano perpendicular al eje de nutación de los rotores.
-
- 4.
- Sistema compacto de generación y control de momentos de fuerza con dirección constante de acuerdo con las
- reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado porque añade un eje de
- giro adicional perpendicular al de nutación, permitiendo que los
- momentos angulares
- se orienten a cualquier dirección del
- espacio
- antes de empezar el movimiento de nutación en
- 5
- sentidos opuestos para crear el momento de fuerza de
- dirección constante, lo cual permite obtener un momento de
- fuerza
- de dirección constante en cualquier dirección del
- espacio.
- 10
- 5. Sistema compacto de generación y control de momentos de
- fuerza
- con dirección constante, de acuerdo con las
- reivindicaciones 1, 2, 3 y 4, caracterizado porque los ejes de
- nutación de los dos sistemas son perpendiculares entre sí de
- manera
- que combinando mediante un sistema de control
- 15
- electrónico los momentos de fuerza generados se puede
- conseguir un momento de fuerza de dirección constante en
- cualquier dirección del espacio.
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