DE2337696B2 - Magnetische Vorrichtung, insbesondere für ein Schwungrad - Google Patents
Magnetische Vorrichtung, insbesondere für ein SchwungradInfo
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Description
Die Erfindung be/ieht sich auf eine magnetische Vorrichtung, insbesondere für ein Schwungrad, insbesondere
nach I lauptnatent 22 IO 995.
Die durch das I laupipatent vorgeschlagene magnetische
Vorrichtung einhält einen Stator und einen Rotor, welcher Dauermagnete abwechselnder Polarität aufweist,
wobei im Magnell'eld des Rotors auf dem Stator
erste Wicklungen derart angeordnet sind, daß /um Antrieb und /111 Lagerung teilweise durch Sleuuiing
der Wicklimgsstioiiic .ml den Rotor Kräfte in axialer,
radialer und laiigcnlialer Richtung ausübb.ir sind.
Mit dieser Voith lining gemäß dem I laiiplpaleni μ
ei IllOl'lkh ΐΙΐΊΙ Ulli ΟΙ |)i'.'I I I'll! Il ST! Πι'! ill i'l Il .11IkI I Il Ii I
sehen und drei rotatorischen Freiheitsgrade stabil und
freischwebend zu lagern. Mittels geeigneter Sensoren zur Erfassung der Lage des Rotors bezüglich des Stators
sowie mittels elektronischen Regeleinrichtungen kann somit für sämtliche Freiheitsgrade 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 Aus der CH-PS 5 22 142 ist eine
Vorrichtung zur magnetischen Lagerung eines Rotors bekannt, welche sowohl Mittel zur aktiven Stabilisierung als auch Mittel zur passiven Stabilisierung enthält.
Die erstgenannten Mittel enthalten auf dem Stator Wicklungen, welche in Abhängigkeit von Positionssignalen von steuerbaren Strömen durchflossen werden
und mit ferromagnetischen Teilen des Rotors die erforderlichen Lagerkräfte erzeugen. Mit einer derartigen Vorrichtung, die nach dem elektromagnetischen
Prinzip arbeitet, könßen ausschließlich magnetische Zugkräfte zwischen Rotor und Stator erzeugt werden.
Zur passiven Rotorstabilisierung ist auf dem Stator ein Tragmagnet, weicherauch als Dauermagnet ausgebildet
sein kann, vorgesehen und diesem ist auf dem Rotor ein ferromagnetischer Ring zugeordnet. Bei dieser Anordnung wird vi»rausgesetzt, daß die Rotorachse zumindest
näherungsweise vertikal ausgerichtet ist.
Aus der Db-OS 17 73 887 ist ein Kreisel mit zwei Freiheitsgraden bekannt, bei welchem zur Kompensa
tion von Drehmomenten, welche durch die Aufhängung »<> verursacht werden, Kompensationsmittel vorgesehen
sind und zwar in Form eines mit dem Kreiselgehäuse verbundenen Magnetsystems mit einer ersten Wicklung
und einer mit dem Kreiselmotor verbundenen und von Gleichstrom erregten Wicklung. Es handelt sich hierbei i">
um eine »elektrische Feder« bzw. um einen Drehmomenterzeuger, welcher nicht unter den Gattungsbegriff
des Anmeldungsgegenstandes fällt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer magnetischen Vorrichtung der eingangs genann- ·">
ten Art mit einfachen Mitteln den herstellungsmäßigen sowie regelungstechnischen Aufwand zu reduzieren,
wobei eine optimale Anpassung an die in dem jeweiligen Anwendungsfall geforderten Randbedingungen
erreicht werden soll. Diese Aufgabe wird durch die J">
im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mit einem geringen Aufwand und mit relativ geringem
zusätzlichen Magnetvolumen der regeliingstechnische Aufwand reduziert und somit die Betriebssicherheit des ■>
<> Systems erhöht. Je nach Anordnung der Magnetringe und/oder Wicklungen läßt sich für wenigstens einen der
translatorischen oder rotatorischen Freiheitsgrade des Rotors entsprechend dem speziellen Anwendungsfall
eine passive Lageregelung erzielen, so daß eine ~'r·
optimale Anpassung an die geforderten Betriebsbedingungen erreicht wird. Die Magnetringe können je nach
Anwendungsfall und Ausbildung des Rotors auf Zylinderflächen, Kegelflächen, Kugelflächen oder auf
einer zur Drehachse des Rotors senkrechten Fläche hl1
angeordnet sein. Aufgrund der Anordnung von wenigstens zwei Daiiermagnetringcn nebeneinander mit
entgegengesetzter Polarität kann in vorteilhafter Weise ein magnetischer Rückschlußring vorgesehen und somit
im Luftspalt /wischen Rotor und Stator eine hohe '■'»
magnetische Induktion erreicht werden. Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung isl gemäß des achten
äußeren Enden des Rotors angeordneten beiden Magnetringgruppen passive Lageregelungen um die
beiden zur Drehachse des Rotors senkrechten Achsen (2fach passiv für rotatorische Bewegungen) sowie
passive Lageregelung in Richtung der beiden letztgenannten Achsen (2fach passiv für translatorische
Bewegungen) mit einem Minimum an Magnetvolumen erreicht wird. Da die den Rotor-Magnetringen auf dem
Stator gegenüberliegenden Magnetringe und/oder stromdurchflossenen 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 Patentanspruchs geschaffen. Die vom Strom durchflossenen zweiten Wicklungen, die in Umfangs-
richtung in wenigstens zwei jeweils gleichgroße Segmente aufgeteilt sind, dienen zur Erzeugung eines
Magnetfeldes, so daß in Zusammenwirken mil 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 in den Wicklungen induzierten Spannungen kurzzuschließen.
Das kann durcn einen sehr niedrigen oder sogar schon
negativen Innenwiderstand der Erregerspannungsquelle erreicht werden. Aufgrund der Einstellbarkeit des
Inneriwiderstandes wird in einfacher Weise 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 Anspruch 16 ist es möglich, die im Rotor gespeicherte Drehenergie
wieder in elektrische Energie zurück zu verwandeln. Ist die Vorrichtung gemäß Anspruch 15 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.
Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
nachfolgend erläutert. Es zeigt
die Figur — 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 der Figur ist schematisch eine magnetische Vorrichtung dargestellt mit einem zylindrischen Rotor
1, welcher gegenüber dem Stator 2 um die z-Aehse drehbar angeordnet ist. Zum Antrieb des Rotors I sind
auf ''iesein Dauermagnete 4 vorgesehen, welche in
Umiangsrichtimg abwechselnde Polarität aufweisen.
Durch Ansteuern der .Statorwicklung 5 werden, wie im
llauptpaient naher beschrieben, auf den Rotor Kräfte in
llmfangsrichtung erzeugt, wobei mittels geeigneter Sensoren (nicht dargestellt) die jeweilige Lage des
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Statorwicklung S können gegebenenfalls auch Kräfte in Richtung der x- oder y- Achsen erzeugt werden. Anstelle
dieser Antriebsvorrichtung, welche im Prinzip den Aufbau eines bürstenlosen Gleichstrommotors 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 Dausrmagnetringe 6, 7 und 8, 9
vorgesehen, welche radial magnetisiert sind, wobei die radial nach innen weisenden Polflächen als Nordpole
(N) bzw. als Südpole (S) ausgebildet sind. Der Rotor I enthält weiterhin auf der Rückseite der Dauermagnetringe
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 Kohlenstofffasern
umwickelt, wodurch der Rotor eine äußerst hohe Festigkeit erhält. Zwischen den Dauermagnetringen 6,7
und 8,9 ist jeweils ein Ring 12 und 13 aus elektrisch gut
leitendem Material vorgesehen. Die Polflächen der genannten Dauermagnetringe 6—9 sind innen mit einer
Lage 14 aus einem Material höherer Permeabilität beschichtet um ein weitgehend störungsfreies Magnetfeld
im aktiven Luftspalt zwischen Rotor 1 und Stator 2 zu erzielen. Gegenüber den Dauermagnetringen des
Rotors sind auf dem Stator Dauermagnetringe 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 gegenüber liegenden Pole von Rotor und Stator die gleiche Polarität aufweisen sollen. Die
Dauermagnetringe des Stators sind radial außen weiterhin von Ringwicklungen 22 bis 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 27 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 30, deren Endstufen einen negativen Innenwiderstand aufweisen mit Strom versorgt werden.
Wie bereits angegeben, wird die Stromrichtung in den Wicklungen 20, 21 derart gewählt, daß die Polaritäten
der Dauermagnetringe 16 bis 19 entgegengesetzt sind, wie die der Dauermagnetringe 6 bis 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 Dauermagnetringe 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 30. 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.
Wie leicht nachzuweisen ist, befindet sich der Rotor
Wie leicht nachzuweisen ist, befindet sich der Rotor
ίο 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 mitteis der Ringwicklungen 22 bis 25 und entsprechender Sensoren 26 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 der Figur beschriebene Ausführungsbeispiel weist insgesamt vier passive Lageregelungen auf
(translatorisch in x- und y-Richtung, rotatorisch um y-
und Ar-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 Statorwicklungen 5 gemäß Hauptpatent 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 Verzögerungskräften in Richtung der z-Achse auf den Rotor 1 zu rechnen, so
werden durch einen entsprechend großen Sollwert 5 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.
Claims (18)
1. Magnetische Vorrichtung, insbesondere für ein Schwungrad, enthaltend einen Stator und einen
Rotor, welcher Dauermagnete abwechselnder PoIarität aufweist, wobei im Magnetfeld des Rotors auf
dem Stator erste Wicklungen derart angeordnet sind, daß zum Antrieb und zur Lagerung teilweise
durch Steuerung der Wicklungsströme auf den Rotor Kräfte in axialer, radialer und tangentialer ι ο
Richtung ausübbar sind, insbesondere nach Hauptpatent 22 10 995, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rotor (1) wenigstens zwei
erste Dauermagnetringe (6, 7, 8, 9) mit in Umfangsrichtung gleicher und untereinander ab- '5
wechselnder Polarität befestig· sind, daß den ersten Dauermagnetringen (6,7,8,9) jeweils gegenüberliegend an dem Stator (2) zweite Dauermagnetringe
(16, 17, 18, 19) mit in Umfangsrichtung gleicher Polarität oder wenigstens eine zweite Wicklung (20,
21) angeordnet sind, die derart von einem Erregerstrom durchflossen ist, daß sich in Umfangsrichtung
gleichnamige Pole ausbilden, und daß teilweise die ersten Wicklungen (22, 23, 24, 25) den ersten
Dauermagnetringen (6, 7, 8, 9) gegenüberliegend an dem Stator (2) angeordnet sind.
2. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Dauermagnetringe (6, 7, 8, 9) des Rotors (1) auf einer
Zylinderfläche um die Drehachse und/oder auf einer Jl»
zur Drehachse senkrechten, ebenen Fläche angeordnet sind.
3. Magnetische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Dauermagnetringe (6,7,8,9) des Rotors auf einer Kegel- oder Γ)
Kugelfläche angeordnet sind.
4. Magnetische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Rotor (1) auf der Rückseite der ersten Dauermagnetringe (6,7,8,9) einen magnetischen Rückschluß- "'
ring (10) aufweist.
5. Magnetische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückschlußring
(10) aus einem gewickelten Stahlband oder Stahldraht besteht. ·1Γ>
6. Magnetische Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Rotor (I) einen Ring (11) aus Kohlenstoffasern enthält.
7. Magnetische Anordnung nach Anspruch 6, V)
dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern in Kunststoff gebunden sind.
8. Magnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 7, wobei die axiale Länge des Rotors
vorzugsweise größer als die Hälfte seines Halbmcs- '' sers ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden
des Rotors (1) jeweils wenigstens zwei Gruppen von im wesentlichen radial magnetisierten ersten Daucrmagnetringen
(6,7 und 8,9) vorgesehen sind, daß vor den gegenüberliegenden zwei Gruppen von zweiten
Dauermagnetringen (16, 17 und 18, 19) des Stators
(2) die ringförmigen Wicklungen (22, 23, 24, 25) angeordnet sind, welche in Abhängigkeit der Signale
wenigstens eines Axialsensors (26) ansteuerbar sind. 4. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 8.
dadurch gekennzeichnet, daß in axialer Richtung /wischen den ersten Daiicrmagnclringcn (6, 7 h/w.
8.
9) aiii iliMi Holen- M) du· I hmi-miiu'rujh.' ld\ um im
Umfangsrichtung abwechselnder Polarität vorgesehen sind.
10. Magnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
zweiten Wicklungen (20, 21) in Umfangsrichtung in wenigstens zwei jeweils gleichgroße Segmente
aufgeteilt sind.
11. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Wicklungen (20, 21) verbundenen Endstufen (30) einen
einstellbaren positiven oder negativen Innenwiderstand aufweisen.
12. Magnetische Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Oberflächen der ersten Dauermagnetringe (6,7,
8, 9) eine Schicht (14) aus Material mit hoher Permeabilität vorgesehen ist.
13. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Dauermagnetringe (6, 7, 8, 9) mit einer weiteren Schicht aus
elektrisch gut leitendem Material, insbesondere Kupfer, versehen sind.
14. Magnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in
einem Spalt zwischen den jeweils eine Gruppe bildenden ersten Dauermagnetringen (G, 7 bzw. 8,9)
des Rotors (1) ein Ring (12, 13) aus elektrisch gut leitendem Material vorgesehen ist.
15. Magnetische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Dauermagnetringe
(6, 7, 8, 9, 16, 17, 18, 19) aus einem Werkstoff mit schlechter elektrischer Leitfähigkeit und zwar aus
gepreßtem Metalloxydpulver bestehen.
16. Magnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß
Wicklungen (5), mit welchen Kräfte auf den Rotor(l) in tangentialer Richtung ausübbar sind, derart
ausgebildet sind, daß die im drehenden Rotor (1) gespeicherte Energie in elektrische Energie rückwandelbar ist.
17. Magnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß
Rotor (1) und Stator (2) von einem evakuierbaren Gehäuse umgeben sind.
18. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck innerhalb
des Gehäuses wesentlich geringer als Atmosphäreiidruck
ist und/oder daß das spezifische Gewicht des im Gehäuse vorhandenen Gases geringer ist als das
spezifische Gewicht von Luft.
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DE19732337696 DE2337696C3 (de) | 1973-07-25 | 1973-07-25 | Magnetische Vorrichtung, insbesondere für ein Schwungrad |
US491957A US3888553A (en) | 1973-02-27 | 1974-07-25 | Levitated rotary magnetic device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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- 1973-07-25 DE DE19732337696 patent/DE2337696C3/de not_active Expired
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