DE2337696A1 - Magnetische vorrichtung - Google Patents

Description

TELDIX GmI)H
6900 Heidelberg
Grenzhöfer Weg 56

Heidelberg, den 24-. Juli Ί973 G/Pt-Sch/Pr E-294-

Magnetische "Vorrichtung

(Zusatz zur Patentanmeldung P 22 10 995.1-32^

Die Hauptanmeldung betrifft eine magnetische Vorrichtung, enthaltend einen Stator und einen Rotor, welcher Dauermagnete abwechselnder Polarität aufweist und auf welchen durch Steuerung von Strömen in den im Hagnetfeld des Rotors liegenden Statorwicklungen Kräfte in axialer, radialer und tangentialer Richtung ausgeübt werden. *

Problemstellung

Mit einer Vorrichtung gemäß Hauptanmeldung ist es möglich, den Rotor bezüglich seiner drei translator!sehen, drei rotatorischen Freiheitsgrade stabil und freischwebend zu lagern. Mittels geeigneter Sensoren zur Erfassung der Lage des Rotors bezüglich des Stators, sowie mittels vorzugsweise elektronischen Regeleinrichtungen

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kann somit für sämtliche Freilieitsgrade eine aktive Lageregelung erzielt werden» Nun hat es sich gezeigt, daß in bestimmten Anwendungsfällen (z.B. Gaszentrifugen oder StabilisierungsSchwungräder für Satelliten) eine aktive Lageregelung nicht für sämtliche Freiheitsgrade erforderlich ist, wobei jedoch zwischen Rotor und Stator keine mechanische Berührung stattfinden darf.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, vor allem den Gegenstand der Hauptanmeldung weiterzubilden und mit einfachen Mitteln den herstellungsmäßigen sowie regelungstechnischen Aufwand.zu reduzieren, wobei eine optimale Anpassung an die in dem jeweiligen Anwendungsfall geforderten Eandbedingungen erreicht werden soll. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst.

Weiterbildungen und Vorteile

Mit der erfindungsgemäßen Torrichtung wird mit einem geringen Aufwand und mit relativ geringem zusätzlichen Magnetvolumen der regelungstechnische Aufwand reduziert und somit die Betriebssicherheit des Systemes erhöht. Je nach Anordnung der Magnetringe und/oder Wicklungen läßt sich für wenigstens einen der translatorischen oder rotatorischen Freiheitsgrade des Rotors entsprechend des speziellen Anwendungsfalles eine passive Lageregelung erzielen, so daß eine optimale Anpassung an die geforderten Betriebsbedingungen erreicht wird. Die Magnetringe können Oe nach Anwendungsf all und Ausbildung des Rotors auf Zylinderflächen, Kegelflächen, Kugelflächen oder auf einer zur Drehachse des Rotors senkrechten Fläche angeordnet sein. Aufgrund der Anordnung von wenigstens zwei

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Dauermagnetringen nebeneinander mit entgegengesetzter Polarität, können in vorteilhafter Weise ein magnetischer Rückschluß vorgesehen und somit im Luftspalt zwischen Rotor und Stator eine hohe magnetische Induktion erreicht werden. Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung ist gemäß des achten Patentanspruches geschaffen, wonach durch die an den äußeren Enden des Rotors angeordneten beiden Magnetringgruppen passive Lageregelungen um die beiden zur Drehachse des Rotors senkrechten Achsen (2-fach passiv für rotatorische Bewegungen) sowie passive Lageregelung in Richtung der beiden letztgenannten Achsen (2-fach passiv für translatorische Be~ wegungen) mit einem Minimum an Magnetvolumen erreicht wird. Da die den Rotor-Magnetringen auf dem Stator gegenüberliegenden Magnetringe und/oder stromdurchflossene Wicklungen jeweils die gleiche Polarität aufweisen und der Rotor in Richtung seiner Drehachse in einer labilen Gleichgewichtslage sich befindet, wird er durch die im radialen Teilfeld der Magnetringen liegenden Wicklungen einschließlich an sich bekannter Regeleinrichtungen in dieser Lage aktiv geregelt gehalten.

Eine im Hinblick auf das dynamische Verhalten des Rotors sehr vorteilhafte Weiterbildung wird gemäß des zehnten Patentanspruches geschaffen. Die vom Strom durchflossenen Statorwicklungen dienen zur Erzeugung eines Magnetfeldes, so daß in Zusammenwirken mit den entsprechenden Magnetringen des Rotors eine passive Lageregelung erreicht werden kann. Zur wirksamen Dämpfung etwaiger Resonanzeffekte in den passiven Regelkreisen ist es sehr vorteilhaft, die Wicklungen in Sektore aufzuteilen und die dort induzierten Spannungen kurzzuschließen. Das kann durch einen sehr niedrigen oder sogar schon negativen Innenwiderstand der Erreger Spannungsquelle erreicht werden. Aufgrund der Einstellbarkeit des Innenwiderstandes wird in einfacher Weise

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die Dämpfung an das Schwingungsverhalten des Rotors anpaßbar. Somit werden die wirksamen magnetischen Kräfte in vorteilhafter Weise erhöht (bei Verringerung des Luftspaltes) bzw. reduziert (bei Vergrößerung des Luftspaltes), so daß die passive Lageregelung mit einem geringen elektronischen Mehraufwand unter Beibehaltung des Magnetvolumens wesentlich starrer ist.

Mit der bevorzugten Weiterbildung gemäß des fünfzehnten Patentanspruches ist es möglich, die im Rotor gespeicherte Drehenergie wieder in elektrische Energie zurück zu verwandeln. Ist die Vorrichtung gemäß Anspruch 14· beispielsweise im angenäherten Vakuum angeordnet, so ist eine Anordnung zur praktisch verlustfreien Speicherung .sowie Rückgewinnung von Energie geschaffen. Eine umweltfreundliche Speicherung auch von sehr großen Energiemengen, insbesondere stationär auf der Erde, ist damit ausführbar.

Ausführungsbeispiel

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausfülrrangsbeispieles wird die erfindungsgemäße Vorrichtung nachfolgend erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 - eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden Rotor, welcher in den zur Drehachse senkrechten Achsen sowie um die genannten Achsen passiv gelagert ist.

In Fig. 1 ist schematisch eine magnetische Vorrichtung dargestellt mit einem zylindrischen Rotor 1, welcher gegenüber dem Stator 2>z-Acnse drehbar angeordnet ist. Zum Antrieb des Rotors 1 sind auf diesem Dauermagnete 4-vorgesehen, welche in Umfangsrichtung abwechselnde Polari-

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tat aufweisen. Durch. Ansteuern der Statorwicklung 5 v/erden, wie in der Hauptanmeldung näher beschrieben, auf den Rotor Kräfte in Umfangsrichtung erzeugt, wobei mittels geeigneter Sensoren (nicht dargestellt) die jeweilige Lage des Rotors bezüglich des Stators festgestellt wird. Kit der Statorwicklung 5 können gegebenenfalls auch Kräfte in Richtung der x- oder y-Achsen erzeugt werden. Anstelle dieser Antriebsvorrichtung, welche im Prinzip den Aufbau eines bürstenlosen Gleichstromiaotores aufweist, kann auch eine andere bekannte Antriebsvorrichtung vorgesehen werden. An den, in Richtung der z-Achse gesehen, äußeren Enden des Rotors 1 sind nebeneinander jeweils zwei Hagnetringe 6, und 8, 9 vorgesehen, welche radial magnetisiert sind, wobei die radial nach innen weisenden Polflächen als Nordpols (N) bzw. als Südpole (S) ausgebildet sind. Der Rotor enthält weiterhin auf der Rückseite der Magnetringe 6-9 einen magnetischen Rückschlußring 10 aus gewickeltem Stahlband. Der genannte Rückschlußring 10 stellt einen Teil der Schwungmasse des Rotors dar und ist seinerseits mit einer Schicht 11 aus Kohlenstoffasern umwickelt, wodurch der Rotor eine äußerst hohe Festigkeit erhält. Zwischen den Magnetringen 6, 7 und 8, 9 ist jeweils ein Kurzschlußring 12 und 1J aus elektrisch gut leitendem Material vorgesehen. Die Polflächen der genannten Magnetringe 6-9 sind innen mit einer Lage 14- aus einem Material höherer Permeabilität beschichtet umjein weitgehend störungsfreies Magnetfeld im aktiven Luftspalt zwischen Rotor 1 und Stator 2 zu erzielen. Gegenüber den Magnetringen des Rotors sind auf dem Stator Magnetringe 16-19 vorgesehen, welche an sich ebenfalls als radial magnetisierte Dauermagnete ausgebildet sein können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind jedoch vom Strom durchflossene Wicklungen 20, 21 vorgesehen, wobei aufgrund der gewählten Stromrichtung die einander gegenüberliegendenPole von Rotor und Stator die gleiche Polarität aufweisen sollen. Die Magnetringe des Stators sind ra-

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dial außen weiterhin von Ringwicklungen 22 - 25 umgeben» mit welchen, wie weiter unten noch beschrieben werden soll, zusammen mit Sensoren 26 für Bewegungen des Rotors 1 in z-Richtung, sowie Regeleinrichtungen der Rotor 1 "in z-Richtung aktiv stabilisiert wird. Bei Verwendung von induktiven oder kapazitiven Sensoren ist es sehr zweckmäßig, deren wirksame- Breite über wenigstens einen Quadranten zu erstrecken, um Störsignale zu unterdrücken. Jede der genannten Wicklungen 20, 21 ist in Umfangsrichtung in jeweils vier gleichgroße Segmente unterteilt, welche von insgesamt acht Verstärkern JO, deren Endstufen einen negativen Innenwiderstand aufweisen mit Strom versorgt v/erden.

Wie bereits angegeben, wird die Stromrichtung in den Wicklungen 20, 21 derart gewählt, daß die Polaritäten der Magnetringe 16- 19 entgegengesetzt sind, wie die der Dauermagnetringe 6-9 des Rotors 1. Somit werden auf den Rotor über den Umfang gleichmäßig verteilt radial nach außen gerichtete Kräfte wirksam, so daß die Lage des Rotors 1 in Richtung der x- und y- passiv geregelt ist. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Magnetringpaare 6, 7 und 8, 9 bezüglich der x- und der y-Achsen ist der Rotor 1 auch hinsichtlich der Drehungen um die genannten Achsen passiv geregelt. Die Wirkung der derart erreichten vier passiven Regelungen wird wesentlich erhöht durch die genannte Aufteilung der Wicklungen 20, 21 in jeweils vier Segmente und durch den negativen Widerstand der Endstufen JO. Wird beispielsweise der Rotor 1 um die x-Achse bewegt, so werden in den Wicklungs-Segmenten 20a sowie 21c Spannungen induziert, welche aufgrund der negativen Innenwiderstände der zugeordneten Endstufen praktisch kurzgeschlossen werden. Somit entsteht ein der eingeleiteten Bewegung entgegenwirkendes Moment um die x-Achse, so daß die passive Lageregelung in ihrer Wirkung sehr starr ist, ohne daß besonders große Magnetvolumen erforderlich sind.

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Vie leicht nachzuweisen ist, "befindet sich der Rotor infolge der jeweils gleichen Polarität von einander gegenüberliegenden Magnetringen des Stators und Rotors in einer labilen Gleichgewichtslage in bezug auf Bewegungen in Richtung der z-Achse. Der Rotor wird daher mittels der Ringwicklungen 22 bis 25 und entsprechender Sensoren sowie Regeleinrichtungen 27 in der gezeichneten Lage aktiv stabilisiert. Wird beispielsweise der Rotor 1 in Richtung der z-Achse nach oben "bewegt, so liefert der Sensor 26, welcher als an sich bekannter optischer, induktiver oder kapazitiver Sensor ausgebildet ist, ein Signal. Über die Regeleinrichtung 27, welcher ebenfalls ein Sollwert-Signal s zugeführt wird, werden die durch die Ringwicklungen 24, 25 fließenden Ströme derart beeinflußt, daß auf den Rotor eine Kraft wirksam wird, welche der eingeleiteten Bewegung entgegengerichtet ist und den Rotor in seine eingezeichnete Sollage zurückzwingt.

Das anhand von Fig. 1 beschriebene Ausführungsbeispiel weist insgesamt vier passive Lageregelungen auf (translatorisch in x- und y-Richtung, rotatorisch um y- und x-Achsen) sowie zwei aktive Lageregelungen (translatorisch in z-Richtung, rotatorisch um die z-Achse). Es liegt im Bereich des fachmännischen Könnens, auch andere Kombinationen von aktiven und passiven Lageregelungen je nach Anwendungsfall zu wählen. So können beispielsweise durch entsprechende Ausbildung der Statorwicklungen 5» welche im Bereich der Dauermagnete 4 des Rotors liegen, sowie durch Ansteuern der genannten Wicklungen 5-gemäß Hauptan— meldung auf den Rotor zusätzliche Kräfte in x- und y-Richtung erzeugt werden. Weiterhin kann der Rotor auch als Innenläufer ausgebildet sein.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist außerdem in sehr vorteilhafter Weise die Anpassung der Lagerkräfte an äußere Betriebsbedingungen realisierbar. Ist beispielsweise während der Startphase eines Raumfahrzeuges mit großen

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Verzögerungskräften in Richtung der z-Achse auf den Rotor 1 zu rechnen, so werden durch einen entsprechend großen Sollwert s über die Regeleinrichtungen 27» die Ströme in den Wicklungen 24-, 25 derart erhöht, daß entsprechend große magnetische Kräfte auf den Rotor entgegen den Verzögerungskräften wirksam werden. Nach Beendigung der Startphase werden durch Reduzierung des Sollwertes s auch die genannten Ströme und somit auch die Leistungsaufnahme der magnetischen Vorrichtung reduziert. Insbesondere durch geeignete Auslegung der Regeleinrichtungen wird das dynamische Verhalten der magnetischen Vorrichtung optimiert, wobei Belastungsspitzen infolge von Schwingungsüberhöhungen wirksam gedämpft werden. In der gleichen Weise sind die Kräfte in den passiven Lageregelungen durch Steuern der Ströme in den Wicklungen 20, 21 den äußeren Belastungen anpaßbar.

- Patentansprüche-

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Magnetische Vorrichtung enthaltend einen Stator und einen Rotor, insbesondere nach Patentanmeldung P 22 10 995.1-32, welche auf dem Rotorumfang Dauermagnete abwechselnder Polarität aufweist und in welcher durch Steuern von Strömen in den im Magnetfeld des Rotors angeordneten Statorwicklungen Kräfte in axialer, radialer und tangentialer Richtung ausübbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotor wenigstens ein Ring aus dauernagnetxschem Werkstoff mit in Umfangsrichtung gleicher Polarität angeordnet ist und daß dem genannten Magnetring gegenüberliegend auf dem Stator leitende Wicklungen und/oder Ringe aus dauermagnetischem Werkstoff angeordnet sind, deren Magnetfelder auf den Rotor anziehende und/oder abstoßende Kräfte ausüben zur passiven und/ oder aktiven Lageregelung des Rotors.

   2. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetringe des Rotors auf einer Zylinderfläche um die Drehachse und/oder auf einer zur Drehachse senkrechten, ebenen Fläche angeordnet sind.

   3« Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetringe des Rotors auf einer Kegel- oder Kugelfläche angeordnet sind.

   4. Magnetische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinander liegende Magnetringe jeweils entgegengesetzte Polarität aufweisen.

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   E-294 Patentansprüche

   5· Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor auf der Rückseite der genannten Magnetringe einen vorzugsweise aus gewickeltem Stahlband oder Stahldraht bestehenden magnetischen Rückschlußring aufweist.

   6. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor radial außen in Umfangrichtung mit vorzugsweise kunststoffgebundenen Kohlenstoff-Fasern umwickelt ist.

   7· Magnetische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den genannten Magnetringen gegenüberliegend auf dem Stator zusätzliche Wicklungen angeordnet sind, mit welchen die Jeweils nicht passiv geregelten Freiheitsgrade aktiv stabilisierbar sind.

   8. Magnetische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Rotor, dessen axiale Länge vorzugsweise größer als die Hälfte des Halbmessers ist, wenigstens zwei im wesentlichen radial magnetisierte Magnetringgruppen Jeweils an den Enden des Rotors vorgesehen sind, daß radial außen vor den Magnetringen des Stators Ringwicklungen vorgesehen sind und daß weiterhin Sensoren für die axiale Bewegung des Rotors vorgesehen sind, deren Ausgangssignale über bekannte Regelvorrichtungen in den genannten Ringwicklungen Ströme zur aktiven Stabilisierung des Rotors in der axialen Richtung bewirken.

   9. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in axialer Richtung zwischen den

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   E-294

   Pat ent anspräche

   genannten Magnetringpaaren auf dem Rotor Magnetpole abwechselnder Polarität -und diesen gegenüber auf dem Stator Wicklungen derart vorgesehen sind, daß durch Steuern der Wicklungsströme Kräfte in tangentialer und wahlweise auch in radialer Richtung erzeugbar sind.

   10. Magnetische Vorrichtung nach den Ansprüchen 8, 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen in Umfangsrichtung in zwei oder mehr Segmente aufgeteilt sind und daß die zur Stromversorgung der derart unterteilten Wicklung dienenden Endstufen vorzugsweise einen einstellbaren positiven oder negativen Innenwiderstand aufweisen.

   11. Magnetische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Oberflächen der genannten Magnetringe eine Schicht aus Material mit hoher Permeabilität vorgesehen ist.

   12. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Magnetringe mit einer weiteren Schicht aus elektrisch gut leitendem Material, insbesondere Kupfer, versehen sind.

   13· Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Spalt zwischen den Magnetringen des Rotors ein'Ring aus elektrisch gut leitendem Material vorgesehen ist.

   Magnetische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnetringe des Rotors und wahlweise des Stators aus einem Werkstoff mit schlechter elektrischer Leitfähigkeit, vorzugsweise aus gepreßtem Metalloxydpulver, bestehen.

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   Patentansprüche

   15. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen, mit welchen Kräfte auf den Rotor in tangentialer Richtung ausübbar sind, derart ausgebildet sind, daß die im drehenden Rotor gespeicherte Energie in elektrische Energie rückwandelbar ist.

   16. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß Rotor und Stator von einem evakuierbaren Gehäuse umgeben sind.

   17. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck innerhalb des Gehäuses wesentlich geringer als Atmosphärendruck ist und/oder daß das spezifische Gewicht des im Gehäuse vorhandenen Gases geringer ist als das spezifische Gewicht von Luft.

   18. Magnetische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise induktive oder kapazitive Sensoren für die aktive Lageregelung benutzt v/erden, deren wirksame Breite zwecks Unterdrückung von Störsignalen sich wenigstens über einen Quadranten erstreckt.

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   G/Pt-Sch/Pr E-294

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