DE3027209A1

DE3027209A1 - Schwung- oder reaktionsrad

Info

Publication number: DE3027209A1
Application number: DE19803027209
Authority: DE
Inventors: Dieter Ing.(Grad.) 6900 Heidelberg Rapp; Peter 6908 Wiesloch Zieschank
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1978-09-28
Filing date: 1980-07-18
Publication date: 1982-02-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Schwungrad oder Reaktionsrad
insbesondere zur Stabilisierung eines Satelliten, das eine magnetische Lagerung aufweist, die aus einem u-förmigen Rotorring aus permeablem Material und zwei den Schenkeln des u-förmigen Rotors gegenüber stehenden, innerhalb des Rotorrings angeordneten Statorpolringen besteht. Diese Statorpolringe werden von einem sektorweise änderbaren Magnetfluß durchflossen. Ein den Abstand der Polringe bestimmender, aus nichtmagnetischem Material bestehender Stützring ist zwischen den Polringen angeordnet.
Das Schwungrad weist ferner ein Kugelnotlager auf, wobei im Normalfall das Notlager mit dem Rotor nicht in Berührung kommt, und wobei der Innenring des Kugelnotlagers durch den Stützring gebildet ist, insbesondere nach Anspruch 12 des Patents ...... (Patentanmeldung P 28 42 205).
Der Erfindung des Hauptpatents liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand ein Schwungrad mit magnetischer Lagerung zu schaffen, welches eine exakte und sichere Stabilisierung des Rotors gewährleistet und die Anforderungen der Raumfahrttechnik erfüllt.
Dieses 3chwungrad zeichnet sich durch einen einfachen konstruktiven Aufbau aus, ist ohne besonderen Aufwand in der erforderlichen Präzision herstellbar und weist ein sehr hohes Verhältnis von Trägheitsmoment zur Gesamtmasse auf.
Von besonderem Vorteil ist die Ausbildung der magnetischen Lagereinrichtung, welche in den radialen Richtungen eine aktiv geregelte Stabilisierung und in der axialen Richtung sowie um die Raumachsen eine hinreichend steife Stabilisierung des Rotors bewirkt.
Diese magnetische Lagereinrichtung enthält in einer bevorzugten Ausführungsform Ringe mit Ansätzen, auf welche die Spulen aufgeschoben sind und welchen sektorförmige Polschuhe zugeordnet sind. Mittels eines Stützringes wird eine exakte Ausrichtung der Polschuhe bzw. deren Polflächen zu den Polflächen des Rotorringes erreicht. Zwischen den ringförmigen Polflächen ist ein im wesentlichen homogenes radiales Magnetfeld vorhanden. In axialer Richtung zwischen den Polschuhen befinden sich rechteckförmige axial magnetisierte Permanentmagnete, welche kostengünstig herstellbar sind und durch welche in einfacher Weise das homogene statische Magnetfeld erzeugt wird. Die Schwungmasse ist am äußeren Umfang des Rotors angeordnet und ist bevorzugt mittels Speichen mit einer den Rotorring aufnehmenden Nabe verbunden.
Um eine mechanische Lagefixierung des Rotors z.B. beim Start des Satelliten oder bei kurzfristigen Unterbrechungen des Magnetlagerbetriebs zu bewirken, sind Stützring und Rotorring bzw. ein mit diesen verbundenes Bauteil derart ausgebildet, daß eine mechanische Notlagerung geschaffen ist bzw. eine Begrenzung von Rotorbewegungen erreicht wird. Hierbei wird zwischen die einander zugeordneten Flächen von Stützring und Rotorring ein Kugellager angeordnet, dessen Außenring gegenüber dem Rotorring Axial- und Radialluft aufweist, um bei Betrieb des Magnetlagers die Rotorbewegung nicht zu beeinflussen. Eine Ausbildungsform des Notlagers besteht darin, daß die Funktion des Lagerinnenrings vom Stützring übernommen wird, d.h. die innere Kugellauffläche wird auf dem Stützring angebracht.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Werkstoff zu finden, der die vielfältigen Bedingungen erfüllt, die an den Stützring gestellt werden. Dieser ist in erster Linie Distanzstück des Magnetlagers zwischen dessen beiden Magnetpolen und wird außerdem bei der Montage des Magnetlagers als Montagering verwendet. Desweiteren hat der Stützring die genannten Lagerfuntkionen zu erfüllen, also geringer Verschleiß, d.h. zähhart, in Verbindung mit den Lagerkugeln geringe Rollreibung und gute Bearbeitbsarkeit. Ferner muß das Material nichtferromagnetische Eigenschaften besitzen, damit das von dem Permanentmagneten und Elektromagneten erzeugte Magnetfeld keine Veränderung erfährt bzw. kein magnetischer Kurzschluß oder Streufluß durch den Stützring entsteht. Außerdem sollen diese vielfältigen Funktionen bzw. Eigenschaften mit möglichst nur einem Bauteil erreicht werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Werkstoff für den Stützring eine geeignete Kupferberylliumlegierung velwendet wird, der ausgehärtet ist. Dieser Werkstoff hat sich als besonders günstig erwiesen, da er nichtferromagnetisch ist, vor der Endbearbeitung ausgehärtet werden kann, hohe Festigkeit besitzt und auch über längere Zeit sehr formstabil bleibt. In Verbindung mit Koramikkugeln, die ebenfalls wegen ihrer nichtferromagnetischen Eigenschaften ausgewählt wurden, entstehen gute Wälz-Lagereigenschaften, wobei unter Verwendung von Molybdänsulfid (MoS2) als Schmiermittel sehr niedrige Reibwerte und geringer Verschleiß erreicht werden.
Die Erfindung wird in der Auswahl eines solchen Stoffes, der die Summe der gewünschten Eigenschaften aufweist, aus der Vielzahl von nichtmagnetischen Stoffen gesehen, und der sich mit den Kontaktpartnern MoS2 und Keramikkugeln nahezu ideal für Kugellager, insbesondere auch für Vakuumeinsatz im Orbit, eignet.
Kupferberylliungen sind für Lager-, insbesondere für Kugellagerzwecke, nicht üblich, da die Bearbeitung für die gewünachte Genauigkeit der Kugellager fertigungstechnisch schwierig und der Werkstoff relativ teuer ist.
Für einen derartigen "Miltifunktionszweck" ist dieser Aufwand jedoch gerechtfertigt und auch angebracht, da die Zahl der Einzelteile auf ein Minimum reduziert ist.
Anhand der Zeichnungen soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden.
Es zeigt Fig. 1 - einen Schnitt durch Magnet- und Notlager Fig. 2 - Schnitt A-B durch das Magnetlager(Rotor und Polschuhe weggelassen) Das Schwungrad besteht aus einem Stator 1, -der fest mit dem Gehäuse verbunden ist und auf den Spulen 2, 3 und Permanentmagne te (13) für die magnetische Lagerung angeordnet sind. Der Rotor 22 trägt am äußeren Umfang eine ringförmige Schwungmasse 4, welche tun eine Drehachse 5 bezüglich des Stators 1 drehbar angeordnet ist. Die Schwungmasse ist mittels Speichen 6 mit einer radial innen liegenden Nabe verbunden Auf dieser Nabe ist ein u-förmiger Polring 7 befestigt in dessen Aussparung ein Teil des Kugelnotlagers 8 hineinragt. Dem Polring 7 sind innen auf dem Stator Poschuhe 9, 10 der magnetischen Lagereinrichtung zugeordnet. Die Polschuhe sind in zwei Radialebenen auf jeweils einem Ring 11, 12 angeordnet, der in vier um 90° versetzte Segmente bzw. Polschuhe auggetrennt ist, auf welche die Spulen 2, 3 aufgesteckt werden. Zwischen den Polschuhen 9, 10 befindet sich jeweils ein rechteckförmiger in axialer Richtung magnetisierter Permanentmagnet 13 sowie ein Stützring 14 Mittels das Stützrings 14 wird eine sehr genaue Ausrich-tung der zugeordneten Polschuhe 9, 10 mi t dem Polring 7 gewährleistet Der magnetische Fluß der Permanentmagnete 13 durchdringt die Polschuhe 9, 10, die Luftspalte 15, 16 in welchen weitgehend homogene Magnetfelder vorhanden sind sowie den Polring 7.
Der magnetische Fluß der Spule 2 fließt über den segmentierten Ring 11, den Polschuh 10, Luftspalt 16, Polring 7 zu einer am Umfang in radialer Richtung liegenden weiteren Spule, wobei der Fluß dann in umgekehrter Richtung die Reihenfolge der einzelnen Magnetlagerteile an der Position der weiteren Spule durchläuft. Der elektromagnetische Kreislauf schließt sich über den Ring 11 zur Spule 2.
Der elektromagnetische Fluß der Spule 3 verläuft parallel zu dem elektromagnetischen Fluß der Spule 2 über die Bauteile 12, 9, 7 und schließt sich ebenfalls über eine in Umfangsrichtung liegende Spule und dem Ring 12.
Das mechanische Sicherungselement zwischen Rotor und Stator, welches den Rotor während dem Stillstand des Magnetlagers fixiert, ist das Kugelnotlager 8. Kugeln 17, Kugelkäfig 18 und Lageraußenring 19 des Lagers sind innerhalb des Polrings 7 so angeordnet, daß in axialer und radialer Richtung ein Luftspalt 20 entsteht, der bei Betrieb des Magnetlagers ein freies Schweben des Rotors ermöglicht.
Der Stützring 14 dient gleichzeitig als Lagerinnenring, d.h. die Kugellaufflächen sind auf diesem am Umfang so angebracht, daß das Kugellager mit minimalen Axial- und Radialspiel mit dem Stator verbunden ist. Die Lagerringe bestehen aus einem nichtforromagnetischen Werkstoff, so daß der magnetische Fluß der Permanentmagnete 13 bzw. der Spulen 2, 3 nicht beeinflußt wird. Da der Lageraußenring 19 nicht im Polring 7 befestigt ist, sondern nur bei zu großen Bewegungen oder bei Stillstand des Magnet lagers am Rotorring anliegt, wird hierdurch die Rotormasse nicht unnötig vergrößert.

Claims

Schwung- oder Resktionsrad P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Schwungrad oder Reaktionsrad insbesondere zur Stabilisierung eines Satelliten, das erstens eine magnetische Lagerung aufweist, die aus einem u-Förmigen R R@ orring aus permeablem Material und zwei den Schenkeln des u-förmigen Rotors gegenüberstehenden, innorhalb des Rotorrings angeordneten Statorpolringen besteht, die von einem sektorweise änderbaren Magne@fluß durchflossen sind, wobei ein den Abstand der Polringe bestimmender, aus nichtmagnetischem Material bestehender Stützring zwischen den Polringen angeordnet ist und das zweitens ein Kugelnotlager aufweist, wobei im Normalfall das Notlager mit dem Rotor nicht in Berührung kommt, und wobei der Innenring des Kugelnotlagors durch den Stützring gebildet ist, insbesondere nach Anspruch 12 des Patents ............. (Patentanmeldung P p 28 42 205), dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (14) aus einer Kupforborylliumlegierung besteht und ausgehärtet ist.
Patentansprüche 2. Schwungrad oder Reaktionsrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Lageraußenring (19) aus einer Kupforberylliumlegierung besteht und ausgehärtet ist.
3. Schwungrad oder Reaktionsrad nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring derart ausgebildet ist, daß er bei unterschiedlichen Magnetlageranordnungen und Befestigungsarten verwendbar ist.