DE2337696C3 - Magnetische Vorrichtung, insbesondere für ein Schwungrad - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Vorrichtung, insbesondere für ein Schwungrad, insbesondere nach Hauptpatent 22 10 995.

Die durch das Hauptpatent vorgeschlagene magnetische Vorrichtung enthält einen Stator und einen Rotor, welcher Dauermagnete abwechselnder Polarität 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 Richtung ausübbar sind.

Mit dieser Vorrichtung gemäß dem Hauptpatent ist es möglich, den Rotor bezüglich seiner drei translator!-

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, können ausschließlich magnetische Zugkräfte zwischen Rotor und Stator erzeugt werden. Zur passiven Rotorstabilisierung ist auf dem Stator ein Tragmagnet, welcher auch als Dauermagnet ausgebildet sein kann, vorgesehen und diesem ist auf dem Rotor ein ferromagnetischer Ring zugeordnet Bei dieser Anordnung wird vorausgesetzt, daß die Rotorachse zumindest näherungsweise vertikal ausgerichtet ist

Aus der DE-OS 17 73 887 ist ein Kreisel mit zwei Freiheitsgraden bekannt, bei welchem zur Kompensation 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 um eine »elektrische Feder« bzw. um einen Drehmomenterzeuger, welcher nicht unter den Gattungsbegriff des AnmeldungEgegenstandes fällt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer magnetischen Vorrichtung der eingangs genannten 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 im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mit einem geringen Aufwand und mit relativ geringem zusätzlichen Magnetvolumen der regelungstechnische 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 optimale Anpassung an die geforderten Betriebsbedingungen erreicht wird. Die Magnetringe können je nach Anwendungsfall und Ausbildung des Rotors auf Zylinderflächen, Kegelflächen, Kugelflächen oder auf to einer zur Drehachse des Rotors senkrechten Fläche angeordnet sein. Aufgrund der Anordnung von wenigstens zwei Dauermagnetringen nebeneinander mit entgegengesetzter Polarität kann in vorteilhafter Weise ein magnetischer Rückschlußring vorgesehen und somit im Luftspalt zwischen Rotor und Stator eine hohe magnetische Induktion erreicht werden. Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung ist gemäß des achten Patentanspruchs geschaffen, wonach durch die an den 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 Umfangsrichtung in wenigstens zwei jeweils gleichgroße Segmente aufgeteilt sind, 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 in den Wicklungen induzierten Spannungen kurzzuschließen. Das kann durch einen sehr niedrigen oder sogar schon negativen Innenwiderstand der Erregerspannungsquelle erreicht werden. Aufgrund der Einstellbarkeit des Innenwiderstandes 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-Achse drehbar angeordnet ist. Zum Antrieb des Rotors 1 sind auf diesem Dauermagnete 4 vorgesehen, welche in Umi'angsrichtung abwechselnde Polarität aufweisen. Durch Ansteuern der Statorwicklung 5 werden, wie im Hauptpatent 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. Mit der Statorwicklung 5 können gegebenenfalls auch Kräfte in Richtung der x- oder/-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 Dauermagnetringe 6, 7 und 8, 9 vorgesehen, welche radial magnetisiert sind, wobei die _!0 radial nach innen weisenden Polflächen als Nordpole (N) bzw. als Südpole (S) ausgebildet sind. Der Rotor 1 enthält weiterhin auf der Rückseite der Dauermagnetringe 6—9 einen magnetischen Rückschlußring 10 aus gewickeltem Stahlband. Der genannte Rückschlußring ,5 !0 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 fi 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 e'er 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 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 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 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 Statorwicklungen 5 gemäß Hauptpatent auf den Rotor zusätzliche Kräfte in x- und y-Richtung erzeugt werden. Weiterhin kann der Rotor auch ais 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 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.

Hierzu 1 Blett Zeichnungen

Claims (18)

Patentansprüche:

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 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 befestigt 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 ■>« 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 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 Rückschlußring (10) aufweist.

5. Magnetische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückschlußring (10) aus einem gewickelten Stahlband oder Stahldraht besteht. ⁴S

6. Magnetische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) einen Ring (11) aus Kohlenstoffasern enthält.

7. Magnetische Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern in Kunststoffgebunden sind.

8. Magnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die axiale Länge des Rotors vorzugsweise größer als die Hälfte seines Halbmessers ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden des Rotors (1) jeweils wenigstens zwei Gruppen von im wesentlichen radial magnetisierten ersten Dauermagnetringen (6,7 utid 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.

9. Magnetische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in axialer Richtung zwischen den ersten Dauermagnetringen (6, 7 bzw. 8, 9) auf den Rotor (1) die Dauermagnete (4) mit in 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 (6,7 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 (1) 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 1 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 Atmosphärendruck ist und/oder daß das spezifische Gewicht des im Gehäuse vorhandenen Gases geringer ist als das spezifische Gewicht von Luft.