DE102019112148A1 - Device and method for damping or generating micro-vibrations - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung und Erzeugung von Mikrovibrationen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung. Eine erfinderische Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrovibrationen auf allen sechs Raumfreiheitsgraden ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen in einem tetraederförmigen Aufbau angeordnet ist, wobei die Erregermassen unabhängig voneinander antreibbar sind. Hierdurch können alle drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems mit Kräften und Momenten belegt werden. Die Kräfte können momentfrei erzeugt werden und die Momente können kräftefrei erzeugt werden, wobei alle drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Die Tetraeder Anordnung erlaubt es auch gleichzeitig zur Erzeugung von momentfreien Kräften und kräftefreien Momenten, eine dynamische Unwucht mit der geringstmöglichen Anzahl an Aktuatoren zu erzeugen. Somit bietet der Aufbau die Möglichkeit, auf allen sechs Freiheitsgraden eine Mikrovibration zu erzeugen bzw. zu dämpfen.The invention relates to a device for damping and generating micro-vibrations. The invention also relates to a method for operating the device. An inventive device for generating micro-vibrations on all six degrees of freedom is characterized in that a plurality of electromagnetically drivable exciter masses is arranged in a tetrahedral structure, the exciter masses being drivable independently of one another. This means that all three axes of a Cartesian coordinate system can be assigned forces and moments. The forces can be generated without torque and the moments can be generated without force, whereby all three axes of a Cartesian coordinate system can be controlled independently of one another. The tetrahedron arrangement also makes it possible to generate moment-free forces and force-free moments at the same time, to produce a dynamic imbalance with the smallest possible number of actuators. The structure thus offers the possibility of generating or damping a micro-vibration on all six degrees of freedom.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung und Erzeugung von Mikrovibrationen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.The invention relates to a device for damping and generating micro-vibrations. The invention also relates to a method for operating the device.
Bei der Entwicklung und dem Bau aktueller Raumfahrzeuge und Satelliten spielen die sog. Mikrovibrationen eine immer stärkere Rolle. Mikrovibrationen werden immer mehr zum limitierenden Faktor einer hoch genauen Lageregelung und somit auch einer hochgenauen Ausrichtung des Raumfahrzeugs bzw. Satelliten und / oder von Vorrichtungen wie beispielsweise Teleskopen, die mit Raumfahrzeugen oder Satelliten wirkverbunden sind. Ein Beispiel sind hier die optischen Teleskopsatelliten wie z.B. das Hubble. Das Hubble-Weltraumteleskop wurde primär dazu geschaffen, Einschränkungen durch die Erdatmosphäre bei der Beobachtung von Objekten und Phänomenen des Universums zu umgehen. Die Moleküle der Erdatmosphäre begrenzen das Auflösungsvermögen von Teleskopen auf der Erdoberfläche, außerdem werden verschiedene Spektralbereiche blockiert. Ist ein solches Teleskop allerdings nicht ganz ruhig ausgerichtet, „verschmiert“ vereinfacht gesagt das aufgenommene Bild. Solche Ausrichtfehler können durch Mikrovibrationen hervorgerufen werden.So-called micro-vibrations play an increasingly important role in the development and construction of current spacecraft and satellites. Microvibrations are increasingly becoming the limiting factor of a highly precise position control and thus also a highly precise alignment of the spacecraft or satellites and / or of devices such as telescopes that are operatively connected to spacecraft or satellites. An example here are the optical telescope satellites such as the Hubble. The Hubble Space Telescope was created primarily to circumvent the limitations of the Earth's atmosphere when observing objects and phenomena in the universe. The molecules of the earth's atmosphere limit the resolving power of telescopes on the earth's surface, and different spectral ranges are blocked. However, if such a telescope is not aligned very smoothly, the recorded image will “smear” in simple terms. Such alignment errors can be caused by micro-vibrations.
Aktuell bewegt sich die Entwicklung von Satelliten in zwei Richtungen. Zum einen werden immer größere und schwere Satelliten entwickelt (z.B. James Webb Space Telescope), welche allein über ihre große Massenträgheit Mikrovibrationen in den Griff bekommen können. Zum anderen werden die Satelliten immer kleiner (z.B. CubeSats, 1 kg). Je kleiner der Satellit ist, desto schwieriger und/oder aufwändiger ist es, Mikrovibrationen in den Griff zu bekommen, da sich hier jede Störung relativ stark auswirkt.The development of satellites is currently moving in two directions. On the one hand, ever larger and heavier satellites are being developed (e.g. James Webb Space Telescope), which can get micro-vibrations under control solely through their large mass inertia. On the other hand, the satellites are getting smaller and smaller (e.g. CubeSats, 1 kg). The smaller the satellite, the more difficult and / or time-consuming it is to get micro-vibrations under control, since every disturbance has a relatively strong effect here.
Charakteristisch für Mikrovibrationen sind sehr kleine Beschleunigungspegel, welche sich durch Strukturbauteile übertragen und/oder sogar verstärken. Die Verursacher der Mikrovibrationen sind typischerweise sich bewegende mechanische Einheiten wie z.B. Reaktionsräder, Flüssigkeitspumpen, Louver (Jalousien), Schrittmotoren, etc..Microvibrations are characterized by very low acceleration levels, which are transmitted and / or even intensified through structural components. The micro-vibrations are typically caused by moving mechanical units such as e.g. Reaction wheels, liquid pumps, louvers (blinds), stepper motors, etc ..
Es fehlt an wirksamen Mechanismen und Vorrichtungen zur Dämpfung von Mikrovibrationen, insbesondere solchen, die für den Einsatz auch auf kleinen Satelliten oder Raumfahrzeugen geeignet sind.There is a lack of effective mechanisms and devices for damping micro-vibrations, in particular those which are also suitable for use on small satellites or spacecraft.
Neben der Mikrovibrationsdämpfung wird die definierte Mikrovibrationserzeugung auch immer wichtiger. Sie wird maßgeblich dazu genutzt, strukturelle Verifikationstests durchzuführen, um nachzuweisen, dass eine bestimmte Struktur ausreichend dämpfende Eigenschaften hat.In addition to micro-vibration damping, the defined generation of micro-vibrations is also becoming increasingly important. It is used to a large extent to carry out structural verification tests to prove that a certain structure has sufficient damping properties.
Derzeit gibt es zwei verschiedene Herangehensweisen, um Mikrovibrationen zu adressieren. Zum einen über ein reines passives Feder-Masse-Dämpfer-System und zum anderen ,zum Beispiel, über aktive Piezo-Aktuatoren.There are currently two different approaches to addressing microvibration. On the one hand via a purely passive spring-mass-damper system and on the other hand, for example, via active piezo actuators.
Der größte Nachteil rein passiver Feder-Masse-Dämpfer System ist, dass man sie nach der Fertigstellung nicht mehr anpassen kann. Eine Anpassung ist insbesondere wenn ein Satellit sich bereits im Orbit befindet, nicht mehr möglich. Außerdem sind Adaptionen im Laboraufbau nur bedingt möglich, da hierzu praktisch der gesamte Aufbau erneuert werden muss. Letztlich ist es somit nur sehr schwer möglich, auf unbekannte Störungen zu reagieren und das Feder-Masse-Dämpfer-System anzupassen.The main disadvantage of a purely passive spring-mass damper system is that it cannot be adjusted after completion. Adaptation is no longer possible, especially if a satellite is already in orbit. In addition, adaptations in the laboratory structure are only possible to a limited extent, since practically the entire structure has to be replaced. Ultimately, it is therefore very difficult to react to unknown disturbances and to adapt the spring-mass-damper system.
Speziell das Problem der Anpassung kann mit Piezo-Aktuatoren gelöst werden. Diese Aktuatoren lassen sich relativ leicht anpassen und generieren somit entsprechende Dämpfungen bzw. Anregungen. Ihr Hauptnachteil ist allerdings die sehr geringe Amplitude, welche mit ihnen erzeugt bzw. gedämpft werden kann.Especially the problem of adaptation can be solved with piezo actuators. These actuators can be adapted relatively easily and thus generate corresponding damping or excitations. Their main disadvantage, however, is the very low amplitude that can be generated or damped with them.
Begrifflich sei hierzu erläutert:
- Unter einem Raumfahrzeug wird in dieser Schrift ein Fahrzeug verstanden, das der Fortbewegung im Weltraum dient. Ein Raumfahrzeug weist einen eigenen Antrieb auf.
- In this document, a spacecraft is understood to mean a vehicle that is used for locomotion in space. A spacecraft has its own drive.
Unter einem Satellit wird in dieser Schrift allgemein ein künstlicher Raumflugkörper verstanden, der einen Himmelskörper auf einer elliptischen oder kreisförmigen Umlaufbahn, dem Orbit, zur Erfüllung wissenschaftlicher, kommerzieller oder militärischer Zwecke umkreist. Ein Satellit kann einen Eigenantrieb aufweisen, wobei dieser in erster Linie zur Korrektur von Lage und Position des Satelliten ausgelegt ist. Ein besonderer Satellit ist ein optischer Teleskopsatellit. Hierbei handelt es sich um einen Satelliten, der ein optisches Teleskop trägt und zur Beobachtung von Himmelskörpern, wie beispielsweise Planeten oder Kometen, dient.In this document, a satellite is generally understood to mean an artificial spacecraft which orbits a celestial body in an elliptical or circular orbit, the orbit, for the fulfillment of scientific, commercial or military purposes. A satellite can have its own propulsion system, this being primarily designed to correct the attitude and position of the satellite. A special satellite is an optical telescope satellite. This is a satellite that carries an optical telescope and is used to observe celestial bodies such as planets or comets.
Das Universum oder auch synonym das Weltall ist die Gesamtheit von Raum, Zeit und aller Materie und Energie darin. Das beobachtbare Universum beschränkt sich hingegen auf die vorgefundene Anordnung aller Materie und Energie, angefangen bei den elementaren Teilchen bis hin zu den großräumigen Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen.The universe or synonymously the universe is the totality of space, time and all matter and energy in it. The observable universe, however, is limited to the found arrangement of all matter and energy, starting with the elementary particles up to the large-scale structures such as galaxies and galaxy clusters.
Unter Vibrationen werden hier periodische, meist mittel- bis höherfrequente und niederamplitudige (mechanische) Schwingungen von Stoffen und Körpern, die entweder selbst elastisch sind oder aus elastisch verbundenen Einzelteilen oder Bausteinen bestehen, verstanden. Dementsprechend sind Mikrovibrationen Vibrationen mit extrem kleinen Amplituden und / oder Beschleunigungen.Vibrations are periodic, mostly medium to high frequency and low amplitude (mechanical) vibrations of materials and bodies that are either elastic themselves or are made of elastically connected items or building blocks exist, understood. Accordingly, micro-vibrations are vibrations with extremely small amplitudes and / or accelerations.
Mit dem Begriff Teleskop wird in dieser Schrift allgemein ein Instrument verstanden, das elektromagnetische Wellen sammelt und bündelt, um weit entfernte Objekte beobachten zu können. Je nach dem Frequenzspektrum beziehungsweise Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Wellen unterscheidet man beispielsweise Gammateleskope, die aus dem Weltall kommende Gammastrahlung empfangen, Röntgenteleskope, die aus dem Weltall kommende Röntgenstrahlung empfangen, optische Teleskope, wie beispielsweise Fernrohre und Spiegelteleskope, mit denen weit entfernte Gegenstände vergrößert betrachtet beziehungsweise mit hoher Auflösung untersucht werden können, Infrarotteleskope, mit denen von astronomischen Objekten ausgesandte Infrarotstrahlung beobachtbar ist, und Radioteleskope zum Empfangen und Messen der aus dem Weltall bzw. von speziellen Himmelsobjekten kommenden Radiofrequenzstrahlung.In this document, the term telescope is generally understood to mean an instrument that collects and bundles electromagnetic waves in order to be able to observe distant objects. Depending on the frequency spectrum or wavelength range of the electromagnetic waves, a distinction is made between, for example, gamma telescopes that receive gamma radiation from space, x-ray telescopes that receive x-ray radiation from space, optical telescopes, such as telescopes and mirror telescopes, with which objects that are far away are viewed magnified or with high resolution, infrared telescopes with which infrared radiation emitted by astronomical objects can be observed, and radio telescopes for receiving and measuring the radio frequency radiation coming from space or special celestial objects.
Auflösungsvermögen bezeichnet in der Optik die Unterscheidbarkeit feiner Strukturen, also zum Beispiel den minimalen Abstand, den zwei punktförmige Objekte haben müssen, um sie als getrennte Objekte wahrnehmen zu können. Durch die Angabe eines Winkelabstandes (Winkelauflösung) oder durch die Angabe des Abstandes gerade noch trennbarer Strukturen lässt er sich quantifizieren.In optics, resolving power refers to the differentiation of fine structures, for example the minimum distance that two point-like objects must have in order to be able to perceive them as separate objects. It can be quantified by specifying an angular distance (angular resolution) or by specifying the distance between structures that are barely separable.
Der Begriff Lageregelung oder synonym auch Positionsregelung bezeichnet die Regelung der Position eines Systems, beispielsweise eines mit einem Raumfahrzeug oder Satelliten wirkverbundenen Teleskops.The term position control or synonymously position control denotes the control of the position of a system, for example a telescope that is operatively connected to a spacecraft or satellite.
Unter Strukturbauteil soll in dieser Schrift ein lasttragendes, dreidimensionales Bauteil verstanden werden.In this document, a structural component is to be understood as a load-bearing, three-dimensional component.
Ein Feder-Masse-Dämpfer-System besteht aus Massen, mechanischen Federn und parallelen Dämpfungsgliedern. Das System kann potentielle und kinetische Energie speichern. Masse-Feder-Dämpfungs-Systeme sollen vor allem die Übertragung von Vibrationen und Körperschall verringern. Die elastischen Elemente (Federn) sorgen für eine schwingungstechnische Entkopplung der Massen. Dabei müssen Masse und Federdynamik aufeinander abgestimmt werden. Die Feder hat eine Federkonstante, eine Ruhelänge und eine Abklingkonstante. Sofern sich die Feder in Ruhelage befindet, ist auch das System in Ausgangslage. Wird eine Masse bewegt, liegt an der Feder potentielle Energie an, die durch Verschiebung der anderen Massepunkte minimiert wird. Das Dämpfungsglied sorgt dafür, dass das System nach der Deformation nicht weiter schwingt, sondern zurück in seine Ruhelage findet. Eine schwache, unterkritische Dämpfung führt dabei zu schwingendem Abklingen, eine kritische bzw. überkritische Dämpfung zu kriechendem Abklingen.A spring-mass-damper system consists of masses, mechanical springs and parallel damping elements. The system can store potential and kinetic energy. Mass-spring-damping systems are primarily intended to reduce the transmission of vibrations and structure-borne noise. The elastic elements (springs) ensure a vibrational decoupling of the masses. The mass and spring dynamics must be coordinated with one another. The spring has a spring constant, a rest length, and a decay constant. If the spring is in the rest position, the system is also in the starting position. If a mass is moved, there is potential energy on the spring, which is minimized by shifting the other mass points. The attenuator ensures that the system does not continue to oscillate after the deformation, but rather finds its way back to its rest position. A weak, subcritical damping leads to oscillating decay, while critical or supercritical damping leads to creeping decay.
Unter einem (aktiver) Piezo-Aktuator soll in dieser Schrift ein Aktuator, also eine antriebstechnische Baueinheit, verstanden werden, die ein elektrisches Signal in mechanische Bewegungen bzw. Veränderungen physikalischer Größen wie Druck oder Temperatur umsetzt und damit aktiv in einen gesteuerten Prozess eingreift, wobei die mechanische Bewegung durch Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts, d.h. durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an einen Festkörper, erfolgt.In this document, an (active) piezo actuator is to be understood as an actuator, that is to say a drive unit, which converts an electrical signal into mechanical movements or changes in physical quantities such as pressure or temperature and thus actively intervenes in a controlled process the mechanical movement by taking advantage of the piezoelectric effect, ie by applying an electrical voltage to a solid body.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, mit der Mikrovibrationen gezielt auf allen sechs Raumfreiheitsgraden aktiv und effektiv dämpfbar sowie beispielsweise zu Testzwecken aktiv erzeugbar sind, wobei die Anzahl der erforderlichen Aktuatoren minimiert werden soll. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zum Betrieb der Vorrichtung.The object of the invention is to provide a device with which microvibrations can be actively and effectively damped in a targeted manner on all six degrees of freedom and actively generated, for example, for test purposes, the number of actuators required being minimized. Another object of the invention is to provide a method for operating the device.
Die erste Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6. Die zweite Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 8 bis 14.The first object of the invention is achieved with a device according to
Eine erfinderische Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrovibrationen auf allen sechs Raumfreiheitsgraden ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen in einem tetraederförmigen Aufbau angeordnet ist, wobei die Erregermassen unabhängig voneinander antreibbar sind. Hierdurch können alle drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems mit Kräften und Momenten belegt werden. Die Kräfte können momentfrei erzeugt werden und die Momente können kräftefrei erzeugt werden, wobei alle drei Achsen des kartesischen Koordinatensystems unabhängig voneinander angesteuert werden können. Die Tetraederanordnung erlaubt das Erzeugen von momentfreien Kräften und kräftefreien Momenten sowie von statischen oder dynamischen Unwuchten mit der geringstmöglichen Anzahl an Aktuatoren zu erzeugen. Somit bietet der Aufbau die Möglichkeit, auf allen sechs Freiheitsgraden eine Mikrovibration zu erzeugen bzw. zu dämpfen. Bei den Aktuatoren handelt es sich beispielsweise um Linearaktuatoren.An inventive device for generating micro-vibrations on all six degrees of freedom is characterized in that a plurality of electromagnetically drivable exciter masses is arranged in a tetrahedral structure, the exciter masses being drivable independently of one another. This means that all three axes of a Cartesian coordinate system can be assigned forces and moments. The forces can be generated without torque and the moments can be generated without force, whereby all three axes of the Cartesian coordinate system can be controlled independently of one another. The tetrahedral arrangement allows the generation of moment-free forces and force-free moments as well as static or dynamic imbalances with the smallest possible number of actuators. The structure thus offers the possibility of generating or damping a micro-vibration on all six degrees of freedom. The actuators are, for example, linear actuators.
Unter einer Erregermasse wird eine Masse verstanden, die in der Lage ist, ein System, mit dem die Masse wirkverbunden ist, in Erregung, beispielsweise in Schwingungen, zu versetzen. Das System kann dabei beispielsweise ein mit einem Raumfahrzeug oder Satelliten wirkverbunden Teleskop samt seiner bewegbaren Lagerung sein. Die Erregermasse ist damit ein Aktuator. Erfindungsgemäß ist die Erregermasse elektromagnetisch antreibbar. Dabei wird unter elektromagnetischem Antrieb jeder Antrieb verstanden, bei dem mit Hilfe des elektromagnetischen Prinzips elektrische in mechanische Energie umgeformt wird.An excitation mass is understood to mean a mass that is able to excite a system with which the mass is actively connected, for example to vibrate. The system can be, for example, a telescope that is operatively connected to a spacecraft or satellite, including its movable mounting. The excitation mass is thus an actuator. According to the invention, the excitation mass can be driven electromagnetically. An electromagnetic drive is understood to mean any drive in which electrical energy is converted into mechanical energy with the aid of the electromagnetic principle.
Ein starrer Körper kann im dreidimensionalen Raum sechs voneinander unabhängige Bewegungen ausführen, nämlich sich in drei voneinander unabhängige Richtungen bewegen (Translation) und um drei voneinander unabhängige Achsen drehen (Rotation). Mit anderen Worten hat ein starrer Körper im dreidimensionalen Raum sechs Freiheitsgrade.A rigid body can execute six independent movements in three-dimensional space, namely moving in three independent directions (translation) and turning around three independent axes (rotation). In other words, a rigid body has six degrees of freedom in three-dimensional space.
Eine Anordnung von Erregermassen in einem tetraederförmiger Aufbau liegt vor, wenn die Erregermassen so angeordnet sind, dass sie auf den Kanten oder Flächen eines gedachten allgemeinen Tetraeders, also eines Körpers mit vier dreieckigen Seitenflächen, liegen.An arrangement of excitation masses in a tetrahedral structure is present when the excitation masses are arranged in such a way that they lie on the edges or surfaces of an imaginary general tetrahedron, that is to say a body with four triangular side surfaces.
Generell sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen des hier vorliegenden Dokuments die unbestimmten Zahlwörter „ein“, „zwei“ usw. nicht als „genau-ein“, „genau zwei“ usw. verstanden werden sollen, sondern im Normalfall als unbestimmte Artikel. Eine Aussage der Art „ein ...“, „zwei ...“ usw. ist daher als „mindestens ein ...“, „mindestens zwei ...“ usw. zu verstehen, sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ergibt, dass etwa nur „genau ein“, „genau zwei“ usw. gemeint sind.In general, it should be noted that in the context of this document, the indefinite numerals “one”, “two” etc. should not be understood as “exactly one”, “exactly two” etc., but normally as an indefinite article. A statement of the type "one ...", "two ..." etc. is therefore to be understood as "at least one ...", "at least two ..." etc., unless it is clear from the respective context that only "exactly one", "exactly two" etc. are meant.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Achsen der Erregermassen auf den Flächen des gedachten Tetraeders angeordnet. Hierdurch ist die der tetraederförmige Aufbau besonders leicht realisierbar.In an advantageous embodiment, the axes of the excitation masses are arranged on the surfaces of the imaginary tetrahedron. As a result, the tetrahedral structure can be implemented particularly easily.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Achsen der Erregermassen entlang den Kanten des gedachten Tetraeders angeordnet.In a further advantageous embodiment, the axes of the excitation masses are arranged along the edges of the imaginary tetrahedron.
Alternativ können die Achsen der Erregermassen auch derart angeordnet sein, dass sie orthogonal durch die Flächenmittelpunkte des gedachten Tetraeders zeigen.Alternatively, the axes of the excitation masses can also be arranged in such a way that they point orthogonally through the surface centers of the imaginary tetrahedron.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind vier elektromagnetisch antreibbare Erregermassen in dem tetraederförmigen Aufbau angeordnet. Mit vier Erregermassen ist es möglich, Kräfte, Momente und Unwuchten in allen sechs Freiheitsgraden mit einer minimalen Anzahl von Erregermassen zu erzeugen, wobei diese nicht alle gleichzeitig erzeugt werden können.In a further advantageous embodiment, four electromagnetically drivable excitation masses are arranged in the tetrahedral structure. With four excitation masses, it is possible to generate forces, moments and imbalances in all six degrees of freedom with a minimum number of excitation masses, although these cannot all be generated at the same time.
In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform sind mindestens sechs elektromagnetisch antreibbare Erregermassen in dem tetraederförmigen Aufbau angeordnet. Mit sechs elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen erlaubt es diese Anordnung, auf allen sechs Freiheitsgraden Mikrovibrationen zu erzeugen. Gleichzeitig kann eine beliebige Anzahl von Kräften, Momenten sowie statische und dynamische Unwuchten erzeugt werden, insbesondere, wenn eine Mehrzahl der auf allen drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems angeordneten Erregermassen unabhängig voneinander elektromagnetisch angetrieben werden.In an alternative advantageous embodiment, at least six electromagnetically drivable excitation masses are arranged in the tetrahedral structure. With six electromagnetically drivable excitation masses, this arrangement allows micro-vibrations to be generated on all six degrees of freedom. At the same time, any number of forces, moments and static and dynamic imbalances can be generated, especially if a plurality of the exciter masses arranged on all three axes of a Cartesian coordinate system are electromagnetically driven independently of one another.
Das Beschleunigen einer gelagerten Masse, hier der Erregermasse, in eine Richtung erzeugt eine Gegenkraft gleichen Betrages auf das System. Die Kraft erzeugt ein Drehmoment um den Mittelpunkt des Tetraeders, proportional zum Abstand zu diesem. Das Beschleunigen mehrerer Massen gleichzeig um diesen Mittelpunkt erlaubt es, entstehenden Drehmomenten oder Kräften entgegenzuwirken, um je nach Anwendung reine Kräfte oder Momente zu erzeugen. Es ist möglich, je nach Ansteuerung gleichzeitig dazu eine Unwucht zu erzeugen, die je nach Anwendung statisch oder dynamisch sein kann.The acceleration of a stored mass, here the exciter mass, in one direction generates a counterforce of the same amount on the system. The force creates a torque around the center of the tetrahedron, proportional to the distance to it. The acceleration of several masses around this center point allows torques or forces to be counteracted in order to generate pure forces or moments depending on the application. It is possible, depending on the control, to simultaneously generate an imbalance that can be static or dynamic depending on the application.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden die elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen so angesteuert, dass momentenfreie Kräfte erzeugt werden.In an advantageous embodiment of the method, the electromagnetically drivable excitation masses are controlled in such a way that torque-free forces are generated.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden die elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen so angesteuert, dass kräftefreie Momente erzeugt werden.In a further advantageous embodiment of the method, the electromagnetically drivable excitation masses are controlled in such a way that force-free moments are generated.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn über die Ansteuerung der elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen zweite Mikrovibrationen erzeugt werden.It has proven to be advantageous if second micro-vibrations are generated by controlling the electromagnetically drivable excitation masses.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden erste Mikrovibrationen an einem System erfasst und über die Ansteuerung des elektromagnetischen Antriebs der Erregermassen zweite Mikrovibrationen erzeugt, die den erfassten ersten Mikrovibrationen entgegenwirken. Mit anderen Worten können die ersten Mikrovibrationen durch die Erzeugung entsprechender zweiter Mikrovibrationen gedämpft werden. Durch eine entsprechende Ansteuerung des elektromagnetischen Antriebs der Erregermassen können zweite Mikrovibration erzeugt werden, die die ersten Mikrovibrationen sogar vollständig kompensieren. Das System kann dabei beispielsweise ein mit einem Raumfahrzeug oder Satelliten wirkverbundenes Teleskop samt seiner bewegbaren Lagerung sein.In a particularly advantageous embodiment of the method, first microvibrations are recorded on a system and, via the control of the electromagnetic drive of the excitation masses, second microvibrations are generated, which counteract the recorded first microvibrations. In other words, the first micro-vibrations can be dampened by generating corresponding second micro-vibrations. A corresponding control of the electromagnetic drive of the excitation masses can generate second microvibrations which even completely compensate for the first microvibrations. The system can be, for example, a telescope that is operatively connected to a spacecraft or satellite, including its movable mounting.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird über die Ansteuerung der elektromagnetisch antreibbare Erregermassen eine Unwucht an einem System erzeugt. Das System kann dabei auch hier beispielsweise ein mit einem Raumfahrzeug oder einem Satelliten wirkverbundenes Teleskop samt seiner bewegbaren Lagerung sein.In a further advantageous embodiment of the method, an imbalance is generated in a system by activating the electromagnetically drivable exciter masses. Here too, the system can be, for example, a telescope that is operatively connected to a spacecraft or a satellite, together with its movable mounting.
Die Ansteuerung der elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen kann über eine Amplitudenmodulation erfolgen. Alternativ oder kumulativ kann die Ansteuerung der elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen auch über eine Frequenzmodulation erfolgt.The electromagnetically drivable excitation masses can be controlled via amplitude modulation. Alternatively or cumulatively, the electromagnetically drivable excitation masses can also be controlled via frequency modulation.
Durch die tetraederförmige Anordnung der elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen können gleichzeitig kräftefreie Momente und momentfreie Kräfte sowie statische und dynamische Unwuchten mit der geringstmöglichen Anzahl an Aktuatoren erzeugt werden. Dabei lässt sich die Amplitude der Erregung über Regler innerhalb der Aktuatorgrenzen frei wählen, wobei die unbegrenzte Skalierbarkeit des Aktuators die Aktuatormasse nur linear ansteigen lässt. Die elektromagnetischen Aktuatoren lassen sich in der Größe anpassen und die Anregungsform (Sinus, Kippschwingung, etc.) durch einen Regler anpassen. Die Erzeugung von kräftefreien Momenten sind genauso wie die Erzeugung von momentfreien Kräften auf allen drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems möglich. Ebenso ist die Erzeugung einer statischen wie auch einer dynamischen Unwucht möglich. Due to the tetrahedral arrangement of the electromagnetically drivable excitation masses, force-free moments and moment-free forces as well as static and dynamic imbalances can be generated with the smallest possible number of actuators. The amplitude of the excitation can be freely selected via regulators within the actuator limits, whereby the unlimited scalability of the actuator only allows the actuator mass to increase linearly. The size of the electromagnetic actuators can be adjusted and the form of excitation (sine, tilting oscillation, etc.) can be adjusted by a controller. The generation of force-free moments is just as possible as the generation of moment-free forces on all three axes of a Cartesian coordinate system. It is also possible to generate a static as well as a dynamic imbalance.
Der Aufbau der elektromagnetischen Aktuatoren kann dem eines Tiefpasses entsprechen, so dass niedrige Frequenzen ohne Amplitudenmodulation gedämpft werden können, was bei längeren Belichtungszeiten von optischen Instrumenten durch beispielsweise optische Teleskope auf Raumfahrzeugen und Satelliten relevant sein kann. Die Grenzfrequenz kann durch den Spulenaufbau beeinflusst werden. Eine Amplituden- und / oder Frequenzmodulation ist möglich. Der Vorteil des elektromagnetischen kontakt- und reibungsfreien Antriebs besteht u.a. darin, dass der Antrieb größtenteils rauschbei ist und die entstehenden Wirbelströme mögliche entstehende Vibration dämpfen.The structure of the electromagnetic actuators can correspond to that of a low-pass filter, so that low frequencies can be attenuated without amplitude modulation, which can be relevant for longer exposure times of optical instruments, for example optical telescopes on spacecraft and satellites. The cut-off frequency can be influenced by the coil structure. Amplitude and / or frequency modulation is possible. The advantage of the electromagnetic contact and frictionless drive consists of in that the drive is mostly noisy and the eddy currents that arise dampen possible vibrations.
Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass alle angegebenen Zahlenwerte nicht als scharfe Grenzen zu verstehen sein sollen, sondern vielmehr in ingenieurmäßigem Maßstab über- oder unterschritten werden können sollen, ohne den beschriebenen Aspekt der Erfindung zu verlassen.It should be expressly pointed out that all numerical values given should not be understood as sharp limits, but rather should be able to be exceeded or fallen below on an engineering scale without departing from the aspect of the invention described.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.Further advantages, special features and expedient developments of the invention emerge from the subclaims and the following illustration of preferred exemplary embodiments on the basis of the figures.
Es zeigen:
-
1a eine schematische Darstellung einer Anordnung von sechs elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen in einer Vorderansicht, -
1b eine schematische Darstellung einer Anordnung von sechs elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen in einer Draufsicht, -
1c eine schematische Darstellung einer Anordnung von sechs elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen in einer Seitenansicht von links, - Fig. Id eine schematische Darstellung einer Anordnung von sechs elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen in einer isometrischen Ansicht,
-
2a eine schematische Darstellung einer Anordnung von vier elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen in einer Vorderansicht, -
2b eine schematische Darstellung einer Anordnung von vier elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen in einer Draufsicht, -
2c eine schematische Darstellung einer Anordnung von vier elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen in einer Seitenansicht von links, -
2d eine schematische Darstellung einer Anordnung von vier elektromagnetisch antreibbaren Erregermassen in einer isometrischen Ansicht,
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1a a schematic representation of an arrangement of six electromagnetically drivable excitation masses in a front view, -
1b a schematic representation of an arrangement of six electromagnetically drivable excitation masses in a plan view, -
1c a schematic representation of an arrangement of six electromagnetically drivable excitation masses in a side view from the left, - Fig. Id a schematic representation of an arrangement of six electromagnetically drivable excitation masses in an isometric view,
-
2a a schematic representation of an arrangement of four electromagnetically drivable excitation masses in a front view, -
2 B a schematic representation of an arrangement of four electromagnetically drivable excitation masses in a plan view, -
2c a schematic representation of an arrangement of four electromagnetically drivable excitation masses in a side view from the left, -
2d a schematic representation of an arrangement of four electromagnetically drivable excitation masses in an isometric view,
Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.The embodiments shown here are only examples and should therefore not be understood as restrictive. Alternative embodiments contemplated by those skilled in the art are equally encompassed by the scope of the present invention.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- tetraederförmiger Aufbautetrahedral structure
- 22
- Kante des gedachten TetraedersEdge of the imaginary tetrahedron
- 33
- ErregermasseExcitation mass
Claims (14)
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DE102019112148.5A DE102019112148A1 (en) | 2019-05-09 | 2019-05-09 | Device and method for damping or generating micro-vibrations |
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DE102019112148.5A DE102019112148A1 (en) | 2019-05-09 | 2019-05-09 | Device and method for damping or generating micro-vibrations |
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CN114251410A (en) * | 2021-11-18 | 2022-03-29 | 上海航天控制技术研究所 | Semi-active vibration reduction platform structure of inertia actuating mechanism based on magneto-rheological damper |
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-
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