DE2263096A1

DE2263096A1 - Vorrichtung mit einem von magnetlagern gehaltenen rotationskoerper

Info

Publication number: DE2263096A1
Application number: DE2263096A
Authority: DE
Inventors: Ivan Auber; Helmut Habermann; Pierre Joly; Roger Loyen
Original assignee: Gouvernement de la Republique Francaise
Current assignee: Gouvernement de la Republique Francaise
Priority date: 1972-12-22
Filing date: 1972-12-22
Publication date: 1974-07-04
Also published as: DE2263096C3; DE2263096B2

Description

Vorrichtung mit einem von Magnetlagern gehaltenen Rotationskörper.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem von IEagnet-Lagern gehaltenen Rotationskörper, die den Rotationskörper ohne Verwendung konventioneller Lager in einer geeigneten Lage festhalten können.
Ein Gerätetyp, für den die erfiniungsgemäße Vorrichtung-besonders geeignet ist, ist ein Gyroskop, das bei Bernmeldesatelliten verwandt werden kann. Sie kann jedoch auch bei anderen Anlagen, und insbesondere dann verwandt werden, wenn eine Präzision der Punktion, eine Freiheit von Reibungseinflüssen und eine Rotation mit hoher Drehzahl erforderlich sind, beispielsweise bei Turbo-Molekularpumpen und bei Ultrazentrifugen zur Isotopentrennung.
Die Vorteile von lwIagnetlagern gegenüber konventionellen Lagern in besonderen Umgebungen sind bekannt. FIagnetlager. sind stabil, einfach im Auf bau, zuverlässig und reibungsfrei. Sie sind für den Betrieb im Vakuum geeignet, was einen klaren Vorteil im Weltraum darstellt. Jedoch haben die bekannten Nagnetlager einige sie begleitende Nachteile gezeigt. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit und das Gewicht des Rotationskörpers relativ geringe Werte übersteigen, bildet der Rotationskörper ein Gyroskop.
Dann kann der Rotationskörper Präzessions-und/oder Nutationsbewegungen entwickeln. Die Amplitude solcher Bewegungen kann so groß sein, daß ein positiver Kontakt zwischen den rotierenden Teilen und den stationären Teilen der Magnetlager die Folge ist, was zu einem schnellen Verschleiß und dem Bruch der Lager führt.
Die Regelkreise der bekannten "aktiven"Magnetlager haben bei der passenden Inangriffnahme dieses Problems versagt.Die meisten der bekannten Regelkreise liefern eine individuelle Rückkopplung: bei jedem Lager erfaßt eine Anzahl von Detektoren eine Verlagerung der Achse des Rotationskörpers in einer bestimmten radialen Richtung und erregt entsprechende Spulen desselben Lagers, um eine zentralisierende Kraft auszuüben, wobei ein Phasenschieber mit geeignetem Frequenzbereich vorgesehen ist, oder jeder Detektor eine Spule steuert, die eine Winkelversetzung vom Detektor aufweist, um eine Stabilität zu erzielen. Tatsächlich treten jedoch deswegen Probleme auf, weil eine große Phasenverschiebung bei hohen Drehzahlen notwendig ist, und die Frequenz der zu hemmenden Nutationsbewegung beträchtlich ansteigt, wenn die Geschwindigkeit von Null auf den Betriebswert steigt.
Es ist das Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zu liefern, bei der die oben beschriebenen Nachteile der bekannten itagnetlager überwunden sind. Durch geeignete Rückkopplungsregelkreise sollen diePräzessions- und Nutationsbewegungen des Rotationskörpers wirkungsvoll gedämpft werden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden voneinander unabhängige Regelkreise verwandt, um Bewegungen zu hemmen, die ihrer Natur nach Schwingungen (bei niedriger Drehzahl) undPräzessionen (bei hoher Drehzahl) sind, und um Pendelbewegungen des Rotationskörpers um seinen Schwerpunkt und Nutattonsbewegungen zu hemmen.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beiwplelsweise, bevorzugte Ausführungsformen der Brfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einiger Bauteile einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung des Regelkreises der in Fig.1 dargestellten Vorrichtung.
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines Rückkopplungskreises für die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung, der für einen Betrieb bei niedriger Drehzahl bis zu relativ hohen Drehzahlen geeignet ist.
Fig. 4 zeigt den Verlauf der Nutations- und Präzessionsfrequenzen, aufgetragen gegenüber der Drehzahl.
Fig. 5 zeigt ein Schaltbild eines Teiles des in Fig. 3 dargestellten Rückkopplungskreises.
Fig. 6 zeigt ähnlich wie Fig. 3 ein Blockschaltbild, allerdings einer geänderten Ausführungsform der Erfindung, die für einen Betrieb bei sehr hohen Drehzahlen geeignet ist.
Fig. 7 ist ein Schaltblid eines Teiles des in Fig. 6 dargestellten Rückkopplungskreises.
Fig. 8 ist eine Seitenschnittansicht längs einer axialen Ebene eines Schwungrades, das von Magnetlagern gehalten wird, die mit einem Regelkreis der in den Fig. 3 oder 6 dargestellten Art verbunden sind.
Fig. 9 ist eine Seitenschnittansicht eines Gyroskops, dessen Rad von Nagnetlagern gehalten wird, die mit einem Regelkreis ausgerüstet sind, der den in den Fig. 3 oder 6 dargestellten Ausführungsformen entspricht.
Fig. 10 ist eine axiale Schnittansicht einer weiteren Ausführungsforn.
In Fig. 1 ist ein Rotationskörper 1 einer Vorrichtung dargestellt, die ein Gyroskop sein kann. Zwei Endabschnitte des Rotationskörpers 1 werden von zwei Magnetlagern P1 und P2 gehalten. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind diese Magnetlager so ausgelegt, daß sie Bewegungen des Rotationskörpers 1 aus seiner normalen axialen und radialen Lage entgegenwirken können.
Zur größeren Übersichtlichkeit wird jedoch nicht auf die Erscheinung der axialen Bewegung und darauf, wie diese Axialbewegungen zu hemmen sind, eingegangen.
Jedes Magnetlager P1 oder P2 weist Elektromagnete auf, die in der Fig. 1 schematisch durch Pfeile angedeutet sind, deren Richtungen die Richtungen der Kräfte anzeigen, die sie auf den Rotor des entsprechenden Lagers ausüben können. Jedes Lager weist vorzugsweise vier Elektromagnete auf. Die Elektromagnete des Lagers P1 sind mit A1, A1 n beze5. chnet. Die Elektromagnete des Lagers P2 sind mit A2, A2 ,B2,B2 bezeichnet.
Zur größeren Übersichtlichkeit wird angenommen, daß die Elektromagnete A1,A1 ,A2,A2 so angeordnet sind, daß sie vertikal gerichtete Kräfte ausüben, während die Elektromagnete B1, Bi B2 B2, so angeordnet sind, daß sie horizontal gerichtete Kräfte ausüben. Jeder Elektromagnet kann nur eine Kraft ausüben, die die Neigung hat, den Rotor gegen den Magneten zu drücken, oder mit anderen Worten, nur eine Zugkraft.
Obwohl es nicht wesentlich ist, kann jedes Lager P1 oder P2 acht Spulen 2 aufweisen, die vier Spulenpaare bilden, die in Reihe (Fig. 2) miteinander verbunden sind, wobei jedes Paar einen Elektromagneten bildet.
Jedes Lager P1 oder P2 weist ebenfalls wenigstens ein Paar von Detektoren auf, um radiale Versetzungen der Achse des Rotationskörpers in zwei Richtungen von einer normalen, im entsprechenden Lager zentrierten Lage aufzunehmen. Es sind jedoch zwei diametral gegenüberliegende Detektoren vorgesehen, da eine geeignete Kopplung der diametral gegenüberliegenden Detektoren es möglich macht, Signale auszuschalten, die geometrischen Fehlern des Rotors entsprechen. Das Lager P1 enthält zwei Devektoren X1sX1 , die längs eines vertikalen Durchmessers des Lagers diametral .gegenüber angeordnet sind, und zwei Detektoren Y1, Y1 , die ähnlich entlang eines horizontalen Durchmessersdes Lagers diametral gegenüberliegen. Ähnlich enthält das, Lager P2 vier Detektoren.X2,X2,',X2,Y21 Als letztes sind -zwei Detektoren vorgesehen, die ein Signal liefern können, das den Betrag der axialen Ablenkung des Rotaticinskörpers von seiner normalen Lage, in der er zwischen den Lagern zentriert ist, anzeigt Die zwei axialen Detektoren sind mit Z1,Z2 bezeichnet und den Lagern-r1,F2 jeweils zugeordnet.
Jedes Paar von Elektromagneten ist mit einem Steuerverstärker 4 der in der Fig. 2 dargestellten Art verbunden. Jeder Verstärker 4 enthält eine Wählschaltung 5, die ein Ausgangssignal an ihren beiden Ausgängen liefert, das von der Polarität des Eingang signals abhängt. Einer der Ausgänge, der beispielsweise dann angesprochen wird, wenn positive Signale empfangen werden, ist mit einem Linearisierungskreis 6 und einer Leistungsstufe 7 verbunden. Der Linearisierungskreis ist dazu bestimmt die Steifigkeit des Lagers für geringe Ablenkungen zu verstärken.
Er kann aus einem Verstärker bestehen, der mit einer Diode in einem Gegenrückkopplungskreis versehen ist Die quadratische Form des Anfangsteils der Arbeitskennlinie der Diode gleicht das quadratische Ansprechvermögen der Elektromagneten aus Die Leistungsstuf kann aus einem Gegentaktvertstärker bestehen und einen Ausgangsstrom liefern, der dirakt proportional der Steudrspannung -ist, die an seinen Eingang gelegt ist. Der von der Leistungsstufe 7 abgegebene Strom fließt durch einen der Elektromagnete Al ,B1 ,A2 ,B2.
Ähnlich bewirken negative Signale, daß die Wählachaltung den Zweig erregt, der aus dem Erregerkreis 8, der Leistungsstufe 9 und einem der Elektromagnete A1,,B11,A2',32' besteht.
Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß jeder Verstärker 4 und der zugehörige Elektromagnet ein lineares System bilden, das irgendein Signal oder eine Kombination von Signalen empfangen kann, ohne auf eine anderes System rückzuwirken.
Bevor eine Beschreibung der Regelkreise gegeben wird, werden zum leichteren Verständnis der Funktionsweise kurz die möglichen zu hemmenden Bewegungen beschrieben.
Unter der Annahme, daß der Rotationskörper vom Ruhezustand bis zur Drehzahl r des Hochdrehgeschwindigkeitsbetriebes beachleunigt wird, können folgende Bewegungen auftreten: 1) bei niedriger Drehzahl während des Anfahrens verhält sich der Drehkörper wie ein Gewicht, dessen Enden Paaren gekreuzter Federn festgehalten werden.
Der Rotationskörper kann Schwingbewegungen mit der Drehachse durchführen, indem er sich im Wechsel zu beiden Seiten der gemeinsamen Achse der Lager bewegt, während er parallel zur gemeinsamen Achse der Lager bleibt. Die Resonanzfrequenz solcher Bewegungen, die als Schwingungsbewegungen bezeichnet werden, ist von der Drehzahl unabhängig.
Der Rotationskörper kann um eine Achse schwingen, die quer zur Rotationsachse und quer durch den Schwerpunkt des Körpers führt.
Wenn der Körper vollständig symmetrisch ist, dann ist die Resonanzfrequenz X O solcher Bewegungen dieselbe, um welche Querachse auch immer erschwingt. Solche Bewegungen, die als Pendelbewegungen bezeichnet werden, führen zu von den Detektoren in den Lagern P1 und P2 gelieferten Signalen, die dieselben Amplituben afweisen, jedoch um 1800 versetzt sind.
2) Wenn die Drehzahl über einen Wert steigt, der von dem Gewicht und dem Trägheitsmoment des Rotationskörpers abhängt, treten Nutations- undpräzessionsbewegungen auf. Wie in Fig.. 4 dargestellt, fällt die Resonanzfrequenz der Präzessionsbewegung stetig bis auf einen Wert Xp bei der Drehzahl Q O des normalen Betriebs, während die Nutationsfrequenz bis zu einem Wert # n bei der Drehzahl a O ansteigt.
0 Die Detektoren in beiden Lagern werden aus die Translationsbewegungen ansprechend Signale in Phase und auf die Nutations-und Präzessionsbewegungen ansprechend um 1800 phasenverschobene Signale abgeben.
In Fig. 3 ist ein Regelsystem 3 dargestellt, das getrennte Rückkopplungskreise aufweist, um die Schwingbewegungen und die Pendel- oder konischen Bewegungen zu hemmen.
Zum Erfüllen des zuerst genannten Zweckes sind zwei identische Kreise vorgesehen. Ein erster Kreis wirkt gegenüber Bewegungen in der X1X2-X11X2, - Ebene. Er umfaßt aßt zwei Summierungsschaltungen 20 und 20a, von denen jede einem Detektorpaar X1X1' oder X2X2' jeweils zugeordnet und damit so verbunden ist, daß die Summierungsschaltung ein Signal liefert, dessen Amplitude mit der Ablenkung ansteigt und dessen Polarität die Richtung der Ablenkung anzeigt. Die Summierungsschaltung kann aus einem Verstarker bestehen, dessen Eingang die Signale von den Detektoren über Widerstände gleicher Größe empfängt.
Die Signale von beiden Summierungsschaltungen 20 und 20a werden an eine Summierungsschaltung 21 gelegt. Der Ausgang von 21 liefert eine Kennzeichnung der Größe der mittleren radialen Versetzung in den zwei Lagern, d.h. ein Signal, das im wesentlichen nur für die Amplitude der Schwingungs- oder Präzessisbewegungen repräsentativ ist; Das Signal wird einem Phasenschieber 22 zugeleitet, der aus einem Integrier-Differenzierverstärker bestehen kann, dessen Zeitkonstante so gewählt sind, daß die Phasenverschiebung in einem Frequenzband auftritt, das den wahrscheinlich auftretenden Resonanzfrequenzen entspricht.
In Gyroskopen zur Verwendung in Satelliten, bei denen die Masse des Rotationskörpers etwa 10 kg beträgt, kann das Frequenzband 20 bis 80 Hz mit einer maximalen Bhasenverschiebung von etwa 300 betragen. Das Signal vom Phasenschieber wird gleichzeitig durch die Summierungsschaltungen 23.und 28, deren Zweck später dargestellt wird, an die Steuerverstärker 4 der Elektromagnete A1A1'und A2A2, gelegt, um eine parallele Wirkung der zwei Lager in der X1X1,X2X2,-Ebene auf den Rotationskörper zu erreichen.
Ein ähnlicher Regelkreis, der den Detektoren Y1Y1'Y2Y2' zugeordnet ist, besteht aus den Summierungs3chaltungen 30,30a und 31, dem Phasenschieber 32 und den Summierungsschaltungen 33 und 38, um die Verstärker zu betätigen, die den Elektrom gneten B1 B1,B2B2, zugeordnet sind.
Die untere Grenze des Frequenzbandes der Phasenverschiebung sollte niedrig genug, um Mp einzuschließen und hoch genug liegen, um U0 einzuschließen.
Zusätzlich ist für denVerstärkungsfaktor- der Regelkreise bei sehr niedrigen Frequenzen vorzugsweise ein beträchtlicher Wert gewählt, um das Auftreten einer langsamen Abweichung, die zu einer Verlagerung führen würde, zu vermeiden.
Folglich sind einige Schaltkreise mit unterschiedlichen RC Zeitkonstanten vorzugsweise in Serie geschaltet, um ein erstes enges Phasenverschiebungsband bei sehr niedrigen Frequenzen und ein zweites enges Band im Bereich der Schwingungs- undPräzessionsfrequenzen zu liefern.
Zwei Rückkopplungskreise sind zum Bremsen der -Pendel- und Nutationsbewegungen vorgesehen. Der Kreis, der dazu bestimmt ist, Dämpfungskräfte in der X X1X1'X2X2'-Ebene auszuüben, umfaßt eine Summierungsschaltung 25, die die Signale von der Summierungsschaltung 20a der Detektoren X2X2' direkt und die Signale von der Summierungsschaltung 20 der Detektoren X1X1' über einen Inverter 24 empfängt. Das Ausgangssignal der Summierungsschaltung 25 wird an eine Breftbandphasenverschiebungsschaltung 26 gelegt, die von einem in der Fig. 5 dargestellten lyp sein kann und später beschrieben wird. Die Phasenverschiebungsschaltung 26 sollte von der Frequenz cO bis zur Resonanzfrequenz # n stabilisierend wirken.
n Das Ausgangssignal von der Schaltung 26 wird dem Elektromagneten A1 oder A1' und nach einer Phasenverschiebung um 1800 dem Blektromagneten A2 oder A2, geliefert, um Bewegungen zu bremsen,- die aus in den zwei Lagern um 1800 versetzten Verlagerungen resultieren. Zu diesem Zweck ist der Ausgang der Schaltung 26 mit einem Eingang von 23 direkt und mit einem Eingang von 28 über einen Inverter 27 verbunden.
Ähnlich enthält der zum Entgegenwirken gegen Bewegungen in der y1Y11 Y2Y2'-Ebene bestimmte Rückkopplungskreis eine Summierungsschaltung 35, die von 30a direkt und von 30 über einen Inverter 34 gespeist wird, einen Phasenschieber 36 und einen Inverter 37 im Ausgangszweig zur Summierungsschaltung 38.
Die Phasenschieber 26 und 36 sind vorzugsweise eher aktive als passive Netzwerke und können wie in Fig. 5 dargestellt aufgebaut sein. Die in Fig. 5 dargestellte Schaltung soll aus einem RC-Eingangsnetz 40 und einem Integrier-Differenzier Ausgangsverstärker 44 bestehen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die für die Verhältnisse repräsentativ ist, die tatsächlich bei der Gyroskoptechnik für den Welteraum gefunden werden, mit Q = 200 bis 250 Hz, sollten RC-Netswerke vorgesehen werden, um eine Phasenverschiebung zwischen 20 und 300 im gesamten Bereich zwischen 10 Hz bis 300 Hz zu verursachen, ein Bereich, der sich von der untersten Präzessionsfrequenz bis zur höchsten Nutationsfrequenz, die gefunden werden kann, erstreckt.
Zu diesem Zweck besteht das Eingangsnetzwerk 40 aus zwei parallelen Zweigen, von denen einer aus einem Widerstand 41 und der andere aus einem Widerstand 42 und einem Kondensator 43 besteht, die in Serie geschaltet sind. Die Ausgangsschaltung 44 besteht aus einem Verstärker 45 und einem Rückkopplungskreis, der ein T-Glied aus zwei Widerständen 46,47 aufweist, deren Verbindungspunkt durch einen Kondensator 48 geerdet ist.
Abhängig davon, ob die Magnetlager eine axiale Gegenkraft ausüben können oder nicht, können unterschiedliche Regelkreise verwandt werden, um axiale Bewegungen des Rotationskörpers von einer Lage, die zwischen den Lagern zentriert ist, zu bremsen.
Wenn konische Lagerrotoren der in Fig. 1 schematisch dargestellten Art verwandt werden, ist es ausreichend, einen Summierungsverstärker 13 zum Empfang der Signale von den Detektoren Z1 und Z2 und einen Phasenschieber 14 mit einem engen Band vorzusehen. Der Ausgang von 14 ist mit den Summierungsschaltungen 23 und 33 direkt und mit den Summierungsschaltungen 28 und 38 über einen Inverter 15 verbunden, wie es innerhalb der unterbrochenen Linien in Fig. 3 dargestellt ist.
Wenn im Gegensatz dazu die Lagerotoren zylindrisch sind, sollten getrennte Elektromagnete C1 und C2 die axial gerichtete Gegenkräfte ausüben, vorgesehen und von getrennten Verstärkern 4' mit Energie versorgt werden, die wechselweise, wie in Fig. 3 durch die strichpunktierten Linien dargestellt, versorgt werden.
In Fig. 6 ist ein Regelsystem dargestellt, das zusätzliche Kreise enthält, die die Vorrichtung zur Verwendung bei sehr hohen Drehzahlen geeignet machen. Bei so hohen Drehzahlen, wie beispielsweise einer Drehzahl # 1 in Fig. 4, liegt die Niitationsfrequenz bei weitem höher als die Pendelfrequenz im Ruhezustand #o. Um bei dem in Fig. 3 dargestellten System bei so hohen Drehzahlen die Stabilität beizubehalten, müßte sich das Frequenzband der Phasenschieber 26 und 36 bis zu so hohen Frequenzen erstrecken, was zur Folge hätte, daß es sehr rauschempfindlich würde.
Zusätzlich können Instabilitäten bei hohen Drehzahlen infolge der Gatsachç auftreten, daß der Rotationskörpvr und die stationären Teile der Lager nicht vollständig starr sind.
Um die Schwierigkeiten zu überwinden, enthält die in Fig. 6 dargestellte Schaltung zu denen von Fig. 4-zasätzliche Element te.
In Fig. 6 ist ein Regelsystem 3 dargestellt, das alle in Fig.4 dargestellten Komponenten lediglich mit dem Unterschied enthält, daß die Phasenschieber 26 und 36 enge Bänder aufweisen.
Beispielswe-ise ist in Fig. 4 ein Frequenzband b1 dargestellt, das sämtliche Frequenzen enthält, für die die Phasenverschiebung, die vom Kreis 22 oder 32 geliefert wird, 200 übertrifft.
Es ist ebenfalls ein Frequenzband b2 dargestellt, das dasjenige Band ist, für das die Kreise 26 und 36 eine Phasenverschiebung von wenigstens 200 liefern, wenn die Drehzahlnahe 0 ist.
Es ist anzumerken, daß zwischen den zwei Bändern eine geringe Überlappung besteht.
Die in Sig. 6 dargestellte Schaltung enthält zusätzliche Schaltungseinrichtungen, die dazu bestimmt sind, das Band b2 fortschreftend zu verschieben, wenn die Drehzahl ansteigt, damit die Ilutationsfrequenz bei jeder Drehzahl bis zur maximalen Betriebsdrehzahl 1 in dem Band enthalten ist. Mit anderen Worten, sollte das Frequenzband von b2 nach b2t in Fig. 4 fortschreitend verschoben werden.
Dieses Ergebnis wird dadurch erreicht, daß ein Kreuznetzwerk 54 vorgesehen wird. Das Netzwerk 54 umfaßt eine Anpaßschaltung 50, die ein Signal mit einer Frequenz '4 vom Ausgang der Summierungsschaltung 25 und ein Signal mit der Frequenz Qvon einem Drehzahlmeßkreis 53 empfängt. Das Netzwerk 54 enthält ebenfalls einen Umschalter 51, der zwei Eingang und zwei Ausgangsklemmen aufweist. Einer der Eingänge ist mit einem Singang der Summierungsschaltung 33 verbunden, während die andere Ausgangsklemme mit einem Eingang der Summierungsschaltung 38 verbunden ist. Einer der Eingänge des Umschalters 51 ist direkt und der andere über einen Umpoler 52 mit dem Ausgang der Schaltung 50 verbunden. Die Verbindungen zwischen den Eingängen und den Ausgängen werden von der Polarität eines Signals gesteuert, das in der Leitung: 55 von der Meßeinrichtung 53 empfangen wird und die Drehrichtung des Körpers 1 anzeigt.
Die Anpaßschaltung 15 kann von der in Fig. 7 dargestellten Art sein, obwohl das keineswegs ausschließlich der Fall sein muß.
Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung 50 enthält ein Tiefpaßfilter 60 zweiter Ordnung und einen Differenzierverstärker 64.
Das Tiefpaßfilter 60 besteht aus einem Verstärker 63, einem Widerstand 61 - Kondensator 62 Eingangsnetz und Rückkopplungswiderständen. Der Differenzierverstärker umfaßt einen Verstärker 65 hoher Verstärkung, der mit einem Widerstandsrückkopplungskreis und einer Eingangsschaltung verbunden ist, die einen Kondensator 67 und einen Widerstand 66 aufweist.
Da ein Eingang mit einer Frequenz 2 dem Eingang mit einer Frequenz 60 überlagert wird, dämpft das Ausgangssignal, das nit einer geeigneten Polarität den Blektronagnetpaaren geliefert wird, die in einer Ebene angeordnet sind, die um 900 von der Ebene der Detektoren X1 X1' versetzt ist, wirkungsvoll die Nutation und macht es möglich davon abzusehen, einen mechanischen Dämpfer hinzuzufügen.
In Fig. 8 ist ein Schwungrad zur Verwendung mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelkreises dargestellt. Das Schwungrad umfaßt einen Rotationskörper, der aus einem äußeren Rotor 90 besteht, der von zwei Nagnetlagern P1 und P2 auf einem inneren Stator 71 getragen wird. Die Luftspalte 72 der Magnetlager sind für diejenigen Elektromagnete konisch, die zum Bremsen des Rotors gegenüber sowohl radialen als auch axialen Bewegungen verwandt werden. Der äußere Rotor 70 wird durch einen herkömmlichen Blektromotor 73 in Drehungen versetzt. Der Rotor ist nicht drehbar mit zwei Licht abdeckenden Scheiben 74 und 75 verbunden, von denen jede einen radial nach iuinen-gerichteten Flansch 76 und einen axial nach Innen- gerichteten Flansch 77 aufweist. Der radiale Flansch 76 arbeitet mit einem ersten Satz von Lichtquellen, die Laserdioden sein können, und einem ersten Satz von Licht sensoren 79 zusammen, die Phototransistoren sein können. Jeder Lichtsensor 79 und die entsprechende Lichtauelle bilden einen der acht radial angeordneten Detektoren. Der axiale Flansch 77 arbeitet mit einem zweiten Satz von Lichtquellen 80 und Lichtsensoren 81 zusammen, die die Detektoren Z1 oder Z2 des Lagers bilden.
In Fig. 9 ist ein Gyroskop dargestellt, das auch zusammen mit einem erfilldungsgemäßen Regelsystem verwandt werden kann. Das Gyroskop weist einen Gyroskopmotor 90 auf, der von zwei Magnetlagern P1, P2 zur Rotation um eine stationäre Achse 91 gehalten wird. Die Luftspalte 92 der Lager sind vorzugsweise zur simultanen, radialen und axialen Wirkung auf den Rotor 90 konisch ausgebildet. Ein luftdichtes Gehäuse 93 umgibt das Gyrosop und macht die Aufrechterhaltung eines Vakuum möglich, das die Reibung und die Erwärmung des Rotors 90 infolge aerodynamischer Effekte verringert. Der Rotor 90 wird von einem Elektromotor 94 angetrieben. Acht Detektoren zur Aufnahme von Signalen, die für die radiale Lage des Rotors repräsentativ sind,und zwei Detektoren zur Erzeugung von Signalen, die für die axiale Lage repräsentativ sind, sind in Form von kapazitiven Sensoren vorgesehen, wobei jeder Kondensator Elektrodenplatten aufweist, die aus Metallüberzügen auf keramischen Platten gebildet werden.
In Fig. 10 ist ein Gyroskop zur Verwendung bei Satelliten dargestellt. Das Rotationsrad 96 des Gyroskops wird von einer Welle 97 getragen, deren Achse während der Tests auf der Erde und beim Abschuß vertikal liegt. Folglich sind die axialen Bremskräfte, die auf das Rad während der Tests ausgeübt werden, weit größer als die während des Betriebes und größsr als die radialen Bremskräfte. Es ist dann vorteilhaft,nicht konische Magnetlager des in den Fig. 8 und 9 dargestellten Typs zu verwenden, sondern eher zylindrische Lager zur radialen Aufhängung und ebene Lager zur axialen Aufhängung. Die ebenen Lager umfassen ein Spulenpaar 98, das von der welle 97 getragen wird und eine einstellbare Kraft auf einen radialen Flansch 99 des Rades ausübt, das auf ein Signal, das von einem Magnetdetektor 100 abgegeben wird, einstellbar ist. Ähnlich weisen die radialen Lager 101 und 102 jeweils vier Spulenpaare, beispielsweise 103 und 104 auf. Jedes Lager ist ebenfalls mit zwei Paaren von diametral gegenüberliegenden Magnetdetektoren 105 und 106 ausgerüstet. Das Rad wird von einem von der Achse 97 getragenen Motor 107 angetrieben. Das Regelsystem kann dann dasjenige sein, das in strichpunktierten Linien in Fig. 3 dargestellt ist.

Claims

Patentansprüche

1.' Vorrichtung mit einem um eine seiner Achsen drehbaren Körper, g g e k e n n z e i c h n e t d u r c h zwei Magnetlageranordnungen, um den Körper drehbar längs einer gemeinsamen Achse der Lager ausgerichtet zu halten, wenigstens zwei Detektoren, die jedem der Lager zugeordnet sind, um Signale zu liefern, die die relative Lage des Körpers in Hinblick auch die gemeinsame Achse in einer ersten und einer zweiten Richtung senkrecht zu der gemeinsamen Achse repräsentieren, eine Steuerbare Gegenkrafteinrichtung in jeder Lageranordnung, die Kräfte auf den Körper in der ersten und der zweiten Richtung ausüben kann, und eine Rückkopplungseinrichtung, die auf die Signale zum Steuern der Gegenkrafteinrichtung anspricht, wobei die Rückkopplungseinrichtung für jede der Richtungen eine erste Einrichtung, um die Signale von den Detektoren, die der Richtung in den zwei Lagern entsprechen, zu summieren und Korrekturen, die mit den summierten Signalen ansteigen, an die Gegenkrafteinrichtung zu legen, die der genannten Richtung in den zwei Lagern entspricht, eine zlreite Einrichtung, um die Signale von den Detektoren, die der Richtung in den zwei Lagern entsprechen, zu summieren und Korrekturen, die mit der Differenz ansteigen, über einen Unschalter in einer der Lageranordnungen an die Gegenkrafteinrichtung zu legen, die der Richtung in den zwei Lagern entspricht, und einen Phasenschieber zwischen jeder der Summierungs- und Subtraktionseinrichtung und der dadurch mit Energie versorgten Gegenkrafteinrichtung aufweist.

2. Vorrichtung nach-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkrafteinrichtung in jedem der Lager zwei Paare diametral gegenüber angeordneter Elektromagnete und zwei Paare diametral gegenüber angeordneter Detektoren radialer Lage aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Detektoreinrichtung, um ein Ausgangssignal zu liefern, das repräsentativ für die axiale Lage des Rotationskörpers ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Versorgung der Gegenkrafteinrichtung mit Energie sowohl eine axiale als auch eine radiale Kraft auf den Rotationskörper ausgeübt wird, und daß die zusätzliche Dete.ktoreinrichtung über einen Phasenschieber gleichzeitig mit den Gegenkrafteinrichtungen für die erste und die zweite Richtung verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Shasenschieber, der der Subtrahiereinrichtung zugeordnet ist, ein breiteres Durchlaßband als die SummierunSseinrichtung aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Breitbandphasenschieber ein Eingangsbreitbandphasen-RC-IJetz und eine aktive Ausgangsschaltung aufweist, die einen Verstärker mit einem P.C-Rückkopplungskreis enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Gegenkrafteinrichtungen verstärkte Signale von den Sumrnierungs- und Subtrahierungsschaltungen über zweite Summierungsschaltungen empfängt, die mehrere Eingänge aufweisen, von denen jeder mit wenigstens einer der ersten Summierungsschaitungen und mit wenigstens einem der Subtrahierungssohaltungen verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kreuzschaltung zum Dämpfen von Nutationsbewegungen, die zwischen den Ausgang einer Subtraktionseinrichtung, die den Detektoren zugeordnet ist, die Signale liefern, die Ablenkungen in der ersten und in der zweiten Richtung in einem der Lager repräsentieren, und die Gegenkrafteinrichtung geschaltet ist, die jeweils in der zweiten oder ersten Richtung wirksam ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzschaltung eine Anpaßschaltung umfaßt, die einen mit der Subtrahiereinrichtung verbundenen Eingang und einen anderen Eingang, der mit einem Generator verbunden ist, aufweist, der eine Spannung mit einer für di-e Drehzahl des Körpers repräsentativen Frequenz liefert, wobei die Ereuzschaltung so aufgebaut ist, daß sie einen engen Bandpaß hat, der sich auf höhere Frequenzen zu bewegt, wenn diese Frequenz ansteigt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzschaltung ein Tiefpaßfilter und ein Differenziernetz aufweist.

11. Vorrichtung mit einem um eine seiner Achsen drehbaren Körper, gekennzeichnet durch zwei axial ausgerichtete Magentlageranordnungen, von denen jede eine erste Gegenkrafteinrichtung, um, wenn sie erregt wird, eine Gegenkraft auf den Körper auszuüben, die eine Komponente in Richtung der Achse und eine Komponente in eine erste Richtung quer zur Achse hat, und eine zweite Gegenkrafteinrichtung aufweist, um, wenn sie erregt wird, eine Gegenkraft auf den Körper auszuüben, die eine Komponente in Richtung der Achse und eine Komponente in eine zweite Richtung quer zur Achse und zur ersten Richtung aufweist, durch. erste und zweite Detektoreinrichtungen in jedem Lager, um Signale zu erzeugen, die für radiale Ablenkungen der Achse des Körpers von einer gemeinsamen Achse der Lager in der ersten und der zweiten Richtung repräsentativ sind, durch dritte Detektoreinrichtungen, um Signale zu erzeugen, die für axiale Ablenkungen des Körpers von einer bestimmten Lage repräsentativ sind, und durch Rückkopplungseinrichtungen, die auf die Signale ansprechen, um die Gegenkrafteinrichtungen zu steuern, wobei die Rückkopplungseinrichtungen für jede Richtung in jeder Lageanordnung eine erste Summierungseinrichtung, um die Signale von der ersten Detektoreinrichtung, die einem der Lager zugeordnet ist, und die Signale von der dritten Detektoreinrichtung zu summieren und Korrektursignale an die erste Gegenkrafteinrichtung der zugehörigen Lageranordnung zu legen, die mit den summierten Signalen ansteigen, erste Subtrahiereinrichtungen, um die Signale von der ersten Detektoreinrichtung, die dem anderen der Lager zu geordnet ist, und die Signale von der dritten Detektoreinrichtung zu subtrahieren und Korrektursignale an die erste Gegenkrafteinrichtung des zugehörigen Lagers zu legen, die mit den subtrahierten Signalen ansteigen, zweite Summierungseinrichtungen, um die Signale von der zweiten Detektoreinrichtung, die dem ersten der Lager zugeordnet ist, und die Signale von der dritten Detektoreinrichtung zu summieren und Korrektursignale an die zweite Gegenkrafteinrichtung des zugeordneten Lagers anzulegen, die mit den summierten Signalen ansteigen und zweite Subtrahiereinrichtungen aufweist, um die Signale von der dritten Detektoreinrichtung zu subtrahieren, und Korrektursignale an die zweite Gegenkrafteinrichtung des zugeordneten Lagers anzulegen, die mit der Differenz ansteigen.